Сборка контроллера стабилизатора сетевого напряжения на симисторах. Часть 2. Элементы защиты.
Вторая часть является продолжением подробного конструирования стабилизатора сетевого напряжения на симисторах. Я делюсь своим опытом, наблюдениями, измерениями. Пришлось сжечь не один симистор, прежде чем все стало на свои места. После прочтения статьи вы уже не будете совершать мои ошибки, а только свои… 🙂
В этой части внимание в основном уделено схемам защиты. Старался описывать все последовательно и подробно. Думаю, будет полезно аудитории разной степени осведомленности. Для упрощения схемы и ее конечной стоимости в некоторых местах использованы модули китайского производства, ссылки на продавцов найдете в описании.
Защита от слишком низкого или слишком высокого напряжения
Формируем напряжение управления защитой
К сожалению, стабилизатор не в состоянии поднять или опустить любое сетевое напряжение до нужного уровня. В таком случае необходимо хотя бы оградить электроприборы от некачественного напряжения. Должен присутствовать механизм защиты, который бы отключал нагрузку при выходе за диапазон рабочего напряжения стабилизатора. В нашем случае – это 167-277 вольт. Редко когда напряжение выпрыгивает с такого диапазона, но все же бывает.
Итак, нам необходимо обнулить выходное напряжение, в случае если напряжение в сети меньше 167 вольт или больше 277. Давайте посмотрим, что у нас уже есть и нарастим оставшиеся элементы отсюда и до выхода. Расставим, так сказать, все на свои места. Для этого посмотрим на финальную схему с первой части.
При нормальном напряжении в сети (от 167 до 277 вольт) через выводы 1,2 оптронов LTV817 ток не протекает, красные светодиоды D7, D8 не горят. Почему не протекает ток? Потому, что на выводах микросхемы логики 2 и 12 уровни напряжения высокие. Разность потенциалов, если и будет, то не большая. Соответственно ток, если и будет, то незначительный. При этом между выводами 3,4 оптронов LTV817 сопротивление очень большое, т.к. транзисторный ключ закрыт. Собственно на этих выходах находятся транзисторы с открытым коллектором. Добавим к ним притягивающее сопротивление. Рассмотрим упрощенную схему ниже:
При таком соединении мы сможем формировать некоторое напряжение, высокого или низкого уровня, на выходе схемы. Это напряжение в свою очередь будет включать или отключать реле, а реле подключать или отключать всю нагрузку на выходе стабилизатора.
Наличие высокого или низкого уровня напряжения на выходе схемы будет зависеть от состояния выходных транзисторов оптронов.
При низком напряжении менее 167В – на 2-м выводе микросхемы логики будет низкий уровень, загорается светодиод D7, транзистор открыт, низкое сопротивление между выводами 3,4 оптрона.
При высоком напряжении более 277В – на 10-м выводе микросхемы логики высокий уровень, загорается светодиод D8, транзистор открыт, низкое сопротивление между выводами 3,4 оптрона.
Т.е. при выходе сетевого напряжения за допустимые пределы, открывается один из выходных транзисторов оптрона и притягивает выходное напряжение схемы к нулю. Формируется напряжение низкого уровня, что приведет к отключению реле. И в нашу домашнюю сеть не проникнет некачественное напряжение.
Таймер включения
Теперь, представим себе, что сформированное напряжение напрямую воздействует на реле, при этом сетевое напряжение изменяется скачкообразно в пределах, например, 166.5 – 168В. В таком случае наше реле пустится в пляску из бесконечных перещелкиваний. Навряд ли это понравится нашей бытовой технике.
Не хватает промежуточного элемента – таймера включения. Если напряжение на входе таймера какое-то время будет сохраняться стабильным, таймер пропустит это напряжение через себя. Если же напряжение на входе таймера будет постоянно меняться, то и таймер будет каждый раз сбрасывать отсчет.
Здесь мне пригодился китайский таймер на чипе С005. Недорогой и миниатюрный модуль.
Подробнее о нем я писал в статье «Таймер на чипе С005». Останавливаться на принципах его работы сейчас не буду. Это готовый модуль, работающий от напряжения от 3 до 5 вольт. Потребуется впаять только времязадающий резистор. 52кОм – дадут задержку приблизительно 15 секунд при напряжении чуть менее 5 В. Чего вполне достаточно.
Распаивать нужно как на схеме ниже:
Притягивающий резистор Rпр является также токозадающим для работы таймера. Увеличивать его значения не рекомендую. Таймер или откажется работать или будет работать со сбоями, Rогр – ограничивает ток светодиода. Его значения порядка 300 Ом и выше, подбираем яркость по своему желанию.
Индикатор работы таймера
Светодиод D15 с его ограничивающим резистором я обозвал индикатором работы таймера, т.к. он буде гореть в процессе, когда таймер осуществляет отсчет. Я неспроста очертил его пунктирной линией. Все что находится внутри пунктирного прямоугольника можно заменить на другую несложную схему. При этом светодиод уже не будет скучно гореть, а будет мигать с определенной частотой, отсчитывая визуально секунды. Итак, вместо светодиода можно вставить следующую схемку:
Резистор R1 и конденсатор C1 будут задавать частоту мигания. При указанных параметрах мигание будет приблизительно с частотой один раз в секунду. Одна дешевая микросхемка и минимум навешанных элементов, зато работа смотрится солидней.
Включение выходного реле
Ну что же, будем считать, что напряжение в сети наконец-то пришло в норму, таймер благополучно отсчитал свои секунды. Осталось посмотреть, как будут управляться оставшиеся части цепи. Рассмотрим схему ниже:
Напряжение на выходе таймера откроет MOSFET-транзистор VT1, что приведет к срабатыванию реле и подключению выходной нагрузки. Диод VD1 служит для дополнительной защиты транзистора, поскольку реле для него является индуктивной нагрузкой. Сопротивление на затворе Rз порядка 20 Ом для защиты драйвера необязательно при такой частоте, но… я все же тыкаю. Реле взял от старого стабилизатора. Маркировка JQX-80. Можно и другое. Все зависит от того, кто на какие выходные токи рассчитывает. Я планирую до 40 ампер, значит реле должно быть соответствующим.
Подводя краткий итог, скажу, что подобная защита была реализована и на оригинальном стабилизаторе от РЕСАНТА. Там секунды еще на табло отсчитывались. Необходимость такой защиты, на мой взгляд, очевидна. Пусть отсутствует экран, но если подписать светодиоды… Да не так красиво, но информативно.
Питание схем защиты
Как было видно из схемы выше, для питания понадобится источник на 12В и 5В. Причем он должен быть совершенно отдельным. Не пытайтесь запитать схему защиты от ранее сделанного источника. Такой подход изменит значение управляющего напряжения на операционных усилителях, а постоянно меняющаяся нагрузка (включение или отключение реле) внесет хаос в работу контроллера. Можно установить внутрь корпуса небольшой маломощный импульсный блок питания на 12В или сделать новый «трансформаторный» источник, что тоже не так уж сложно. Например, достаточно намотать вокруг сердечника автотрансформатора несколько витков, что я и сделал. Получилось 13 витков.
Поскольку после диодного моста я собираюсь использовать маломощный миниатюрный китайский DC-DC преобразователь на микросхеме МР2307DN, на выходе которого будет стабилизировано 12 вольт, нужно подобрать для него входное напряжение, чтобы оно соответствовало его характеристикам. Входное напряжение для данного преобразователя ограничено сверху 23-ти вольтами (максимальное значение 26 вольт).
При 13 вольтах на входе, 12 вольт на выходе мы все еще удержим. Отсюда, следует намотать такое количество витков, чтобы при 160 вольтах сетевого напряжения мы получили 13 вольт на входе преобразователя. Поэтому прежде, чем начинать намотку, соберите диодный мост с фильтрующим конденсатором и повесьте на него преобразователь в качестве нагрузки (желательно с «релюхой»). Итак, если при 160 вольтах получаем приблизительно 13 вольт, то коэффициент трансформации 160/13=12,3. Это значит, что при 220 вольтах мы получим 220/12,3=17,9 вольт, а 26 вольт будет при напряжении где-то 320 вольт. Диапазон большой, но что будет с преобразователем при еще более высоком входном напряжении… Возможно калапс (при 27 вольтах проверено – выживает).
Итак, наматывая обмотки, измеряем сетевое напряжение и добиваемся, чтобы отношение сетевого к выходному напряжению составило приблизительно 12,3.
В конце манипуляций на выходе преобразователя получаем 12 вольт. В основном они понадобятся для работы реле, поэтому качество выходного напряжения не столь важно. Хотя стоит отдать должное качеству самого преобразователя. Амплитуды пульсаций вполне сносные. Главное преимущество DC-DC преобразователя — низкий нагрев даже при большой разнице входного и выходного напряжения (большой КПД).
Для получения более качественных 5В воспользуемся еще одной микросхемкой стабилизатора 78l05. В целом получится такая схема:
Отмечу, что источник напряжения для цепей защиты и источник напряжения, для питания и управления операционными усилителями, будут иметь между собой гальваническую развязку с помощью оптоэлектронной связи. Шина заземления общая.
Защита от перегрева
Есть еще один фактор, от которого лучше обезопасить стабилизатор. Хорошо если стабилизатор предназначен для стабильной работы конкретной электротехники. При этом нагрузка на стабилизатор обычно входит в допустимые пределы (если прибор не замкнет накоротко, конечно). Немного по-другому обстоит дело, если через стабилизатор запитана вся квартира или дом. И семейные пользователи могут забыть, что стабилизатор «не резиновый». «Тыкая» в розетки электроприборы (бойлеры, чайники, обогреватели и т.п.), увеличиваем нагрузку на стабилизатор, увеличивается ток, протекающий через некоторые элементы схемы.
При этом основной удар принимают на себя симисторы. Даже несмотря на низкое сопротивление канала в открытом состоянии, на симисторе падает напряжение порядка 2 вольт. И при нагрузке мощностью в 1кВт на симисторе будет рассеиваться приблизительно 9 Вт тепла, а это не мало. Нужен увесистый радиатор. Поскольку я собираюсь установить симисторы BTA41-600B рассчитанные на 40 ампер, то нужно понимать, что при таком токе потребуется рассеять порядка 80 Вт тепла. Здесь без активного охлаждения не обойтись (применил улучшенный вариант схемы, описанный в статье «Управление вентилятором от датчика температуры»). Согласно данным разработчика рабочая температура симистора BTA41-600B лежит в пределах от -40 до +125 гр. по Цельсию. Температура большая, но не беспредельная (в смысле у нее есть предел :)). Таким образом, с увеличением величины потребляемого тока растет количество тепла выделяемое на теплоотводе. Контролируя температуру теплоотвода симистора, мы можем контролировать максимальный ток и защитить стабилизатор от перегрузки.
На помощь снова приходит китайский модуль W1209. На этот раз даже будет информативное табло с указанием температуры. Датчик модуля необходимо плотно прижать (приклеить термоклеем) и прикрутить к радиатору.
Инструкция по настройке W1209:
При необходимости нагревать контакты реле будут замыкаться, при необходимости охлаждать – размыкаться. Для входа в меню нажимаем и удерживаем более 2 секунд кнопку «SET». На экране появится «Р0» — это первый раздел программного меню. Всего их девять от Р0 до Р8. Для входа в необходимый раздел нужно еще раз нажать «SET». Кнопками «+» и «-» осуществляется навигация по программному меню, а также изменение значений внутри раздела.
Раздел Р0 – выбираем нужный режим «С» это охлаждение, «Н» — нагрев.
Раздел Р1 – гистерезис, разница температур, при которой включится или выключится термостат (по умолчанию 2 градуса по Цельсию). Т.е. если терморегулятор выставлен на температуру 50 градусов, то при достижении этой температуры реле терморегулятора разомкнется. Включится, когда температура опустится на величину гистерезиса (если не менять настройки – при 48 градусах)
Раздел Р2 – верхний предел установки поддерживаемой температуры (по умолчанию 110)
Раздел Р3 – нижний предел установки поддерживаемой температуры (по умолчанию -55). При достижении температур -55 или +110 терморегулятор W1209 отключится.
Раздел Р4 – здесь можно откалибровать температуру с шагом на одну десятую градуса (по умолчанию 0)
Раздел Р5 – задержка времени включения реле, до 10 мин (по умолчанию 0)
Раздел Р6 – защита от перегрева. OFF – защита выключена, ON – включена.
Раздел Р7 – температура защиты от перегрева, терморегулятор отключится при достижении (по умолчанию 50)
Раздел Р8 – переключение сбросит на заводские установки.
Если Р8 отсутствует для сброса необходимо: отключить питание, нажать и удерживать кнопки «+» и «-», подать питание на терморегулятор. На дисплее появится «888» и отобразится текущая температура.
Для установки контролируемой температуры нажимаем кнопку «SET», индикатор начнет моргать, кнопками «+» и «-» устанавливаем нужную температуру.
Настройки модуля установил следующие:
P=0 — нагрев «Н»
Р=1 — 30 (максимально возможное значение)
Р=2 — по умолчанию (110)
Р=3 — -10 (при температуре меньше -10 реле не включится)
Р=4 — 0 (не калибровал)
Р=5 — 14 (14 сек задержки, немного меньше основного таймера)
Р=6 — «ON» (включил защиту)
Р=7 — 100
Р=8 — (не трогать иначе будет сброс настроек)
Температура срабатывания — 90 градусов
Основная защитная задача W1209 отключать питание микросхемы К1533ЛН1. Без питания микросхемы отключится питание всех оптосимистров. Все симисторные ключи закроются. Питание домашних электроприборов отключится. Начнется процесс охлаждения (при наличии встроенного вентилятора более быстрый). При охлаждении до температуры, заданной в настройках гистерезиса W1209, стабилизатор снова выдаст напряжение в нагрузку. Таким образом, пользователям либо придётся отключить лишнюю нагрузку, либо использовать байпас в обход стабилизатора, либо продолжать наслаждаться процессом включения/отключения защиты 😊.
Температуру срабатывания необходимо устанавливать исходя из размера радиатора и максимально допустимой мощности. Для этого достаточно измерить нагрев при максимальной нагрузке и отталкиваться от этой температуры.
Кстати, это еще не все фишки. В конструкции W1209 предусмотрена возможность задержки срабатывания, что будет полезно особенно при первом подключении стабилизатора или при включении после пропадания сети. Время задержки нужно установить чуть меньше, времени работы таймера описанного выше. Таким образом, сначала будет подаваться питание на операционные усилители, и устанавливаться напряжение на их входах, и только потом, микросхема логики подключит требуемый оптрон и соответственно необходимую обмотку трансформатора.
Дело в том, что при включении стабилизатора, особенно с мощным трансформатором, возникает электромагнитная волна, плюс все обмотки трансформатора – это индуктивная нагрузка. Нарастание тока не останавливается на заданном рубеже. Управляющее напряжение на входе операционного усилителя может улетать на максимумы и только потом устанавливаться на правильном значении.
Кстати, вот вам, как сейчас модно говорить, «лайфхак». При настройке схемы контроллера (симисторы не подключены), подаем напряжение от трансформатора на операционные усилители и их входы. Смотрим на переключение светодиодов. Если переключение светодиодов происходит последовательно, и последний загоревшийся светодиод продолжает гореть – все нормально. Если включение идет волной, заходит дальше, чем нужно, затем возвращается – Вы не впаяли конденсатор С5 по схеме или он вышел из строя. Да, этот конденсатор не только гасит пульсации после диодного моста с фильтром, но и защищает от всплеска напряжения при первом включении (по меньшей мере, весомо). Кстати керамический конденсатор может долго не прожить, ставить желательно электролитический вольт на 50.
Ну, и при отключении или пропадании сетевого напряжения, реле W1209 отщёлкнет питание микросхемы логики и заблокирует управление симисторами раньше, чем начнется колебательное движение на входах «операционников».
Схема после добавления модуля:
Подключение симисторов
Что, касается симисторов, то все свои эксперименты я проводил на симисторах BTA-41. Здесь буква А означает – изолированный теплоотвод, 41- рассчитаны на проходной ток 40 ампер. Есть похожий симистор с маркировкой BTB-41, у него теплоотвод – это тот же анод А2, т.е. средняя ножка вывода. Радиатор для симистора BTB-41 должен быть отдельным для каждого. Плюс должна быть изоляция радиатора от симистора. Короче, не лучший вариант. Есть еще серия ВТА40 и я буду брать ее на замену BTA-41, не смотря на 4-х кратную разницу в цене.
В целом у серии ВТА40 те же характеристики, тоже изолированный теплоотвод, но с улучшенными теплопроводными характеристиками. К тому же ножки более короткие и толстые. Для крепления на массивный радиатор BTA-41 не особо подходит. Его выводы слабоваты и могут быстро отламываться, т.к. на них будет давить упругость припаиваемых толстых проводников. Помучился я с ними.
В остальном же производитель заверяет, что серия BTA / BTB40-41 большой мощности, подходит для переменного тока общего назначения. Они могут использоваться для включения/выключения, как статические реле, регулирование нагрева, водонагреватели, пусковые цепи асинхронного двигателя, для сварочного оборудования … или для управления фазой в мощных регуляторах скорости двигателя, цепях плавного пуска. Благодаря своей технологии сборки они обеспечивают превосходную производительность при работе с импульсным током. Внутренняя керамическая прокладка у серии BTA обеспечивает изоляцию по напряжению (среднеквадратичное значение 2500 В).
В общем, на мой взгляд, такие симисторы вполне подходят для коммутации обмоток стабилизатора сетевого напряжения.
Как с помощью оптосимисторов управлять симисторами смотрим подробней в статье «Симисторная оптопара. Управление симистором». Повторяться нет смысла. Рисуем схему, где с левой стороны — выходные части оптосимисторов, а справа – силовая часть:
Если напряжение в сети на уровне 167-180В, через микросхему логики происходит подключение первого оптосимистора. И, соответственно, открытие симисторного ключа VS1, ток с красного вывода трансформатора начинает протекать через нагрузку. Красный вывод – повышающий, причем максимально. Т.е. при самом низком рабочем напряжении на входе стабилизатора, на выходе имеем максимально увеличенное значение напряжения.
При росте входного сетевого напряжения, наступит момент, когда, отключится первый оптосимистор, но при этом последует включение второго. Но второй оптосимистр подаст управляющее напряжение на открытие симистора VS2 не сразу, а только после перехода синусоиды сетевого напряжения через ноль. Отключение же оптосимистора не приведет к моментальному закрытию симистора. Он закроется только в момент смены направления тока. И как было сказано, в этот же момент проявит себя второй оптосимистор, открыв ключ VS2. Форма выходной синусоиды не исказится.
Итак, при открытии симистора VS2 подключится уже желтый вывод обмотки. Напряжение повысится, но уже не так сильно. Подключение зеленого вывода обмотки уровняет входное и выходное напряжение, красного – приведет к снижению выходного напряжения. Такие же процессы будут происходить в обратном порядке. Выходное напряжение автоматически будет приводиться к допустимым значениям.
Параллельно выходу можно повесить варистор с напряжением, превышающим допустимое. Варистор защитит не только от превышения напряжения, но и станет дополнительной защитой симистора при подключении к индуктивной нагрузке.
На входе стабилизатора желательно также подключить второй варистор параллельно питающему сетевому напряжению. Он задержит высоковольтные всплески, распространяющиеся по сети питания. Не думаю, что есть, смыл ставить предохранители возле варисторов, при расчете на большой ток потребления. Автоматический выключатель на входе должен отключиться, если сработает варистор. Не сработает, значит — максимум «бахнет» варистор. Поэтому варистор желательно устанавливать подальше от основных схем.
Для контроля напряжения на входе и на выходе неплохо будут смотреться китайские вольтметры переменного тока. Вольтметры продаются разных цветовых исполнений по вполне доступной цене. Правда разница в показаниях при измерении одного и того же напряжения может составлять до 5 вольт. Проблема решается за полчаса. Как это сделать подробно читайте в статье «Калибровка китайского вольтметра переменного тока 60-500 вольт»
Послесловия к первой и второй части
Работая над схемой, пришлось потратить немало свободного времени. Разобрался ли я во всех тонкостях? Наверное, нет. Скажу точно, одно дело смоделировать схему на компьютере, другое – собрать ее практически. Какие бы точные теоретические расчеты не проводились практика вносит свои тонкости. Незримые влияния все портят и заставляют начинать все с начала.
Так, например, я разместил плату для регулирования скорости вентилятора рядом с микросхемой логики и все… Она внесла помехи и испортила качество переключений. Пока разобрался ушло время. Плату перенес к вентилятору. Все платы, находящиеся на удалении друг от друга, соединил экранированными проводниками. Короче, не нужно забывать о мелочах.
После проверки схемы латром, выявил некоторые несоответствия расчетных напряжений переключения. В таблице представлены некоторые новые замеренные напряжения, а также их отношение.
Значения в правой колонке теоретически должны быть одинаковыми, но как можно заметить они уменьшаются и вносят неточности в расчеты. Если кто знает причины такой нелинейности пишите в комментариях, всем будет полезно.
Величины напряжений повышающих и понижающих обмоток тоже, как не странно, пришлось пересмотреть. В результате вот такое обновление:
И соответственно пришлось пересчитывать делитель напряжения:
(R+R2)=360.1 кОм, R3=19976 Ом, R4=12487 Ом, R5=15841 Ом, R6=12587 Ом
Настоятельно рекомендую на стадии проверки и испытания использовать предохранители на выходах обмоток. При этом к выходу стабилизатора необходимо подключить нагрузку, например, обычную лампочку на 220 В. Предохранители от 1 до 3 ампер вполне подойдут. В случае ошибки при сборке они уберегут ваши симисторы.
На стадии последних испытаний пришлось добавить в качестве постоянной нагрузки (установлена до реле) цепочку из конденсатора емкостью 0,1 мкФ/250 В, резистора на 1 кОм и двух светодиодов, включенных параллельно разнонаправлено друг другу. Светодиоды для индикации. Без этой цепочки предохранители вылетали уже при подаче напряжения на трансформатор.
Будьте также осторожны с защитными RC цепочками возле симисторов. Не смотря на то, что через них проходит мизерный ток, но при переключениях предохранители из-за них тоже вылетают. Возможно, потому, что я имел дело с трансформатором большой мощности. Его обмотки также являются сильной индуктивной нагрузкой. Вероятно значение сопротивления резистора в защитной цепочке нужно увеличить до 360 Ом, как рекомендуется в даташите оптосимистора. И как вариант параллельно емкости подключить резистор на 1 Мом.
Я же решил закончить на этом эксперименты. Оставляю почву для размышлений читателям. Я же убрал 2 защитные RC-цепочки через одну. Предохранители перестали вылетать. Переключения стабилизировались.
Все изменения будут отображены в конечной схеме. Скачать схему можно здесь.
Заранее спасибо за 5 * ↓ 🙂
И наконец немного фотографий:
На снимках ниже показаны переключение в разных диапазонах. Загорается соответствующий светодиод. Напряжение на выходе в допустимом диапазоне.
