Стабилизатор на мрежово напрежение ~220V
Част III: Релейно-трансформаторен стабилизатор - Продължение
/kn34pc.com/конструкции/...

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.

Използвани материали:
1. AC Voltage Stabilizer Circuit using 556 IC, www.bestengineeringprojects.com
2. Measuring Circuits, Rudolf F. Graf, 1993, 1997, www.books.google.com

Валери Терзиев
4 декември 2018 година