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

    В част III разказах реализацията на едно хрумване с използване на прагови устройства, които управляваха две релета, чрез които се комутираха вторичните намотки на трансформатора. Не се колебах твърде дълго и реших да изпробвам описаните в Част III прагови детектори. Така започнах и този експеримент.

    За конкретната схема, която може да видите по-долу, трансформаторът, с който разполагах е 120W, с две последователно свързани вторични намотки по 18V/3,3А, който използвах и за предишните два експеримента. А сега ви представям следващата, също така непретенциозна и лесна за изпълнение принципна схема, която реализирах:

    Припомням, че идеята за тази реализация ми хрумна случайно, след като разгледах доста схеми, които ми попаднаха в интернет. В повечето масово се използваха интегрални компаратори за управление на релетата. Аз реших, че е време да видим какви са възможностите на транзисторите, които позабравихме напоследък с появата на интегралните схеми. Принципът на работа на горните прагови детектори е много елементарен: в базата на едно транзисторно стъпало, работещо в ключов режим, е зададено напрежение, което зависи от захранващото напрежение на стъпалото. Когато то се повиши над определена стойност, транзисторът преминава от запушено в наситено състояние, при което релето в колектора му се включва. Примерно, тази елементарна схемичка може да се онагледи с елементите T1, R2, P1, R5, D6, R7, C3, Rel1. Абсолютно същата може да видите осъществена с транзистора Т2. Така двете стъпала, изпълнени с транзисторите Т1 и Т2 биха могли да се настроят да включват на два различни прага на напрежение. Кондензаторите С3, С4 служат за намаляване на въздействието на ефекта на преминаване на транзисторите от запушено в наситено състояние. Без тях, дори, се чува доста силен брум от вибрациите на контактите. С тази схема се осъществява комбинация от два елемента с три положения, които са напълно достатъчни да превключват двете вторични намотки на трансформатора, както следва:

        А) към повишаване:

        - мрежово напрежение (+) 18V

        Б) към понижаване:

        - мрежово напрежение (-) 18V

        - мрежово напрежение (-) 36V

    Така получих следните приблизителни стъпки на корекция на напрежението на стабилизатор:

        - 180V-205V
        - 205V-230V
        - 230V-250V

    Тези стъпки на превключване съм избрал аз, а вие може да изберете други, благодарение на възможността за регулиране на праговете с тример-потенциометрите Р1 и Р2. Тези стъпки зависят, най-вече, от напрежението на вторичните намотки на трансформатора, с което трябва да се съобразите. Например при стъпка 40V, най-ниската стойност на входното мрежово напрежение ще бъде 180V, а ако направим компромис с изходното напрежение (210V), то входното напрежение може да бъде 170V. Най-плавно се превключват праговете през 20V.

    С посочените стойности на праговете на превключване на релетата, на изхода на стабилизатора с товар лампа 100W получих следните напрежения:

        А) при мрежово напрежение 175V – изходно около 205V
        Б) при мрежово напрежение 185V – изходно напрежение около 219V
        В) при мрежово напрежение над 230V, до 250V – изходно напрежение около 210-230V

    Очевидно е, че стъпковото регулиране на напрежението не е с голяма точност и зависи от избраното напрежение на всяка една стъпка, в случая около 18V/36V. Естествено е, че колкото стъпите са повече на брой, а напрежението на една стъпка е по-ниско, толкова точността на стабилизация нараства. Все пак с това не е нужно да се прекалява, тъй като масовата техника, която се използва в бита работи със стандартно напрежение, като най-често то е 220V +5%,-10%, в интервала 210-230V. Трябва да се има предвид, че само преди няколко години нашата страна, като член на Европейския съюз, прие европейския стандарт за мрежово напрежение ~230V и вече по-новите електроуреди (включително китайски внос) са оразмерени при това напрежение.

    Разбира се, преди още да изчертая печатните платки, исках да бъда сигурен, че идеята ми да използвам схеми за защита от пренапрежение е добра, но най-вече, че е работеща. Затова, направо върху работния плот, с обемен монтаж, събрах двете транзисторни стъпала. Не беше важно какъв товар може да издържи схемата, а дали ще проработи и то правилно. Затова използвах монтажен проводник – бързо, лесно и ефикасно. "Събирането" на елементите в устройство се оказа най-малката работа. По-прецизната и времеотнемаща дейност беше настройката на праговете на сработване на транзисторните стъпала. За целта в началото групите R2, P1, R5 и R3, P2, R6 заместих с тример потенциометри по 5 kΩ. Макар и по-рязко и неточно, но по този начин доста бързо намерих приблизителните стойности на напреженията на праговете, след което започнах бавно и внимателно да донастройвам докато постигнах описания вече резултат.

    На снимката по-долу съм показал тази "луда" постановка:

    Ценеровите диоди, които съм използвал са руски Д808, но могат да се използват всякакви маломощни ценерови диоди с напрежение на стабилизация 7-9V, но при Uz = 7,5V би следвало да получите същите стойности на праговете на напреженията, които съм описал по-горе и да загубите по-малко време за настройка. Може да опитате с няколко стойности на Uz според пъргавината на включване на контактната група на релето. Транзисторите са какви да са бързопревключващи Si транзистори. Аз съм използвал BC547С, които са с много висок коефициент на статично усилване, който подсилва този ефект. Диодите в захранването са 1N4007, но могат да се използват всякакви други изправителни диоди за напрежение над 30V. Описаната схема е изключително проста за изпълнение и тръгва веднага. На снимката по-горе е показано едно стъпало. Забележително – само седем елемента!

    След като получих платките от производителя, прехвърлих елементите върху печатна платка, и направих монтажа с проводници със сечение минимум 1 кв. мм. за да гарантирам по-висок ток към товара, съответно по-голяма мощност (300W). А ето как изглежда платката:

    На снимките се виждат и светодиодите, предназначени за индикация на включените прагове/релета. Третият вдясно служи за индикация при включване на таймера. Няколко думи повече за този таймер – той също е транзисторен, изпълнен е с два транзистора свързани по схема Дарлингтон и неговата цел е да включи товара след няколко секунди, примерно 6-8 сек. Това време е достатъчно за да може с включването на стабилизатора, двете стъпала на праговите детектори да застанат в установено състояние (обикновено това става за около 1 секунда) и едва тогава на изхода на стабилизатора да се подаде напрежение към съответния уред към който е свързан (хладилник, телевизор, но с мощност не по-голяма от 300W).

    Принципната схема на споменатия таймер е изключително елементарна и лесна за изпълнение, но една от задачите на моите експерименти беше да използвам възможностите на транзисторите и да експериментирам различни схемички, които макар и простички да вършат работата, за която са предназначени:

    С показаните на горната схема стойности на елементите таймера сработва след около 8 секунди, но с помощта на тримера Р1 това закъснение може да се регулира и например да бъде по-късо – 2-3 секунди. Диодът D1 спомага за бърз разряд на времезадаващия електролитен кондензатор С1, а ценерът D2 спомага за по-точно сработване (с праг) на релето при достигане на точката на отпушване докато се зарежда кондензатора С1. Схемичката работи безупречно и безпроблемно. Същата може без никакви промяна да се използва и със захранване от 12V (ако се смени релето). При захранване от 24V е възможно последователно на бобината на релето да се свърже светодиод, служещ за индикация при включване. Тази възможност съществува, тъй като за реле тип RAS2415 бобината е със съпротивление 1.6 к, а токът 15 mA. Разбира се при захранващо напрежение 12V това свързване е невъзможно, тъй като токът през бобината на релето е 35mA и светодиодът ще пробие. При това захранване, индикаторен светодиод може да се свърже в последователна комбинация с резистор със стойност 1к паралелно на бобината на релето, както съм предвидил на печатната платка.

    На следващите снимки съм показал зависимостта на изходното стабилизирано напрежение от входящото напрежение на мрежата. Промяната на напрежението на мрежата съм имитирал чрез латер:

    Показанието на волтметъра със синята скала е напрежението на мрежата, а показанието на мултицета, на изходното стабилизирано напрежение. Показал съм пример с мрежово напрежение 180V, при което напрежението на изхода на стабилизатора е 210V, но дори при 175V, изходното напрежение от 205V е приемливо. Това отговаря на стандарта 220V +5%/-10%. На следващата снимка съм показал стабилизатора в състояние на всички включени релета, тоест всички индикаторни светодиоди работят – това се получава при напрежение 250V:

    От описаните до момента три експеримента (два от които в част III), тази реализация е най-подходяща и лесна за изпълнение. Тя позволява плавно регулиране на праговете на включване на релетата, което от своя страна увеличава възможностите за използване на трансформатори с различни вторични напрежение, от 2х15V до 2х24V, но не повече, тъй като се разширява прозореца от работно напрежения и е възможно при прехвърляне на границата от 230V да се повреди уреда, за който е предназначен стабилизатора. Най-добри резултати се получават с трансформатор, чиито вторични намотки са с напрежение 2х20V, при което праговете на превключване могат да се настроят съвсем точно през 20 волта. Разполагам с такъв трансформатор, но за съжаление с мощност 80VA, което е абсолютно недостатъчно, още повече, че токът на вторичните намотки е само 2A. Припомням, че при волтодобавка от 40 волта, коефициента на предаване на трансформатора е 5.5 пъти, тоест максималната изходна мощност на стабилизатора би била около 400 VA, представляващи около 220W при cosφ=0,5÷0,6. Тази мощност, обаче, е напълно недостатъчна дори за захранване на хладилник. Причината е, че старта на компресора създава преходен процес при който пиковата мощност е 2-3 пъти по-висока. На следващата снимка е окончателния вариант на вече сглобения и изпитан стабилизатор:

    Поради по-оперативните възможности, методът на релейно - трансформаторното стабилизиране е на-често използвания във фабричните монофазни мрежови стабилизатори.

    В архива към тази статия може да намерите схемите и печатните платки, върху които са реализирани.

    Но ето, че се зададоха няколко дни празници, а ние обичаме да ходим на гости. И ето така се снабдих с един стар неработещ стабилизатор "Стабор-130”. Оказа се чудесно попадение. Реших да използвам кутията и да вместя в нея моята конструкция. Но-о-о, преди това се снабдих с трансформатор с изходящо напрежение 2х20V и реших да изпробвам стабилизатора, както казах току-що. Върху него пишеше 2000 mA, но никога не вярвайте на "Произведено в Чайна”. Оказа се, (а може би е въпрос на разбиране), че те са сумирали тока от двете намотки. Което за мен означаваше, всъщност 1A. Да-а-а, но с 40VA мощност не мога да постигна поставената цел. Наложи се да купя още няколко трансформатора, еднакви, разбира се и да ги включа в паралел. На следващите снимки ще видите монтирани три, но в кутията има място за още два. Но и с монтираните три трансформатора постигнах сумарна мощност на трансформаторите 120VA, което съответстваше на предварителното задание – тоест да получа изходяща мощност на стабилизатора по-добра от 300W. По изчисленията, които обясних в Част III, максималната мощност е малко над 600VA. А ето порядъка на сглобяване на стабилизатора в кутията на "Стабор-130":

    И след като ви показах порядъка, по който започнах сглобяването на стабилизатора, оставаше да свържа проводниците и да осъществя връзките между трансформаторите и платката. Но за да запази стабилизатора външния вид на "Стабор-130”, всички външни части останаха непроменени, но съм ги използвал – двата предпазителя, по един за входното и изходното напрежение, ключа за мрежовото захранване, индикаторната глим-лампа. Последната е свързана към изхода и светва едва след като сработи времезадържащото реле (Time Delay Timer).

    А ето следват няколко снимки на окончателното свързване и монтаж и на готовото устройство:

    Бъдете сигурни, че не съм оставил електрическите връзки неизолирани. Но за пробата това беше достатъчно, стига да се внимава. На следващата снимка е окончателния вид на стабилизатора в работно състояние:

Архив [zip,pcb,gif][75kb]

Валери Терзиев
2 вефруари 2016 година