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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Leistungsregler am Mikrocontroller. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Leistungsregler, Thermometer, Wärmestabilisatoren Der Artikel beschreibt zwei Thyristor-Leistungsregler für Trägheitslasten. Der Einsatz von Mikrocontrollern ermöglicht die Verwendung eines speziellen Algorithmus zur gleichmäßigen Verteilung der Stromimpulse in der Last und eine hohe Schaltfrequenz auch bei einem Leistungsregelschritt von 1 %. Das erste Gerät dient zur Leistungsregelung einer für Netzspannung ausgelegten Last. Der zweite arbeitet mit einer Niederspannungslast, die nicht galvanisch mit dem Netzwerk verbunden ist. Darüber hinaus sorgt dieser Regler für eine Stabilisierung der Lastleistung bei Schwankungen der Netzspannung. Zur Steuerung von Trägheitslasten werden Thyristor-Leistungsregler eingesetzt, die nach dem Prinzip arbeiten, die Last mit mehreren Halbwellen Netzspannung und anschließender Pause zu versorgen. Der Vorteil solcher Geräte besteht darin, dass die Schaltzeitpunkte der Thyristoren mit den Zeitpunkten des Nulldurchgangs der Netzspannung zusammenfallen und so die Funkstörung stark reduziert wird. Darüber hinaus enthält ein solches Gerät im Gegensatz zu einem phasengesteuerten Regler keine analogen Schwellenwertelemente, was die Betriebsstabilität erhöht und die Einrichtung vereinfacht. Da das Umschalten nur beim Übergang der Netzspannung durch Null erfolgt, ist der minimale Anteil der der Last zugeführten Energie gleich der von der Last in einem Halbzyklus verbrauchten Energie. Um den Leistungssteuerungsschritt zu reduzieren, ist es daher notwendig, die sich wiederholende Folge von Halbzyklen zu verlängern. Um beispielsweise eine Schrittweite von 10 % zu erreichen, ist eine Folge von zehn Halbzyklen erforderlich. In Abb. Abbildung 1a zeigt die Impulsfolge an der Steuerelektrode des Thyristors bei einer Leistungsbelastung von 30 %.
Wie Sie sehen, ist der Thyristor während der ersten drei Halbzyklen geöffnet und in den nächsten sieben geschlossen. Diese Sequenz wird dann wiederholt. Die Schaltfrequenz eines solchen Reglers beträgt für jede Leistung unter 100 % 1/10 der Halbwellenfrequenz. Viel logischer wäre es, die Halbwellen, in denen der Thyristor geöffnet ist, möglichst gleichmäßig über die gesamte Sequenz zu verteilen [1]. Im allgemeinen Fall wird das Problem der gleichmäßigen Verteilung einer beliebigen Anzahl von Impulsen N in einer Folge der Länge M (für N kleiner oder gleich M) durch den Bresenham-Algorithmus gelöst. Dies wird normalerweise in Rastergrafiken verwendet, um geneigte Segmente zu konstruieren. Dieser Algorithmus wird mithilfe der Ganzzahlarithmetik implementiert, was seine Programmierung erheblich vereinfacht. In Abb. 1,6 zeigt den Ablauf für die gleiche Leistung von 30 %. aber unter Verwendung des Bresenham-Algorithmus. Im letzteren Fall ist die Schaltfrequenz dreimal höher. Es ist zu beachten, dass die Verstärkung bei einem kleinen Leistungsregelungsschritt stärker spürbar ist. Basis des Leistungsreglers (Abb. 2) ist der Mikrocontroller DD1 AT89C2051 von ATMEL [2]. Zur Stromversorgung kommt ein TT-Transformator mit geringer Leistung zum Einsatz. Dies sorgt zusammen mit der Verwendung von Optothyristoren für eine galvanische Trennung vom Netzwerk. Dadurch wird das Gerät elektrisch sicherer. Eine weitere nützliche Eigenschaft des Reglers besteht darin, dass er mit Lasten verwendet werden kann, die für unterschiedliche Betriebsspannungen ausgelegt sind. Dazu reicht es aus, die Thyristoren über einen zusätzlichen Transformator mit der erforderlichen Spannung zu versorgen. Sie können beispielsweise einen Niederspannungs-Lötkolben mit Strom versorgen. Es ist lediglich erforderlich, dass Spannung und Strom die maximal zulässigen Werte der verwendeten Thyristoren nicht überschreiten.
Stellen Sie die Leistung der Last mit den Tasten SB1 und SB2 ein. Durch kurzes Drücken auf eine der Tasten wird die Leistung um eine Stufe erhöht bzw. verringert, und das Halten der Taste führt zu einer monotonen Leistungsänderung. Durch gleichzeitiges Drücken zweier Tasten wird die Last ausgeschaltet, wenn sie zuvor eingeschaltet war, oder die maximale Leistung eingeschaltet, wenn die Last ausgeschaltet war. Der Wert der Lastleistung wird auf den LED-Anzeigen HG1-HG3 mit sieben Elementen angezeigt. Um die Anzahl der Elemente zu reduzieren, wurde eine in Software implementierte dynamische Anzeige verwendet. Die Indikatorkathoden sind mit den Mikrocontroller-Ports verbunden, die Anoden umfassen die Transistoren VT3 und VT4. die durch Anzeige-Abtastsignale gesteuert werden. In der höchstwertigen Ziffer kann nur eine angegeben werden, daher sind die Elemente B und C über Widerstände mit einem Anschluss verbunden und die Anoden der Indikatoren HG1 und HG2 werden kombiniert. Der Impulsstrom der Elemente wird durch die Widerstände R10-R18 auf ca. 15 mA begrenzt, was weniger als der maximal zulässige Strom für die Ports (20 mA) ist. aber ausreichend, um die erforderliche Helligkeit zu erhalten. Der im Mikrocontroller eingebaute analoge Komparator bindet die Momente, in denen die Netzspannung den Nulldurchgang durchläuft. Seine Eingänge erhalten über die Begrenzer VD5R2 und VD6R3 Wechselspannung von der Sekundärwicklung des Leistungstransformators. Die Rolle des Begrenzers für die negative Halbwelle der Netzspannung übernehmen die Dioden der Gleichrichterbrücke. Der Komparator schaltet, wenn die Netzspannung den Nulldurchgang durchläuft. Der Komparatorausgang wird per Software abgefragt und sobald eine Zustandsänderung erkannt wird, erscheint am Thyristor-Steuerausgang (Mikrocontroller-Port P3.2) ein Steuersignal zum Einschalten. Wenn die aktuelle Halbwelle übersprungen wird, erscheint dieses Signal nicht. Dann leuchtet die HG4-Anzeige für 3 ms auf. Zu diesem Zeitpunkt wird der geschlossene Zustand der Tasten und überprüft. Bei Bedarf wird der Wert der aktuellen Leistung geändert. Danach wird die Steuerspannung von den Thyristoren entfernt und die Anzeigen HG4 und HG1 werden für 2 ms eingeschaltet. Als nächstes wird innerhalb von 4 ms eine erneute Änderung des Zustands des Komparators erwartet. Das Signal von Port P3.2 wird an einen Schalter aus den Transistoren VT1 und VT2 gesendet, der zur Steuerung der Sendedioden von Optothyristoren dient. Zum Schalten der Last werden zwei Optothyristoren verwendet, die Rücken an Rücken geschaltet sind. Ihre Sendedioden sind in Reihe geschaltet. Der Strom der Sendedioden – ca. 100 mA – wird über den Widerstand R1 eingestellt. Der Regler kann in zwei Modi mit unterschiedlichen Leistungsregelschritten arbeiten. Die Auswahl der Betriebsart erfolgt über eine Lötbrücke S1. Der Mikrocontroller fragt seine Position unmittelbar nach dem Reset ab. In der im Diagramm dargestellten Position 1 beträgt der Leistungsanpassungsschritt 1 %. In diesem Fall zeigt der Indikator Zahlen von 0 (0 %) bis 100 (100 %) an. In Position 2 beträgt die Schrittweite 10 %. Der Indikator zeigt Zahlen von 0 (0 %) bis 10 (100 %) an. Die Wahl von zehn Abstufungen im Modus 2 ist darauf zurückzuführen. dass in manchen Fällen (z. B. bei der Steuerung eines Elektroherds) ein kleiner Schritt der Leistungsanpassung nicht erforderlich ist. Wenn der Regler nur in diesem Modus verwendet werden soll, müssen die Anzeige HG1 und die Widerstände R17, R18 nicht installiert werden. Im Allgemeinen können Sie mit dem Gerät die Anzahl der Leistungsstufen für jeden Modus beliebig einstellen. Es ist lediglich erforderlich, den gewünschten Wert der Abstufungen für Modus 0005 in den Programmcode an der Adresse 1Н einzugeben, und an der Adresse 000ВН - für Modus 2. Sie müssen nur bedenken, dass die maximale Anzahl der Abstufungen im Modus 1 nicht mehr als betragen sollte 127 und im Modus 2 - nicht mehr als 99, da in diesem Modus keine Hunderteranzeige möglich ist. Wenn der Laststrom 2 A nicht überschreitet, können Optothyristoren ohne Kühlkörper eingesetzt werden. Bei höheren Strömen werden sie auf Kühlkörpern mit einer Fläche von 50...80 cm‘ montiert. Wenn die Last mit einer Spannung von weniger als 50 V versorgt wird, können Optothyristoren jeder Klasse (Spannung) angehören. Bei Betrieb mit Netzspannung muss die Klasse der Optothyristoren mindestens 6 betragen. Der Leistungstransformator ist ein beliebiger Leistungstransformator mit einer Spannung an der Sekundärwicklung von 8...10 V und einem zulässigen Strom von mindestens 200 mA. Die Dioden FR157 (VD1-VD4) können durch KD208, KD209 oder die Gleichrichterbrücke KTs405 mit beliebigem Buchstabenindex ersetzt werden. Der Stabilisatorchip DA1 7805 (inländisches Analogon von KR142EN5A, KR1180EN5) erfordert keine zusätzliche Wärmeabfuhr. Transistoren VT2-VT4 – alle pn-p-Strukturen mit geringer Leistung. Anstelle von VT1 sind die Transistoren KT815, KT817 mit einem beliebigen Buchstabenindex anwendbar. Es ist jedoch erforderlich, den Widerstand R5 auszuwählen. Dioden VD5. VD6 – jedes Silizium mit geringem Stromverbrauch, zum Beispiel KD521, KD522. Tasten SB1 und SB2 – alle kleinen Tasten ohne Verriegelung, zum Beispiel PKN-159. Indikatoren HG1 - HG3 - alle sieben Elemente mit gemeinsamer Anode und der erforderlichen Helligkeit. Kondensatoren C1. C3, C6 – beliebiges Oxid, der Rest – Keramik. Widerstand R1 ist MLT-0,5, der Rest ist MLT-0.125. Noch komfortabler ist es, Widerstände beispielsweise für die Oberflächenmontage zu verwenden. RN1-12. Der Regler muss nicht angepasst werden, wenn er aus bekanntermaßen guten Teilen zusammengesetzt ist und der Mikrocontroller fehlerfrei programmiert ist. Es empfiehlt sich dennoch, die Richtigkeit des Anschlusses anhand der Frequenz der Netzspannung zu überprüfen. Dazu sollten Sie das Oszilloskop mit der Netzspannung synchronisieren und darauf achten, dass die Display-Abtastimpulse (RXD- und TXO-Signale des Mikrocontrollers) synchron zum Netzwerk sind und die doppelte Netzfrequenz haben. Es kommt vor, dass beim Anschließen einer Last die Synchronisation aufgrund von Störungen gestört wird. In diesem Fall muss zwischen den Eingängen des Komparators (Pins 12, 13 des Mikrocontrollers) ein Kondensator mit einer Kapazität von 1000-4700 pF angeschlossen werden. Die Mikrocontroller-Programmcodes sind in der Tabelle angegeben. eines.
Bei einem Regelschritt von 1 % ist die Instabilität der Netzspannung die Hauptursache für Fehler bei der Leistungseinstellung. Wenn die Last nicht galvanisch mit dem Netzwerk verbunden ist, ist es einfach, den Durchschnittswert der an der Last anliegenden Spannung zu messen und ihn mithilfe einer Rückkopplungsschaltung konstant zu halten. Dieses Prinzip wird im zweiten Regler umgesetzt. Das Funktionsdiagramm des Geräts ist in Abb. dargestellt. 3.
Für den Betrieb im automatischen Steuermodus werden zwei Bresenham-Modulatoren (Mod. 1 und Mod. 2) verwendet, die in Software implementiert sind. Der Eingang des ersten erhält den erforderlichen Leistungscode, der über die Steuertasten eingestellt wird. An seinem Ausgang entsteht eine Impulsfolge, die über einen Tiefpass (Z1) dem invertierenden Eingang des Komparators zugeführt wird. Sein nichtinvertierender Eingang empfängt nach dem Tiefpassfilter (Z2) die der Last entnommene Spannung. Vom Ausgang des Komparators wird ein Ein-Bit-Fehlersignal dem Eingang des Mikrocontrollers zugeführt, wo es einer digitalen Filterung unterzogen wird. Da das digitale Filter (DF) synchron mit den Modulatoren arbeitet, ist eine wirksame Unterdrückung der Welligkeit bei der Folgefrequenz der Ausgangsimpulssequenzen und ihrer Harmonischen gewährleistet. Vom Ausgang des digitalen Filters wird das 2-Bit-Fehlersignal an den integrierenden Regler (IR) gesendet. Um die Genauigkeit zu verbessern, arbeitet der integrierende Controller mit einem XNUMX-Bit-Raster. Die unteren acht Bits des Controller-Ausgangscodes werden an den Eingang des Modulators Mod gesendet. XNUMX, an dessen Ausgang eine Impulsfolge zur Ansteuerung der Thyristoren entsteht. Dieser Regler ist in seiner Schaltung dem oben beschriebenen sehr ähnlich, daher ist es sinnvoll, nur auf seine Unterschiede einzugehen. In Abb. 4 zeigt einen anderen Teil der Schaltung. Die restlichen Pins des Mikrocontrollers DD1 sind im Diagramm nicht dargestellt. Sie sind auf die gleiche Weise verbunden. wie in Abb. 2.
Da die verfügbaren I/O-Ports des Mikrocontrollers nicht ausreichten, mussten wir auf den Einsatz des eingebauten Komparators verzichten. Stattdessen verwendet der Regler einen Doppelkomparator DA2. Auf einem (DA2.1) ist eine Einheit zur Bindung an die Nulldurchgangszeitpunkte der Netzspannung montiert. Aufgrund der Eigenschaften der LM393-Mikroschaltung war es notwendig, diesem Knoten den Widerstand R19 hinzuzufügen, der zusammen mit den Widerständen R2 und R3 (siehe Abb. 2) einen Spannungsteiler bildet, der die Spannung negativer Polarität an den Komparatoreingängen reduziert. Das Signal (Netzfrequenz-Rechteckwelle) vom Ausgang des Komparators wird dem Eingang des Mikrocontrollers P3.2 zugeführt. Der zweite Komparator (DA2.2) wird im Rückkopplungskreis verwendet. Ein Ein-Bit-Fehlersignal wird an den Eingang des Mikrocontrollers P3.5 gesendet. An den Komparatoreingängen sind Tiefpassfilter eingebaut. gebildet aus den Elementen R23, C7 und R24, C8. Das Signal vom Ausgang des Modulators (Pin des Ports P3.4 des Mikrocontrollers) wird über den Teiler R22R26 dem Eingang des Tiefpassfilters zugeführt. Dies ist notwendig, da der Komparator nicht mit einer Eingangsspannung nahe der Versorgungsspannung arbeiten kann. Die Amplitude der Impulse nach dem Teiler beträgt ca. 3,5 V. Die Stabilität der Amplitude wird durch die Stabilität der +5 V Versorgungsspannung bestimmt, die als Referenzspannung dient. Die der Last entnommene Spannung wird ebenfalls über einen Teiler R20R21 dem Eingang eines weiteren Tiefpassfilters zugeführt. So wird er ausgewählt. so dass bei Nennnetzspannung und 100 % Lastleistung die Spannung am Tiefpassfilterausgang 3,5 V beträgt. Das Signal vom Ausgang des Mikrocontrollers RZ.Z wird einem Transistorschalter zugeführt, der die Optothyristoren steuert. Der Netztransformator verfügt über eine zusätzliche Wicklung (111), an die ein durch Optothyristoren VS1 gebildeter gesteuerter Gleichrichter angeschlossen ist. VS2 und Diodenbaugruppe VD7. von wo aus sie die Last versorgen. Um Mikrocontroller-Ports zu sparen, sind die Bedientasten anders angeschlossen als beim Vorgängergerät. Wenn die Anzeigen ausgeschaltet sind, gibt es eine Lücke im Betriebszyklus des Reglers. Zu diesem Zeitpunkt stellte sich heraus, dass es möglich war, die Tasten entlang der Steuerleitungen der Anzeige abzutasten. Somit nutzen die drei Taster zusätzlich nur eine Leitung: Dies ist die Rückleitung, die mit dem Pin von Port P3.7 verbunden ist. Der dritte Knopf wurde für den „Automatik“-Modus benötigt. Unmittelbar nach dem Einschalten befindet sich das Gerät im manuellen Steuermodus, d. h. es entspricht funktionell der oben beschriebenen Steuerung. Um die automatische Steuerung zu aktivieren, müssen Sie gleichzeitig die Tasten „Automatik“ und „+“ drücken. Gleichzeitig leuchtet die HL1-LED „Automatik“ auf. In diesem Modus hält der Regler automatisch die eingestellte Leistung aufrecht. Wenn Sie nun die „Automatik“-Taste gedrückt halten, können Sie an den Anzeigen den aktuellen Zustand des Reglers erkennen. Wenn die Netzspannung so stark abgenommen hat, dass die Stromversorgung nicht mehr aufrechterhalten werden kann, beginnt die LED „Automatik“ zu blinken. Sie können den automatischen Steuermodus ausschalten, indem Sie gleichzeitig die Tasten „Automatik“ und „-“ drücken. Die Codes für die Firmware des Mikrocontroller-Programms dieses Reglers sind in der Tabelle angegeben. 2.
Wenn der Laststrom mehr als 2 A beträgt, sollten Optothyristoren auf einem Kühlkörper installiert werden. Die Kühlkörperplatte des Optothyristorkörpers ist mit der Anode verbunden, sodass die Geräte im Gerät auf einem Kühlkörper montiert werden können. Anstelle von VD7 empfiehlt sich die Verwendung einer Baugruppe aus Schottky-Dioden (oder zwei separaten Schottky-Dioden, zum Beispiel KD2998A). Als letzten Ausweg können Sie herkömmliche Dioden verwenden, die für den erforderlichen Laststrom ausgelegt sind. Gute Ergebnisse lassen sich mit Dioden der Serie KD2997 erzielen. KD2999. KD213. Der Komparator LM393 wird von Integral Software unter der Bezeichnung IL393 hergestellt. Sie können auch zwei separate Komparatoren verwenden, beispielsweise LM311. Anstelle des KP505A-Transistors darf ein Bipolartransistor der Serien KT815, KT817 verwendet werden, indem ein 2-kOhm-Widerstand an den Kollektorkreis des VT1-Transistors angeschlossen wird. Die Anforderungen für andere Teile sind die gleichen. wie für den oben beschriebenen Regler. Beim Einrichten des Reglers wird eine Last daran angeschlossen und die Nennnetzspannung zugeführt (z. B. über LATR). Anschließend wird die maximale Leistung (100 %) eingestellt. Der Trimmwiderstand R21 dient dazu, dass die Spannungsdifferenz an den Eingängen des Komparators 0A2.2 nahe Null liegt. Reduzieren Sie danach die Leistung auf 90 % und schalten Sie den „Automatik“-Modus ein. Durch Einstellen des Widerstands R21 erreichen wir eine Übereinstimmung (mit einer Genauigkeit von ± 1) zwischen der eingestellten Leistung und den Anzeigewerten im Modus zur Überwachung des Zustands des Reglers (bei gedrückter Taste „Automatisch“). Literatur
Autor: L.Ridiko, Minsk, Weißrussland
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