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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Due regolatori di potenza a microcontrollore. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / microcontrollori Per controllare il carico inerziale, vengono spesso utilizzati 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 regolatori 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 controller, a differenza di un controller a controllo di fase, non contiene elementi di soglia analogici, il che aumenta la stabilità e semplifica la messa a punto. Poiché il carico viene commutato solo negli istanti in cui la tensione di rete passa per 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 regolazione della potenza, è necessario allungare la sequenza di ripetizione dei semicicli. Ad esempio, per ottenere un passo del 10%, la lunghezza della sequenza ripetuta è di 10 semicicli. Sulla fig. 1 (A) mostra la sequenza di impulsi sull'elettrodo di controllo del tiristore per la potenza nel carico del 30%. Come puoi vedere, il tiristore è aperto durante i primi tre semicicli e durante i successivi sette è chiuso. Questa sequenza viene poi ripetuta. La frequenza di commutazione di tale regolatore per qualsiasi potenza inferiore al 100% è pari a 1/10 della frequenza di semiperiodo. Sarebbe molto più logico distribuire uniformemente i semicicli durante i quali il tiristore è aperto sull'intera sequenza. 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 oblique segmenti. Questo algoritmo è implementato utilizzando l'aritmetica dei numeri interi, che semplifica notevolmente la sua programmazione. Sulla fig. 1(B) mostra la sequenza per la stessa potenza del 30%, ma utilizzando 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 regolazione della potenza. Ad esempio, nel caso di uno step dell'1% per la stessa potenza del 30%, il guadagno sarà di 30 volte.
La base del regolatore di potenza (vedi Fig. 2) è il microcontrollore U1 tipo AT89C2051 di ATMEL. Un trasformatore a bassa potenza T1 viene utilizzato per alimentare il circuito del regolatore 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 caratteristica utile del regolatore è che può essere utilizzato con carichi progettati per diverse tensioni operative. Per fare ciò, è sufficiente applicare la tensione richiesta da un trasformatore aggiuntivo all'ingresso del tiristore. Ad esempio, un regolatore può essere utilizzato per alimentare un saldatore a bassa tensione. È solo necessario che la tensione e la corrente non superino il massimo consentito per i tiristori applicati. La regolazione della potenza nel carico viene eseguita utilizzando i pulsanti SB1 e SB2. Una breve pressione di uno dei pulsanti provoca un cambio di potenza di un livello. Quando si tiene premuto il pulsante, si verifica un monotono cambiamento di potenza. La pressione simultanea di due pulsanti spegne il carico se prima era acceso o accende alla massima potenza se il carico era spento. Per indicare la potenza nel carico, vengono utilizzati gli indicatori LED a sette segmenti HG1 - HG3. Per ridurre il numero di elementi, viene utilizzata l'indicazione dinamica, implementata nel software. Il comparatore analogico integrato nel microcontrollore esegue il collegamento alla tensione di rete. Una tensione alternata viene fornita ai suoi ingressi attraverso i limitatori R17, R18, VD1, VD2 dall'avvolgimento secondario del trasformatore di potenza. Il ruolo del limitatore per la polarità negativa è svolto dai diodi del ponte raddrizzatore. Il comparatore ripristina il segno della tensione di rete. Le commutazioni del comparatore avvengono 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, viene inviato un livello di controllo all'uscita di controllo del tiristore (porta INT0 del microcontrollore) per accendere i tiristori. Se si deve saltare il mezzo ciclo corrente, non viene emesso alcun livello di controllo. Quindi l'indicatore HG4 si accende per 3 ms. A questo punto viene verificata la pressione dei pulsanti e, se necessario, viene modificato il valore della potenza attuale. Quindi la tensione di controllo viene rimossa dai tiristori e gli indicatori HG4 e HG1 si accendono per 2 ms. Successivamente, è previsto un nuovo cambiamento nello stato del comparatore entro 4 ms. Se non ci sono modifiche, il sistema avvia comunque il ciclo senza essere collegato alla rete. Solo in questo caso i tiristori non si aprono. Questo viene fatto affinché l'indicazione funzioni normalmente anche senza impulsi di riferimento alla frequenza di rete. Un tale algoritmo di funzionamento, però, impone alcune restrizioni sulla frequenza di rete: deve avere uno scostamento da 50 Hz non superiore al 20%. In pratica, la deviazione della frequenza di rete è molto minore. Il segnale dalla porta INT0 viene inviato a una chiave realizzata sui transistor VT3 e VT4, che viene utilizzata per controllare i LED degli optotiristori. Quando il segnale RESET del microcontrollore è attivo, la porta è a livello uno logico. Pertanto, zero viene scelto come livello attivo. Per la commutazione del carico vengono utilizzati due optotiristori collegati in antiparallelo. I LED degli optotiristori sono collegati in serie. La corrente dei LED è impostata dal resistore R16 ed è di circa 100 mA. Il regolatore può funzionare in due modalità con diversi gradini di regolazione della potenza. La scelta della modalità di funzionamento avviene tramite il jumper JP1. Lo stato di questo ponticello viene interrogato immediatamente dopo il ripristino del microcontrollore. In modalità 1, il passo di regolazione della potenza è dell'1%. In questo caso, l'indicatore visualizza numeri da 0 (0%) a 100 (100%). In modalità 2, il passo di regolazione della potenza è del 10%. In questo caso, l'indicatore visualizza numeri da 0 (0%) a 10 (100%). La scelta del numero di gradazioni 10 in modalità 2 è dovuta al fatto che in alcuni casi (ad esempio comando di una stufa elettrica) non è richiesto un piccolo gradino di regolazione della potenza. Se si suppone che il regolatore venga utilizzato solo in modalità 2, è possibile omettere l'indicatore HG1 e le resistenze R8, R9. In generale, il controller consente di impostare arbitrariamente il numero di livelli di potenza per ciascuna delle modalità. Per fare ciò, è necessario inserire nel codice programma all'indirizzo 0005H il valore di gradazione desiderato per la modalità 1 e all'indirizzo 000BH per la modalità 2. 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, poiché la visualizzazione delle centinaia non è possibile in questa modalità. Con una corrente di carico fino a 2 A, gli optotiristori possono essere utilizzati senza dissipatori di calore. Con una corrente di carico maggiore, gli optotiristori devono essere installati su dissipatori di calore con un'area di 50 - 80 cm2. Quando si utilizza un regolatore con una tensione inferiore a 50 V, gli optotiristori possono essere di qualsiasi classe di tensione. Quando si lavora con la tensione di rete, la classe degli optotiristori deve essere almeno 6. Qualsiasi trasformatore a bassa potenza con una tensione dell'avvolgimento secondario di 8 - 10 V (alternata) e una corrente di carico consentita di almeno 200 mA può essere utilizzato come alimentazione trasformatore. I diodi VD3 - VD6 possono essere sostituiti con diodi KD208, KD209 o un ponte raddrizzatore KTs405 con qualsiasi lettera. Il chip stabilizzatore U2 tipo 7805 (analogo domestico KR142EN5A, KR1180EN5) non richiede un radiatore. Transistor VT1 - VT3 - qualsiasi pnp a bassa potenza. Il transistor VT4 può essere sostituito dai transistor KT815, KT817 con qualsiasi lettera. Diodi VD1, VD2 - 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 segmenti con un anodo comune. È solo auspicabile che abbiano una luminosità sufficiente del bagliore. Condensatori C3, C4, C6 - qualsiasi elettrolitico. Il resto dei condensatori è in ceramica. Resistenza R16 - MLT-0,5, il resto - MLT-0,125. È ancora più conveniente utilizzare resistori SMD, ad esempio P1-12. Il chip U1 è installato sul socket. Se il regolatore è assemblato da parti riparabili e il microcontrollore è programmato senza errori, non è necessario regolare il regolatore. Si consiglia solo di verificare il corretto binding alla frequenza di rete. Per fare ciò è necessario sincronizzare l'oscilloscopio con la tensione di rete e assicurarsi che gli impulsi di scansione del display (sui pin RXD e TXD del microcontrollore) siano sincroni con la rete e abbiano il doppio della frequenza di rete. Se, quando il carico è collegato, il sincronismo è disturbato a causa di interferenze, è necessario collegare un condensatore con una capacità di 12 - 13 nF tra gli ingressi del comparatore (pin 1, 4,7 del microcontrollore). È possibile scaricare il software: il file pwr100.bin (366 byte) contiene il firmware della ROM, il file pwr100.asm (7,106 byte) contiene il testo sorgente. Le librerie richieste per la traduzione utilizzando TASM 2.76 si trovano nell'archivio lib.zip (2,575 byte). Con un passo di controllo della potenza 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, allora 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 a blocchi del dispositivo è mostrato in fig. 3.
Per il funzionamento nella modalità di controllo automatico, vengono utilizzati due modulatori Bresenham Br. Maud. 1 e fr. Maud. 2, che sono implementati nel software. All'ingresso del modulatore Br. Maud. 1 riceve il codice della potenza richiesta, che viene impostata tramite i pulsanti di controllo. All'uscita di questo modulatore si forma una sequenza di impulsi che, dopo essere stata filtrata da un filtro passa-basso, LPF 1, viene inviata ad uno degli ingressi del comparatore. La tensione prelevata dal carico viene fornita al secondo ingresso del comparatore attraverso il filtro passa-basso LPF 2. Dall'uscita del comparatore, un segnale di errore di un bit viene inviato all'ingresso del microcontrollore, dove viene filtrato digitalmente. Poiché il filtro digitale del filtro digitale opera in modo sincrono con i modulatori, è assicurata un'efficace soppressione delle ondulazioni alla frequenza di ripetizione delle sequenze di impulsi di uscita e alle armoniche di questa frequenza. Dall'uscita del filtro digitale, un segnale di errore a 8 bit viene inviato al controller di integrazione IR. Per migliorare la precisione, il controller di integrazione opera su una griglia a 16 bit. Gli 8 bit inferiori del codice di uscita del controller vengono inviati all'ingresso del modulatore Br. Maud. 2, all'uscita del quale si forma una sequenza di impulsi, alimentata al controllo a tiristori. Lo schema schematico del secondo regolatore è mostrato in fig. 4.
Questo controller è molto simile nei circuiti a quello sopra descritto, quindi ha senso soffermarsi solo sulle sue differenze. Poiché le porte I / O disponibili del microcontrollore non erano sufficienti, abbiamo dovuto abbandonare l'uso del comparatore integrato. Il regolatore utilizza un doppio comparatore U2 tipo LM393. La prima metà del comparatore serve per legarsi alla tensione di rete. A causa delle peculiarità dell'LM393, è stato necessario aggiungere al circuito di rilegatura un resistore R27 che, insieme a R14, R15, forma un partitore di tensione che riduce la tensione negativa agli ingressi del comparatore. Il meandro della frequenza di rete dall'uscita del comparatore viene inviato all'ingresso del microcontrollore INT0. La seconda metà del comparatore viene utilizzata nel ciclo di feedback. Un segnale di errore di un bit viene inviato al microcontrollore T1. Agli ingressi del comparatore è installato un filtro passa-basso, formato dagli elementi R16, C7 e R17, C8. Il segnale dall'uscita del modulatore (uscita T0 del microcontrollore) viene inviato all'ingresso del filtro passa-basso attraverso il divisore R18, R19. Il divisore è necessario perché il comparatore non può funzionare con tensioni di ingresso vicine alla tensione di alimentazione. Dopo il divisore, gli impulsi hanno un'ampiezza di circa 3,5 V. La stabilità dell'ampiezza è determinata dalla stabilità della tensione di alimentazione +5 V, che viene utilizzata come riferimento. La tensione sottratta al carico viene inviata all'ingresso di un altro filtro passa-basso sempre tramite un partitore formato dai resistori R20, R21. Questo divisore è selezionato in modo tale che alla tensione di rete nominale e al 100% della potenza di carico, la tensione all'uscita del filtro passa-basso sia di 3,5 V. Viene alimentato il segnale dall'uscita del microcontrollore INT1 attraverso un interruttore a transistor al controllo dei tiristori. Gli optotiristori V1 e V2, insieme al gruppo diodi VD11, formano un raddrizzatore controllato che alimenta il carico. I pulsanti di controllo per salvare le porte del microcontrollore sono inclusi in un modo diverso. C'è un'interruzione nel ciclo operativo del regolatore quando gli indicatori si spengono. A quel tempo, era possibile scansionare i pulsanti utilizzando le linee di questi indicatori. Pertanto, i tre pulsanti utilizzano solo una linea aggiuntiva: questa è la linea di ritorno P3.7. Il terzo pulsante era necessario per controllare la modalità "AUTO". Subito dopo l'accensione, il regolatore è in modalità manuale, cioè corrisponde funzionalmente al regolatore sopra descritto. Per attivare la modalità di controllo automatico, premere contemporaneamente i pulsanti "AUTO" e "UP". Contemporaneamente si accende il LED "AUTO". In questa modalità il regolatore mantiene automaticamente la potenza impostata. Se ora tieni premuto il pulsante "AUTO", puoi vedere lo stato attuale del regolatore sugli indicatori (percentuali di potenza in uscita che cambiano con le fluttuazioni della tensione di rete in modo che la potenza rimanga invariata). Se la tensione di rete è scesa così tanto da non poter mantenere l'alimentazione, il LED "AUTO" inizia a lampeggiare. È possibile disattivare la modalità di controllo automatico premendo contemporaneamente i pulsanti "AUTO" e "DOWN". Con una corrente di carico superiore a 2 A, gli optotiristori devono essere installati su un dissipatore di calore. Le basi degli optotiristori sono collegate agli anodi, pertanto, in questo circuito, i dispositivi possono essere montati su un radiatore comune, che è collegato al filo comune del dispositivo. Come VD11, è preferibile utilizzare un insieme di diodi Schottky (o due diodi Schottky separati, ad esempio KD2998). In casi estremi, è possibile utilizzare diodi convenzionali che consentono la corrente di carico richiesta. Buoni risultati possono essere ottenuti con KD2997, KD2999, KD213. Il comparatore LM393 è prodotto dal software Integral con la denominazione IL393. Puoi anche utilizzare due comparatori separati, ad esempio LM311 (noto anche come KR554CA3). Invece del transistor KP505A (prodotto dallo stabilimento Transistor, Minsk), è possibile utilizzare il transistor bipolare KT815, KT817 aggiungendo un resistore da 1 KΩ in serie al circuito del collettore VT3. Per il resto dei dettagli, i requisiti sono gli stessi del regolatore sopra descritto. Per regolare il regolatore, è necessario collegare un carico ad esso e applicare la tensione nominale di rete (ad esempio, utilizzando LATR). Quindi è necessario impostare la potenza massima (100%). Il resistore trimmer R21 è necessario per ottenere una differenza di tensione agli ingressi 5 e 6 del comparatore U2B, prossima allo zero. Successivamente, è necessario ridurre la potenza al 90% e attivare la modalità "AUTO". Agendo su R21, è necessario ottenere la coincidenza (con una precisione di ±1 unità) della potenza installata e delle letture degli indicatori nella modalità di controllo dello stato del controllore (con il pulsante "AUTO" premuto). È possibile scaricare il software: il file pwr100a.bin (554 byte) contiene il firmware della ROM, il file pwr100a.asm (10,083 byte) contiene il testo sorgente. Le librerie richieste per la traduzione utilizzando TASM 2.76 si trovano nell'archivio lib.zip (2,575 byte). Scaricare files. Autore: Leonid Ivanovich Ridiko, wubblick@yahoo.com; Pubblicazione: cxem.net
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