Релейно-трансформаторни стабилизатори на мрежово напрежение
/kn34pc.com/конструкции/...

Част I: Предварителни експерименти
Част II: Електронен стабилизатор с IRF840

Част III: Релейно-трансформаторен стабилизатор 1
Част IV: Релейно-трансформаторен стабилизатор 2
Част V: Релейно-трансформаторен стабилизатор 1200W

Част VI: Релейно-трансформаторен стабилизатор 2000W
Част VII: Конструктивни особености
 

Част I: Реставрация

Както се казва, винаги има първи път. Така се получи и с началото на моите занимания за конструиране на стабилизатор на мрежово напрежение. В някои региони в България стабилизаторът на променливо напрежение 220V се оказва много полезен уред (ако не искате да останете без телевизор или хладилник). Той е изключително полезно устройство за селските райони, където трудно може да се каже, че напрежението на мрежата е стабилно, въпреки уверенията на енергоразпределителните дружества.

Известни са различни начини за стабилизиране на мрежовото напрежение, но аз нямам намерение да разглеждам всички, а тези с които аз съм се сблъскал напоследък. Преди години, най-известните стабилизатори, специално произведени за телевизори в Завода за токоизправители - Перник бяха с марката "Стабор". При тях се използваше феромагнитния резонанс. Те са изключително простички и евтини по конструкция и идеално пасват за неособено мощни консуматори, каквито са черно-белите телевизори по онова време. Но феромагнитните стабилизатори са и твърде маломощни, поради което не представляваха интерес за мене.

Моята цел беше да захраня няколко домашни уреда (хладилник, телевизор) с един стабилизатор. Даже може да се каже и по-смело, например, един конвектор за отопление или котлон. Да, налага се в селата и вилните зони, които са така ощетени от разпределителните дружества.

Както и друг път съм казвал, интернет е една богата библиотека, а когато човек знае езици, има достъп до огромни ресурси. Един ден, просто седнах зад компютъра и започнах да издирвам схемни решения.

Често срещаните стабилизатори на мрежово напрежение могат да бъдат условно групирани като:

    - eлектронни
    - eлектронно-трансформаторни (автотрансформатор)
    - eлектронно-механични (латер)

Но каквито и да са стабилизаторите, основен елемент е трансформатора, независимо от кой тип. Разбира се, има и други схемни решения, но те не бяха обект на моите експерименти, защото все пак, трябва да могат да се реализират в домашната лаборатория.

От тази гледна точка, като че ли, най-лесни за изпълнение са електронните стабилизатори, макар и не чак толкова мощни. Характерното при тях е използването на трансформатор с по-малка мощност отколкото товара към който се включват. Още по-интересното е, че захранват товар с консумирана мощност от 4 до 7 пъти по-голяма от мощността на трансформатора. Онагледено с пример, означава, че ако имате трансформатор 250W, то с него можете да конструирате електронен стабилизатор, който да захранва товар 800-1500W.

Каква е тайната? Тайната е в използването на вторичната намотка на трансформатора, която е с напрежение няколко десетки волта и голям ток като волтодобавка към първичната му намотка. Тоест, ако свържем последователно на първичната намотка на трансформатора неговата вторична, ще получим добавяне на вторичното напрежение към мрежовото със стойността на вторичното напрежение ако спазим посоката на тока (навиване) или ако я свържем обратно, мрежовото напрежение ще се намали с напрежението на вторичната намотка. Е, остава, към този трансформатор и към този начин на свързване да включим електронно управление на процеса. Най-лесно е да направим електронно управление на такъв стабилизатор ако не сменяме посоката на вторичната намотка. За да работи той при спад на мрежовото напрежение, което е най-често срещания случай, то той трябва да работи като повишаващ. Какво ще рече това? – че входното напрежение може да се изменя, примерно от 150-200V, като изходното напрежение се запазва в стандартните граници от 220V +/-10% (200-240V).

Ето как се онагледява волтодобавъчното напрежение, необходимо за целта:

На фиг. 1 е показано последователното свързване на двете намотки, при което техните напрежения се сумират. С посочените стойности се вижда, че ако мрежовото напрежение е спаднало на 200V, то с волтодабавъчното напрежение на вторичната намотка от 20V, то се повишава до стандартната стойност на мрежовото напрежение от 220V. Тоест, примерът онагледява повишаващ (авто) трансформатор. На фиг. 2 първичната и вторичната намотка на трансформатора са свързани противофазно при което напрежението на вторичната намотка се изважда от входното, а изходното напрежение на образувалия се автотрансформатор се намалява с неговата стойност. Този пример онагледява какво се случва при по-високо напрежение от стандартното мрежово напрежение.

За един стабилизатор на променливо напрежение е от значение да работи както като повишаващ, така и като понижаващ за да може да компенсира както спадовете, така и повишаването на мрежовото напрежение. Най-простичкия начин за превключване на краищата на намотката е те да се разменят чрез управляемо от електроника реле. Ето така стигнахме до електронно-трансформаторните стабилизатори. Ако вторичните намотки са няколко и релетата, които ги превключват също, то може да се постигне стъпково регулиране, примерно през 10V или 20V, или друго избрано напрежение. Така чрез подходящо електронно управление на релетата, можем да постигнем стъпково регулиране от избрано минимално напрежение до избрано максимално напрежение, като най-често тези граници са 150-260V и да се постигне точност на изходящото стабилизирано напрежение 220V, +/-10V, което е точност +/-5%, напълно достатъчна за кой да е електроуред. Естествено, едно от релетата ще служи за обръщане на посоката на вторичните намотки. Все пак, нека да отбележа, че за домашни условия бихме могли да направим някои компромиси с точността, а и както е известно повечето уреди са проектирани да работят в интервал на мрежовото напрежение 220V, +/-10%, тоест да търсим степенчато регулиране през 20 волта. Всичко това, обаче не е стандарт, тоест избора на стъпката за волтодобавка е преди всичко личен. От схемите, които срещнах ми направиха впечатление съвсем причудливи напрежения, като 14, 15, 17, 18V, а и други стойности. В тези стойности, обаче, има логика. При значително падане на напрежението волтодобавката може да бъде 20 волта, а следващите стъпки съответно за 15V и 10V, което ще повиши точността на изходното стабилизирано напрежение при по-малки падове.

Със следващия пример онагледявам обясненията, направени по-горе. За да разберете смисъла на волтодобавката в права и обратна посока, проследете превключванията на контактните групи на релетата, като имате предвид, че S2, S3 и S4 никога не се включват едновременно, като изключение е S1, който обръща посоката и позволява прилагане на волтодобавка в права и обратна посока (намаляване и увеличаване):

Една интересна практическа зависимост е факта, че тази схема позволява използването на значително по-маломощен трансформатор, отколкото мощността на товара. На практика тя се определя от съотношението на входното напрежение към волтодобавъчното. В случая една намотка е с напрежение 20V, съотношението е 11 пъти, което означава, че при напрежение на мрежата ~200V можем да натоварим изхода на стабилизатора с 11 пъти по-висока мощност от мощността на трансформатора. Тоест, ако избрания трансформатор е 200W, мощността на товара може да бъде 2kW. От друга страна, вторичната намотка трябва да осигури този ток, който е 10A. Естествено, колкото мрежовото напрежение е по-ниско, толкова по-ниска е допустимата мощност на товара. При входно напрежение 160V, волтодобавката е 60V, съотношението е 3,5 пъти, следователно мощността на товара няма да превишава 800W.

Ако се вгледаме внимателно в свързването на намотките на трансформатора на схемата от Фиг.3, ще забележим, че по своята същност тази схема представлява автотрансформатор, с тази разлика, че при него няма възможност за обръщане на посоките на намотките, а винаги са свързани последователно. По принцип на работа той се доближава до принципа на работа на латера, като в последния не се превключват намотки, а се променя съотношението на навивките чрез плъзгач. Автотрансформаторът е основен елемент в т. н. степенчати стабилизатори, чието напрежение се избира с релета, които се управляват с компаратори. Казвам компаратори, тъй като е най-простичкия начин за една радиолюбителска реализация. В голяма част от скъпите фабричните стабилизатори управлението е с микропроцесор. А защо ли? Някак си, не ми харесва тази тенденция да се изработва "бушон с микропроцесор", хладилника да се управлява с електроника, вместо с термостат, пералнята с платка, вместо механичен програматор. Нито пък дава по-големи възможности. Но кой ли ме пита?

На следващата фиг. 4 стилизирана схема на електрическите връзки на автотрансформатор, като превключването е с помощта на превключвател:



Архив [zip,gif][41kb]

И тук с цел онагледяване на примера използвам същата стойност на напрежението със стъпка на промяна ~20V. От този пример се вижда, че колкото повече са стъпките и по-малко напрежението между тях, толкова регулирането е по-плавно, а стабилизираното напрежение на изхода по точно. При стъпка на напрежението ~10V точността на изхода би била +/-10%. Често това не е необходимо и като се има предвид, че големия брой стъпки на регулиране рязко увеличават броя на релетата, то се усложнява схемата на електронното им управление, поради което рядко се използва такава точност. Както и в предходния случай, описан по-горе е възможно напрежението на стъпките да не е еднакво и примерно при по-ниски напрежения на мрежата 150-170V да се използват по-големи стойности, а за интервала 180-220V по-малки. Често вместо релета, се използват тиристори или семистори, а електронното им управление е същото.

Споменах в началото на статията и използването на латер за плавно регулиране на напрежението, като тези стабилизатори се наричат електронно-механически. Принципът на работа се изразява в мониторинг на изходното напрежение, а чрез сервомотор, управляван от електроника се извършва автоматичното следене и регулиране на стабилизираното напрежение. За по-подробна информация, моля прочетете статията ми "Електронно управление на сервомотор за стабилизатор”, публикувана на страниците на сайта.

***

Част II: Електронен стабилизатор с IRF840

Тази идея възникна след като ми се повреди стабилизатора на хладилника. Беше ремонтиран няколкократно и то по него не остана здраво, непипнато място.

След това, разбира се, се възползвах от богатата библиотека на интернет и така намерих публикуван в списание "Радиомир", 7/2010 г. След това намерих и друга подобна схема, даден в приложената литература.

И в двете посочени публикации се използва трансформатор ТС320, ТН-59 и др. с мощност около 350 W. Той има функцията на волтодобавъчен трансформатор, като част от вторичното напрежение се прехвърля към първичната намотка, чието напрежение се управлява чрез мощен полеви транзистор IRF840. Подробно описание на принципната схема и нейната работа може да намерите на посочените в края на статията сайтове.

Разбира се, аз не намерих оригинален трансформатор, нито съм си поставял такава цел. Затова реших да го заменя с друг, който счетох за подходящ с мощност 120 вата, но с напрежение на вторичната намотка, като посоченото в оригиналната схема, тоест 36 волта (2х18V) и ток 3 ампера. Тези технически параметри са далече от възможностите на ТС-320, но за експеримента си заслужаваше. От друга страна, мощност от порядъка на 600VA (волтампера, представляваща около 350-400W при фазов коефициент около 60%) е достатъчна за работата на един хладилник, чиято консумирана мощност е около 300W. Какво имам предвид? – при спадане на мрежовото напрежение до 155V, консумираната мощност спада два пъти.

А ето принципната схема на стабилизатора:

За регулиране на изходното стабилизирано напрежение се използва другата намотка на трансформатора, чието напрежение се изправя и се подава на регулиращия елемент TL431. Регулирането се извършва с тример потенциометъра R5. За моя експеримент беше достатъчно да използвам готова универсална платка, върху която наредих в подходящ ред елементите от схемата. Но трансформатора, който исках да използвам беше от DVD аудио система с бифилярно навита изходна намотка 2х18 волта със среден извод. Реших да се възползвам от това, като половината от нейното напрежение да включа в схемата за управление R3,R5, TL431. Всичко беше чудесно, до включване на захранващото напрежение. Възпроизведе се страхотен гръм, придружен с фойерверки, а от транзистора се разхвърчаха парчета пластмаса от корпуса. Но ето на снимките по-долу доказателство за липсата на внимание:

Да, оказа се, че това можеше да се избегне, ако преди това бях помислил. Оказа се, че шините се окъсяват през диодния грец RL102.

След направената грешка, временно се отказах, след което седнах и размислих. Като за начало, реших да навия на трансформатора допълнителна намотка с напрежение 18V. Ето вида на използвания от мен тороидален трансформатор:

За целта прекарах един пълен кръг през сърцевината за да получа дължината на необходимия проводник за една навивка. Тя се оказа 14 см. След това навих 10 навивки, измерих с цифров мултицет напрежението и изчислих броя навивки за един волт. Подбрах подходящ меден емайлиран проводник, който в случая не беше с голям диаметър, тъй като консумацията в тази верига беше пренебрежимо малка, но от гледна точка на физическата му здравина, избрах проводник с диаметър Ф=0.3 мм. Трябваше да навия около 75 навивки, а това означаваше, че трябва да премина през отвора на тороида 75 пъти с проводник с дължина към 10 метра. Пак се поразмислих, след което от дебел меден проводник направих совалка с с дължина 7 см., което означаваше че съм осигурил проводник от 14 см./навивка. Навих на совалката 80 навивки, след което започнах трудната, еднообразна и скучна дейност да прехвърля совалката 80 пъти. След като навих новата вторична намотка, с треперещи ръце свързах тороида към захранващата мрежа и измерих напрежението от нея. Оказа се с един волт в повече, отвих няколко навивки докато получих търсеното напрежение от 18V.

След като първата монтажна платка беше унищожена, изчертах на компютъра нова, след което направих поръчка на необходимите елементи. Но и с тях срещнах затруднение, например не намерих резистор два вата 82 ком и се наложи да го заместя с паралелна комбинация от два резистора, съответно 100 ком и 470 ком. Именно заради това на печатната платка съм предвидил място за два такива. Скоро получих печатната платка и за кратко време монтирах компонентите върху нея. Ето как изглежда тя преди свързването й към трансформатора:

Архив [zip,pcb,gif][45kb]

Но задачата не се изчерпва само с нареждането на елементите. След като завърших монтажа, със свито сърце започнах да планувам свързването на вече готовата платка към трансформатора. Изчаках няколко дни и една вечер, събрал смелост и желание започнах да "свещенодействам".

Разбира се, взех "предохранителни" мерки. Първо включих регулиращата част от схемата с транзистора IRF840 и след като се убедих, че няма никакви нежелани последствия, включих и допълнително направената намотка с управляващото напрежение към стабилизатора TL431. Схемата заработи без товар. Но в подробното описание на сайта се препоръчваше към изхода на стабилизатора да се включи една електрическа крушка, което и направих:

Схемата заработи, а измереното напрежение на изхода с включена електрическа лампа беше 229 волта. Тук искам да отбележа, че използвах добавъчно напрежение от 36 волта, а тороидалния трансформатор позволяваше (2х18V) свързване на едната половина. Така и направих и изходното напрежение се установи на 220 волта.

Няколко забележки, възникнали от реализацията на моята конструкция:

1. Не постигнах регулирана мощност от 1 kW и съвсем естествено, трансформаторът ми беше 3 пъти по маломощен и както споменах в началото достигнах до 300 вата, което напълно ме удовлетворяваше.

2. Ограничението на консумирания ток от 6-8А в оригинала, в моята конструкция беше 3,3А, поради параметрите на тороидалния трансформатор.

3. Не постигнах регулиране посочените в оригинала предели на напрежението: 160-230 волта, а 170-238 волта.

Трябва да се има предвид, че при по-големи мощности регулиращия транзистор загрява много, поради което е необходимо да бъде поставен на радиатор с площ минимум 100 кв. см. Например, при мой експеримент да натоваря стабилизатора с отоплителен конвектор с мощност 800W, транзисторът загря за няколко секунди, което ме накара да огранича мощностите на товара до 300W.

И накрая, настройките, които аз направих, са преди всичко с избрания от мен обхват на регулиране на напрежението, който е съобразен с напрежението на вторичната намотка, а именно 2 х 18V. Но тази стойност е при мрежово напрежение 220V, докато при спадането му е естествено да спадне и напрежението на вторичната намотка. Така се получи реално. Най-накрая реших, че е по-добре да направя настройките като свържа стабилизатора към латера. За целта първо откачих само трансформатора, свързах намотките му във схема за волтодобавка и започнах да въртя ръчката на латера в посока намаляване на входното напрежение. Оказа, че при напрежение 175V на изхода на трансформатора се получава 210V, което е напълно достатъчно, като се има предвид, че стандартно се използват отклонения от +/-5% до +/-10%. Това измерване направих с товар – електрическа крушка 100W.

След като уточних долната граница на входното напрежение, отново свързах трансформатора към платката и повторих предходното действие, но през стъпки от 20-25V и в същото време настройвах с тример потенциометъра. След това включих товар на изхода на стабилизатора, при което напрежението спадна до 205 волта, което беше удовлетворително и с това приключих този практически експеримент.

Но припомням – този стабилизатор работи като повишаващ, не може да работи като понижаващ, което означава, че при напрежение на мрежата над 220V той не може да регулира изходното напрежение. Така ми хрумна идеята да поставя ключ между долния край на първичната намотка и общия край, така че при по-високо напрежение той може да се изключва. От друга страна който иска да си "поиграе“ би могъл да си добави защита от пренапрежение (overvoltage protection), която, например, да сработва при праг 230-235V, а самата тя управлява реле, чиито контакти могат да заместят този ключ и се избегне ръчното превключване.

И все пак много обяснения, но ето най-после снимка на опитаната установка:

Това което не е показано на принципната схема в началото на статията е кондензатори по 100n/450V, които съм поставил за да елеминирам смущенията от работата на транзисторния ключ по мрежата. Такива има на входа и изхода на стабилизатора.

Описаният стабилизатор е лесен за изпълнение, но не е прецизен. Изходното му напрежение се променя в доста широки граници 205-235V. Затова реших да тествам и други схеми, като се насочих към такива от релеен тип, които ще изложа по-нататък.

***

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.

***

През изтеклия летен сезон един съсед на село ме помоли да му ремонтирам стабилизатора за мрежово напрежение. Разбира се поех ангажимента и след няколко часа той го донесе в къщи. Стабилизаторът беше от релеен тип. Естествено, преди да започна ремонта, направих снимки на платката от страна елементи и страна опроводяване (за да не сгреша след като сваля платката), а и с тайната идея да начертая принципната схема.

За мен тази платка, реализирана с транзистори, беше доста странна предвид, че повечето производители използват интегрални схеми - ОУ, компаратори, дори микропроцесори. След недълго размишление се заех с изчертаване на принципната схема:


Фиг.1

И какво беше учудването ми, щом разпознах в двата модула за управление на релетата схемата от [2] на едноименната статия, която вече бях публикувал. Е, все пак има една съществена разлика, а именно: във фабричната схема прагът зависи не от напрежението на захранването, а от напрежението на мрежата, което директно се подава към базите на транзисторните стъпала.

Но и още една разлика ми направи огромно впечатление и в мен любопитството се провокира - едното стъпало следеше промяната на входното мрежово напрежение, а другото стъпало напрежението от първата добавъчна намотка. Това си заслужаваше да се провери практически. Ето защо бързо се заех с ремонта и след два часа стабилизаторът на съседа вече работеше като нов. След като отстраних едно реле и един транзистор, вече в работно състояние го включих за тест и установих много интересен ефект в работата на стабилизатора - въпреки че имаше две превключващи вериги (стъпала с релета) той превключваше три пъти. Е, наложи се отново да се загледам в схемата и чак тогава ме осени "просветлението" - при намаляване на мрежовото напрежение, при достигане на долния праг около 200V се включваше добавъчна намотка от 24V, но тя наистина добавяше напрежение, което, всъщност възстановяваше изходното, а с него се възстановяваше прагът на задействане, тоест това реле превключваше веднъж над 240 волта и втори път под 200 волта. Признавам си, тази китайска "измишльотина" ме възхити! Третата междинна стъпка позволяваше по-плавно превключване на напреженията и естествено по-плавно регулиране на изходното стабилизирано напрежение. Тогава спретнах набързо една печатна платка по снимките, които бях направил и реших да експериментирам този образец. Вече бях върнал фабричния стабилизатор и се наложи самостоятелно внимателно да изчисля и подбера елементите на праговите детектори. Да, възползвах се от опита, който бях натрупал с експеримента си преди години по схемата от [2], за която споменах в началото, като сега трябваше да изменя няколко елемента заради по-ниското захранващо напрежение от 12V и съответните релета за това напрежение. Ето какво се получи:

Оказа се, че тази елементарна схема работи безупречно, лесна е за реализация и настройката на праговете се извършва за няколко минути. Настройването се състои в подаване на входа с помощта на латер на напрежение 200V и регулиране на прага на входното стъпало, след което повишаване на входното напрежение до 240V и регулиране на прага на второто стъпало. С това платката е готова! Все пак, искам да отбележа, че е необходимо добавъчните напрежения да бъдат съответно: едното 22-25 волта и второто 33-38 волта. В моя експеримент използвах трансформатор с намотки за 22V и 34V.

На показаната платка забелязвате още едно стъпало, което представлява таймер с отложен старт около 5-10 секунди, реализиран с таймер NE555, чиято схема може да намерите на фиг.2 в моята статия "Електронно управление на сервомотор за стабилизатор на мрежово променливо напрежение". Времезадържането зависи от стойностите на двата елемента на извод 2 на NE555 и се изчислява по формулата T=1.1RC.

След като реализирах тази принципна схема, реших, че много по-технологично и сервизируемо би било ако изводите на трансформатора не се запояваха директно към печатната платка, а се свързваха чрез клеми. От друга страна, чрез използване на клеми лесно и бързо бих могъл да сменявам различни електронни платки към един и същи трансформатор.

Поразтърсих се из онлайн магазините за резервни части и съвсем скоро се сдобих с клеми за директно запойване към печатната платка. Е, да, това означаваше и допълнителната й доработка.

И ето как изглежда новата печатна платка, вече съобразена със закупените монтажни клеми:

На тази платка добавих в захранването на схемата вместо еднополупериоден, двуполупериоден токоизправител и две клеми за маса. На самата платка от страна елементи са изписани техните стойности за улесняване на монтажа при повторно изпълнение. На следващата снимка представям завършеното електронно управление на релеен стабилизатор за мрежово напрежение:

Сега с няколко изречения по-точно ще опиша стъпка по стъпка настройката на праговете. За целта свързваме всички връзки на платката както е означено на самата нея с трансформатора и от латер подаваме напрежение. Осъществява се в две стъпки - при входно напрежение ~200V настройваме едното рамо така, че реле К1 с контакти S1 да се включва на около 202-203 волта, а според хистерезиса да се изключва при около 196-198 волта, след тази стъпка увеличаваме напрежението на латера до ~242 волта и настройваме превключването на реле К2 с контакти S2 да се включва на тази стойност, а според хистерезиса се изключва на 234 волта. С това настройката е готова. Забележка: за големи мощности както в случая, трансформатори с Pa=>300VA загряват, и след около един час се променя слабо напрежението на вторичните намотки, което влияе макар и несъществено на праговете на напреженията, които вече сме настроили. Желателно е настройката да се повтори ще веднъж, макар че не е задължително.

Една вечер седейки пред компютъра и "ровене" Из моята любима библиотека - интернет, попаднах на една интересна схема на електронно управление на променливотоков стабилизатор, реализирана с таймер NE556. По-подробното описание е дадено от автора на следния адрес:

[1]. AC Voltage Stabilizer Circuit using 556 IC, www.bestengineeringprojects.com

Ако се вгледате в релейните контакти и начина на превключването им ще забележите, че принципът на работа на тази схема е подобен на описаната фабрична. Електронното управление, обаче, е реализирано с таймер NE555/556. Забележете управлението на входовете 2, 6, 8, 12 - на всеки от тях се подава различно сензорно напрежение, което съответно идва от вторичната намотка за 10 волта на трансформатора. Тоест, всяко стъпало представлява детектор на прозорец от две напрежения, което по-простичко може да се види на следващата схема:

[2]. Measuring Circuits, Rudolf F. Graf, 1993, 1997, www.books.google.com

Не се колебах твърде дълго и един ден седнах на компютъра и изчертах печатна платка. След една седмица получих готовата платка и бързо я наситих с елементите от схемата. Тъй като не разполагах с намотки от по 10 волта на трансформатора си, реших да експериментирам с допълнителен маломощен трансформатор, поради което на платката включих класически стабилизатор за постоянно напрежение с ценеров диод и транзистор. Свързах електронната платка с един от трансформаторите, които имах, чиито изходни напрежения са 22, 27 и 33 волта. За да осигуря по-голям обхват на стабилизиране използвах намотките от 27 и 33 волта. Всъщност за експеримента напреженията им не бяха от съществено значение. И ето как изглежда вече реализираното електронно управление с NE556:

И при реализирането на тази схема освен стабилизатор за 12 волта добавих таймер с NE555 който имаше за задача да включва изходното напрежение след 5-8 секунди след установяване на състоянията на релетата. Както казах по-горе, схемата на таймера е класическа и може да я вземете от посочената моя статия.

За съжаление тази електронна платка се оказа изключително трудна за настройка. Практиката ми с нея показа, че настройването на долен и горен праг за всяко едно от стъпалата е взаимозависимо, тъй като резисторните вериги на делителите бяха свързани в паралел. Тъкмо сме настроили едното стъпало, то пък предизвиква разстройка на другото. И въпреки големите трудности след няколко часа игра с регулиране ту на входното, ту на изходното стъпало, постигнах положителен резултат. Както и в описаната по-горе схема и при тази избраните прагове са 200 и 240 волта. След тази дълга, трудна и досадна настройка се оказа, че електрониката работи перфектно. Този факт ме учуди и поради това реших да се избавя от тази неприятна досадна настройка в която двете рамена бяха взаимнозависими. За целта разделих рамената, като към всяко от тях подадох директно напрежение от мрежата през резистор от 100к и изправителен диод, като самите резистивни делители запазих. Изчертах нова печатна платка към която добавих клемите за свързване, с които улеснявах монтажа.

Получи се ето тази красота:

Оказа се, че идеята, която ми беше хрумнала е правилна и настройката се улесни значително. Пак беше достатъчно бавна, но вече нямаше зависимост между резистивните делители на входовете за настройка на двете стъпала.

Колкото по-прецизна е настройката (зависи от търпението ви), толкова по-прецизна и точна се оказа работата на реализирания стабилизатор:

Снимките показват, че при тези настройки, стабилизаторът има обхват от 165V до 260V, като осигурява на изхода си напрежение 220V+/-10%.

Но с времето установих, че съм останал неудовлетворен от последната схема, поради нейната много трудна практическа реализация при домашни условия, най-вече досадната и трудна настройка. Реализирайки двете принципни схеми, описани до тук, ме осени идеята да използвам таймера NE555 като детектор на праг, но да използвам сензорната част от транзисторната схема, с която започнах всички експерименти. Елиминирах всички излишни елементи, подмених свързването на NE555 само като прагов детектор, след което на бредборд експериментирах едно стъпало за да се убедя в неговата функция. Така подбрах и напрежението на прага около 4VDC, а това стана чрез подбор на ценеровия диод, което ще видите на принципната схема, която вече е изцяло моя разработка:


Фиг. 2

Тази принципна схема е въз основа на интегралната схема сдвоен таймер NE556, като всяка една от половинките представлява детектор на праг. Всъщност, основната причина да се спра на използването на таймер е много добрите харктерситики на фронтовете на NE555/556. По-стръмните фронтове спомагат за по рязкото и отчетливо превключване на релетата, което от своя страна е щадящо за техните контактни двойки и намалява искренето. Този недостатък забелязах при реализацията на първата схема, изпълнена с транзисторни детектори на прагове. Ето готовата електронна платка:

Всички настройки и тествания направих с мрежов трансформатор, снимка от чийто етикет с изписани технически характеристики ще видите по-долу и така не се налага да да давам допълнителна информация и за него:

Допълнителната намотка от 15 волта използвам за захранване на електрониката, с което избягвам допълнителния втори трансформатор. Освен нея има още една за 4 волта, която експериментално съм добавял към наморката от 36 волта, като по този начин съм се опитвал да разширя границите на стабилизацията. Но в окончателния вариант не тя не е включена. Забележителното е, че с тази електронна платка постигнах предимствата на транзисторната схема, показана в началото в съчетание с предимствата на таймера NE555/556. На следващите снимки съм показал обхвата на стабилизация на мрежовото напрежение:

Настройването на праговете не се различава от вече описания в началото. Удовлетворение носи бързата и точна настройка, резките и отчетливи превключвания на релетата, простотата на изпълнение и стабилната работа на тази принципна схема на електронно управление на стабилизатор от релеен тип.

При разработката на печатната платка върху която е реализирана показаната схема по-горе, съм се стремял преди всичко, да намеря равномерно разположение на елементите, което създава чувство за красота и подреденост от една страна, а от друга върху лицето й от страна елементи изписах техните стойности, което позволява нейното бързо и лесно мултиплициране, дори без използване на принципна схема. И-и-и-и, естествено, като знаем вече двата основни напрежителни прага от 200 и 240 волта (а те също са отбелязани на лицето на платката) практическата настройка отнема само няколко минути. На следващите снимки, представящи платката от страна елементи се виждат освен тях и съответстващите надписи, с които са придружени:



Архив [zip,pcb][32kb]

И накрая едно кратко обобщение на получените резултати:

Схемата от фиг. 1 работи безупречно, настройва се лесно и бързо, има три прага на регулиране - 180, 200 и 240 волта. Те позволяват да се постигне регулиране на напрежението от 165V до 260V. Недостатък е по-плавното и не така отчетливо превключване на релетата, което може да доведе до искрене на контактите, което може да се предотврати чрез свързване на искрогасяща група паралелно на контактите. Захранва се с допълнителен трансформатор с изходящи намотки 2x9V/300mA.

Схемата от [1] работи много добре, релетата превключват рязко и отривисто, настройва се трудно, продължително и изнервящо. Има два прага на регулираме - 200 и 240 волта. Съответно регулирането на мрежовото напрежение е в обхвата 170V до 260V.

Схемата от фиг. 2 съчетава предимствата на предишните две, тоест работи безупречно, настройва се лесно и бързо, релетата превключват отривисто, с което се избягва евентуално искрене на контактите и има три прага на регулиране - 180V, 200V и 240V. Регулирането на мрежовото напрежение е в обхвата от 165V до 260V. Тя е реализирана и с най-малък брой компоненти и без допълнителен трансформатор.

Няколко седмици по-късно довърших експериментите с определяне на прага на сработване на детекторите и промених свързването на Triger входовете като ги пренасочих към +12V. По този начин отчетливото включване на релетата се подобри още повече.

Принципната схема се видоизмени и придоби следния окончателен вид:


Фиг. 3

Електронно управление с три волтодобавъчни намотки:

Промених двуполупериодния изправител на захранването на платката със схема "Грец" и изработих нова печатна платка по последната принципна схема, в която добавих още едно реле за трета волтодобавъчна намотка, а за да не остане неизползвана половинката от допълнителния сдвоен таймер NE556 с нея реализирах таймера за отложен старт. По този начин стабилизаторът разшири обхвата на стабилизация от 155V, а горната граница остана същата.

Схемата с три волтодобавъчни намотки и три превключващи релета придоби следния вид:


Фиг. 4

В моята конструкция трансформаторът Tr2 не съществува, тъй като моят трансформатор Tr1 има допълнителна намотка за промeнливо напрежение 15V за захранване на платката, но съм го включил в схемата за да подсказва, че ако вашият трансформато няма такава, то може да се използва допълнителен трансформатор за захранване на електронната платка. На горната схема, над съответния прагов детектор, с надписи съм отбелязал предназначението му и напрежителния праг на който сработва. Видно е, че релетата имат три прагове за регулиране, съответно на 165V, 205V, 240V. А като се има предвид междинното превключване (красивата китайска измишльотина, за която споменах в началото) се получават следните четири прага на превключване: 165V, 180V, 205V 240V. С това електронно управление и трансформатор с три волтодобавки, чиито напрежения също са дадени на схемата, стабилизаторът регулира от 155V до 260V със стъпки през около 20-25V, като отваря прозорец от 220+/-20V при мрежово напрежение в обхвата 200-240V, тоест точността на регулиране е +/-10%.

Ето как изглежда печатната платка:

На снимката по-долу може да се види реализираната електронна платка и нейния монтаж в кутията, която съм подбрал специално за тази цел. Както виждате клемите за директно запояване към платката се оказаха изключително удобни за всякакви експерименти при вече монтиран трансформатор в кутията.

Таймерът NE556 (както оригиналът 555) има по два изхода за превключване. Аз използвам единия (извод 13 на ИС) за превключване на релето на изхода, а другият (извод 9) за включване на светодиод като индикатор за готовност. Използвал съм зелен светодиод, който монтирах (залепих) над стрелковата система с насоченост по нейната плоскост, с което получих тази красива скала:

Горната снимка заедно със следващата по-долу показват обхвата на стабилизиране, при две примерни стойности на входното напрежение, при което на изхода се получава регулирано напрежение 220V.

На следващите снимки виждаме обхвата на стабилизиране от 155V до 250V:

 

***

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]

***

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:

Архив [zip,pcb,spl7,gif][134kb]

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.

***

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:

Архив [zip,pcb,spl7,gif,pdf][652kb]

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

***

Част VII: Конструктивни особености

В продължение на поредицата "Стабилизатор на мрежово напрежение" част IV, V и VI, разгледах релейнотрансформаторния метод с волтодобавка за стабилизиране на мрежово напрежение. Целта ми беше да извървя пътя от по-простото към по-сложното решение и практически да измеря резултата от всяка нова волтодобавка, в такъв смисъл прецизността не беше приоритет. Но в процеса на изпълнение на описаните стабилизатори срещнах практически затруднения, които искам да споделя, тъй като те са важна част от общото описание и прецизират изработката на такова полезно устройство.

Основните особености се крият в отдаваната изходна мощност, реалното напрежение и ток, които се изискват от волтодобавъчните намотки и не на последно място потушаване на искренето при превключване на контактните групи. Ще се наложи в следващите обяснения да включа и някои изчисления.

1. Полезна изходна мощност в зависимост от напрежението и тока.

На първо място искам да отбележа, че мощността не остава една и съща при спадане на мрежовото напрежение. Например, ако при ~220V изходната мощност е 1000VA, то при напрежение ~155V, тя е 500VA, тоест спада два пъти, независимо, че напрежението спада 1,41 пъти (√2). От гледна точка на прочутите формули, произтичащи от Закона на Ом и по-специално зависимостта на мощността от промяната на тока, съпротивлението на товара или напрежението, е редно да се каже: мощността спада с квадрата на напрежението:

Тоест, ако приложим формулите, произтичащи от Закона на Ом, мощността върху товара ще спадне два пъти при намаляване на входното напрежение от ~220V на ~155V.

Тук е мястото да отбележа, че при определяне на необходимата мощност на стабилизатора, трябва да имаме предвид необходимия за целта ток. Тоест, ако трансформаторът ни е 300VA, при волтодобавка от 60V, той ще осигурява ток 5А, при който ще получим изходна мощност на стабилизатора 1100 вата, но ако мрежовото напрежение спадне до 155V, мощността също ще спадне 2 пъти, тоест 550VA. В част V описах по-подробно зависимостта на мощността от прилагането на всяка следваща волтодобавка, поради което тук няма да се спирам отново.

Производителите на фабрични стабилизатори, обикновено прилагат в Инструкцията за употреба графика на зависимостта на изходната мощност от промяната/намалението на мрежовото напрежение. Аз, лично, съветвам моите приятели, просто да имат предвид, че не бива да товарят стабилизатора си с повече от 50% от неговата максимална мощност.

Например, ето една такава графика:

2. Необходимо напрежение на волтодобавъчните намотки.

Основен параметър при определяне на напрежението на волтодабавките е стъпката между избраните напрежения, например, ако тя е 20V, то превкючванията са примерно 140,160,180,200,220,240,260 волта или други избрани от вас. Аз ще обясня как се изчисляват стойностите на напреженията на волтодобавъчните намотки в моите конструкции. За основен пример ще използвам стабилизатора с три волтодобавки през 20 волта.

Ако напрежението на волтодобавката при входно напрежение ~220V е ~20V, то при спадане на входното напрежение ще спадне и напрежението във вторичната намотка. Ако отбележим с U1 това напрежение, а с U2 по-ниското (примерно 220V и съответно 200V), то отношението на двете напрежения се представя с коефициент - К, който се прилага и към вторичното напрежение, за да се запази неговата стойност (20V):

K = U1/U2 = 220/200 = 1,1 пъти. Тоест точно с толкова трябва да се увеличи вторичното напрежение, щото при напрежение ~200V, то да запази стойността си от ~20V:

Прилагаме коефициента K и получаваме правилната стойност на напрежението на необходимата волтодобавка за първата стъпка (намаление на мрежовото напрежение от 220 до 200 волта): Ud = K x 20 = 1,1 x 20 = 22V

Прилагаме същата формула за втората стъпка на намаляване на входното напрежение от ~200V на ~180V и получаваме коефициент на намаляване K=200/180 = 1.11, съответно този коефициент към вторичното напрежение Ud = K x 22 = 1,11 x 22 = 24,5 волта. Напрежението на втората волтодобавка отново приемаме като закръглена стойност от 25V.

Изчисляваме по вече така показаната методика и третата волтодобавка при спадане на мрежовото напрежение до ~160V, а именно K=180/160 = 1.125x25 = 28V.

Трябва да имаме предвид, че при спадане на мрежовото напрежение, спада не само мощността, а и коефициента на полезно действие с около 5-10%. Тоест би следвало към всяка от изчислените стойности на стъпките да добавим още 5-10% за покриване на загубите. Тези стойности се променят приблизително както следва: стъпка 25 волта - на 26,5 волта, а стъпка 28 волта - на около 30,8 волта.

P2, W КПД
1-3 0,77
3-5 0,80
5-8 0,83
8-10 0,84
10-20 0,85
20-50 0,87
50-200 0,90

Това са практически формули, в които участва само коефициента на предаване при спад на мрежовото напрежение, но макар и приблизителни, те дават достатъчно голяма точност за тези цели. Накрая, обобщеният резултат от всички изчисления има следния вид:

• Ако сме планували да конструираме стабилизатор с волтодобавъчно напрежение с три намотки за волтодобавка при спад на входното мрежово напрежение от ~220V до ~160V, трансформаторът, който ни е необходим трябва да осигурява чрез три вторични намотки напрежения 22V + 26V + 31V, общо около 79V. Повтарям: тези стойности са приблизителни.

След като направих тези приблизителни изчисления, реших на практика да ги измеря. По този начин щях да установя тяхната достоверност. За целта закупих (с изключителна трудност) три маломощни трансформаторчета по 5-10VA с напрежения на вторичните намотки:

    2 x 11V = 22V,
    2 x 12V = 24V,
    2 x 15V = 30V.

Или по такъв начин свързвайки в паралел първичните намотки за ~220V и последователно вторичните намотки на трите трансформатора получих 22+24+30 волта, общо 76 волта. Тази стойност е почти същата като изчислената поради наличния трансформатор с вторична намотка за 24V, но практически тази грешка е пренебрежимо малка за експеримента. Тези стойности на напреженията бяха изключително близки до изчислените по-горе за необходимите волтодобавъчни намотки. Разбира се, следващата стъпка беше да извърша съответните измервания с така получената опитна постановка. Разположих трансформаторите на работния плот, запоих изводите и свързах първичните намотки с латера, за чийто изход предварително бях свързвал променливотоков панелен волтметър за да имам достатъчно голяма точност при промяната на приложеното към тях напрежение.

Ето какво се получи на практика:

Сн. 1: без волтодобавка Сн. 2: с една волтодобавка 22V

 
 

Сн. 3: с волтодобавки 22V + 24V Сн. 4: с волтодобавки 22V + 24V + 30V

С този експеримент доказах практически съответствието на предварително изчислените напрежения, необходими като волтодобавка при промяна на мрежовото напрежение от 160V до 220V.

3. Искрогасене на контактите на релетата

Аз вече споменах, че има различни методи за потушаване на искренето на контактите. Най-елементарният, прилаган десетки години, откакто съществува електротехниката и релето като превключващо контактно устройство, е включване на искрогасяща група към контактите. Друг метод е добавяне на цифрови ИС и детектор на преминаване на полувълната през нулата, който допуска на изхода към релетата импулс за превключване именно в момента на нулата. Както казах и преди, това усложнява електронното управление на стабилизатора. Трети метод е използването на безконтактни елементи, при което схемата придобива сериозна сложност, а при използването на симистори излъчванията представляват сложна ниско- и високо- честотна "музика", която е много трудна за отстраняване в домашната лаборатория.

Аз използвах класическия метод за искрогасящата група, на която можете да обърнете внимание в част III и част IV:

Резистивно-капацитивната група R1-C1 е включена между превключващите контакти на двете релета. Аз използвам такива групи на всеки две релета. А на стабилизатора, описан в част VI, прилагам в паралел на контактните групи единствено кондензатор от 33nF. Избраните кондензатори са с високо пробивно напрежение, минимум 400V за да може те да устоят на пиковете. Аз съм употребил кондензатори 33nF/630V.

4. Настройка на праговете на превключване на волтодобавъчните намотки

Във всички мои конструкции съм заложил на идеята в интервала на промяна на мрежовото напрежение от ~210V до ~230V на изхода на стабилизатора да се подава директно същото напрежение без промяна, тоест без никаква друга комутация. Това съм осъществил чрез настройките на праговете на сработване на релетата образувайки прозорец.

Например, ако мрежовото напрежение нараства, то първата волтодобавка от 20 волта се включва в противофаза когато то достигне 230 волта, което означава, че в момента на превключване на релейната контактна група към изхода на стабилизатора се подава разликата 230V-20V=210V. При по-нататъшно увеличаване при 240V ще получим на изхода 220V, а при 250V съответно 230V.

Обратно, ако мрежовото напрежение спада, когато достигне стойност 210 волта със съответната релейна контактна група се добавя напрежение 20 волта от първата волтодобавка и на изхода на стабилизатора се подава 210V+20V=230V.

Ако мрежовото напрежение продължи да спада, е очевидно че при достигане на стойност от 200V, с добавяне на волтодобавка от 20V на изхода се получава напрежение от 220 волта.

Подобно е действието на волтодобавкатите и при следващ спад на входното мрежово напрежение, като при напрежение 190V се добавя още една волтодобавка или общо 40V, като на изхода на стабилизатора резултантното напрежение е 190V+40V=230V. И отново при спад до 180 волта, на изхода ще се получи стабилизирано напрежение от 180V+40V, тоест 220V.

Аналогично при спад до 170V се добавя волтодобавъчно напрежение 170V+60V, а на изхода на стабилизатора се получава 230V. При мрежово напрежение 160V, изходното стабилизирано напрежение е 220V.

С едно изречение – при волтодобавка 20 волта, трите прага на сработване са съответно в низходящ ред: 210V, 190V, 170V при които се получава изходно напрежение 230V.

Както споменах и в предишните части на тази статия интервалът 210V-230V определя точност на изходното стабилизирано напрежение 220V, +/-5% (220V, +/-10V). Този интервал се пренася чрез волтодобавъчното напрежение от 20V при всяка следваща стъпка при намаляване на напрежението, както следва:

    210V-230V остава непроменено на изхода
    230V-250V се стабилизира като 210V-230V
    190V-210V се стабилизира като 210V-230V
    170V-210V се стабилизира като 210V-230V
    150V-210V се стабилизира като 210V-230V, като при 160V изходното е 220V.

Настройката е елементарна и трае 2-3 минути. Посредством тример потенциометрите чрез намаляване на подаваното с латер напрежение на входа на стабилизатора се настройват праговете на сработване на трите релета за: 210V, 190V, 170V, а в посока увеличаване над 220V се настройва на праг 230V.

Внимание: Методиката е безупречна, а точно този резултат се получава на практика като се използват волтодобавъчните напрежния описани в т. 2.

Няколкократно споменавах конструкциите на руския радиолюбител Виталий Кравцов и със следващата принципна схема ще покажа използването на цифрови ИС, които позволяват превключване на контактите на релетата точно при преминаване на фазата през нулата, с което се гарантира пълната липса на искрене. Една от неговите разработки е показателна:

Литература:
1. Журнал "Радиомир”, 7/2010
2. Журнал "Радио", 4/2011
3. Стабилизатор на напрежение за TV приемници "Стабор 120-а-2"
4. Стабилизатор на напрежение за TV приемници "Стабор 130"
5. Стабилизатор на напрежение "Стабитрон 350"
6. Стабилизаторы переменного напрежения
7. Релейный стабилизатор сетевого напряжения
8. AC Voltage Regulators
9. Automatic AC voltage regulator
10. AC Voltage Regulator Fourteen
11. 5 KVA to 10 KVA Automatic Voltage Stabilizer Circuit Explained - 220 Volts, 120 Volts
12. Стабилизатор сетевого напряжения
13. Устройство стабилизации сетевого напряжения

14. IRF840 [pdf,zip][342kb]
15. Электронно-релейный стабилизатор напряжения
16. О. Ященко "Стабилизатор переменного напряжения", сп. Радио, бр 1, 1981 година
17. AC Voltage Stabilizer Circuit using 556 IC, www.bestengineeringprojects.com
18. Measuring Circuits, Rudolf F. Graf, 1993, 1997, www.books.google.com

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

Валери Терзиев
7 декември 2015 година, доп. 8 декември 2015 година, доп. 26 януари 2016 година,
доп. 2 февруари 2016 година,
доп. 11 февруари 2016 година, доп. 1 април 2016 година, доп. 8 март 2016 година, доп. 19 април 2016 година, доп. 12 май 2016 година,
доп.
4 декември 2018 година, доп. 21 януари 2019 година, доп. 19 февруари 2022 година