Длительное отклонение сетевого напряжения более чем на 10 % от номинального значения 220В во многих районах нашей страны, к сожалению, стало нередким явлением. При повышенном (до 240...250 В) напряжении в сети значительно сокращается срок службы осветительных приборов, увеличивается нагрев трансформаторных блоков питания и двигателей в компрессорах холодильников.
Снижение сетевого напряжения ниже 160... 170В вызывает значительное увеличение нагрузки на ключевые транзисторы в импульсных блоках питания (это может привести к их перегреву и последующему тепловому пробою), а также заклинивание двигателей в компрессорах холодильников, что тоже приводит к их перегреву и выходу из строя. Еще большие колебания напряжения у однофазных потребителей, питающихся от трехфазной сети, возникают в случае обрыва нулевого провода на участке от точки подключения потребителя к четырехпроводной сети до трансформаторной подстанции.
В этом случае вследствие перекоса фаз напряжение в розетке может изменяться от нескольких десятков вольт вплоть до линейного 380 В, что неминуемо приведет к повреждению практически всей сложной бытовой техники, подключенной к розетке. Избежать неприятностей, связанных с экстремальными колебаниями напряжения в сети , поможет предлагаемый стабилизатор.
Для стабилизации напряжения сети в бытовых условиях используют в основном феррорезонансные стабилизаторы. К числу их недостатков следует отнести искажение синусоидальной формы выходного напряжения (к примеру, холодильник к такому стабилизатору подключать запрещается), ограниченную мощность стабилизаторов бытового назначения (300...400 Вт) при значительных массогабаритных показателях, невозможность работы без нагрузки, узкий диапазон стабилизации и выход из строя при повышенном напряжении в сети. 
Рис.1.
От указанных недостатков свободен компенсационный стабилизатор напряжения, структурная схема которого показана на рис. 1. Работает он по принципу ступенчатой коррекции напряжения, осуществляемой переключением отводов обмотки автотрансформатора Т1 с помощью симисторных ключей Q2—Q6 под управлением микроконтроллера (МК), следящего за уровнем напряжения в сети.
Примененный в стабилизаторе способ оценки амплитуды сетевого напряжения крайне прост в реализации и обеспечивает вполне достаточную для данного применения точность измерения. Однако он накладывает ряд ограничений на возможное применение устройства.
Прежде всего, частота сетевого напряжения должна оставаться постоянной (50 Гц). Это условие может нарушаться, например, если энергоснабжение производится от автономного дизель-генератора. Кроме того, точность измерения уменьшается с ростом нелинейных искажений формы сетевого напряжения, возникающих при работе близко расположенных мощных потребителей с сильно выраженным индуктивным характером нагрузки. 
Рис.2.
Принципиальная схема устройства изображена на рис. 2. По записанной в памяти программе МК DD1 производит измерение сетевого напряжения в каждом периоде (20 мс). С делителя R1R2 отрицательные полуволны сетевого напряжения, проходя через стабилитрон VD1, формируют на нем импульсы с амплитудой, определяемой напряжением стабилизации стабилитрона, в данном случае 10 В.
С делителя R3R4, уменьшающего амплитуду полученного сигнала до ТТЛ уровня (рис. 3), эти импульсы приходят на линию 0 порта А, настроенную на ввод. С помощью подстроечного резистора R4 нижний уровень сигнала на входе МК установлен на 0,2...0,3В ниже уровня лог. 0.
При комнатной температуре и стабилизированном напряжении питания уровень напряжения перехода цифрового входа
КМОП микросхемы из состояния лог. 1 в состояние лог. О (и обратно из 0 в 1 с некоторым гистерезисом, которым в данном случае можно пренебречь ввиду его постоянного значения) остается практически постоянным.
Как видно из рис. 3, при изменении сетевого напряжения от 145 до 275В длительность импульсов, соответствующих лог. 0, изменяется примерно от 0,5 до 6 мс. Измеряя длительность этих импульсов, программа МК вычисляет уровень сетевого напряжения в текущем периоде. (R4.1 — сопротивление части резистора R4 от нижнего — по схеме — вывода до движка). 
Рис.3.
После включения стабилизатора сетевое напряжение контролируется в течение 5 с. Если оно находится в пределах 145...275 В, мигает зеленый светодиод HL2 "Нормальное", в противном случае загораются светодиод HL3 "Низкое" или HL1 "Высокое" (в зависимости от значения сетевого напряжения). В таком состоянии стабилизатор находится до тех пор, пока напряжение в сети не войдет в заданные пределы.
Если по прошествии 5 с напряжение в сети остается в допустимых пределах, МК выдает команду на открывание симистора VS1, через который автотрансформатор Т1 подключается к сети. После этого МК еще в течение 0,5 с производит контрольные замеры сетевого напряжения, а затем, в зависимости от результата измерения, открывает один из симйсторов VS2—VS6, тем самым подключая нагрузку к одному из пяти отводов автотрансформатора. Гальваническая развязка симйсторов с МК осуществляется тиристорными оптронами U1—U6.
В процессе регулирования открывающий импульс снимается с включенного симистора в конце полупериода синусоиды сетевого напряжения. После этого программа МК выдерживает паузу 4 мс, а затем подает открывающий импульс на другой симистор.
Длительность задержки между переключениями симйсторов может быть увеличена изменением в начале программы (в блоке описания констант) соответствующего значения времени задержки (см. комментарии в исходном тексте программы). Увеличение этого времени до 10.. . 15 мс необходимо в случае, если к стабилизатору подключена индуктивная нагрузка с коэффициентом мощности меньше 0,7...0,8.
При отклонении сетевого напряжения за допустимые пределы автотрансформатор вместе с нагрузкой отключается симистором VS1. Светодиоды HL1—HL8 индицируют состояние стабилизатора и уровни напряжения в сети. В зависимости от величины сетевого напряжения U выводы дополнительных обмоток автотрансформатора переключаются в следующем порядке:
- LX145В — нагрузка отключена, горит красный светодиод HL3 ("Низкое");
- 145<U< 165В —нагрузка подключена к выводу 7 (далее для краткости указаны только номера выводов, к которым подключена нагрузка), горит красный светодиод HL8 ("+20 %"), мигает HL3 ("Низкое");
- 165<U<190В — вывод 7, горит HL8 ("+20 %");
- 190<U<205B —выводы 8 и 8', горит желтый светодиод HL7 ("+10 %");
- 205<U<235В — вывод 1, горит зеленый светодиод HL6 ("О %");
- 235<U<245В — выводы 6 и 6', горит желтый светодиод HL5 ("-7,5 %");
- 245<U<265В — вывод 5', горит красный светодиод HL4 ("-15 %");
- 265<U<275В — вывод 5', горит красный светодиод HL4 ("-15 %"), мигает HL1 ("Высокое");
- U>275В — нагрузка отключена от сети, горит красный светодиод HL1 ("Высокое").
Для предотвращения беспорядочного переключения симисторов в случае, если сетевое напряжение находится на пороге переключения отводов автотрансформатора, в программу введен некоторый "гистерезис" в срабатывании. Например, если при увеличении сетевого напряжения от 189 до 190В будет произведено переключение нагрузки с отвода "+20 %" на "+10 %", то обратно на "+20 %" МК переключит нагрузку только тогда, когда сетевое напряжение снизится примерно до 187 В. Задержка между изменением напряжения в сети и соответствующим переключением отводов автотрансформатора не превышает 40 мс.
При "провале" сетевого напряжения ниже 145 В на время более 100 мс (можно изменять, см. комментарии в исходном тексте программы) МК отключает автотрансформатор с подключенной к нему нагрузкой от сети, при этом гаснет зеленый светодиод HL2 "Нормальное" и загорается красный светодиод HL3 "Низкое". В случае, если напряжение в сети поднялось выше 275В, контролируемая нагрузка будет отключена от сети через 40 мс и загорится красный светодиод HL1 "Высокое".
После того как напряжение в сети вернется к норме (145<U<275 В), МК в течение 15 с проводит контрольные замеры его уровня. Этот процесс сопровождается миганием зеленого светодиода HL2 "Нормальное". Если по прошествии этого времени сетевое напряжение не выходило за указанные пределы, HL2 перестает мигать и горит постоянно, но питание на нагрузку будет подано только после нажатия кнопки SB1.
При пропадании сетевого напряжения заряда конденсатора С2 хватает примерно на 30 с поддержания нормальной работоспособности МК, затем программа зависает, вследствие чего срабатывает встроенный в МК независимый сторожевой таймер (WDT). Информация о сигнале от этого таймера сохраняется в памяти МК еще примерно в течение 3 мин (пока конденсатор С2 не разрядится практически до нуля). Если в это время сетевое напряжение восстановится, вновь запущенная программа, обнаружив в памяти сигнал от WDT, будет ожидать нажатия кнопки SB1. Таким образом, восстановление сетевого напряжения по прошествии 4...5 мин после выключения будет расценено стабилизатором как штатное и, следовательно, через 5 с (время контрольного тестирования напряжения в сети) нагрузка через автотрансформатор окажется подключенной к сети.
В случае если стабилизатор работает, к примеру, совместно с источником бесперебойного питания или другим устройством, для которого возможные циклы беспорядочного включения—выключения напряжения из-за нарушения работы электросети не критичны, ожидание в программе нажатия кнопки SB1 можно обойти (см. комментарии в исходном тексте программы). Нажатие на кнопку SB1 в течение 2 с при нормальной работе устройства приводит к отключению нагрузки, и стабилизатор переходит в дежурный режим, аналогичный тому, который происходит после пропадания напряжения в сети.
Питается МК DD1 от двух источников стабилизированного напряжения 5В. В дежурном режиме, когда автотрансформатор Т1 отключен от сети (симистор VS1 закрыт), потребляемый устройством управления ток минимален (20...25 мА) и питание осуществляется от бестрансформаторного источника, состоящего из балластного конденсатора С1 и стабилитрона VD3. Этот источник обеспечивает стабильную работу микроконтроллера при изменении напряжения сети от 100 до 400 В.
При переходе устройства из дежурного режима в рабочий, когда автотрансформатор Т1 вместе с нагрузкой подключается к сети (включены оптрон U1, один из оптронов U2—U6, а также один из светодиодов HL4—HL8 и, возможно, HL1 или HL3, мигающие при приближении напряжения сети к границам разрешенного диапазона), потребляемый ток возрастает примерно до 100 мА. В этом режиме мощности бестрансформаторного источника питания оказывается недостаточно для поддержания стабильного (без заметных пульсаций) напряжения питания 5 В. Для исключения влияния нестабильности напряжения питания МК на результат измерения сетевого напряжения в устройстве предусмотрен второй источник стабилизированного напряжения 5В, собранный на интегральном стабилизаторе DA1. Цепь C6R5R6 при включении устройства в сеть формирует выдержку времени перед запуском МК, необходимую для того, чтобы напряжение на конденсаторе С2 успело возрасти до уровня, обеспечивающего нормальную работу МК.
В стабилизаторе применены постоянные резисторы МЛ Т, подстроечные (R2, R4) СП5-2. Конденсатор С1 — МБГЧ с номинальным напряжением не менее 500 В. Возможно использование конденсатора К73-17 с номинальным напряжением 630 В (следует, однако, учесть, что допустимая амплитуда переменного напряжения этого конденсатора не превышает 315 В). Стабилитрон VD3 желательно подобрать с напряжением стабилизации на 0,05...0,1В большим, чем напряжение на выходе стабилизатора DA1. Симисторы КУ208Г заменимы любыми другими, рассчитанными на требуемый ток и напряжение в закрытом состоянии не менее 400 В.
Автотрансформатор Т1 переделан из сетевого трансформатора ТС-180-2 (от старого черно-белого телевизора). В режиме автотрансформатора он способен питать нагрузку мощностью до 1 кВт [1]. Витой магнитопровод этого трансформатора состоит из двух П-образных частей, на которых размещены каркасы с обмотками. Обмотки, номера которых на схеме указаны без штрихов, намотаны на одном каркасе, со штрихами — на другом. Если ограничиться длительной выходной мощностью стабилизатора 250...300 Вт, первичные обмотки 1-2 и 1'-2', содержащие по 450 витков провода ПЭВ-2 0,9, можно оставить без изменения. Все вторичные обмотки трансформатора в этом случае удаляют и на их место наматывают новые проводом ПЭВ-2 0,9 мм. Обмотки 5-6 и 5'-6' должны содержать по 75, 7-8 и 7'-8' -по 100, обмотка 9-10 — 35 витков. Если же необходима большая мощность, обе первичные и все вторичные обмотки следует перемотать проводом соответствующего большего сечения [1].
Все детали стабилизатора напряжения, за исключением конденсатора С1, стабилитрона VD3, симисторов VS1 — VS6 и автотрансформатора Т1, смонтированы на печатной плате размерами 60x110 мм из двусторонне фольгированного стеклотекстолита. Для подключения МК на плате установлена 18-гне-здная панель. Симисторы VS1—VS6 снабжены П-образными теплоотводами с площадью рассеяния по 25 см2, согнутыми из листового алюминиевого сплава толщиной 2 мм. Вместе со стабилитроном VD3 они закреплены на отдельной плате размерами 60x110 мм из стеклотекстолита. Для уменьшения шума от работающего автотрансформатора на основании корпуса стабилизатора по углам желательно наклеить четыре кружка из мягкой резины диаметром 15 и толщиной 5 мм. Вид на монтаж стабилизатора показан на рис. 4. 
Коды "прошивки" МК приведены в таблице. При программировании в байте конфигурации указывают: тип генератора — HS, WDT и Power-up timer включены.
Налаживание стабилизатора начинают с проверки правильности соединения обмоток автотрансформатора. Для этого его первичную обмотку 1-1' подключают к сети и измеряют напряжение между выводами 5-5' и 7-7'. При напряжении сети 220В на первой из них должно быть 33, на второй - 44В. Если вместо этого измеряемое напряжение равно 0, необходимо поменять местами выводы обмоток 5-6 или 7-8 в зависимости от того, в каком случае напряжение оказалось равным 0. Затем измеряют напряжение между точками 1' и 5'. Если вместо 187 получилось 253В, меняют местами выводы 5 и 5'. В заключение проверяют напряжение между точками 1'и 7, которое должно быть равно 264 В. Напряжение 176 В говорит о том, что необходимо поменять местами выводы 7 и 7'.
Для настройки пределов напряжения, при которых МК производит соответствующие переключения отводов автотрансформатора, потребуются регулируемый источник переменного напряжения (ЛАТР), вольтметр переменного тока с переделом измерения 300В и осциллограф. Настраивают стабилизатор в такой последовательности.
Переместив движок подстроечного резистора R2 в нижнее (по схеме) положение, подключают стабилизатор к ЛАТРу и устанавливают (по вольтметру) на его выходе напряжение 145 В. Затем, медленно перемещая движок резистора вверх (также по схеме) и наблюдая на экране осциллографа форму напряжения на стабилитроне VD1, доводят амплитуду сигнала до уровня, который приблизительно на 0,1 В больше его напряжения стабилизации (начало появления на осциллограмме характерной площадки, см. рис. 3). Далее устанавливают движок подстроечного резистора R4 в нижнее (по схеме) положение (при этом должен зажечься красный светодиод HL3) и медленно перемещают его вверх до тех пор, пока не начнет мигать зеленый светодиод HL2.
После этого к выходу стабилизатора подключают лампу накаливания мощностью 100...200 Вт. Плавно повышая напряжение на выходе ЛАТРа до 290В, по светодиодам HL4—HL8 проверяют значения напряжения, при которых происходит переключение отводов автотрансформатора, а также верхний предел входного напряжения, при котором МК отключает нагрузку. Желательно также, по возможности, проверить работоспособность стабилизатора при длительной подаче на его вход линейного напряжения 380В (от трехфазной сети).
Значения напряжений переключения отводов автотрансформатора можно изменить, скорректировав соответствующие константы в начале программы и перекомпилировав получившийся текст с помощью компилятора макроассемблера MPASM [2]. Вносить в исходный текст другие изменения, связанные с алгоритмом работы программы, нужно с особой осторожностью, отчетливо понимая смысл этих изменений. Возможное возникновение связанных с такой корректировкой ошибок может привести, например, к одновременному включению пары симисторов из VS2—VS6 (режим короткого замыкания) или переключению нагрузки при напряжении в сети 250В на отвод "+20 %" и т. п.
Скачать исходный текст программы прошивки микроконтроллера.
С. Коряков
Литература:
1. Никифоров И. Упрощенный расчет сетевого трансформатора. — Радио, 2000, № 10, с. 39.
2. http://www.microchip.ru
|
