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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Regolatori di potenza sul microcontrollore. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Regolatori di potenza, termometri, stabilizzatori di calore L'articolo descrive due regolatori di potenza a tiristori per carico inerziale. L'utilizzo di microcontrollori consente di utilizzare uno speciale algoritmo per la distribuzione uniforme degli impulsi di corrente nel carico e di ottenere un'elevata frequenza di commutazione anche con un gradino di controllo della potenza dell'1%. Il primo dispositivo è progettato per controllare la potenza nel carico, progettato per la tensione di rete. Il secondo funziona con un carico a bassa tensione, che non è collegato galvanicamente alla rete. Inoltre, questo regolatore fornisce la stabilizzazione della potenza nel carico durante le fluttuazioni della tensione di rete. Per controllare il carico inerziale, vengono utilizzati i regolatori di potenza a tiristori, che funzionano secondo il principio di fornire diversi semicicli di tensione di rete al carico, seguiti da una pausa. Il vantaggio di tali dispositivi è che i tempi di commutazione dei tiristori coincidono con i momenti in cui la tensione di rete passa per lo zero, quindi il livello di interferenza radio viene drasticamente ridotto. Inoltre, un tale dispositivo, a differenza di un regolatore a controllo di fase, non contiene elementi di soglia analogici, il che aumenta la stabilità di funzionamento e semplifica la regolazione. Poiché la commutazione avviene solo durante la transizione della tensione di rete attraverso lo zero, la porzione minima di energia fornita al carico è pari all'energia consumata dal carico in un semiperiodo. Pertanto, per ridurre il passo di controllo della potenza, è necessario allungare la sequenza di ripetizione dei semicicli. Ad esempio, per ottenere un passo del 10% è necessaria una sequenza di dieci semicicli. Sulla fig. 1a mostra la sequenza di impulsi sull'elettrodo di controllo del tiristore per un carico di potenza del 30%.
Come puoi vedere, il tiristore è aperto durante i primi tre semicicli e chiuso nei successivi sette. Questa sequenza viene poi ripetuta. La frequenza di commutazione di un tale regolatore per qualsiasi potenza inferiore al 100% è pari a 1/10 della frequenza di ripetizione di mezzo ciclo. Sarebbe molto più logico distribuire i semicicli durante i quali il tiristore è aperto, se possibile, uniformemente sull'intera sequenza [1]. Nel caso generale, il problema della distribuzione uniforme di qualsiasi numero di impulsi N in una sequenza di lunghezza M (quando N è minore o uguale a M) è risolto dall'algoritmo di Bresenham. che viene solitamente utilizzato nella grafica raster per tracciare segmenti obliqui. Questo algoritmo è implementato utilizzando l'aritmetica dei numeri interi, che semplifica notevolmente la sua programmazione. Sulla fig. 1,6 mostra la sequenza per la stessa potenza del 30%. ma usando l'algoritmo di Bresenham. In quest'ultimo caso, la frequenza di commutazione è tre volte superiore. Va notato che il guadagno è più evidente con un piccolo passo di controllo della potenza. La base del regolatore di potenza (Fig. 2) è il microcontrollore DD1 АТ89С2051 di ATMEL [2]. Per l'alimentazione è stato utilizzato un trasformatore TT a bassa potenza. che, insieme all'uso di optotiristori, fornisce l'isolamento galvanico dalla rete. Ciò rende il dispositivo più sicuro dal punto di vista elettrico. Un'altra proprietà utile del regolatore è che può essere utilizzato con carichi progettati per diverse tensioni operative. Per fare ciò, è sufficiente applicare la tensione richiesta ai tiristori da un trasformatore aggiuntivo. Ad esempio, puoi alimentare un saldatore a bassa tensione. È solo necessario che la tensione e la corrente non superino i valori massimi consentiti per i tiristori applicati.
Regolare la potenza nel carico con i pulsanti SB1 e SB2. Una breve pressione su uno dei pulsanti lo aumenterà o diminuirà di un passo, mentre tenendo premuto il pulsante si provoca un monotono cambiamento di potenza. La pressione simultanea di due pulsanti porta allo spegnimento del carico se prima era acceso o all'accensione alla massima potenza se il carico era spento. Il valore della potenza nel carico viene visualizzato sugli indicatori LED a sette elementi HG1-HG3. Per ridurre il numero di elementi viene utilizzata un'indicazione dinamica implementata nel software. I catodi indicatori sono collegati alle porte del microcontrollore, gli anodi includono i transistor VT3 e VT4. controllato dai segnali di scansione dell'indicatore. Nella cifra più alta, solo uno può essere indicato, quindi gli elementi B e C sono collegati alla stessa porta tramite resistori e gli anodi degli indicatori HG1 e HG2 sono combinati. La corrente impulsiva degli elementi è limitata dai resistori R10-R18 a un livello di circa 15 mA, che è inferiore alla corrente massima consentita per le porte (20 mA). ma sufficiente per ottenere la luminosità richiesta. Il comparatore analogico integrato nel microcontrollore si lega ai momenti in cui la tensione di rete passa per lo zero. La tensione CA viene fornita ai suoi ingressi attraverso i limitatori VD5R2 e VD6R3 dall'avvolgimento secondario del trasformatore di potenza. Il ruolo del limitatore per il semiperiodo negativo della tensione di rete è svolto dai diodi del ponte raddrizzatore. La commutazione del comparatore avviene nei momenti in cui la tensione di rete passa per lo zero. L'uscita del comparatore viene interrogata dal software e non appena viene rilevato un cambiamento nel suo stato, un segnale di controllo appare all'uscita di controllo del tiristore (porta P3.2 del microcontrollore) per accenderli. Nel caso in cui il mezzo ciclo corrente debba essere saltato, questo segnale non lo sarà. Quindi l'indicatore HG4 si accende per 3 ms. A questo punto, viene controllato lo stato chiuso dei pulsanti e . se necessario, il valore della potenza attuale viene modificato. Successivamente, la tensione di controllo viene rimossa dai tiristori e gli indicatori HG4 e HG1 vengono accesi per 2 ms. Inoltre, entro 4 ms, è previsto un nuovo cambiamento nello stato del comparatore. Il segnale dalla porta P3.2 va a un interruttore realizzato sui transistor VT1 e VT2, che viene utilizzato per controllare i diodi emettitori degli optotiristori. Per la commutazione del carico vengono utilizzati due optotiristori collegati in antiparallelo. I loro diodi emettitori sono collegati in serie. I diodi emettitori di corrente - circa 100 mA - impostano il resistore R1. Il regolatore può funzionare in due modalità con diversi gradini di controllo della potenza. La modalità operativa è selezionata dal ponticello saldabile S1. La sua posizione viene rilevata dal microcontrollore immediatamente dopo il reset. Nella posizione 1, rappresentata nel diagramma, il passo di regolazione della potenza è dell'1%. In questo caso, l'indicatore visualizza numeri da 0 (0%) a 100 (100%). Nella posizione 2, il passo è del 10%. L'indicatore visualizza i numeri da 0 (0%) a 10 (100%). La scelta di dieci gradazioni in modalità 2 è dovuta al fatto. che in alcuni casi (ad esempio controllo di una stufa elettrica) non è necessario un piccolo step di regolazione della potenza. Se il regolatore deve essere utilizzato solo in questa modalità, l'indicatore HG1 e le resistenze R17, R18 possono essere omesse. In generale, il dispositivo consente di impostare arbitrariamente il numero di livelli di potenza per ciascuna modalità. È necessario solo inserire il valore di gradazione desiderato per la modalità 0005 nel codice del programma all'indirizzo 1Н e per la modalità 000 all'indirizzo 2ВН, è sufficiente ricordare che il numero massimo di gradazioni nella modalità 1 non deve essere superiore a 127, e in modalità 2 - non più di 99 perché la visualizzazione delle centinaia non è possibile in questa modalità. Se la corrente di carico non supera i 2 A, gli optotiristori possono essere utilizzati senza dissipatori di calore. Ad una corrente superiore vengono installati su dissipatori con una superficie di 50...80 cm'. Quando il carico è alimentato con una tensione inferiore a 50 V, gli optotiristori possono essere di qualsiasi classe (in termini di tensione). Quando si lavora con la tensione di rete, la classe degli optotiristori deve essere almeno 6. Il trasformatore di potenza è qualsiasi di bassa potenza con una tensione sull'avvolgimento secondario di 8 ... 10 V e una corrente consentita di almeno 200 mA. I diodi FR157 (VD1-VD4) sono intercambiabili con il ponte raddrizzatore KD208 KD209 o KTs405 con qualsiasi indice di lettere. Il chip stabilizzatore DA1 7805 (analogo domestico KR142EN5A, KR1180EN5) non richiede dissipatore di calore aggiuntivo. Transistor VT2-VT4 - qualsiasi struttura pn-p a bassa potenza. Invece di VT1, sono applicabili i transistor KT815, KT817 con qualsiasi indice di lettere. Tuttavia, è necessario selezionare il resistore R5. Diodi VD5. VD6: qualsiasi silicio a bassa potenza, ad esempio KD521, KD522. Pulsanti SB1 e SB2: qualsiasi piccolo senza fissaggio, ad esempio PKN-159. Indicatori HG1 - HG3 - qualsiasi sette elementi con un anodo comune, la luminosità richiesta del bagliore. Condensatori C1. C3, C6 - qualsiasi ossido, il resto - ceramica. Resistenza R1 - MLT-0,5, il resto - MLT-0.125. Ad esempio, è ancora più conveniente utilizzare resistori a montaggio superficiale. PH1-12. Il regolatore non necessita di regolazione se è assemblato da parti note e buone e il microcontrollore è programmato senza errori. Si consiglia comunque di verificare la correttezza dell'associazione alla frequenza della tensione di rete. Per fare ciò, sincronizzare l'oscilloscopio con la tensione di rete e assicurarsi che gli impulsi di scansione del display (segnali RXD e THO del microcontrollore) siano sincroni con la rete e abbiano il doppio della frequenza di rete. Succede che quando un carico viene collegato per interferenza, il sincronismo viene interrotto. In questo caso è necessario collegare un condensatore con una capacità di 12-13 pF tra gli ingressi del comparatore (pin 1000, 4700 del microcontrollore). I codici del programma del microcontrollore sono riportati nella tabella. uno.
Con un passo di controllo dell'1%, l'instabilità della tensione di rete è la principale fonte di errore di impostazione della potenza. Se il carico non è collegato galvanicamente alla rete, è facile misurare il valore medio della tensione applicata al carico e mantenerlo costante utilizzando il circuito di retroazione. Questo principio è implementato nel secondo regolatore. Lo schema funzionale del dispositivo è riportato in fig. 3.
Per operare nella modalità di controllo automatico, vengono utilizzati due modulatori Bresenham (Mod. 1 e Mod. 2), implementati nel software. L'ingresso del primo riceve il codice della potenza richiesta, che viene impostata dai pulsanti di controllo. Alla sua uscita si forma una sequenza di impulsi che viene inviata attraverso un filtro passa-basso (Z1) all'ingresso invertente del comparatore. Il suo ingresso non invertente dopo il filtro passa basso (Z2) riceve la tensione sottratta al carico. Dall'uscita del comparatore, un segnale di errore di un bit viene inviato all'ingresso del microcontrollore, dove viene sottoposto a filtraggio digitale. Poiché il filtro digitale (DF) opera in modo sincrono con i modulatori, è assicurata un'efficace soppressione dei ripple alla frequenza di ripetizione delle sequenze di impulsi di uscita e delle sue armoniche. Dall'uscita del filtro digitale, un segnale di errore a otto bit viene inviato al controller integratore (IR). Per migliorare la precisione, il controller di integrazione opera in una griglia a sedici bit. Gli otto bit inferiori del codice di uscita del controller vengono inviati all'ingresso del modulatore Mod. 2, all'uscita del quale si forma una sequenza di impulsi, alimentata al controllo a tiristori. Tale controller è molto simile nei circuiti a quello sopra descritto, quindi ha senso soffermarsi solo sulle sue differenze. Sulla fig. 4 mostra una parte diversa del circuito. I restanti pin del microcontrollore DD1 non sono mostrati nello schema. Sono collegati allo stesso modo. come in fig. 2.
Poiché le porte I / O disponibili del microcontrollore non erano sufficienti, abbiamo dovuto abbandonare l'uso del comparatore integrato. Invece, il regolatore utilizza un doppio comparatore DA2. Su uno (DA2.1) è montata un'unità di rilegatura ai momenti di transizione attraverso lo zero della tensione di rete. A causa delle peculiarità del microcircuito LM393, a questo nodo è stato necessario aggiungere un resistore R19 che, con i resistori R2 e R3 (vedi Fig. 2), forma un partitore di tensione che riduce la tensione di polarità negativa agli ingressi del comparatore. Il segnale (meandro della frequenza di rete) dall'uscita del comparatore viene inviato all'ingresso del microcontrollore P3.2. Il secondo comparatore (DA2.2) viene utilizzato nel circuito di retroazione. Un segnale di errore a bit singolo viene inviato al microcontrollore P3.5. Gli ingressi del comparatore sono dotati di un filtro passa-basso. formato dagli elementi R23, C7 e R24, C8. Il segnale dall'uscita del modulatore (uscita della porta P3.4 del microcontrollore) viene inviato all'ingresso del filtro passa-basso attraverso il divisore R22R26. ciò è necessario perché il comparatore non può funzionare con una tensione di ingresso vicina alla tensione di alimentazione. L'ampiezza degli impulsi dopo il divisore è di circa 3,5 V. La stabilità dell'ampiezza è determinata dalla stabilità della tensione di alimentazione +5 V, che viene utilizzata come esempio. La tensione rimossa dal carico viene inviata all'ingresso di un altro filtro passa-basso sempre attraverso il partitore R20R21. Ecco come viene scelto. in modo che alla tensione nominale della rete e alla potenza nel carico del 100%, la tensione all'uscita del filtro passa-basso sia di 3,5 V. Il segnale dall'uscita del microcontrollore RZ.Z viene inviato al transistor interruttore che controlla gli optotiristori. Il trasformatore di rete ha un avvolgimento aggiuntivo (111), al quale è collegato un raddrizzatore controllato, formato da optotiristori VS1. VS2 e gruppo diodi VD7. da cui alimentano il carico. I pulsanti di controllo per salvare le porte del microcontrollore sono collegati in modo diverso rispetto al dispositivo precedente. C'è un vuoto nel ciclo del regolatore quando gli indicatori sono spenti. A quel tempo, era possibile scansionare i pulsanti lungo le linee di controllo dell'indicatore. Pertanto, i tre pulsanti utilizzano solo una linea aggiuntiva: questa è la linea di ritorno collegata al pin della porta P3.7. Il terzo pulsante era necessario per la modalità "Automatico". Immediatamente dopo l'accensione, il dispositivo è in modalità di controllo manuale, ovvero è funzionalmente equivalente al controller sopra descritto. Per abilitare il controllo automatico, premere contemporaneamente i pulsanti "Automatico" e "+". In questo caso si accende il LED HL1 "Automatico". In questa modalità il regolatore mantiene automaticamente la potenza impostata. Se ora tieni premuto il pulsante "Automatico", puoi vedere lo stato corrente del regolatore sugli indicatori. Quando la tensione di rete è scesa così tanto da non poter mantenere l'alimentazione, il LED "Automatico" inizia a lampeggiare. È possibile disattivare la modalità di controllo automatico premendo contemporaneamente i pulsanti "Automatico" e "-". I codici per il firmware del programma del microcontrollore di questo regolatore sono riportati in Tabella. 2.
Quando la corrente di carico è superiore a 2 A, gli optotiristori devono essere installati sul dissipatore di calore. La piastra del dissipatore di calore dell'alloggiamento dell'optotiristore è collegata all'anodo, quindi i dispositivi possono essere montati su un dissipatore di calore nel dispositivo. Al posto di VD7, è preferibile utilizzare un gruppo di diodi Schottky (o due diodi Schottky separati, ad esempio KD2998A). In casi estremi, è possibile utilizzare diodi convenzionali, progettati per la corrente di carico richiesta. Buoni risultati si possono ottenere con i diodi della serie KD2997. KD2999. KD213. Il comparatore LM393 è prodotto dal software Integral con la denominazione IL393. È inoltre possibile utilizzare due comparatori separati, ad esempio LM311. Invece del transistor KP505A, è consentito utilizzare un transistor bipolare delle serie KT815, KT817 includendo un resistore da 2 kΩ nel circuito del collettore del transistor VT1. Il resto dei requisiti sono gli stessi. come per il controller sopra descritto. Quando si regola il regolatore, viene collegato un carico e viene fornita la tensione di rete nominale (ad esempio, utilizzando LATR). Quindi, impostando la potenza massima (100%). Il resistore trimmer R21 assicura che la differenza di tensione agli ingressi del comparatore 0A2.2 sia prossima allo zero. Successivamente, riduci la potenza al 90% e attiva la modalità "Automatico". Regolando il resistore R21, si ottiene la corrispondenza (con una precisione di ± 1) della potenza installata e le letture degli indicatori nella modalità di controllo dello stato del regolatore (quando si preme il pulsante "Automatico"). Letteratura
Autore: L.Ridiko, Minsk, Bielorussia
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