Стабилизатор на мрежово напрежение ~220V
Част V: Релейно-трансформаторен стабилизатор 1200W

    Вече разгледах основния принцип на работа на стабилизатор за мрежово напрежение, в който се използва волтодобавка от напрежението на вторичните намотки. Такава беше схемата с две вторични волтодобавъчни намотки на описания в Част IV маломощен стабилизатор. Но упомената мощност от 300W може да се окаже недостатъчна, ако разполагаме в дома си с повече електроуреди, които имат необходимост от стабилно захранващо напрежение. Ето по този път тръгнах и аз. От една страна исках да увелича полезната мощност, а от друга да намаля още входното напрежение, което подлежи на стабилизация. Припомням, че описаната схема в Част III и Част IV пряко сили стабилизараше от входно напрежение ~170V, но с по-голяма сигурност от ~180V, тъй като беше реализирана с две волтодобавъчни намотки по 18-20V (общо 40V).

    Това неудобство може да се реши с по-мощен трансформатор и повече вторични намотки. Например, в случая на настоящия експеримент – с три. Намерих фабричен мрежов трансформатор с мощност 250VA и три вторични намотки с напрежения 18+17+17 волта (52V). Но сумарното им напрежение е достатъчно за стабилизираме на спад на напрежението до ~170V, а това не беше стъпка напред спрямо разгледания вече маломощен стабилизатор с две вторични намотки. След като разгледах добре купения вече трансформатор, установих, че между макарата и пакета има достатъчно разстояние за да се добавят още навивки от проводник с диаметър до 1 мм. Но при този диаметър на проводника, тока, който щяха да осигурят допълнителните навивки е недостатъчен за да получа подходяща мощност. След това изчислих броя навивки за волт и след като имах за задача да превърна изходните напрежения в 20+20+18 волта, това означаваше че броя на навивките за допълнителните 6 волта трябва да бъде около 20 н. Но не разполагах с меден емайлиран проводник с диаметър d = 1,6 мм, с който се осигуряваше необходимия ток. Поразрових се из старите кашони и намерих проводник с диаметър d = 0,8 мм. Реших всяка намотка да навия с два успоредни проводника и вместо 20 навивки, означаваше, че трябва да навия 40нав. Трудна мисия, но се оказа възможна, стига човек да има търпение и желание. Ето какво се получи:

    След като подготвих трансформатора и осигурих напрежения на вторичните намотки, които щях да използвам за волтодобавка 20 + 20 + 18 волта, осигурих минимално напрежение на мрежата, при което да получа на изхода постоянно напрежение. Би следвало с вече пренавития трансформатор бъдещия стабилизатор да работи в интервал на мрежовото напрежение 160V-240V. За няколко часа, прекарани пред компютъра успях да изчертая печатната платка, като на нея включих освен управление на релетата за добавяне на напрежение още две стъпала, съответно таймер с NE555, чиято задача е да включва изхода на стабилизатора след около 5-8 секунди с цел установяване на напрежението на изхода след първоначално включване и стъпало за защита от пренапрежение, за което избрах праг на входното напрежение за сработване от ~255V, така че ако той бъде надвишен, изходът да бъде автоматично изключен от товара за да го предпази от пренапрежение. Обмислих контактните групи на превключване на праговете и схемата на свързването им придоби следния вид:

    Няколко думи за функциите на превключващите групи. Контактите S1 сменят посоката на волтодобавката от 18 волта, като я прилагат към първичната намотка в права и обратна посока. Това позволява на стабилизатора да работи при повишено напрежение на мрежата до 250 волта. Във вида в който е показана контактната група S1 входното напрежение се транслира директно към изхода на стабилизатор. Това състояние използвам при нормално напрежение на мрежата от ~220V. С контактните групи S2, S3, S4 последователно, в зависимост от намаляването на мрежовото напрежение се превключват стъпково волтодобавки от 18, 20 и още 20 волта, така че при обща стойност на волтодобавката от около 55-60 волта и напрежение на изхода на стабилизатора ~210V, би следвало минималното входно напрежение да бъде около ~160V. S5, S6 са контактните групи на таймера и защитата.

    Изпратих графичния оригинал на бъдещата печатна платка във фирма за изработка, но "сърце юнашко не трае". Седях вечер пред работната си маса и скучаех. И една вечер реших да изпробвам всичко направено до момента. Но как? След кратък размисъл, се сетих за успешната разработка с транзисторно прагово устройство, която бях описал в Част IV. Намерих необходимия брой релета, транзистори, тримери и ценерови диоди и същата вечер ги "налепих" и свързах с монтажен проводник на "хвърчащ" (обемен) монтаж. Повярвайте ми, това си е твърде опасна дейност и не я препоръчвам на никого. Навсякъде кръстосваха "жици", ту голи, ту "облечени".

    Затова след като прегледах правилността на монтажа още веднъж, за всеки случай раздалечих стъпалата максимално далече едно от друго и включих трансформатора към латера. И о-о-о, чудо – заработи от първия път и то без да възпроизведе фойерверките от първата ми конструкция описана в Част II. Всъщност целта на това включване беше да измеря стойностите на изходното напрежение на стабилизатора в зависимост от промяната на входното напрежение. На следващите снимки може да видите съответствието на входното и изходното напрежение през стъпки от 20 волта:

160V 180V 200V

 

220V 250V

    Това, което се забелязва от пръв поглед е, че предположението ми, изказано по-горе за минимално напрежение на входа от 155V, се оказа неправилно. Практическата стойност се оказа ~165V при изходно напрежение ~210V:

    Замислих се и установих един малък пропуск в предварителните изчисления - промяната на коефициента на предаване с намаляването на входното напрежение. Какво имам предвид: сумарното напрежение на вторичните намотки е около 60V, но при входно напрежение ~220V, а при 160 волта би следвало то да се повиши. Е да, ама късно. Тоест, намотките, които допълнително навих към вторичните е трябвало да бъдат не за по 3 волта, а за по 4 волта, с което се компенсира общото напрежение. След като отново се поразрових в интернет, моята любима библиотека, видях че преди мен руския радиолюбител Виталий Кравчук се е сбъскал със същия проблем. Той препоръчва несиметрични вторични намотки, така че колкото повече спада входното напрежение, толкова волтодобавъчната намотка трябва да се увеличава. След като отново изчислих необходимите напрежения спрямо входното, получих техните стойности: 18+22+25 волта. Но трансформаторът вече беше навит и то с доста големи затруднения и се отказах от нови добавки. Все пак, нали получавах достатъчно напрежение на изхода при ~165 волта? Какво значение имат някакви си 5 волта. И така, задоволих се с получения резултат, а именно изходно напрежение 205 волта при входно 160 волта, респективно 210 при входно 165V, което означаваше точност на изходното стабилизарно напрежение -15/+10V, напълно достатъчно.

    А сега отново няколко думи за полезната отдавана изходна мощност, която подробно коментирах в предишните части.

    Оригиналният трансформатор е с вторични напрежение 17+17+18 волта и с допустим ток 5.5А. В този смисъл няма разнобой с диаметъра на проводника, тъй като вторичните намотки са навити с проводник с диаметър 1,5 mm, тоест сечение 1,77 mm2. Аз добавям към двете намотки от 17 волта по 3 волта, постигам почти 60 волта. Добавените 6 волта представляват 10% от цялото вторично напрежение и на практика се натоварва само по-тънкия проводник от 2х0.8 мм, който представлява сечение 1 mm2 и ток 3,5А. 

    Разпределението на мощностите при различни напрежения е както следва:

        а) при напрежение 220V - пълна мощност

        б) при спада с 20 волта, тоест 200V, аз свързвам оригиналната намотка от 18 волта (без допълнително навиване), която допуска 5,5А ток и полезната мощност е 1100VA.

        в) при спад с 40 волта, вече участва една от донавитите намотки, тоест при напрежение 180V, допустимия ток също спада около 4,5А и полезната мощност е около 850VA.

        г) при спад с 60 волта, т.е. при напрежение 160 волта, вече участват трите намотки, от които към две от тях има допълнително навити намотки за по 3 волта, които позволяват ток 3.5А, което като полезна мощност представлява около 700 VA. Изводът е - че добавените от мен намотки за допълнителни 3 волта с проводник с общо сечение 1 mm2, се използват само при спад на напрежението под 180 волта и не оказват съществено влияние върху тока, тъй като реално спада полезната отдавана мощност под 850 вата и при 160V токът който се осигурява от преработения трансформатор е 3,5А.

    За осъществяване на електронното управление на контактите за превключване, предвид на техния значителен брой, използването на единичен компаратор LM311 не е удачно, поради което за да намаля броя на използваните елементи се спрях на интегралния компаратор LM339, който включва четири компаратора в корпуса си. От друга страна междинният експеримент, който описах, показа, че мога да използвам едно от вторичните напрежения на трансформатора (20V) за захранване на електронната част, като при нормално напрежение на мрежата изправеното напрежение е около или малко над 28 волта, а при спад до 160 волта, съответно 21 волта, при което релетата все още работят поради толеранса, с който са произведени (+/-30%). Схемата на таймера и защитата от пренапрежение е следната:

    Времето на закъснение за отложен старт на стабилизатора се определя от стойностите на С1-R1 по формулата: Т=1.1xR1.C1, където T е в секунди, C1 е в микрофаради, а R1 е в килооми. Тоест за дадените стойности то е ~7 сек. Може да се избере и по-късо време, например 5 сек. със стойност на R1=47k. Формулата за изчисление е дадена в характеристиките на NE555.

    Втората част от принципната схема е "сърцето" на управлението на нивата на напреженията, при които се превключват различните вторични намотки, добавящи напрежение във- или противо- фаза към първичната намотка на трансформатора, с което се осъществява стабилизацията. Както и в другите описани до сега схеми и тук се използват компаратори, като за намаляване на обема на монтажа и размера на печатната платка съм използвал интегрална схема LM339, съдържаща четири компаратора – точно толкова, колкото са необходими според броя на превключваните вериги. А ето и неговата принципна схема:

    Реле 1 обръща посоката на волтодобавката чрез S1, като така получаваме намаляване на напрежението, при условие, че то се е повишило над ~230V в интервала до ~250V, като припомням, че над стойност на мрежовото напрежение ~255V защитата от пренапрежение изключва контакта S6 с което напрежението на изхода на стабилизатора се прекъсва за да се запази електроуреда от високо напрежение, в случая над ~235V. Отбелязвам, че захранването на тази схема НЕ е стабилизирано, а само изправено и филтрирано. Това е необходимо за да се променя пропорционално на промяната на мрежовото напрежение съобразно коефициента на предаване. Именно по този начин се получава промяната на напрежението, която се отчита от праговите устройства, реализирани с компараторите. И тук последователно на превключващите транзистори BC547 съм свързал последователно светодиод, който служи за индикация при включване на съответния праг/реле, като всички релета са RAS2415, чието съпротивление е 1.6к и е достатъчно като токов ограничител при консумация 15-16mA. Разбира се, светодиодите могат да бъдат премахнати след осъществяване на конструкцията, тъй като няма да се виждат ако устройството се вгради в подходяща кутия или могат да бъдат изведени на лицевия панел на стабилизатора като индикаторни лампи. Изборът е ваш. Тримерите Р1, Р2, Р3 и Р4 служат за настройване на съответните прагове на напрежение, при които сработват и се включват релетата. Компараторите сработват на "повишаване" на напрежението приложено към техните положителни входове, а на всички отрицателни е подадено опорното напрежение от ценер диода Uz=12V. Това, което не е видно на горната принципна схема е, че за избягване на брума (вибрации) на контактите на релетата в момента на превключване на базите на четирите транзистора съм свързал електролитни кондензатори със стойност 100-220u към маса. На печатната платка, която прилагам, те са включени.

    Обръщам сериозно внимание на тези, които биха искали да повторят схемата – всички стойности на напреженията и на делителите във входовете на компараторите са съобразени със стъпки на напрежения на вторичните напрежения 20 волта. При друга стойност на стъпките може да се наложи да промените стойностите на делителите. В такъв случай препоръчвам да поставите тримерите директно към захранването, без делители, след настройка на праговете да замерите напреженията на средните точки, след което да преизчислите стойността на делителите спрямо измерените стойности. Аз обаче, от практическа гледна точка, не препоръчвам други стъпки, различни от 20V +20%/-10%. Тези стойности са най-оптимални за получаване на плавна стъпкова промяна, която осигурява стабилно изходно стабилизарно напрежение с МАЛЪК толеранс (+/-10-12V). Все пак да не забравяме, че захранващи напрежения над ~235V са опасни за телевизори, аудио и някои други домашни уреди. Именно поради тази причина, аз съм настроил прага на сработване на защитата на тази стойност.

    След като получих готовите платки, веднага започнах реализацията на описаната принципна схема. Този път реших да изпробвам и настройвам всеки блок поотделно. Така още с "налепването" на блоковете за управление на релетата Rel1 и Rel2 замерих съответните напрежения на първата волтодобавка, която се включва в права и обратна посока и настроих праговете на напрежение за целта. Ефектът от използване на интегрални компаратори веднага се почувства. Ако в описаните в Част III и IV схеми, реализирани с транзистори, хистерезиса на праговите устройства бяха около 3-4 волта, тук точността се оказа изключително висока – под 1 волт. Напредъкът беше очевиден. Но какво е предимството от тесния хистерезис? – голямата точност на сработване на праговете, а това от своя страна означаваше, че волтодобавъчните намотки можеха да бъдат не през 20V, както първоначално бях ги избрал, а дори през 10V, с което точността на изходното напрежение на стабилизатора нараства значително, например +/-5V. Разбира се, не съм инвестирал допълнителни средства в още трансформатори, а надали е необходима тази точност, предвид на вече реализираните стабилизатори с волтодобавка от 20V, които показаха много добри експлоатационни резултати. Все пак моята цел беше не да навивам трансформатори специално за тази цел, а да използвам готови такива. Всъщност, обаче, описаната методика позволява мултиплициране и всеки който иска да повтори тази полезна конструкции, би могъл, съобразявайки се с практическите съвети, които съм изложил, да си навие подходящ трансформатор за мощност по желание и необходимост. Например трансформатор с мощност 1000VA би вършил прекрасна работа за изходни мощности между 2500 и 5000 вата. А използването на стъпково повишаващи се напрежения на волтодобавъчните вторични намотки, значително ще подобри характеристиките на един такъв стабилизатор на мрежово напрежение. По-високата мощност позволява включване на по-значителни консуматори или няколко такива.

    Нещо, което не е отразено в описаните по-горе принципни схеми, но трябва да обърна сериозно внимание, е искренето на контактните на релетата при тяхното превключване. Един от методите за това е значително увеличаване на сложността на електронното управление, добавяне на цифрови схеми, нандове и дешифратори, с които да се определи момента на превключване с изключителна точност, а именно когато фазата преминава през нулата. По този начин искренето се елиминира напълно. Вторият начин, който е доста по-елементарен и намира значително по-широко разпространение е включването на искрогасяща група от последователно свързани резистор със стойност 33-47om и кондензатор 33n паралелно на контактите. Разбира се не на всички. Ако се вгледаме в първата схема ще видим, че една такава група свързана между средния извод на S2 изхода на S6 е достатъчна.
А сега следват снимки на вече готовата печатна платка, върху която са събрани и двете принципни схеми, описани в началото. Релетата са монтирани директно върху платката и връзките между контактите са опроводени. Това позволява единствените проводници, служещи за връзка с трансформатора да бъдат захранващите и волтодобавъчните, с което значително се опростяват външните връзки.

    В процеса на практическата реализация се оказа, че използването на ценер диода в захранването на NE555 като източник на опорно напрежение за компараторите не е удачно. Разбира се още преди да изчертая печатната платка имах такива съмнения, поради което предвидих отделен ценеров диод за тази цел. Негативния ефект от сработване на таймера се оказа като спад на напрежението на ценера, което се отразява значително върху опорното напрежние. Поради това в окончателния вариант на моята конструкция двата източника са разделени. Това, както казах, беше предвидено и на платката има съответните връзки и джъмпари. На снимките може да забележите тази разлика. Също така се наложи да сменя релето на таймера, което включва изходния товар с дванайсетволтово поради това, че при входно напрежение ~160V имаше твърде мек старт, защото захранващото напрежение спадаше от 28 на 19 волта, а беше необходимо напрежение минимум 21 волта за да осигуря стабилен контакт. Последователно на неговата бобина добавих резистор от 330om, с който компенсирах по-високото напрежение и то се задействаше при напрежение 11.6-18V.

    А ето на следващите снимки окончателния монтаж на стабилизатора – в комплект от трансформатора и електронното управление:

    На първата снимка нагледно е показано изходното стабилизирано напрежение в зависимост от входното, тоест при входно напрежение ~165V, изходното е ~206V.

    Забележка: всички светодиоди, свързани последователно на намотките на релетата като индикатори за включено състояние могат да се премахнат и на тяхно място да се поставят мостчета. Върху всеки един има пад на напрежението около 2 волта, който при най-ниско захранващо напрежение може да се окажа фатален за стабилното включване на релетата. Предвид на това, че конструкцията би следвало да се монтира в подходяща кутия, те са излишни. Силно препоръчвам на предния панел на кутията да се монтират волтметър и индикатори за включено състояние и пренапрежение, които на посочените снимки са с червени светодиоди.

    След като завърших всички проби и експерименти, останах доволен от резултата, който виждате на последната снимка. Но, разбира се, с разочарование се сетих, че всъщност трябваше да донавия още 10-12 навивки към вторичната намотка към бобината за 17 волта. Но както казах и преди, трудността ме спъваше, И все пак, ако бях навил тези допълнителни навивки, чиято напрежителна равностойност е 3-4 волта, то сега минималното входно напрежение на стабилизатора щеше да бъде около ~160V. И все пак постигнатият резултат е показателен. Като цяло конструкцията вече е свършена и остана механичния монтаж в метална кутия, която бях закупил предварително. Е, разбира се, когато си закупил готова кутия, налага се да я преправиш за собствената си конструкция. Така се случи и с моята. Като за начало отворът на панела се оказа доста по-малък за да вместя в него измервателната система, но след един час пилене и потене резултатът беше първата победа. Следващите стъпки бяха по-лесни за изпълнение и продължих монтажа:

    А след малко по-упорита работа с дремела, монтирах на задната страна контакти:

    И след опроводяването, което се вижда на горните снимки, ето окончателния монтаж във вече затворената кутия:

    С този стабилизатор вече мога да разчитам на стабилизация на изходното напрежение при промяна на входното напрежение в интервала ~165-250V, като уредите ми, които са включени към него ще бъдат защитени от пренапрежение от вградената за целта защита.

    А накрая бих искал да ви покажа една снимка, от която може да придобиете представа за цялото устройство след монтажа в кутията, с което и завърших този "шедьовър":

     *** Допълнение:

    Докато реализирах по-горе описания стабилизатор, ми попадна трансформатор 300VA чиито вторични намотки са с напрежения 22+22+24V. Помислих си, че трябва да се изпробва, след като и с вас споделих, че напреженията на вторичните намотки трябва да бъдат несиметрични.

    Разбира се, аз имах резервна печатна платка, както и кутия от стар български стабилизатор "Стабор-130" произведен от Завода в Перник. Бързо седнах на работната маса и започнах да се трудя над новата придобивка, която няма да описвам, тъй като в нея няма нищо различно, освен че сборното напрежение на вторичните намотки е 68V, а не 58V, както в първоначалната версия. Очакванията ми бяха, че по този начин ще понижа мрежовото напрежение при което стабилизатора щеше да работи нормално. Допълнително към тази конструкция предвидих един дисплей на цифров волтметър за вграждане с обхват 100-300VAC. С дремел изрязах правоъгълен отвор за него на предната страна кутията и така окончателно тя се оформи.

    На следващите снимки може да видите преработката на металната кутия и начина на сглобяване на новия стабилизатор. Най-трудната част от механичната подготовката беше изрязването в металния корпус на правоъгълния отвор по размерите на цифровия дисплей на променливотоковия панелен волтметър:

 

 

    А със следващите снимки илюстрирам техническите показатели на стабилизатора:

    А ето стабилизатора в завършен вид:

    Забележка: запазил съм оригиналния ключ за включване на захранването, а той е с две контактни групи с допустим ток 3A (или общо 6А), което означава, че с него стабилизаторът може да се натоварва с товар 1300W. Тази мощност напълно съответства на мощността, която позволява трансформатора.

    Използвана литература:

    1. LM339/LM339A, LM239A, LM2901 [zip,pdf][103kb]
    2. Необходимо сечение на проводника спрямо мощността на консуматора [zip,pdf][75kb]
    3. Изчисляване на мрежов трансформатор с ШЛ и ПЛ магнитопровод [zip,pdf][1mb]
    4. Мрежови трансформатори на пакети с Ш-образни ламели, сп. "РТЕ", брой 10, 1986 г. [zip,pdf][103kb]

Архив [zip,pcb,spl7,gif][134kb]

Валери Терзиев
11 февруари 2016 година, доп. 8 март 2016 година