Стабилизатор на мрежово напрежение ~220V
Част III: Релейно-трансформаторен стабилизатор

    В едноименната статия, част II, разказах за моите експерименти за реализиране на електронен стабилизатор на мрежово напрежение от повишаващ тип, в който основният елемент за регулиране е мощен полеви транзистор IRF840. Припомням, че се използваше метода на добавъчно напрежение, волтодобавка.

    В част I разгледах три основни метода за стабилизиране на мрежовото напрежение, които аз съм експериментирал, а сега представям електронен релеен метод с превключване на волтоддобавка чрез схеми за детектиране на напрежителни прагове. Това се постига отново с волтодобавъчен трансформатор, чиито вторични намотки се превключват в подходящ порядък към първичната намотка на трансформатора. И тук основното предимство на схемата е използването на значително по-маломощен трансформатор, отколкото мощността на товара. В такъв смисъл колкото по-голяма е мощността на трансформатора, толкова по-голяма е полезната мощност, отдавана върху товара, умножена по коефициента на трансформация (с отчитане на загубите) между първичната и вторичната намотка. Естествено, за да се осигури тази мощност, трябва да се приложи подходящ по сила ток. Моят трансформатор беше с допустим ток на вторичната намотка е 3,3А.

    В тази статия ще разгледам електронен релеен метод с превключване на волтодобавка от релейно-трансформаторен тип.

    Но защо се отказах от електронния стабилизатор, публикуван в Част II? – Защото отдаваната мощност не зависи от мощността на трансформатора, а от мощността на транзистора, който се оказа ограничителния елемент. При релейния метод на превключване на части от волтодобавъчната вторична намотка, товара се прилага изцяло върху тях и не зависи от друг елемент. От друга страна, недостатък на това управление са контактите на релетата, които биха могли да искрят. Но с подходяща искрогасяща група този негатив може да се отстрани. При малки мощности на товара този метод е изключително привлекателен. Именно затова е най-използван във фабричните стабилизатори на мрежово напрежение за битови цели, където не се изискват мощности по-високи от 4-5 киловата.

    Преди всичко първо трябваше да избера подходящи схеми за управление на релетата. Насочих се към схеми, представляващи прагови устройства по напрежение (известни като – защита от пренапрежение, прагови детектори, voltage detector, threshold detector). С подходящи настройки на напреженията можеше да ги накарам да сработват при определено напрежителен праг. Предвид на вида на трансформатора, който използвах, с напрежение във вторичните намотки 2 х 18V, очевидно трябваше да се съобразя с прагове на напреженията през 18V и 36V, което по-долу е описано. Експериментирах няколко принципни схеми на прагови детектори, реализирани с транзистори. Целта, която си поставих беше да потърся лесна и непретенциозна за изпълнение при домашни условия схемичка, която въпреки това да дава задоволителни резултати. Естествено отново се поразрових в интернет и изнамерих няколко, включително с операционни усилватели и компаратори, като реших последните да тествам малко по-късно. След това запретнах ръкави, снабдих с достатъчно дълъг монтажен проводник и започнах практическите си "свещенодействия“. Но нека не избързвам, а преди това да ви покажа три от схемите на праговите детектори, които ми вдъхнаха повече доверие, а и отговаряха на първоначалния замисъл:

    Експериментите направих със захранващо напрежение 24V по съвсем тривиални причини – за да използвам релета за 24V, но най-вече поради по-малкият им ток на консумация, около 16mA при включено състояние.

    В схемите на фиг. 1, 3 и 4 основен елемент на детектора на прага е ценеровия диод. Във всички схеми транзисторът се насища когато напрежението достигне напрежението на отпушване на ценера и тогава се включва релето в колектора на ключовия елемент, изпълнен с транзистор. По-различна е схемата на фиг. 2, но и тя сама по себе си е прагово устройство, чиито параметри се определят чрез резисторите, определящи постояннотоковия режим на транзисторите. Тази схема позволява регулиране на ширината на хистерезиса между прага на включване и прага на изключване. Това се извършва чрез R5 и R6, като премахването изцяло на резистора R6 довежда до най-тесен хистерезис и обратно – при показаната стойност на резистора хистерезисът достига 150V до 250V. Очевидно е, че е твърде голям, но и най-малкият беше 5-6V, а тази стойност също е твърде голяма за да говорим за точност на включване и изключване. Затова и се отказах от използването на схемата от фиг. 2. Въпреки това общата принципна схема на стабилизатор, изграден с две стъпала, реализирани с праговите детектори от фиг. 2 има следния вид:

    Всъщност хистерезисът е полезен и има своето значение, стига да е в умерени граници. Причината е, че при плавно изменение на напрежението, когато то доближава прага на включване, транзисторът преминава през състояние в клас А и релето няма рязко включване, а стъпално. При наличие на хистерезис от порядъка 1-3V този ефект намалява в значителна степен.

    Така след като изпробвах всички схемни решения на прагови детектори, показани в началото, избрах тези от фиг. 1, 3 и 4. Фиг. 3 и фиг. 4 са еднотипни. Във втората прагът се избира по-лесно и по-точно, регулировката е също лесна и точна. На практика се оказа, че вариантите на прагови детектори, които бих могъл да използвам в бъдещия стабилизатор са схемите от фиг. 1 и фиг. 3 (фиг.4 за фино регулиране). Практически, пробите направих на "хвърчащ“ монтаж (обемен) направо върху работния плот, като елементите запоих директно върху релетата за носеща конструкция. Така изпробвах всеки блок поотделно. Разбира се променях стойностите както на резисторите, така и на ценеровите диоди. А ето и самите експерименти в обемен монтаж по реда на схемите от фиг. 1 до фиг. 3:

    А ето и една от принципните схеми, базирана върху показания по-горе прагов детектор от фиг.1, по която реализирах един от стабилизаторите:

    Признавам си, доста се постарах да намеря двуанодни ценер диоди. Е да, намират се, но не стойностите, които бяха показани в оригинала на тази схема, която виждате по-горе. В руската статия бяха заложили стабилитрони КС220Ж/КС222Ж или комбинация от други. Аз, обаче, реших да избягна от това неудобство и заместих двуанодните ценер-диоди с обикновени. Такива се намират по-лесно. След това направих в "хвърчащ" (обемен) монтаж едно от стъпалата за да мога да определя стойностите на напрежителните прагове и, естествено, да експериментирам тези прагови устройства. Това стана с показаната по-долу тестова "установка":

    Тя ми позволи да експериментирам с различни стойности на ценеровото напрежение. След като се уверих, че устройството сработва при различни напрежения, естествено с ценери с различна стойност, 22V и 24V, принципната схема придоби следния вид:

    Както се вижда, двете стъпала са свързани с трети ценеров диод (между колектора на Т1 и базата на Т2), чиято задача е да не допуска едновременно включване на двете релета. Препоръчва се пробивното напрежение на този ценер да бъде по-малко от 20V, с което се гарантира, че няма да влияе на състоянията на стъпалата, ако стойността му беше равна или по-голяма от тази на ценерите в базите на транзисторите, с които се определят двата прага на включване на релетата. След като намерих такъв двуаноден ценер за 18V, окончателно принципната схема придоби своя вид и аз седнах пред клавиатурата на компютъра и изчертах печатната платка. На платката съм предвидил място за последователно свързани на ценерите диоди, с които бих могъл по-точно и фино да регулирам праговете на превключване на релетата, което би ми било от полза ако накрая се налагат допълнителни настройки.

    Оказа се при практическата реализация, че подбора на двата ценера определящи праговете на отпушване на транзисторите, е от основно значение. Според автора (виж литературата) на оригиналната схема двата ценера D5 и D7 би следвало да бъдат с напрежения на стабилизация Uz = 22V и Uz = 24V и с препоръката донастройването да се направи с последователно свързване на силициеви диоди. Оказа се, че за да постигна тези прагове, трябваше да събера набор от ценерови диоди с различни стойности. Това занимание също се оказа труден и бавен процес, включително експериментирането с комбинация от по два ценерови диоди, чиито сумарни напрежения на стабилизация бяха в търсените от мене граници. Накрая след този щателен подбор, получих за D5: Uz = 20V, а за D7: Uz = 24V. Но за последния се наложи с цел по-фино регулиране на прага да добавя един германиев диод, така че общата стойност на диодите стана 24,2V.

    Докато експериментирах различните комбинации от блокове, напрежения и релета, печатните платки, които бях дал за обработка станаха готови. Тук трябва да отбележа, че аз винаги правя за един проект по няколко печатни платки с различни модификации, а често се опитвам на една платка да направя всички комбинации, като после в процеса на реализацията само пререждам елементите. Така стана и този път и получих две платки. Естествено, веднага седнах на работната маса и "налепих" всичко онова, което разказах до тук. Получи се ето тази красота:

    Вероятно си задавате въпроса: защо на платката има повече релета? И светодиоди?

    На същата платка съм предвидил времезакъснително реле (Delay Timer) чиято задача е да включва товара след около 6-8 секунди, което позволява кратко време за установяване на изходното напрежение след включване на стабилизатора. Също така съм предвидил светодиодна индикация за включен праг (включено реле), като паралелно на бобините на релетата съм поставил последователна група от резистор със стойност 1,5k и светодиод. Принципно това не е необходимо, но пък е атрактивно. Схемата на времезакъснителното реле ще покажа в друга конструкция, но то е съвсем елементарно реле с два транзистора, свързани в схема "Дарлингтон".

    След като направих платката, следващата стъпка беше да я свържа с вторичните намотки на трансформатора без да забравям за проводника от съществено значение, свързваш първичната намотка към комутиращата част за да получа волтодобавъчното напрежение. Но ето и крайният резултат показан на следващите снимки в последователен ред на повишаване на напрежението на входа от 175V до 250V:

Архив [zip,pcb,spl7][21kb]

    При 175V изходното напрежение е 205V, а при 250V то е 230V. В интервала 205-230V изходното напрежение на стабилизатора следва напрежението на мрежата, тоест е нормално, 220V, +10V/-15V.


Литература:

1. Электронно-релейный стабилизатор напряжения
2. О. Ященко "Стабилизатор переменного напряжения", сп. Радио, бр 1, 1981 година
 

Валери Терзиев
26 януари 2016 година