Стабилизатор на мрежово напрежение ~220V
Част VI: Релейно-трансформаторен стабилизатор 2000W

    Въпреки успешния резултат при реализацията на стабилизатор за мрежово напрежение с полезна мощност 1200W и три волтодобавъчни намотки, реших да довърша експериментите си в тази посока. След като се сдобих с подходящ трансформатор 500VA с четири вторични намотки 18+18+20+22V (78V) започнах поредната конструкция. Този трансформатор позволяваше не само по-висока изходна мощност, но и по-широк обхват на промяна на мрежовото напрежение. Не се лъжете от посочената в скоби стойност на сумарното напрежение 78V. Припомням, че при спадане на мрежовото напрежение от 220 волта до 160 волта, със същия коефициент спада и изходното напрежение, тоест с 1.37 пъти или съответно от 78V на 57V. Тоест, това означава, че най-ниската стойност на мрежовото напрежение, при която на изхода на стабилизатора ще получим стойност ~220V е 163 волта. Или като имаме предвид допустимия толеранс +/-10-15V то ще получим стабилизация за входното мрежово напрежение от ~155V до ~250V. (последната стойност се получава след обръщане на посоката на волтодобавката). А именно това е моята цел – с всяка нова конструкция да снижа тази стойност като увеличава, полезната мощност върху товара.

    Но да допуснем, че можем да си навием сами подходящ трансформатор. Тогава можем да постъпим другояче. Например, с несимтерични вторични напрежения, за което споменах и в Част V – 20+25+28V. В този случай имаме гаранция, че при спадане на входното напрежение и спадане на вторичното, то при 160 волта входно, ще получим волтодобавка от 60 волта от вторичните намотки и тогава няма да има необходимост от четири такива.Тоест при това положение, постигаме същите цели с три вторични, но несиметрични намотки. По същата логика, ако използваме четири несиметрични вторични намотки ще постигнем стабилно изходно напрежение ~220V при спадане на входното напрежение до ~140V. Но аз използвам готови фабрични трансформатори и трябва да се съобразявам с наличните вторични напрежения. И въпреки това, получените резултати са повече от задоволителни. Нека да припомня, че в Част IV започнахме с най-ниска стойност на входното напрежение ~180V и с всяка нова конструкция свалям по още 10 волта от тази стойност.

    Но това не е достатъчно. Затова увеличавам и изходната мощност, като тръгнах от няколкостотин вата, преминах през 1200 вата, а вече достигнах мощност до 2000 вата. С това все повече се доближавам до по-голяма универсалност в употребата на стабилизаторите. Но колкото повече подобрявам параметрите, толкова повече се оскъпява устройството, примерно цената само на трансформатора се увеличава двойно. Електронното управление също поскъпва, макар и не така рязко поради увеличаване на броя на компараторите и комутиращите елементи – релетата. Също така нараства обема и теглото на конструкцията и естествено се затруднява намирането на подходяща кутия.

    Аз споменах за експериментите и конструкциите на стабилизатори на напрежение на руския радиолюбител инж. Виталий Кравчук, който се е сблъскал при конструирането им с няколко технически проблема, един от който е неравномерността на напреженията на вторичните намотки. Учудващото е, че за определяне на изходната мощност той залага на ток във вторичните намотки 6 ампера за милиметър диаметър на проводника, докато аз разчитам на плътност на тока 3,5А/mm2. И за кой ли път, отново ще кажа, че който би искал да си направи подобен стабилизатор, препоръчвам да заяви във фирма за изработка на трансформатори съответната мощност и напрежения на вторичната намотка, като напреженията трябва да бъдат несиметрични, както отбелязах по-горе и показаха практическите експерименти, които описах до тук.

    Но, от моя гледна точка, не това е най-важното. Все пак конструирането на стабилизаторите имаше за цел, както запознаването ми с тази материя, така и практическа реализация за използването им в дома ми. Тоест, съчетаване на приятното с полезното.

    В процеса на работата реших да използвам същото схемно решение с лек "ъпгрейд". А всъщност бях планирал да направя идейно същата, конструктивно различна принципната схема на електронното управление, например с компаратор LM324 (четири компаратора в един корпус DIP14). Запазих основната част от вече известната ви принципна схема, представена в Част V с LM339, но поради по-широкия толеранс на входното напрежение изходното се оказва недостатъчно за да работят релетата в границите на техните допуски. Припомням, че в предишната конструкция те работеха в интервала 21-28 волта, докато тук следва да работят в интервала 19-28 волта, което силно ще влоши пъргавината на контактите и силата на натиска, което е предпоставка за лош контакт и искренето им. Поради това разделих захранването на електрониката от захранването на релетата. Използвам наличието на две намотки 2х18 волта, като от едната чрез изправяне получавам необходимото захранване за платката, същото като в схемата от Част V, а с двете заедно, изправено напрежение от 50 волта, което през стабилизатор довеждам до релетата. Разбира се, платката е така разработена, че съдържа както схемното решение с три волтодобавъчни намотки (част V), така и с четири, също така както релета RAS2415 с допустим ток на контактите 10А, така и релета за 24 волта/16А. Освен това, съм предвидил осем превключващи групи, както следва: една за таймер с отложен старт, друга за защита от пренапрежение, четири за превключване на волтодобавъчните намотки и две за обръщане на посоката на горните две намотки, така че да се достигне до максимално входно напрежение от 260 волта. Защитата е настроена малко над тази стойност. Последните две се управляват с допълнителен компаратор, реализиран с LM393, двоен компаратор в корпус DIP8. Увеличаването на максималното напрежение до 270 волта не е необходимо. Това си е моя приумица, а вие може да не я използвате. На следващата схема са дадени превключващите вериги, като в ляво е с един контакт S1 до 250 волта, а вдясно с контактите S1 и S2 се постига горния праг на работа на стабилизатора до 270 волта:

Фиг. 1 Фиг. 2

    На приложената в архива печатна платка е развита според по-пълната схема от Фиг.2.

    И тук съм разделил принципната схема на две части, като първата част е същата като вече познатата ви и съдържа таймера за отложен старт 5-8 секунди и защитата от пренапрежение. Втората схема отразява "сърцето" на електронното управление. На печатната платка, обаче, всички елементи са събрани заедно. Самата платка е еволюция на познатата ви от описания в Част V стабилизатор. Първата част от принципна схема е вече познатата ви и има следния вид:

    А сега ще ви покажа само частта, която има пряко отношение към приключването на вторичните намотки със съответните прагове:

    Въпреки че тази схема е почти пълно копие на вече познатата ви, ще забележите че концепцията за захранване на шините е сменена. Както казах по-горе, платката е така разработена, че обединява идеите, използвани до сега. Двете съществени разлики в конструирането на настоящия стабилизатор са използването на релета с ток на контактите 16А тип LMR-24/16, както и разделяне на захранването на управляващата част от релейната (изпълнителната). По този начин избягвам от големия толеранс на вторичното напрежение, както съм отбелязал на схемата. Считам, че всеки е запознат със схемата на еднополупериодния изправител. Тук ще отбележа, че и двете входни напрежения на горната схема (21-28 и 32-50 волта) се получават чрез такива диодни изправители с по един филтриращ електролитен кондензатор със стойност 330uF, намиращи се на печатната платка, чийто графичен оригинал е приложен в архива. В базата на всеки транзистор от последната принципна схема, както и в предишните конструкции, съм свързал електролитен кондензатор към маса със стойност 220-330uF, чиято цел е да потушава вибрациите на контактите на релетата и осигурява "мек" старт. Този ефект може да се избегне чрез усложняване на схемата като към всеки изход на компаратор се свърже цифрова ИС инвертор, който позволява много добро формиране на правоъгълните импулси. Дали това е необходимо, оставям да решавате вие, но споменатия по-горе руски радиолюбител Виталий Кравцов е използвал такива формирователи. Аз се задоволих с филтриране, което е, от друга страна, най-евтиния вариант за решаване на проблема с вибриране на контактите на релетата.

    А ето как съм осъществил захранването на електронното управление:

    На горната схема допълнителните връзки са оцветени със син цвят и представляват двата еднополупериодни изправителя, с които към платката се прилагат две напрежения – едно стабилизирано с транзистора Т7 за захранване на релетата със стойност 24 волта и второ за захранване на електронната част, което се променя във функция от промяната на мрежовото напрежение и се следи от сензорния вход на компараторите. На печатната платка тези елементи са предвидени с изключение на R25.D1,T7, представляващи стабилизатор за 24 волта. На тяхно място бях предвидил интегрален стабилизатор LM7824 в корпус ТО-220, но тъй като входното напрежение е доста по-високо от допустимото (50 волта спрямо 40 волта) се отказах от него. Като се има предвид, че общият консумиран от релетата ток е до 200-250mA, когато всички са включени, може стабилизатора да се елиминира и замести с резистор 150ohm/2W, но напрежението върху релетата в зависимост от промяната на мрежовото напрежение ще бъде в твърде широк обхват. Не препоръчвам този вариант, но го отбелязвам като работещ. След няколко експеримента, чиято цел беше да намеря най-евтиното и простичко решение, най-накрая се спрях на традиционния стабилизатор с ценер. Но ето стъпките през които преминах:

    Схема а) беше най-апетитния вариант, но след като размислих се отказах от нея, защото интегралния стабилизатор LM7824 е с максимално допустимо входно напрежение 40 волта, докато на изхода на еднополупериодния изправител за захранване на релетата изправеното напрежение достига 50 волта. След това преминах към класическата схема на параметричен стабилизатор с един транзистор, показана на фиг. б), като за такъв използвах TIP41C и ценеров диод за 24V. Тук искам да отбележа, че задължително трябва да се използва транзистор с индекс "C, който е с пробивно напрежение Uce max = 100V, предвид на изходното напрежение от изправителя със стойност 50V. Но в процеса на работата успях да намеря достатъчно мощен ценеров диод за Uz=24V, а именно 1N5359B/5W. Така достигнах до простичката и евтина схема на класическия стабилизатор с един ценеров диод, показана на фиг. в). Единственото неудобство на тази схема е мощния резистор R2, който съм посочил като двуватов, но препоръчвам мощност 3-4 вата, тъй като грее. Но, всъщност, в крайното изпълнение на електронното управление съм използвал именно последната схема, независимо от по-добрите параметри на схема б), но тъй като и при нея транзистора разсейва достатъчно голяма мощност и се налагаше радиатор, който не бях предвидил и се отказах от нея.

    Ето вида на окончателния монтаж на електронното управление върху печатната платка:

    А сега малко разяснения за принципната схема на таймера за отложен старт, изпълнен с интегралната схема таймер NE555. От конструктивна гледна точка тя дава доста добри възможности за програмиране на желаното време на таймера и то в много широки граници. В моите конструкции тя е често срещана когато съм имал нужда от отложен старт, обикновено няколко секунди, поради спецификата на използването му. Досега винаги съм захранвал схемата със стабилизирано напрежение 12 волта, обикновено с интегрален стабилизатор, докато в Част V и Част VI, захранвам самата интегрална схема със стабилизано напрежение, получавано чрез ценеров диод с Uz = 12V, докато изхода й е натоварен с транзистор, чието захранване е по-високо и нестабилизирано. Така спазвам изискванията според техническите параметри на таймера от една страна, а от друга използвам релета за 24V. В Част VI, която представям с тази статия, има промяна, която не съм отразил в горните принципни схеми, тъй като я направих, така да се каже "в движение", тоест при самата реализация. Но ето за какво имам предвид:

Фиг. 3 Фиг. 4

    Схемата на фиг.3, която използвах и в други мои конструкции, работи с едно захранващо напрежение. При две различни захранващи напрежения, какъвто е случая с описвания стабилизатор на променливо напрежение, таймерът за отложен старт е реализиран по схемата от фиг.4. Вероятно забелязвате, че местата на времеопределящата верига C1-R1 от фиг.3 са разменени във фиг.4, елементите R4-C3. При това разменяне импулса на изход кр. 3 на NE555 се обръща, спрямо същия от фиг.3, при което се налага едно инвертиращо звено с транзистора T3, което позволява релето Rel2 да се свърже към каквото и да е подходящо напрежение, според типа на релетата, в моя случай – за 24V/16A. На печатната платка, която съм приложил в архива, тези елементи са включени. При указаните стойности на R4-C3 времезадръжката е 5 секунди. Припомням формулата по която се изчислява това време: T = 1,1.RC/1000, където Т е в секунди, С е в микрофаради, а R - в килооми.

    След като наситих платката с елементи, което се вижда на горните снимки, остана "оживяването” на така получената конструкция, тоест свързването й с трансформатора. Тук имах да изпълня две задачи: едната беше да свържа намотките 2х18 волта с еднополупериодните изправители за да заработи електронното управление, а втората беше да свържа всички волтодобавки към съответните контактни групи.

    Започнах с по-лесната задача, а именно осъществяване на захранването на платката. Само три свързващи проводника, няколко спойки и след това включих мрежовото захранване. Електрониката "грейна като коледна елха", защото към намотката на всяко реле бях сложил индикатор със светодиод. Ще кажете, че са излишни. Да, така е, но е по-ефектно. Но като оставим на страна ефекта, това ми помогна съвсем грубо да настроя чрез тример потенциометрите "някакви” прагове, така че релетата да се включват последователно от най-ниско към най-високо напрежение. Затова ми помогна латерът. След тази лесна и бърза предварителна настройка, започнах по-бавната процедура – съединяването на волтодобавките с контактните групи. За целта се бях снабдил с проводник 1.5 кв.мм. Всяка една връзка направих последователно, като измервах разстоянието от съответната клема на трансформатора до съответното реле. Целта ми беше да получа кабелен сноп. Но ето все пак най-накрая какво се получи:

    След като захраних управлението и включих всички волтодобавки, се наложи да започна фината настройка на праговете. Припомням принципа на настройка – в областта на нормалното мрежово напрежение формирах прозорец 210-230 волта. Всеки един от праговете надолу (към спад на мрежовото напрежение) регулирах чрез тримера като следях с волтметрите, включено на входа и изходя на стабилизатора, да превключва при стойност около 210 волта. След като приключих всички настройки в посока спад на напрежението, започнах проверка на праговете в посока увеличаване на напрежението и отново регулирах като следях горната стойност на прозореца от 230 волта. Двойната настройка приключва за няколко минути, но се налага, защото компараторите имат хистерезис от около 1-2 волта.

    А сега нагледно ще ви покажа крайния резултат от тези настройки със снимки, вместо да правя таблица. Двата волтметъра са свързани (както казах по-горе) левият към входа - мрежово напрежение и към десният към изхода – стабилизираното напрежение:

    От снимките се вижда, че точността на изходното стабилизирано напрежение в зависимост от промяната на входното мрежово напрежение е много голяма – в повечето случаи тя е по-малка от +/-10 волта, което е отличен резултат. Ако спазим това правило, в такъв случай най-ниското мрежово напрежение, при което той дава на изхода си напрежение в рамките на тази точност е ~155V:

    Всеки зелен светодиод индикира превключване на праг под 220 волта. А червените светодиоди индикират по-високо мрежово напрежение, като два от тях светват за прагове над 220 волта, а третият индикира сработването на защитата от пренапрежение, която съм настроил на 265 волта. При тази стойност на мрежовото напрежение товарът, включен към изхода на стабилизатора се изключва за да бъде предпазен. И все пак, трансформаторът е с работно напрежение ~220V, би издържал едно допълнително пренапрежение до към 250 волта, но щом светне червеният светодиод на защитата, стабилизаторът трябва да се изключи, за да се предпази трансформатора, но така е дори с фабричните, така че това не е неудобство.

    Тази конструкция засега остана без кутия. Оказа се, огромна трудност, в България да се намери метална кутия с подходящ размер. Оказа се, че в Китай лесно може да се намери. Да се чуди човек....... как всичко може да се намери там!?

    И на края искам да обобщя основния резултат, следствие на описаните стабилизатори в Част IV, Част V и Част VI на едноименните статии – ако сами си навием трансформатор или го направим по поръчка, с напрежения 22+26+30 волта, ще получим стабилизатор с три волтодобавки с регулиране в обхват на мрежовото напрежение ~160-240 (260) волта или ако те са: 20+22+26+30 волта, ще получим стабилизатор с четири волтодобавки и с регулиране в обхвата ~140-240 (260) волта. Дори ако намерим два отделни фабрични трансформатори, подходящи по мощност, например един с напрежение на вторичната намотка 20 волта и втори с две вторични намотки 2х24 волта, на които първичните намотки свързваме в паралел, а вторичните последователно като 20+24+24 волта, можем да получим подобен резултат. Единствено при избора им, трябва да се съобразим с необходимата мощност за товара на изхода. Напомням, че Виталий Кравчук залага по 6А на милиметър за ток на вторичните намотки. Тези стойности са практически, но ако ги сравните от приложените от мене таблици в предишната статия, ще забележите, че те съответстват на мощностите, които съм указал.

    Трансформаторът, с който аз разполагах, беше навит с проводник с диаметър ф = 2,2мм, или сечение 3,7 кв.мм., или при плътност на тока 3,5А допустимия максимален ток е 13А, което е напълно достатъчно за моите цели.

    Завърших конструкцията, но доста дълго време след това търсих подходяща кутия, докато един ден ми хрумна, че компютърна кутия mini tower case е подходяща за този стабилизатор. Естествено, веднага се залових за работа. Първата ми задача беше да подменя оригиналния пластмасов панел като изчертая свой такъв, подходящ за конструкцията. Така и направих, след което изпратих графичните оригинали във фирмата, която изработваше печатните ми платки. И ето, след две седмици получих най-после панела. Запретнах ръкави и малко по малко започнах сглобяването. Не мина без пилене, но това беше като играчка. Но вместо толкова описания, ето с няколко снимки последователността на процеса на сглобяване:

    На този голям панел, двата панелни волтметъра за променливо напрежение се оказаха на подходящото си място. Не само го разкрасиха, но и бяха едно твърде полезно въведение, като чрез тях в реално време можех да следя промяната на мрежовото напрежение и стойността на изходното стабилизирано напрежение.

    След като основната част на стабилизатора се оформи, остана да поставя капака. Разпробих още няколко отвора, счупих две бургии, но накрая постигнах желания резултат, а стабилизатора придоби окончателния си вид:

    Моля, посетете сайта на руския радиолюбител Виталий Кравчук, в който може да намерите информация за неговите експерименти и конструкции на същата тематика: http://kravitnik.narod.ru/automatic.files/ACstabil.html

Архив [zip,pcb,spl7,gif,pdf][652kb]

Валери Терзиев
1 април 2016 година