Стабилизатор на мрежово напрежение със сервомотор
 Част II

    В едноименната статия, част I, разказах как се зароди идеята за тези малки конструкции. Но след като реализирах хрумването си, в процеса на работата ми се родиха и други идеи. Все пак да уточня - всички имаха за цел използването на операционни усилватели в простички и елементарни принципни схеми. Някой някога беше казал: "Колкото по-просто, толкова по-дуракоустойчиво!". И все пак не мога да отрека инвазията на микропроцесорите и много повечето възможности, които те предлагат. А всеки път когато се замисля за елементарни устройства и с усмихва си спомням един хумористичен афоризъм от времето на бурното навлизане на микропроцесорите: "Какво е да направиш бушон с микропроцесор!". Да, този афоризъм показва залитането в използването на прекалено сложни схеми за прекалено простички нещица от ежедневието, например - бойлер с микропроцесорно и Wi-Fi управление!?

    И ето с няколко думи същността на втория експеримент, който предстои да опиша - ще използвам операционен усилвател като сумиращо устройство, като на неговия вход ще подам две напрежения, положително и отрицателно и ако те са еднакви на изхода на операционния усилвател, който работи като компаратор, следва да получа нулево състояние. При разлика каквато би възникнала ако +U> или <-U (напреженията на входа) следва компаратора да реагира и да преминава от нулево състояние към двете крайни състояния, равни на стойностите на двуполярното захранване. Ето как започна тази идея:

    Схемичката онагледява, че щом абсолютните стойности на подаваните на входа разнополярни напрежения са равни (abs - U1 = abs + U2), на изхода на компаратора няма да има промяна. Тоест на отрицателния вход на компаратора сме създали виртуална нула. Естествено, идеята е представена схематично и в този вида няма да тръгне.

    Ето идеята, онагледена по-долу:

    Както в част I, така и тук ще използваме хистерезис за да осигурим стабилно нулево състояние на изхода на мощното транзисторно крайно стъпало, което управлява електромотора на стабилизатора. Хистерзесът се постига по вече описания начин, в случая с резистора R4.

    За да реализираме идеята ни е необходима само още една стъпка - да подадем на отрицателния вход едното напрежение U2 от стабилизиран източник (например ценеров диод), а другото U1 от нестабилизирана част на захранването, което ще се променя с промяната на мрежовото напрежение. За това можем да придобием представа от следващата фигура:

    През резистора R2 се подава опорно напрежение на отрицателния вход на операционния усилвател, тоест U2 = Uz + 6,2V. Сега ни остава единствено чрез подходящ резистивен делител да изравним стойностите на U1 и U2. Ако искаме да добавим функция за плавно регулиране на изходното стабилизирано напрежение на стабилизатора, трябва да поставим в делителя подходящ тример, с който да управляваме вилката на автотрансформатора, който е сърцевината на стабилизатора. И ето така стигнахме до окончателната принципна схема на електронното управление:

    Тази принципна схема е окончателната. С изправителните диоди D1, D2 съм създал отделна верига за опорното напрежение. Чрез тримера Р1 се извършва плавното и фино регулиране на стойността на изходното напрежение на стабилизатора чрез електрo-механичнопреместване на вилката на латера (автотрансформатора). Делителят R1,P1,R2,R5 създава подходящо напрежение, съразмерно със стойността на подаваното напрежение от другия полюс на захранването чрез резисторите R3,R4,R6. Двете напрежения с противоположна полярност се срещат на вход 2 на операционния усилвател LM741 като създават виртуална нула. На другия вход 3 на операционния усилвател през резистора R7 се подава масата от двуполярното захранване. Резистора R10 в съотношение с входните резистори R5,R6 създава необходимия ни хистерезис, с който се осигурява стабилно нулево състояние на изхода на крайното мощно транзисторно стъпало. И тук, както в Част I в колекторите на транзисторите съм свързал резистивни предпазители в случай, че ектромотора даде на късо. Ключовете S1, S2 са микрици - крайни изключватели задействани от вилката на автотрансформатора в двете му крайни позиции минимум и максимум. Чрез тях неактивното рамо на транзисторния мост се изключва и предпазва транзистора от претоварване. Паралелно на крайните изключватели са включени индикатрни светодиоди, чиято цел е да сигнализират за ниско или високо напрежение в зависимост от състоянието на вилката на латера (автотрансформатора).

    В процеса на експериментите и реализацията на тази идея, ми хрумна, че за да се избегне неточността на изходното напрежение при първоначално включване може да се включи таймер с отложен старт, чието реле да включва изхода на стабилизатора след интервал от 5-8 секунди до установяване на вилката на автотрансформатора в спокойно състояние. При предишни мои подобни конструкции съм използвал интегралния таймер NE555, но тук реших да не избягвам от основната идея с операционни усилватели. Така в процеса на работа добавих таймер с LM741:

    На горната фигура виждате една много популярна и елементарна схемичка на реле за време с отложен старт, която работи стабилно и е лесна за реализация. В общия план на показаната окончателна схема на управление на стабилизатор, релето се добавя като е свързано към двете крайни полярни напрежения и работи с напрежение 24V, съответно релето, което се използва за комутация на изхода е с това напрежение. На печатната платка е предвидено захранването на операционния усилвател да се осъществява чрез ценеров диод за 15V, докато ключовия транзистор и релето работят на пълното захранване на схемата, както казах - 24V. При показаните на схемата стойности за R3 и С1 приблизителното време за отложен старт е около 5-6 секунди, което напълно достатъчно за установяване на вилката на латера в спокойно състояние. Релето е за 24V с контактна група с ток до 30A. Както може би забелязвате, паралелно на намотката на релето е свързан индикатор за включено състояние със светодиод, който може да се изведе на предния панел на кутията.

    Разбира се преди да седна пред компютъра и изчертая печатната платка, трябваше да изпробвам някои функции, които преди това не съм. Както казах по-горе, до сега за реле за отложен старт използвах интегралния таймер NE555. За да се уверя в стабилната работа на релето с операционен усилвател и сега, както в експериментите ми в част I, направих обемен монтаж на бредборд от Ардуино, а релето за този експеримент беше малко по-маломощно, но също с намотка за 24V:

    След като се уверих в работата на схемичката вече спокойно можеше да подготвя графичен оригинал за печатна платка. И тук основната трудност дойде не толкова от чертаенето, колкото от стремежа да запазя местоположението и свързването на кабелите за съответната букса с девет пина в точно определения порядък на съществуващия стар стабилизатор! Но с търпение всичко се постига. Ако някой от вас реши да повтори тази конструкция, за улеснение, съм поставил надписи върху печатната платка срещу всеки от пиновете на свързващата букса, с които той да се съобрази и съответно да размени според неговия проект.

    На следващите снимки може да придобиете представа за готовата печатна платка и подредбата на елементите върху нея:

    Платката стана подредена и красива. Оставаше само да се включи към захранване и електромотор за да се изпробва нейната работоспособност. Така и направих. Разбира се, свързах входа на захранващия трансформатор (с изход 2х~12V) към латера за да подавам различни напрежения в интервала ~150V-250V. Включих захранването и мотора се завъртя. Първоначално настроих латера на напрежение ~220V за да имитирам мрежово напрежение, свързах цифров мултимер към изхода за мотора и чрез завъртане на тримера намерих спокойно стабилно нулево състояние. Тази настройка, всъщност, е единствената и тази платка стана готова за употреба. На следващата снимка е показана платката в работен режим след настройката. В долния десен ъгъл е индикаторния светодиод за включено състояние. Припомням, че индикаторният светодиод е свързан във веригата на таймера с отложен старт (Power ON Delay Timer), чиято цел е да включи изхода на стабилизатора след няколко секунди за да може след първоначалния пуск на захранването вилката на автотрансформатора да застане в установено положение и волтметъра на изхода да отчете изходно напрежение ~220V, +/-(2-3)V. С това целта, която си бях поставил в началото на експеримента при практическата реализация на описаното електронно управление на стабилизатор за мрежово напрежение, управляван със сервомотор е изпълнена.

    На снимката долу може да видите конструкцията в по-общ план заедно със захранващия трансформатор панелния волтметър, който съм използвал и електромотора (и остатъци от експерименталния бредборд):

    А на следващите снимки ви представям завършената конструкция на стабилизатор за мрежово напрежение със сервомотор:

Архив [zip,pcb,spl7][18kb]


Литература:

1. Електронно управление на сервомотор за стабилизатор, Валери Терзиев, www.kn34pc.com, 2011 год.
2. Стабилизатор на мрежово напрежение със сервомотор, част I, Валери Терзиев, www.kn34pc.com, 2017 год.

Валери Терзиев
17 ноември 2017 година