Стабилизатори на мрежово напрежение със сервомотор
/kn34pc.com/конструкции/...

Част I: Електронно управление на сервомотор за стабилизатор
Част II: Стабилизатор на мрежово напрежение със сервомотор


Част I: Електронно управление на сервомотор за стабилизатор

В много части на страната мрежовото напрежение ~220V е нестабилно. Това е характерно за източна България и в голяма степен много актуално във вилните зони. В тези райони мрежовото напрежение плува от 150V до 270V и зависи както от товара, дебелината на проводниците на преносната мрежа, мощността на трансформаторите за ниско напрежение, както и от товара в собствения ви дом.

И аз, като много други граждани, отначало си закупих няколко стабилизатора за да си опазя хладилника, телевизора и други електрически уреди. Но с течение на времето, се оказа, че оригиналната управляваща електроника също не може да издържи токовите удари, при които стабилизаторът със серво-управление реагира бавно и върху нея се стоварва превишено захранващо напрежение. Тогава реших, че вместо да заменям тези стабилизатори с нови или да ги ремонтирам, е по-добре да конструирам собствено управление, като си поставих задачата да избегна недостатъците на фабричното, най-вече изградено с евтини некачествени материали и да предпазя електрониката от пикови напрежения.

Трябва да имаме предвид, че стабилизаторите за мрежово напрежение са обикновено два типа – от релеен тип и серво-тип. При първия напрежението се регулира като най-общо казано се превключват чрез силови релета намотки на автотрансформатор. При този тип предимството е бързината с която реагира електрониката на промяната на напрежението. Недостатък е, че точността зависи от избраната стъпка на изводите за превключване на автотрансформатора.

При втория тип, управлението се осъществява чрез сервомотор, който се върти със скорост 1-2 оборота в минута и придвижва плъзгача на латер. Ако мрежовото напрежение спада, мотора завърта плъзгача и съответно го компенсира и обратно. Предимствата на този метод са в голямата точност и следене на мрежовото напрежение, а недостатъка е, че не реагира със съответната бързина при резки скокове на напрежението.

Аз съм се спрял на електронното управление със сервомотор. Такова управление ще разгледам в настоящия материал. То се състои от от логика от компаратори, които разпознават фиксирани долен и горен праг на входното мрежово напрежение и логически мост за управление и обръщане на посоките на постояннотоков елктродвигател.


Фиг.A


Фиг.Б

Преди да започна описанието на схемата и начина на работа на електронното управление на сервомотора, ще разгледам т.н Н–мост (H-Bridge), който се използва за обръщане на посоките на въртене на постояннотоков двигател.

На фигурата по-долу, идеята е представена с батерии. Виждаме, че като обърнем полярността на батерията и съответно се обръща посоката на въртене на постояннотоковия мотор. Тоест трябва да изградим електрическа схема, която да отговаря на този принцип. На следващата скица, виждаме ръчно управление за смяна на посоките на въртене чрез двоен ключ. И на третата скица се доближаваме вече към темата за Н–мост (H-Bridge). При тази схема смяната на посоката на въртене става като ключовете по диагоналите "1-4" и "2-3" се превключват едновременно. Този мост може да се изгради с електронни компоненти, например с транзистори или специализирани интегрални схеми.

Една така в схема, реализирана с биполярни транзистори, която дава нужните резултати и всеки може лесно да направи сам, за да изпробва възможните на Н–моста е дадена тук, а до нея е таблицата с логическите състояния и посоките на въртене на двигателя:

Разбира се използването на биполярни транзистори има своите недостатъци, като например по-висока стойност на остатъчното напрежение при насищане, което не влияе за маломощни двигатели, в противен случай се налага използването и на радиатори за отвеждане на разсейваната топлинната мощност. Друг недостатък е малкото усилване по ток, което ги прави по-бавни, с по-полегати фронтове на превключването, но това се компенсира ако се изгради моста с Дарлингтон транзистори. С това се намалява преходния процес и естествено остатъчната топлинна мощност върху преходите. На практика схемите на Н – мостове с Дарлингтон транзистори са по-разпространени, тъй като позволяват управлението на по-мощни мотори, с по-голям ток и при това без да се налага да се монтират радиатори на крайните транзистори. По този начин значително се намалява обема на изработения мост.

Още по-добри резултати се получават, ако Н–моста се изгради с мощни полеви транзистори. Всички описани по-горе недостатъци се избягват. Разбира се за мощни мотори радиаторът не може да се избегне. Но за нашия конкретен случай тези мостове са предназначени да управляват маломощни постояннотокови електродвигатели.

   

Както споменах по-горе, освен с биполярни и полеви транзистори Н–мостове могат да се изграждат със специализирани интегрални схеми. Например такива са серията за маломощни мотори TC4420/4422/4424/4429, L6203 за мотори с ток до 4А и много други, които няма да обсъждам, защото все пак разглеждам такива елементи, които се намират на нашия пазар за електронни компоненти.

Именно такива интегрални Н–мостове съм използвал в схемите и практическото изпълнение на електронно управление на сервомотор за стабилизатор на мрежово променливо напрежение.

Основната част от предложените принципни схеми за електронно управление на серво мотор за стабилизатор на мрежовото напрежение е логика за разпознаване и сверяване на точността на самото напрежение от ~220V. Тя е изградена с компаратори. В първата схема (фиг.1) се използват 2 компаратора LM311 или един двоен такъв LM393. По-нататък ще разгледам работата на логиката с LM393 (не се различава от логиката с две ИС LM311, която може да видите на следващата принципна схема – фиг.2.):


Фиг.1

Принципът на работа на компараторите е следният:

Чрез ценеровия диод за 7-8 волта (може да бъде и друга стойност, но в случая е съобразен със стойността на ~U1=15V) се създава опорно напрежение на вход 3 на LM393.

Забележете, че резисторите 330 Ω, Rx и 4,7 KΩ, образуват последователна верига между входовете на двата компаратора. С това се създава хистерезис между тях, чиято стойност се регулира с Rx като по този начин създаваме една област от входното напрежение от 220V, която представлява точността на следене, например +/- 5V. На фиг.1 е показан тример потенциометър за регулиране и в скоба е дадена примерна практическа стойност, при която хистерезиса на регулиране на видното променливо напрежение е като посоченото по-горе. Тук изборът за изискваната точност е ваш.

Напрежението U1, ~15V се филтрира с електролитен кондензатор от 220 μF след което се подава на делител, в чиято средна точка е свързан тример потенциометър, от чийто среден извод се подава напрежение на другия вход на компараторите – изводи 2 и 5 на ИС LM393. Това напрежение се сравнява от компараторие с опорното напрежение на ценеровия диод и ако разликата е положителна се отпушва горното рамо, а долното е запушено, или а ако е отрицателна се отпушва долното рамо на двойния компаратор, а горното е запушено и съответните буферни транзистори. Последователно към изходите на транзисторите в колекторите им са свързани микроключета К1 и К2, които при монтажа на латерната част се намират в двете крайни положения на плъзгача и играят ролята на крайни изключватели. Целта е при достигане на съответното крайно положение, микроключа да изключи веригата и да спре въртенето на двигателя. Наричам това защита от претоварване. Съответно тези положения са при спадане на входното напрежение на около 150V и при надвишаване на входното напрежение над 260V. Също от вас зависи как практически и физически на коя част от латера ще закрепите механично двата крайни изключвателя.

Като Н-мост се използва ИС L6203, която може да управлява мотор с товар до 4А. Внимание, стабилизаторът LM7805 е от изключително значение, тъй като чрез него се съгласуват изходните напрежения на логическата "1", към входовете на L6203, която се управлява със стойности до =5V. За да може да разберете по лесно работата на двата компаратора, представям схемата на управление с два отделни такива - LM311 на фиг.2, на която ясно се вижда, че входовете им са свързани противоположно за да се осигури работата на изходите в противовес.


Фиг.2

А под фиг.2 е показана схема на отложен старт, а именно таймера NE555, с който е изградена верига за задържане около 5-6 секунди, която управлява реле RT1-12-30, чийто контакти позволяват тока на товара при ~250V до 30А. При дадените стойности на R и C времето на задържане е ~11 сек., а при стойност на C = 4,7 µF времето е 5 сек. Така при първоначално включване на стабилизатора, до неговото установяване на стабилизирано напрежение ~220V крайната верига се прекъсва от контактната група на релето и с това се предпазва включения електроуред от неустановено напрежение. Това установяване е около 2 секунди. Тук искам да отбележа, че печатните платки, които представям към този материал съдържат веригата на таймера, независимо, че на схемата на фиг.1 той не е показан.

На фиг.3 е представена схемата на още един блок за управление, който спазва горните принципи, но е изграден с четворен компаратор и D-тригери за формиране на изходните нива и управление на Н-мост. Тук, както виждате, съм разделил веригата за следене на входното напрежение и управление от Н-моста. Това е защото, по-горе дадох схеми на Н-мост с биполярни, полеви транзистори и специализирани интегрални схеми. Особеност на предложената схема е, че всяко ниво под и над ~220V и самото входно напрежение се следят с отделни компаратори и могат да се регулират поотделно. В случая аз съм избрал стойностите 210, 220 и 230V. Изпробвал съм и с по-фина настройка до +/-5V и схемата реагира безпроблемно. Това е и съответната точност на регулиране. Като опорно напрежение се използва стабилизираното от интегралния стабилизатор LM7805 напрежение от 5V, А напрежението, което се следи, е 5V през посочения резистивен делител.


Фиг.3

И накрая ви предлагам една простичка и ефективна схема на Н-мост със специализиран чип TC4420, която не изисква много допълнителни елементи, нито настройки и със монтирането заработва веднага и без проблемно. Този чип е и във вариант на два моста в един корпус. На печатната платка са вградени два отделни Н-моста. Тук също искам да отбележа, че независимо от широките граници на захранващото напрежение, което се прилага в изходите към електродвигателите, то входните логически нива са до +5V, поради което на платката е предвиден интегрален стабилизатор, който транслира нивото на логическата единица до тази стойност.


Фиг.4

 

Графичен оригинал [zip,pcb,pdf][58kb]

***

Част II: Стабилизатор на мрежово напрежение със сервомотор

Препрочитайки I част на статията, публикувана през 2011 год. на нашия сайт, прегледах статията с "критично око" и реших, че има какво да се направи за опростяването на принципната схема, която е с твърде много елементи. Тогава се замислих за възможностите, които предлага операционния усилвател, включително като компаратор.

Вечер след работа, седях пред работната си маса и си драсках схемички с операционни усилватели. Например една от тях, която беше доста елементарна, се превърна в основа на моите нови експерименти за управление на променливотоков стабилизатор с автотрансформатор:

Дори при първия експеримент резисторът 1М липсваше, а инвертиращия вход бях свързал директно за изхода и операционния усилвател uA741 (LM741), работещ като повторител. Захранвах схемата с двуполярно захранване +/-15V. Едва след няколко вечери съзерцание реших, че е време да използвам по-пълно възможностите на операционния усилвател не само като компаратор, но и с хистерезис и тогава включих резистора 1М в обратната връзка. Може би ще се запитате за какво ми е необходим хистерезис? За стабилно нулево състояние, в което двете рамена на напрежителния мост са в относително "спокойствие". Разбира се, има формули за изчисляване на стойността на хистерезиса, които всеки може да намери. За моите експерименти стойността на резистора е 470к-1М. До края на експериментите си съм използвал тези стойности. На следващата схемичка виждате поредната стъпка към осъществяване на управлението на бъдещия стабилизатор:

В цитираните преди малко формули за изчисляване на хистерезиса участват резисторите на входа (10 kΩ) и в отрицателната обратна връзка (1МΩ). Посочената схема е класически компаратор с хистерезис с опорно напрежение, създадено с ценеров диод Uz = 5,1V и управление на входното напрежение с тример и резистивен делител. Виждате, че резистора 1М в обратната връзка може да бъде поставен както директно към изхода на ОУ, така и към базите на транзисторното мощно стъпало. И така, поетапно, преминах към следващата стъпка в прецизиране на принципната схема:

Както виждате на горната схема, тук вече съм отделил сензорната верига от общото захранване. Използваният трансформатор е вторични намотки на променливото напрежение (12+12+8)V, с които след изправяне получавам +/-16V за захранване на операционния усилвател и крайното транзисторно стъпало за управление на електродвигателя, както и отделно напрежение от +28V, което чрез подходящ резистивен делител подавам на сензорния вход на операционния усилвател. Тук за опорно напрежение съм използвал ценеров диод Uz = 6V. Съотношението на резисторите във входа и отрицателната обратна връзка определя хистерезиса, но ето отговора за какво ни е необходим – определяме чувствителността на схемата към промяната на входното напрежение, тоест дали тя ще реагира на +/-(4-5)V или +/- (7-8)V. Реакцията на стабилизатора на промяната на входното напрежение е по ваш избор. А ето как изглежда експериментално монтажът на показаните схеми до тук, като за случая съм използвал бредборд от Arduino, който значително опростява експериментите:

Долу е конструкцията в по-близък план, за да придобиете представа за експериментите и детайлите, които съм използвал в различните етапи на идеята:

В процеса на практическото изпълнение на схемите стигнах до извода, че бих могъл да направя още една дву-полупериодна група към общото захранване на операционния усилвател, която става независимо от него и да я използвам за сензорно напрежение. С това общата принципна схема се опростява още повече, а необходимостта от три вторични намотки отпада. И накрая се получи окончателната схема, по която реализирах електронното управление на стабилизатор за променливо напрежение, управляван със сервомотор:

Виждате, че с десет-дванадесет резистора, пет-шест кондензатора, няколко диода и един операционен усилвател с два транзистора на изхода, се получи простичка и стабилна схема за управление.

След като реализирах горната схема на бредборд, изчертах печатна платка с точно определен размер за да пасне на точно определено място в един фабричен стабилизатор на променливо напрежение. Оказа се трудна задача, да съобразявам фабричните изводи на куплунга за връзка с електронната платка и да ги изчертая в същия ред за да не променям заводската част от външните връзки. Резисторите R11, R12 играят ролята на ограничители на ток, така че ако се повреди електромотора, те изгарят и предпазват транзисторното крайно стъпало. Нормалния ток, който преминава през тях е токът на електродвигателя, който за тази мощност е около 150mA. При късо съединение токът нараства многократно и примерно при 1А, падът на напрежение върху резисторите по Закона на Ом достига 12V, изключително близо до захранващото напрежение. Ако тези резистори са маломощни при нормална работа на устройството, това няма да окаже влияние на схемата, но при голям ток и пад от 12V върху тях, отложената мощност е 12W и повече, съвсем естествено маломощни резистори 0.25W или 0.5W ще изгорят (изпушат и прекъснат).

А на следващата снимка ви представям окончателния монтаж на платката в съществуващата кутия на фабричния стабилизатор:

Архив [zip,pcb,spl7,gif][39kb]

***

Този успешен експеримент ми достави удоволствието да съзерцавам тази простичка работеща конструкция, независимо, че след нея направих още няколко, макар и доста по-различни. Обърнете внимание на принципната схема на таймер за отложен старт с операционен усилвател LM741 (uA741). Този таймер работи безотказно и съм го използвал в повечето си конструкции, в които се е изисквало електрическа верига с отложено включване. Именно затова, на по-късен етап, разработих нова печатна платка, която освен елементите на основната принципна схема са монтирани и тези на релето с отложен старт. Това реле ми е необходимо за да включи изхода на автотрансформатора с 6-8 секунди закъснение след включването на захранването на стабилизатора, достатъчно вилката му да намери установено „спокойно“ състояние при ~220V.

Но ето как изглежда общата принципна схема на стабилизатора:

Тези елементи са поместени на следващата платка:

Архив [zip,pcb][6kb]

А ето нейния завършен вид:

И накрая остана практическото изпробване и настройка. За целта за захранване използвах мрежов трансформатор с две вторични намотки с напрежение 2х12V/2A, напълно достатъчни за малък електромотор. Все пак, искам да отбележа, че всички мои експерименти са направени с оригинален сервомотор от стабилизатор с максимална мощност 2000VA, практическата настройка е върху оригинален мрежов стабилизатор 1000VA. За тези конструкция електродвигателя е с напрежение 12V и ток на покой (без натоварване) около 80-100 mA, или до 500-800 mA при задвижване на механиката с вилката на автотрансформатора.

Настройката е лесна, просто завъртате оста на тримера докато на изхода на стабилизатора показанието на волтметъра стане ~220V.

На следващата снимка може да видите тестовата установка при включено състояние:

***

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

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

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

Ето идеята, онагледена по-долу:

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Архив [zip,pcb,spl7][18kb]

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

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

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

***

Въпреки, че завърших тази конструкция, продължих да правя експерименти със схемното решение. До сега в повечето си разработки, в които се е налагало следене на входното напрежение, именно него съм подавал чрез делител към входа на компаратора, в който съм включил тример-потенциометър за точна донастройка. Но ето, че и други начини са възможни, като например фиксирано входно напрежение, но регулиране чрез тример на стабилизираното напрежение, което се използва за сравнение. Ето една такава схема:

Стойностите на резисторите R2, R3, R4 могат да бъдат запазени, както в първата схема – съответно 1 kΩ и 470 Ω.

Разбира се, отново изчертах графичен оригинал за печатна платка, която дадох във фабриката за изработка и се получи тази красота:


Архив [zip,pcb,spl7,gif][205kb]

Както се вижда от горната фигура, доста съм се постарал в изчертаването на платката, за да постигна двуредово подреждане на елементите – "строени като войници". Завършена изглежда простичка и елементарна, но стана с доста труд и разместване на елементи докато накрая се получи този ефект.

И разбира се, трябваше да се наредят елементите върху нея:

А ето готовата платка в работно състояние, с изключен и включен таймер:

В дясната част на платката е монтиран таймера, чиято принципна схема е публикувана по-горе.

***

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.

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 взаимно изключващи 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 Ω.

Стойността на резистора R8 може да се подбере експериментално от 100 до 470 Ω. 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 резистора R2, a R1 замених с резистор 100к, тоест върнах се към традиционната схема на таймер. 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 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.

***

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.

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 вече готовата платка. След като получих новите 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 kΩ във входовете се поставя мостче или резистори по няколко Ома, а в изходите не се поставят резистори от 10 kΩ. Ако се използва двойния компаратор LM393 освен тези промени следва резистора R5, определящ хистерезиса да се подбере в рамките на +100/-50 Ω.

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.
 

Валери Терзиев
18 януари 2011 година, доп.
31 октомври 2017 година,  доп. 17 ноември 2017 година, доп. 31 декември 2017 година,
доп. 4 януари 2018 година, доп. 7 януари 2018 година, доп. 13 май 2022 година