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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Regolatore di potenza stabilizzato. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Regolatori di potenza, termometri, stabilizzatori di calore A volte ci sono situazioni in cui è necessario stabilizzare la potenza in un carico la cui resistenza varia in un ampio intervallo nel tempo. In questi casi, il regolatore di potenza proposto aiuterà, che funziona contemporaneamente come stabilizzatore. La maggior parte dei regolatori di potenza descritti nella letteratura radioamatoriale funzionano con un carico puramente attivo (lampada a incandescenza, fornello elettrico, forno elettrico) o con un carico attivo-induttivo (motori elettrici). Tuttavia, questo carico è costante (forno elettrico) oppure cambia durante un processo transitorio relativamente breve e poi tende ad un valore stabile (lampada ad incandescenza, motore elettrico). In entrambi i casi, la potenza di tali carichi viene regolata modificando la corrente media fluente. Poiché la potenza del carico Рн, la corrente che lo attraversa Iн e la sua resistenza Rн sono legate dalla dipendenza Pн=In2·Rн. Con una resistenza costante, la regolazione della potenza è ottenuta unicamente mediante la regolazione della corrente. Esistono anche tipologie di carichi la cui resistenza dipende da diversi fattori e, quindi, cambia nel tempo secondo una legge sconosciuta a priori. Un esempio di tale carico è una caldaia per il riscaldamento dell'acqua con elettrodi, in cui il mezzo di lavoro e il corpo elettricamente conduttivo sono l'acqua. La resistenza dell'acqua dipende dal tipo e dalla quantità di sali che contiene, dalla temperatura, dalla portata attraverso la caldaia e da altri fattori. La resistenza di un tale carico può cambiare decine di volte. In questo caso, il controllo della corrente attraverso il carico non risolve il problema della regolazione della potenza, poiché la sua resistenza è variabile. In questo caso, la corrente che attraversa il carico dipende non solo dalla tensione ai suoi capi, ma anche dalla sua resistenza. Ciò non consente di controllare la potenza nel modo consueto (impostando un valore di corrente specifico). Anche l’attuale stabilizzazione non sarà una via d’uscita. Poiché quando la tensione sul carico è Un, la sua potenza Pн=Un·In, per stabilizzare la potenza nel carico, il prodotto Un·In dovrebbe essere stabilizzato, cioè garantirne la costanza. Il parametro controllato (variabile indipendente) può essere la tensione, poiché sia la corrente che la potenza del carico dipendono dal suo valore. Pertanto, è necessario regolare la tensione sul carico in modo che quando la resistenza cambia, nel carico venga fornita una potenza media costante. In questo caso, per determinare la potenza istantanea, è necessario moltiplicare i valori istantanei di tensione e corrente nel carico. Ciò deriva dalla definizione classica di potenza nell'ingegneria elettrica. Lo schema a blocchi del dispositivo che implementa l'algoritmo di controllo sopra descritto è mostrato in Fig. 1.
Agli ingressi del moltiplicatore vengono forniti segnali elettrici proporzionali ai valori istantanei di tensione e corrente nel carico. Dall'uscita del moltiplicatore, un segnale proporzionale al loro prodotto (cioè potenza), dopo aver effettuato la media nel tempo, viene fornito al primo ingresso dell'amplificatore differenziale, il cui secondo ingresso viene alimentato con una tensione di riferimento. In un amplificatore differenziale vengono confrontate le tensioni e viene amplificato il segnale differenziale (segnale di errore), che viene poi alimentato ad un comparatore. Il secondo ingresso del comparatore viene alimentato con impulsi a dente di sega, che seguono una frequenza doppia rispetto alla frequenza di rete. All'uscita del comparatore si formano impulsi rettangolari, il cui ciclo di lavoro determina la tensione dall'uscita dell'amplificatore differenziale. Gli impulsi provenienti dall'uscita del comparatore controllano l'interruttore triac, che, a sua volta, controlla il carico. Se la potenza nel carico si discosta dal valore specificato dalla tensione Uset, il segnale di errore dall'uscita dell'amplificatore differenziale influenzerà il comparatore in modo tale che una modifica nel ciclo di lavoro degli impulsi porterà alla stabilizzazione della potenza. Consideriamo il funzionamento di un regolatore di potenza stabilizzato secondo il suo schema circuitale (Fig. 2) e i diagrammi temporali (Fig. 3).
Gli ingressi X e Y del chip DA3 (moltiplicatore di segnale integrato) ricevono segnali proporzionali, rispettivamente, ai valori istantanei della tensione attraverso il carico e della corrente che lo attraversa. Dal cursore della resistenza di regolazione R4 viene prelevato un segnale proporzionale al valore istantaneo della tensione. Il resistore R1 è un sensore di corrente di carico. La tensione proveniente da questo resistore viene fornita all'avvolgimento primario del trasformatore elevatore T2 (il rapporto di trasformazione è di circa 40). La necessità di utilizzare un trasformatore è dovuta a due fattori. In primo luogo, aumenta la tensione fornita all'ingresso del moltiplicatore e, in secondo luogo, fornisce l'isolamento galvanico. I segnali proporzionali alla corrente e alla tensione sono variabili, ma non è necessaria la loro rettifica, poiché il microcircuito K525PS2 (DA3) consente di fornire una tensione alternata con un'ampiezza fino a 10,5 V agli ingressi X e Y. Da notare che i segnali di tensione e corrente forniti al moltiplicatore devono essere in fase, cosa che si ottiene collegando opportunamente gli avvolgimenti del trasformatore T2. Il moltiplicatore di tensione integrato K525PS2 è progettato per implementare una serie di dipendenze funzionali tipiche (moltiplicazione, divisione, quadratura, radice quadrata). Per eseguire queste funzioni con segnali analogici, viene utilizzata la dipendenza esponenziale della corrente di collettore del transistor dalla sua tensione base-emettitore. L'errore di moltiplicazione non è superiore all'1%. Informazioni più dettagliate sulla struttura e sull'applicazione dei moltiplicatori integrali possono essere trovate in [1]. Quando il moltiplicatore integrale è acceso secondo quello mostrato in Fig. 2, il circuito alla sua uscita Z funziona con una tensione Uz≈0,15UxUy, dove Ux, Uy sono le tensioni applicate rispettivamente agli ingressi X e Y del microcircuito DA3. Gli impulsi di controllo per il triac VS1 provengono dall'uscita del comparatore di tensione DA4. Il comparatore integrato K554SAZ, utilizzato nel regolatore di potenza, dispone di un'uscita a collettore aperto progettata per una corrente di carico fino a 50 mA. Il transistor di uscita è aperto (ovvero, c'è una bassa tensione in uscita quando il carico è collegato) se la tensione sull'ingresso invertente (pin 4) del chip DA4 è maggiore di quella sull'ingresso non invertente (pin 3) . Con il rapporto di tensione opposto, l'uscita del comparatore avrà una tensione di livello elevato. Sul comparatore DA4 viene effettuato un confronto tra la tensione a dente di sega (figura 3, diagramma 3) e la tensione prelevata dall'uscita dell'amplificatore operazionale DA5 (diagramma 4). Il generatore di tensione a dente di sega è realizzato sui transistor VT1, VT2. Genera impulsi con frequenza di 100 Hz, sincronizzati dalla tensione di rete. La tensione dal ponte raddrizzatore VD2 (Fig. 3, diagramma 1) viene fornita alla base del transistor VT1. Per la maggior parte del tempo il transistor è aperto e nei momenti in cui la tensione raddrizzata si avvicina allo zero, si chiude. Sul suo collettore si formano brevi impulsi rettangolari (Fig. 3, diagramma 2), che vengono alimentati alla base del transistor VT2. Mentre la tensione alla base è zero, sul collettore del transistor si forma una tensione crescente (il condensatore C6 viene caricato tramite il resistore R13). Nel momento in cui appare un impulso positivo alla base, il transistor VT2 si apre e la tensione sul suo collettore diminuisce quasi a zero (Fig. 3, diagramma 3). All'uscita del comparatore si formano impulsi rettangolari (Fig. 3, diagramma 5). Il carico del comparatore è il resistore R16 e il LED fotoaccoppiatore U1. Quando la corrente scorre attraverso il LED dell'accoppiatore ottico, il suo triac si apre, assicurando l'apertura del triac VS1 - la corrente inizia a fluire attraverso il carico collegato alle prese del connettore XS1. Una variazione del ciclo di lavoro degli impulsi all'uscita del comparatore porta ad una variazione della tensione e, di conseguenza, della potenza nel carico. Dai diagrammi temporali è facile determinare che un aumento della tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale DA5 porta ad una diminuzione della potenza nel carico. Ora - sullo scopo e sul funzionamento del microcircuito DA5, che svolge le funzioni di un amplificatore differenziale o di un amplificatore di segnale di errore (vedere Fig. 1). La tensione di impostazione Uset viene rimossa dal resistore variabile R18 e fornita all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale, il cui ingresso non invertente riceve la tensione di uscita media del moltiplicatore DA3. La media del segnale di uscita del moltiplicatore è fornita dal circuito integratore R20C8. L'amplificatore operazionale DA5 amplifica i segnali forniti ai suoi ingressi, garantendo valori di tensione uguali ai loro capi. Ciò significa che una diminuzione della tensione di impostazione Uset porterà ad una diminuzione della tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale. Ovviamente, la posizione inferiore del resistore variabile R18 nel diagramma corrisponderà ad un valore di potenza pari a zero nel carico. Il condensatore C7 garantisce un funzionamento stabile dell'amplificatore operazionale quando esposto a interferenze. L'alimentazione per gli elementi del regolatore di potenza avviene tramite due stabilizzatori di tensione integrati DA1 e DA2. L'utilizzo di due diversi tipi di microcircuiti è dovuto alla volontà di accontentarsi di un trasformatore di rete con un solo avvolgimento secondario (anche se con presa dal centro) e un ponte raddrizzatore. Il diodo VD1 elimina l'influenza del condensatore di filtro C1 sulla forma della tensione raddrizzata fornita all'ingresso del generatore di tensione a dente di sega. Il regolatore di potenza è assemblato su un circuito stampato in fibra di vetro a doppia faccia. Il disegno del circuito stampato è mostrato in Fig. 4.
È necessario inserire pezzi di filo stagnato nei fori dei cuscinetti quadrati e saldarli su entrambi i lati della scheda. I microcircuiti DA1, DA2 sono installati su piccoli dissipatori di calore in duralluminio con una superficie di 20...30 cm² ciascuno; triac VS1 è installato su un dispositivo di raffreddamento standard (dissipatore di calore fuso in lega di alluminio) marca 0231. Il resistore R1 è realizzato in filo di nicromo con un diametro di 3 mm. Al posto del comparatore DA4, oltre a quello indicato nello schema, è possibile utilizzare anche K521САЗ, K521СА5, K521СА6 (quest'ultimo microcircuito contiene due comparatori in un unico alloggiamento), ma ciò richiederà la regolazione del disegno del circuito stampato. Sostituiremo l'amplificatore operazionale KR140UD708 con K140UD7, K140UD8, K153UD2 e qualsiasi microcircuito simile. Il moltiplicatore di tensione analogico K525PS2 può essere sostituito con un K525PS3 con qualsiasi indice di lettere, ma anche con correzione del circuito stampato. Transistor VT1, VT2 - qualsiasi serie KT315, KT342, KT503, KT630, KT3I02 o KT3117A. L'accoppiatore ottico importato MOC3052 può essere sostituito con l'AOU160A-AOU160B domestico con correzione del circuito stampato. Triac VS1 può essere utilizzato delle serie TC112, TC122, TC132, TC142 con una tensione impulsiva consentita nello stato chiuso di almeno 400 V e una corrente nello stato aperto corrispondente alla corrente di carico massima. Il diodo KD106A (VD1) può essere sostituito con qualsiasi serie KD105, KD221, KD226. Ponte raddrizzatore (VD2) - qualsiasi serie KTs402, KTs405, con correzione del circuito stampato. I condensatori all'ossido C1 - C3, C8 possono essere K50-16, K50-35, K50-24, K50-29; C4, C5, C7-KM-6, K10-17, K73-17; C6 - K73-17, K73-24, K76-P2 (questo condensatore deve avere un piccolo TKE). Resistori trimmer R4, R5, R8-R10 - SP5-2, SPZ-19, SPZ-38, resistore variabile R18 - SP-0,4, SPZ-4M, SPZ-16, SPZ-30, il resto - MLT, S2- 23 . Trasformatore T1 - TPP232. Può essere sostituito con qualsiasi altro il cui avvolgimento secondario con presa centrale fornisce una tensione di 33...40 V ed è progettato per una corrente di almeno 150 mA. Il trasformatore T2 può essere un qualsiasi altro con rapporto di trasformazione 30...50. Interruttore di alimentazione SA1 - interruttore automatico A3161, AE2050 o AP50. Inoltre, funge da fusibile. La configurazione del regolatore di potenza inizia controllando la tensione di uscita del chip DA1 (+ 15 V) e impostando la tensione di uscita del chip DA2 (-15 V) con il resistore R6. Successivamente viene regolato il moltiplicatore di tensione DA3. Per fare ciò, gli ingressi X, Y, l'uscita Z e il pin 1 sono scollegati dagli altri elementi. I motori delle resistenze di trimming R8-R10 sono impostati in posizione centrale. Una tensione di +5 V viene applicata all'ingresso X e una tensione di O V viene applicata all'ingresso Y-O V. Il resistore R9 imposta la tensione di uscita del moltiplicatore O V. Quindi una tensione di O V viene applicata all'ingresso X, e +5 V all'ingresso Y- +8 V. Il resistore R5 imposta la tensione di uscita O B. Quindi viene applicata una tensione di + 5 V a entrambi gli ingressi del moltiplicatore e viene misurata la tensione di uscita. Quindi, su uno degli ingressi, la polarità del segnale di ingresso viene cambiata (cioè vengono applicati -10 V) e la tensione di uscita viene nuovamente misurata. Utilizzando il resistore R4, si garantisce che gli ultimi due valori della tensione di uscita siano uguali in valore assoluto (devono essere di segno opposto). Se necessario, ripetere la regolazione. Successivamente collegare gli ingressi e l'uscita del moltiplicatore di tensione agli elementi del regolatore. I cursori dei resistori regolati R5 e R18 sono impostati sulla posizione centrale e il resistore variabile RXNUMX è impostato sulla posizione inferiore secondo lo schema. Un carico è collegato al connettore XS1 e l'alimentazione viene fornita al regolatore di potenza. Ruotando dolcemente l'asse del resistore variabile R18, assicurarsi che la tensione sul carico aumenti. Se la tensione attraverso il carico è massima in qualsiasi posizione del cursore del resistore variabile R18, la ragione potrebbe essere una fasatura errata degli avvolgimenti del trasformatore T2, che porta alla fornitura di tensioni antifase agli ingressi X e Y del microcircuito DA3 e una tensione negativa alla sua uscita Z. In questo caso, i cavi devono essere invertiti in uno qualsiasi degli avvolgimenti del trasformatore T2. I resistori trimmer R4 e R5 assicurano che i valori di tensione massimi (ampiezza) sugli ingressi del moltiplicatore non superino 10 V. Questo è conveniente da monitorare utilizzando un oscilloscopio. Come ultima risorsa, puoi utilizzare un voltmetro CA. Con una tensione sinusoidale sul carico (questo si verifica se il triac VS1 si apre all'inizio di ogni semiciclo e la tensione sul carico è quasi uguale alla tensione di rete), la tensione effettiva agli ingressi del moltiplicatore non deve superare 7 V. Il controllo della potenza deve essere eseguito senza intoppi lungo l'intero asse dell'intervallo di rotazione del resistore variabile R18. Se nella posizione superiore del cursore del resistore variabile R18 nel diagramma, con il carico massimo collegato, la tensione su di esso non raggiunge il valore di rete, è necessario ridurre la resistenza del resistore R17 a non più di 2,2 kOhm o ridurre la corrente e i coefficienti di trasferimento della tensione spostando i cursori del resistore di regolazione verso il basso nei diagrammi R4 e R5. Per testare la funzione di stabilizzazione della potenza, è necessario disporre di un carico con resistenza variabile (è conveniente utilizzare un riscaldatore domestico a due sezioni) e un autotrasformatore da laboratorio di potenza adeguata. Il carico deve essere attivo (ovvero non avere una componente induttiva o capacitiva). Il regolatore di potenza è collegato alla rete tramite un autotrasformatore e una sezione del riscaldatore domestico è collegata all'uscita del regolatore. La tensione viene impostata su 220 V tramite un autotrasformatore. Collegando un voltmetro a corrente alternata che misura i valori effettivi (voltmetro quadrato) in parallelo al carico, viene utilizzato un resistore variabile R18 per impostare la tensione sul carico a 150... 200 V. Collegare quindi un'altra sezione e misurare nuovamente la tensione sul connettore XS1. Dovrebbe diminuire di 1,4 volte [2]. Con una diversa legge di variazione della resistenza di carico, l'uguaglianza Un²/Rн = const sarà comunque soddisfatta. Se la resistenza di carico aumenta così tanto che per mantenere la potenza impostata la tensione deve superare il suo valore massimo, il regolatore uscirà dalla modalità di stabilizzazione della potenza. Il regolatore di potenza ha proprietà stabilizzanti non solo in condizioni di variazione della resistenza di carico, ma anche in relazione alle fluttuazioni della tensione di rete. Ciò può essere verificato modificando la tensione di alimentazione del regolatore utilizzando un autotrasformatore nell'intervallo da 190 a 240 V (ovviamente con un carico collegato). La tensione di carico con tale cambiamento nell'alimentazione deve essere stabile. Varierà solo l'angolo di apertura del triac VS1, verificabile tramite oscilloscopio. Il segnale può essere prelevato sia dal carico che dall'uscita del comparatore DA4. Se il radioamatore non ha a disposizione un voltmetro che misuri il valore effettivo (ad esempio un dispositivo del sistema elettromagnetico), per misurare la potenza viene utilizzato un misuratore di energia elettrica a induzione: il numero di giri del disco del misuratore deve essere costante quando la resistenza di carico cambia e la posizione del motore a resistenza variabile R18 rimane costante. Per questi scopi non è possibile utilizzare un voltmetro di tensione rettificato medio. Per aumentare l'affidabilità, si consiglia di collegare in serie all'opto-triac una resistenza con una resistenza di circa 150 ohm. Letteratura
Autore: A. Evseev, Tula
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