Регулятор переменного напряжения электронный

В этой статье будет рассмотрена схема электронного регулятора переменного напряжения (автотрансформатор), а так же описание его построения. Схема достаточно сложная но повторяемая, собрав такой регулятор напряжения, вы пополните свою коллекцию действительно нужным и не заменимым прибором. В конце статье есть файлы для загрузки, с печатной платой.

Лабораторный автотрансформатор практически незаменим для ремонта и наладки электронной аппаратуры. Однако наличие гальванической связи с сетью повышает риск поражения электрическим током или выхода из строя измерительной аппаратуры, используемой при настройке. Предлагаемый электронный регулятор позволяет минимизировать эти риски и сделать процесс налаживания устройств более безопасным и удобным.

Электронный регулятор позволяет изменять напряжение на нагрузке в диапазоне от 0 до 255В с шагом в 1В. Напряжение на нагрузке измеряется с разрешением 0,1В и выводится на семисегментные индикаторы. Максимальный ток в нагрузке ограничивается применяемым силовым трансформатором и сечением проводов его обмоток, в данном случае он равен 3А.

Электрические принципиальные схемы платы управления регулятора напряжения и силовой части регулятора представлены ниже.

Регулирование напряжения осуществляется за счёт коммутации вторичных обмоток трансформаторов Т1 и Т2 с помощью реле К1…К8. Напряжение на обмотке II трансформатора Т1 равно 1В, на каждой последующей обмотке значения напряжения удваиваются, достигая значения 128В на обмотке III трансформатора Т2, иными словами, уровни напряжений представляют собой ряд последовательных степеней числа «2» — двоичный ряд. Микроконтроллер DD1 подаёт двоичный код, соответствующий требуемому выходному напряжению, на ключи VT6…VT13, которые управляют реле К1…К8. Младший разряд числа соответствует реле К1, старший — К8. Допустим, необходимо получить на выходе напряжение, равное 173В. Число 173 в двоичном коде представляется как 10101101, таким образом, будут включены реле К8, К6, К4, К3, К1, которые скоммутируют обмотки с напряжениями 128В, 32В, 8В, 4В, 1В последовательно друг с другом, что в сумме составит как раз 173В.

Установка выходного напряжения осуществляется кнопками SB1…SB6. После включения регулятора в ячейке памяти, где хранится значение установленного напряжения, заносится 0. Функциональное назначение кнопок следующее:
SB1 — увеличение выходного напряжения на 1В;
SB2 — уменьшение выходного напряжения на 1В;
SB3 — увеличение выходного напряжения на 10В;
SB4 — уменьшение выходного напряжения на 10В;
SB5 — увеличение выходного напряжения на 100В;
SB6 — уменьшение выходного напряжения на 100В;

Перед установкой нового кода напряжения реле К1…К8 отключаются на время около 16мс. Несмотря на то, что время выключения реле, как правило, в 2 раза меньше времени включения, при размыкании контактов под нагрузкой возникает дуга, за счёт которой время полного отключения нагрузки увеличивается, а такой эффект может привести к броску напряжения на нагрузке в момент смены кода.

Подключением/отключением нагрузки к регулятору управляет МК DD1 при помощи кнопки SB7, ключей VT14…VT16 и реле К9, начальное состояние – отключено, включенное состояние индицируется светодиодом HL2. Ключи VT14…VT16 управляются двумя линиями порта МК DD1 – PC5, активный уровень «0», и PC6, активный уровень «1». Такое управление уменьшает вероятность непроизвольного срабатывания реле в момент включения/отключения регулятора или сброса контроллера.

Элементы C2 и R4 необходимы для гашения дуги между контактами реле при отключении нагрузки, имеющей индуктивный характер. Кроме этого, они способствуют уменьшению пускового тока устройств, содержащих выпрямители (импульсные БП), за счёт частичного предварительного заряда сглаживающего конденсатора последних, что предотвращает залипание контактов реле К9 в момент включения.

Выпрямление выходного напряжения для последующего измерения осуществляется с помощью элементов DA1, R1…R4, R6…R9, VD2,VD12, C3, C6, C8 на плате реле. Резисторы R1…R4 образуют делитель напряжения, диод VD2 шунтирует отрицательную полуволну напряжения, конденсатор C3 — фильтрующий. Однополярное включение ОУ DA1 не позволяет в отсутствие сигнала на входе получить нулевое напряжение на выходе. Для решения этой проблемы в цепь ООС DA1 включен диод VD12, напряжение падения на котором больше, чем минимальное напряжение на выходе 1 DA1. Конденсатор C8 интегрирует положительные полуволны напряжения, резистор R8 развязывает выход ОУ от ёмкостной нагрузки, а конденсатор C6 обеспечивает высокочастотное шунтирование.

Для проведения измерений применяется метод преобразования напряжения в частоту, внутренний АЦП МК DD1 не применяется. Измерительная часть состоит из интегратора, собранного на элементах DA1, R3, R4, C8, VT1, компаратора DA3 и работает следующим образом. В момент запуска преобразования микроконтроллер DD1 закрывает транзистор VT1. Одновременно с этим программа разрешает работу счетного регистра TCNT1 от тактовой частоты контроллера, деленной на 8, что составляет 1 МГц. Элементы DA1, R3, R4, образующие источник стабильного тока, заряжают конденсатор C8. Компаратор DA3 сравнивает линейно нарастающее напряжение на выв. 2 с измеряемым напряжением на выв.3, и, как только нарастающее напряжение станет больше измеряемого, на выв.1 DA2 установится низкий логический уровень. Спадающий фронт на выв. 20 контроллера DD1 приведет к записи в регистр захвата ICR1 содержимого счетного регистра TCNT1, запрос на прерывание по событию «захват» и вызов подпрограммы обработки прерывания. Подпрограмма открывает транзистор VT1, разряжая конденсатор C8, преобразует насчитанное счётчиком значение (количество подсчитанных тактов пропорционально измеряемому напряжению) в десятичную форму и выводит это значение на индикатор HL1.

Стабилитрон VD1 обеспечивает ограничение напряжения на выв. 3 относительно линейно нарастающего напряжения на выв. 2 компаратора DA3, гарантируя спадающий фронт на выв. 20 DD1, а значит, прерывание по событию «захват». Это ограничение необходимо в ситуации, когда измеряемое напряжение превышает установленное программой максимальное значение, в данном случае 499,9В. Превышение измеряемого напряжения 499,9 В приведёт к мерцанию индикатора с частотой 1 Гц и отображению числа «4999».

Если на выв. 3 компаратора DA4 присутствует нулевое значение напряжения, то отрицательного перепада на выв. 20 DD1 не произойдёт, поскольку уровень напряжения на выв. 2 будет заведомо больше. В этом случае произойдёт переполнение счётчика TCNT1, и будет вызвана подпрограмма обработки прерывания по событию «переполнение», которая выведет на индикатор значение «0.0».

Конденсатор C11 необходим для подавления выброса при переключении компаратора DA3, что приводит к преждевременному возникновению прерывания по событию «захват».

Ниже представлены схемы расположения и печатные платы блока управления и силовой части регулятора соответственно. В архиве прилагаются чертежи печатных плат в формате ACAD.

Фото готовой платы регулятора переменного напряжения:

Управляющая программа написана на ассемблере. Настройка фьюз-битов показана ниже, где галочка означает, что бит запрограммирован – равен нулю, а пустой квадрат — нет.

Программирование МК DD1 осуществляется через 10-ти контактный разъём XP1 по интерфейсу ISP, при этом на плату управления регулятора необходимо подать питание +12В. После того, как МК запрограммирован, при включении питания на индикатор HL1 в течении 1с выводится число «2816», после чего МК переходит в рабочий режим, и индицирует напряжение, измеренное на выходе. Для настройки измерительных цепей регулятора на вход «+Uвып» и «GND» от внешнего источника питания подаётся напряжение +4,500В…+4,800В, которое контролируется вольтметром. Подстройкой резистора R4 на индикаторе HL1 добиваются показаний, идентичных внешнему вольтметру. Далее внешний источник питания отсоединяется, и вход «+Uвып» платы регулятора соединяется с «GND». Возможна индикация значения, отличного от нуля, из-за задержек переключения, напряжения смещения нуля компаратора DA2 или ненулевого сопротивления сток-исток транзистора VT1. Для исключения этой погрешности предусмотрена программная компенсация измеренного напряжения.

Вход в режим коррекции осуществляется нажатием кнопки SB8. Индикатор HL1 начнёт мигать с частотой 1Гц, отображая при этом текущее измеряемое значение. В этом режиме каждое нажатие кнопки SB1 увеличивает константу, которая вычитается из измеренного значения напряжения, на единицу, а нажатие кнопки SB2 – уменьшает. Результат коррекции выводится на индикатор, позволяя осуществлять регулировку в режиме реального времени. После программирования МК в ячейках памяти EEPROM по всем адресам находятся значения, равные 0хFF, поэтому при первом запуске режима коррекции ячейку, в которой содержится константа, следует обнулить, нажав кнопку SB4. После нажатия на индикаторе появится значение измеряемого напряжения.

Выход из режима коррекции происходит при повторном нажатии кнопки SB8, при этом значение константы записывается в энергонезависимую память МК DD1. После этого на регулятор вновь подаётся напряжение +4,500В…+4,800В, и дополнительной подстройкой резистора R4 добиваются нужных показаний измеряемого напряжения.

Окончательная настройка сводится к установке индицируемого напряжения на индикаторе HL1 в соответствии с переменным напряжением на выходе регулятора, которое контролируется внешним вольтметром. Установка измеряемого напряжения устанавливается резистором R3 на плате реле, при этом на выходе устанавливается максимальный уровень в 255В.

Допустимая мощность нагрузки регулятора полностью зависит от характеристик трансформаторов Т1 и Т2 и реле К1…К9. Использовать 2 трансформатора не обязательно, будет достаточно и одного, но из-за большого количества витков во вторичных обмотках разместить их на одном магнитопроводе будет затруднительно.

Оба трансформатора намотаны на тороидальных сердечниках, поскольку тороидальные трансформаторы обладают более низким током покоя, практически бесшумны при работе, имеют меньший вес и габариты, чем трансформаторы, намотанные на «П» и «Ш» -образных сердечниках.

Все обмотки намотаны проводом диаметром 1,06мм, типоразмер сердечника – D=117мм, d=58мм, h=55мм. Количество витков указано в таблице ниже.

Напряжение	220В	128В	64В	32В	16В	8В	4В	2В	1В	13В
Кол-во витков	435	256	128	64	32	16	8	4	2	26

Если регулятор предполагается использовать для питания низковольтных, но потребляющих значительный ток устройств, обмотки от 1В до 16В имеет смысл мотать проводом большего сечения, нежели остальные.

Острые края тора, во избежание прокалывания изоляции у провода во время намотки, необходимо скруглить шлифмашиной или напильником, после чего наклеить на торцы шайбы из плотного картона, имеющие больший внешний диаметр, и меньше внутренний, чем у тора, на 5-7 мм. После этого тор обматывается лакотканью или киперной лентой, но если их не окажется под рукой, можно воспользоваться узким бумажным малярным скотчем.

Отводы от обмоток трансформатора лучше всего делать из гибкого и разноцветного многожильного провода, одножильный может сломаться из-за частых перегибов во время намотки, а разные цвета у обмоток помогут быстрее разобраться, какое напряжение у последних. Чтобы не перепутать фазировку при окончательном монтаже устройства, желательно сразу отмечать начало и конец обмоток. Сами обмотки пропитываются шеллаком, слои изолируется друг от друга.

Крепёжные элементы для тороидов показаны ниже, прижимная шайба изготовлена из стеклотекстолита толщиной 3мм.

В качестве прокладки между трансформаторами и корпусом регулятора используются полиуретановые мебельные подпятники.

Микроконтроллер DD1 ATmega16L можно заменить на ATmega16, резисторные сборки DR2, DR3 заменить обычными резисторами, объединив 8 выводов в один и подключив к цепи +5В. Сборка DR1 представляет собой 8 отдельных чип резисторов типоразмера 1206. Стабилизатор DA1 LM7812CV установлен на алюминиевой пластине размером 100х45 мм и толщиной 5 мм. Номиналы дугогасящей цепочки C2, R4, в зависимости от типа нагрузки, могут отличаться от указанных на схеме, возможно, их придётся пересчитать под собственные нужды. От этой цепочки можно отказаться, если вместо реле К9 использовать реле с дугогасительным магнитом.

Корпус регулятора собран из алюминиевых пластин толщиной 2мм скреплённых между собой алюминиевым уголком 15х15мм.

Фото готового прибора:

При работе с регулятором, несмотря на отсутствие гальванической связи с сетью 220В, не следует забывать о технике безопасности, поскольку уровень напряжения, способный достигнуть на выходе 255В, опасен для жизни. Кроме того, при наличии элементов C2 и R4, на выходе регулятора будет присутствовать напряжение, даже если контакты реле К9 разомкнуты.