Стабилизатор на мрежово напрежение със сервомотор
 Част III
/kn34pc.com/конструкции/...

Както виждате, темата "Стабилизатор на мрежово напрежение" е благодатна и могат да бъдат направени много електронни схеми, но аз не се спирам на всички, тъй като те са подобни, а търся различни схемни решения с цел сам за себе си да получа практическа и визуална информация за начина на работа и точността, която може да се постигне с тях. Е, разбира се, и за да си имам резервни платки за стабилизатора на село, съчетавайки полезното с приятното.

В Част III ще ви представя един по-различен начин на следене на промяната на мрежовото напрежение, а именно с "Window” компаратор. Изгражда се една простичка схемичка с два компаратора, всеки от който реагира на различно ниво, а в прозореца между тях е в неутрално състояние. Тази схемичка често се използва за сензори, реагиращи под или над определено напрежение. Най-често намира приложение в автомобилната електроника, електронни термометри, отчитащи нива на ниска и висока температура и други устройства.

Една работеща примерна схема може да видите малко по-надолу, като акцентирам на частта от нея, в която участват OP2 и OP3. Двата компаратора са свързани инверсно по единия вход, а между другите два е поставен резистор, който определя минимален пад на напрежението помежду им, така че се получават различни потенциали на входове 2ОР2 и 5ОР3. Тази разлика е около 100-300 mV и е достатъчна да образува търсения напрежителен прозорец, в който компараторите трябва да осигурят неутрално положение на вилката на автотрансформатора. Това предполага, че след като вилката се завърти, схемата отчита напрежението и достигайки нормална стойност (~220V) спира и остава в това състояние (до следващата промяна).

Опорното напрежение се задава чрез ценеровия диод D3, а входното напрежение се следи от веригата R5, P2, R6. Тримера P2 служи за фина донастройка на изходното напрежение на автотрансформатора. Практически с него се избира местоположението на вилката на латера при спокойно стабилно състояние. Може да бъде настроен и на друго напрежение освен ~220V, ако представлява интерес.

Изходите на двата компаратора работят в противотакт, тъй че двата транзистора също са взаимноизключващи се. Когато единия е наситен, другият е запушен и обратно, с което се осигурява движението на електромотроа в права и обратна посока. В колекторите на транзисторното стъпало са включени резистори със стойност 10 ом, които играят ролята на защита от голям ток или късо съединение, което е възможно когато електромотора се повреди.

Последователно на тези резистори са включени крайните изключватели, които предпазват от претоварване на съответното рамо по ток, като прекъсват електрическата верига към колектора на съответния транзистор. Когато това се случи тока преминава през последователно свързаните светодиод и резистор, които представляват индикатор за ниско или съответно високо напрежение. Обикновено - под 140V и над 260V в зависимост от автотрансформатора. Използваната интегрална схема е LM324, четири операционни усилвателя в един корпус DIP14.

Разбира се и този експеримент започна върху бредборд, който значително улеснява монтажа и непрекъснатите промени, които правих по време на измерванията. Както виждате на снимките по-долу първо съм изградил основната част на схемата с "window" компаратори, а след това съм добавил реле с отложен старт. Последното съм описал вече в предходната част на едноименната статия.

До тук добре, но следващата задача, изчертаването на печатната платка, се оказа трудна и ми отне доста време. След поредица от грешки, създадох четири графични оригинала, докато стигнах до последния, в който грешките най-после бяха отстранени. Дори готовата платка, която показвам долу на снимките е с две срязани и прекроени писти, за да избегна съответните грешки. Но това е поправимо и в последния оригинал те са коригирани. Може би това се получи, защото се старах повече платката да стане красива, отколкото функционална. Е, това си ми беше наказанието за наивността - чертах четири пъти. Все пак, трудността идва от желанието ми всички контактни проводници за връзка с основната част на латера да бъдат съсредоточени на куплунг, което прави устройството лесно за сервизиране.

Липсващите кондензатор и резистор представляват искрогасяща група, паралелно включена на контактите на релето и могат да бъдат свързани, ако има нужда от тях. Стойностите им са съответно 33 nF и 33 Om.

Стойността на резистора R8 може да се подбере експериментално от 100 до 470 Om. Той определя точността на регулиране на напрежението от +/-3V до +/-7V като свива или разширява прозореца, определен от компараторите. Фабричните стабилизатори са с точност около +/- (2-3)%, което приблизително, в абсолютна стойност съответства на горните значения.

Ето вида на печатната платка:


Архив [zip,pcb,spl7,gif][263kb]

На следващите снимки може да видите готовата платка в работно състояние и включена искрогасяща група:

В последния стадий преди завършване на този проект се оказа, че регулирането на времето на таймера за отложен старт е твърде критично и се извършва трудно, поради което премахнах тримера Р1 и резисторa R2, a R1 замених с резистор 100к, тоест върнах се към традиционната схема на таймер, която показах в Част II. При тези стойности на времезадаващата верига времето на задръжка е около 7-8 секунди след включване на захранването на стабилизатора, което е напълно достатъчно за установяване на положението на вилката на латера. Окончателно, принципната схема придоби следния вид:

Преди да монтирам електронното управление в кутията на стабилизатора, разпробих три отвора с Ф=5 мм в които поставих три светодиода - жълт за ниско напрежение, зелен за нормална работа и червен за пренапрежение. Като датчици използвах крайните изключватели на вилката на автотрансформатора, както и в предишната Част II, с изключение на индикатора за нормална работа, който е включен паралелно на релето за отложен старт, така че след като то сработи се включва и зеления светодиод. За да не се наруши фабричния дизайн на кутията разпробиването направих с изключителна прецизност като първо разпробих отвор с малък диаметър свредло, а след това няколкократно го разширявах с по-голям диаметър. И накрая ето вида на стабилизатора след преработката. На предния панел може да забележите трите светодиода, служещи за индикатори, съответно за нормална работа, ниско и високо напрежение. Волтметърът е панелен тип за директно измерване на променливо напрежение.

***
Продължение:

И при този проект отново моите експерименти продължиха и след успешното осъществяване на основната част от него. Ако в първоначалната схема двата компаратора, определящи прозореца на действие на управлението бяха свързани по положителен вход, а всеки от изходите им управляваше по един мощен транзистор от крайното стъпало, то сега направих промени с които исках да експериментирам свързването на компараторите по отрицателен вход, както и свързването на техните изходи в суматор, образуван с два резистора. Това са съществените схемни изменения, но освен тях замених операционния усилвател LM324 с двойния такъв LM358 като за таймер с отложен старт използвах схемата с ОУ LM741, публикувана в Част I и II.

    След направените промени принципната схема на електронното управление придоби следния вид:

Ако захранващото напрежение от вторичната намотка на трансформатора е 12V, стойностите на делителя R1, P1, R2 определят напрежение на средния извод на тримера около 30-70% от изправеното напрежение, а чрез въртене на оста му се постига регулирането на изходното напрежение на стабилизатора ~220V. Това напрежение се сравнява с напрежението на стабилизиращия диод Uz = 6,2V, което е желателно да бъде около половината от захранващото напрежение за да се осигури симетрията на крайното стъпало. Симетрията се получава чрез сумата от изходните разнополярни напрежения на изводи 1 и 7 на операционните усилватели и ако те са симетрични в общата точка сумарното напрежение е равно на нула. Разсиметрирането се получава като следствие от промяната на мрежовото напрежение, следено чрез P1 и сравнявано с опорното напрежение на ценеровия диод. Положителния потенциал отпушва T1 и запушва T2, а отрицателния потенциал запушва Т1 и отпушва Т2, с което се сменя посоката на въртене на електродвигателя, включен на изхода на комплементарната двойка и така се управлява местоположението на вилката на автотрансформатора, с което се извършва регулирането на изходното напрежение на стабилизатора в зависимост от промяната на мрежовото напрежение.

Използвал съм транзистори, чийто параметри позволяват ток над 1А и разсейвана мощност над 10W. Например: TIP41C = BD241 = BD139, както и TIP42C = BD242 = BD140. Направих експерименти и с TIP120, 121, 122 и TIP125, 126 и 127, които представляват Дарлингтон двойки в един корпус, но големия статичен коефициент на усилване не се отрази на работата на схемата, което беше една добра идея за използване на евтини транзистори. Накрая се спрях на BD139 и BD140.

Припомням схемата на таймера за отложен старт:

След това седнах пред компютъра и изчертах графичния оригинал на печатната платка, за чиято основа използвах платката си от Част I на едноименната поредица статии. След като получих готовите платки от фабриката бързо ги наситих с елементи и се получи тази красота:


Архив [zip,pcb,spl7,gif][531kb]

След това включих захранването с един трансформатор с подходящо вторични намотики и регулирах с тримера докато електродвигателя се установи в нулево състояние.

За по-наблюдателните - вероятно забелязвате на платката пет резистора в повече? Е, както винаги досега, съм оставил проекта "отворен" и те се свързват, ако вместо операционен усилвател LM358 се използва компаратор LM393. Платката на снимките е изпълнена с двойния ОУ LM358. Тогава на местата на резисторите 10 kOm във входовете се поставя мостче или резистори по няколко Ома, а в изходите не се поставят резистори от 10 kOm. Ако се използва двойния компаратор LM393 освен тези промени следва резистора R5, определящ хистерезиса да се подбере в рамките на +100/-50 Om.

На следващата снимка може да видите платката в тестов режим:

А на снимката долу, платката е монтирана импровизирано в един 3 kW стабилизатор за реален тест.

Може би се питате дали има смисъл от този експеримент? Оказа се, че той си има своите предимства като например много по-резки фронтове при старт/стоп на двигателя, баланс на рамената на крайните транзистори, което намалява до минимум тяхното греене от разсейваната мощност при установено състояние. Всичко това осигурява доста голяма точност на регулирането. Както казах и по-горе, точността може да определите чрез подбор на резистора R5. Една стандартна точност, която е параметър във фабричните стабилизатори на променливо напрежение е +/-2.5% (тоест +/-5-6 волта), която е напълно достатъчна.

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

 

Валери Терзиев
7 януари 2018 година