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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Stabilisierter Leistungsregler. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Leistungsregler, Thermometer, Wärmestabilisatoren Manchmal gibt es Situationen, in denen es notwendig ist, die Leistung einer Last zu stabilisieren, deren Widerstand im Laufe der Zeit in einem weiten Bereich schwankt. In solchen Fällen hilft der vorgeschlagene Leistungsregler, der gleichzeitig als Stabilisator fungiert. Die meisten in der Amateurfunkliteratur beschriebenen Leistungsregler arbeiten entweder mit einer rein aktiven (Glühlampe, Elektroherd, Elektroofen) oder mit einer aktiv-induktiven Last (Elektromotoren). Diese Belastung ist jedoch entweder konstant (Elektroofen) oder verändert sich während eines relativ kurzen Einschwingvorgangs und tendiert dann zu einem stabilen Wert (Glühlampe, Elektromotor). In beiden Fällen wird die Leistung solcher Lasten durch Veränderung des fließenden Durchschnittsstroms geregelt. Da die Lastleistung Рн, der durch sie fließende Strom In und ihr Widerstand Rн durch die Abhängigkeit Pн=In2·Rн zusammenhängen. Bei konstantem Widerstand wird die Leistungsregulierung ausschließlich durch die Stromregulierung erreicht. Es gibt auch Belastungsarten, deren Widerstand von verschiedenen Faktoren abhängt und sich daher im Laufe der Zeit nach einem im Voraus unbekannten Gesetz ändert. Ein Beispiel für eine solche Last ist ein Elektroden-Wasserheizkessel, bei dem das Arbeitsmedium und der elektrisch leitende Körper Wasser ist. Der Widerstand von Wasser hängt von der Art und Menge der darin enthaltenen Salze, der Temperatur, der Durchflussmenge durch den Kessel und anderen Faktoren ab. Der Widerstand einer solchen Last kann sich um das Zehnfache ändern. In diesem Fall löst die Steuerung des Stroms durch die Last das Problem der Leistungsregulierung nicht, da ihr Widerstand variabel ist. Dabei hängt der Strom durch die Last nicht nur von der an ihr anliegenden Spannung, sondern auch von ihrem Widerstand ab. Dadurch ist eine Leistungsregelung in der üblichen Weise (durch Vorgabe eines bestimmten Stromwertes) nicht möglich. Selbst die derzeitige Stabilisierung wird kein Ausweg sein. Da, wenn die Spannung an der Last Un beträgt, ihre Leistung Pn=Un·In ist, muss zur Stabilisierung der Leistung in der Last das Produkt Un·In stabilisiert werden, d. h. seine Konstanz sicherstellen. Der gesteuerte Parameter (unabhängige Variable) kann die Spannung sein, da sowohl der Strom als auch die Lastleistung von ihrem Wert abhängen. Daher ist es notwendig, die Spannung an der Last so zu regeln, dass bei einer Widerstandsänderung eine konstante Durchschnittsleistung in der Last bereitgestellt wird. In diesem Fall ist es zur Bestimmung der Momentanleistung erforderlich, die Momentanwerte von Spannung und Strom in der Last zu multiplizieren. Dies folgt aus der klassischen Definition von Leistung in der Elektrotechnik. Das Blockdiagramm des Geräts, das den oben beschriebenen Steueralgorithmus implementiert, ist in Abb. dargestellt. 1.
Den Multiplikatoreingängen werden elektrische Signale zugeführt, die proportional zu den Momentanwerten von Spannung und Strom in der Last sind. Vom Ausgang des Multiplizierers wird ein zu ihrem Produkt (d. h. der Leistung) proportionales Signal nach zeitlicher Mittelung dem ersten Eingang des Differenzverstärkers zugeführt, dessen zweiter Eingang mit einer Referenzspannung versorgt wird. In einem Differenzverstärker werden Spannungen verglichen und das Differenzsignal (Fehlersignal) verstärkt, das dann einem Komparator zugeführt wird. Dem zweiten Eingang des Komparators werden Sägezahnimpulse zugeführt, die mit der doppelten Netzfrequenz folgen. Am Ausgang des Komparators entstehen Rechteckimpulse, deren Tastverhältnis die Spannung am Ausgang des Differenzverstärkers bestimmt. Impulse vom Ausgang des Komparators steuern den Triac-Schalter, der wiederum die Last steuert. Wenn die Leistung in der Last von dem durch die Spannung Uset vorgegebenen Wert abweicht, wirkt sich das Fehlersignal vom Ausgang des Differenzverstärkers auf den Komparator aus, sodass eine Änderung des Tastverhältnisses der Impulse zu einer Leistungsstabilisierung führt. Betrachten wir den Betrieb eines stabilisierten Leistungsreglers anhand seines Schaltplans (Abb. 2) und seiner Zeitdiagramme (Abb. 3).
Die X- und Y-Eingänge des DA3-Chips (integrierter Signalmultiplikator) empfangen Signale, die jeweils proportional zu den Momentanwerten der Spannung an der Last und dem Strom durch sie sind. Vom Schieber des Trimmwiderstands R4 wird ein zum momentanen Spannungswert proportionales Signal abgenommen. Widerstand R1 ist ein Laststromsensor. Die Spannung von diesem Widerstand wird der Primärwicklung des Aufwärtstransformators T2 zugeführt (Übersetzungsverhältnis beträgt etwa 40). Die Notwendigkeit, einen Transformator zu verwenden, ist auf zwei Faktoren zurückzuführen. Erstens erhöht es die Spannung, die dem Multiplikatoreingang zugeführt wird, und zweitens sorgt es für eine galvanische Trennung. Strom- und spannungsproportionale Signale sind variabel, ihre Gleichrichtung ist jedoch nicht erforderlich, da mit der Mikroschaltung K525PS2 (DA3) eine Wechselspannung mit einer Amplitude von bis zu 10,5 V an die X- und Y-Eingänge angelegt werden kann. Beachten Sie, dass die dem Multiplizierer zugeführten Spannungs- und Stromsignale phasengleich sein müssen, was durch entsprechende Verbindung der Wicklungen des Transformators T2 erreicht wird. Der integrierte Spannungsvervielfacher K525PS2 ist für die Umsetzung einer Reihe typischer Funktionsabhängigkeiten (Multiplikation, Division, Quadrierung, Quadratwurzel) konzipiert. Um diese Funktionen mit analogen Signalen auszuführen, wird die exponentielle Abhängigkeit des Kollektorstroms des Transistors von seiner Basis-Emitter-Spannung genutzt. Der Multiplikationsfehler beträgt nicht mehr als 1 %. Ausführlichere Informationen zum Aufbau und zur Anwendung von Integralmultiplikatoren finden sich in [1]. Wenn der Integralmultiplikator gemäß der in Abb. In 2 arbeitet die Schaltung an ihrem Ausgang Z mit einer Spannung Uz≈0,15UxUy, wobei Ux, Uy die Spannungen sind, die an den Eingängen X bzw. Y der DA3-Mikroschaltung anliegen. Die Steuerimpulse für den Triac VS1 kommen vom Ausgang des Spannungskomparators DA4. Der im Leistungsregler verwendete integrierte Komparator K554SAZ verfügt über einen Open-Collector-Ausgang, der für einen Laststrom von bis zu 50 mA ausgelegt ist. Der Ausgangstransistor ist offen (d. h. am Ausgang liegt bei angeschlossener Last eine niedrige Spannung an), wenn die Spannung am invertierenden Eingang (Pin 4) des DA4-Chips größer ist als am nicht invertierenden Eingang (Pin 3). . Bei umgekehrtem Spannungsverhältnis weist der Ausgang des Komparators eine Spannung mit hohem Pegel auf. Am Komparator DA4 erfolgt ein Vergleich zwischen der Sägezahnspannung (Abb. 3, Diagramm 3) und der Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers DA5 (Diagramm 4). Der Sägezahnspannungsgenerator besteht aus den Transistoren VT1, VT2. Es erzeugt Impulse mit einer Frequenz von 100 Hz, synchronisiert mit der Netzspannung. Die Spannung von der Gleichrichterbrücke VD2 (Abb. 3, Diagramm 1) wird der Basis des Transistors VT1 zugeführt. Meistens ist der Transistor offen und in Momenten, in denen die gleichgerichtete Spannung gegen Null geht, schließt er. An seinem Kollektor entstehen kurze Rechteckimpulse (Abb. 3, Diagramm 2), die der Basis des Transistors VT2 zugeführt werden. Während die Spannung an der Basis Null ist, bildet sich am Kollektor des Transistors eine steigende Spannung (Kondensator C6 wird über Widerstand R13 aufgeladen). In dem Moment, in dem an der Basis ein positiver Impuls erscheint, öffnet der Transistor VT2 und die Spannung an seinem Kollektor sinkt auf nahezu Null (Abb. 3, Diagramm 3). Am Ausgang des Komparators entstehen Rechteckimpulse (Abb. 3, Diagramm 5). Die Komparatorlast ist der Widerstand R16 und die Optokoppler-LED U1. Wenn Strom durch die LED des Optokopplers fließt, öffnet sich dessen Triac und sorgt so für die Öffnung des Triacs VS1 – der Strom beginnt durch die Last zu fließen, die an die Buchsen des Steckers XS1 angeschlossen ist. Eine Änderung des Tastverhältnisses der Impulse am Ausgang des Komparators führt zu einer Änderung der Spannung und damit der Leistung in der Last. Anhand der Zeitdiagramme lässt sich leicht erkennen, dass ein Anstieg der Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers DA5 zu einem Leistungsabfall in der Last führt. Nun zum Zweck und zur Funktionsweise der DA5-Mikroschaltung, die die Funktionen eines Differenzverstärkers oder Fehlersignalverstärkers übernimmt (siehe Abb. 1). Die Einstellspannung Uset wird vom variablen Widerstand R18 abgenommen und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt, dessen nichtinvertierender Eingang die durchschnittliche Ausgangsspannung des Multiplizierers DA3 empfängt. Die Mittelung des Ausgangssignals des Multiplizierers erfolgt durch die Integrierschaltung R20C8. Der Operationsverstärker DA5 verstärkt die an seine Eingänge gelieferten Signale und sorgt so für gleiche Spannungswerte an ihnen. Dies bedeutet, dass eine Verringerung der Einstellspannung Uset zu einer Verringerung der Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers führt. Offensichtlich entspricht die untere Position des variablen Widerstands R18 im Diagramm einem Leistungswert von Null in der Last. Der Kondensator C7 gewährleistet einen stabilen Betrieb des Operationsverstärkers, wenn er Störungen ausgesetzt ist. Die Stromversorgung der Leistungsreglerelemente erfolgt über zwei integrierte Spannungsstabilisatoren DA1 und DA2. Die Verwendung von zwei verschiedenen Arten von Mikroschaltungen beruht auf dem Wunsch, mit einem Netzwerktransformator mit einer Sekundärwicklung (allerdings mit einem Abgriff in der Mitte) und einer Gleichrichterbrücke auszukommen. Die Diode VD1 eliminiert den Einfluss des Filterkondensators C1 auf die Form der gleichgerichteten Spannung, die dem Eingang des Sägezahnspannungsgenerators zugeführt wird. Der Leistungsregler ist auf einer Leiterplatte aus doppelseitiger Glasfaserfolie montiert. Die Leiterplattenzeichnung ist in Abb. dargestellt. 4.
Es ist notwendig, verzinnte Drahtstücke in die Löcher der quadratischen Pads einzuführen und diese auf beiden Seiten der Platine anzulöten. Die Mikroschaltungen DA1, DA2 sind auf kleinen Duraluminium-Kühlkörpern mit einer Fläche von jeweils 20...30 cm² installiert; Der Triac VS1 ist auf einem Standardkühler (gegossener Kühlkörper aus Aluminiumlegierung) der Marke 0231 installiert. Der Widerstand R1 besteht aus Nichromdraht mit einem Durchmesser von 3 mm. Anstelle des DA4-Komparators können Sie zusätzlich zu dem im Diagramm angegebenen auch K521САЗ, K521СА5, K521СА6 verwenden (letztere Mikroschaltung enthält zwei Komparatoren in einem Gehäuse), dies erfordert jedoch eine Anpassung der Leiterplattenzeichnung. Wir werden den Operationsverstärker KR140UD708 durch K140UD7, K140UD8, K153UD2 und ähnliche Mikroschaltungen ersetzen. Der analoge Spannungsvervielfacher K525PS2 kann durch einen K525PS3 mit beliebigem Buchstabenindex, aber auch mit Korrektur der Leiterplatte ersetzt werden. Transistoren VT1, VT2 – alle der Serien KT315, KT342, KT503, KT630, KT3I02 oder KT3117A. Der importierte Optokoppler MOC3052 kann mit Korrektur der Leiterplatte durch den heimischen AOU160A-AOU160B ersetzt werden. Triac VS1 kann aus den Serien TC112, TC122, TC132, TC142 mit einer zulässigen Impulsspannung im geschlossenen Zustand von mindestens 400 V und einem Strom im geöffneten Zustand entsprechend dem maximalen Laststrom verwendet werden. Die Diode KD106A (VD1) kann durch jede der Serien KD105, KD221, KD226 ersetzt werden. Gleichrichterbrücke (VD2) – jede der Serien KTs402, KTs405, mit Leiterplattenkorrektur. Oxidkondensatoren C1 - C3, C8 können K50-16, K50-35, K50-24, K50-29 sein; C4, C5, C7 – KM-6, K10-17, K73-17; C6 - K73-17, K73-24, K76-P2 (dieser Kondensator muss einen kleinen TKE haben). Trimmerwiderstände R4, R5, R8-R10 - SP5-2, SPZ-19, SPZ-38, variabler Widerstand R18 - SP-0,4, SPZ-4M, SPZ-16, SPZ-30, der Rest - MLT, S2-23 . Transformator T1 - TPP232. Er kann durch jeden anderen ersetzt werden, dessen Sekundärwicklung mit Abgriff aus der Mitte eine Spannung von 33...40 V liefert und für einen Strom von mindestens 150 mA ausgelegt ist. Der Transformator T2 kann ein beliebiger anderer Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 30...50 sein. Netzschalter SA1 – Leistungsschalter A3161, AE2050 oder AP50. Darüber hinaus fungiert es als Sicherung. Das Einrichten des Leistungsreglers beginnt mit der Überprüfung der Ausgangsspannung des DA1-Chips (+15 V) und der Einstellung der Ausgangsspannung des DA2-Chips (-15 V) mit dem Widerstand R6. Danach wird der Spannungsvervielfacher DA3 angepasst. Dazu werden die Eingänge X, Y, Ausgang Z und Pin 1 von anderen Elementen getrennt. Die Motoren der Trimmwiderstände R8-R10 sind auf Mittelstellung gestellt. Eine Spannung von +5 V wird an den Eingang und +9 V an den Eingang Y- +5 V. Der Widerstand R8 stellt die Ausgangsspannung O B ein. Anschließend wird an beide Eingänge des Multiplizierers eine Spannung von +5 V angelegt und die Ausgangsspannung gemessen. Anschließend wird an einem der Eingänge die Polarität des Eingangssignals geändert (also -5 V angelegt) und die Ausgangsspannung erneut gemessen. Mit dem Widerstand R10 wird sichergestellt, dass die letzten beiden Werte der Ausgangsspannung betragsmäßig gleich sind (sie müssen ein entgegengesetztes Vorzeichen haben). Wiederholen Sie gegebenenfalls die Anpassung. Anschließend verbinden Sie die Ein- und Ausgänge des Spannungsvervielfachers mit den Reglerelementen. Die Schieberegler der eingestellten Widerstände R4 und R5 sind gemäß Diagramm auf die mittlere Position und der variable Widerstand R18 auf die untere Position eingestellt. An den Anschluss XS1 wird eine Last angeschlossen und der Leistungsregler mit Strom versorgt. Stellen Sie durch sanftes Drehen der Achse des variablen Widerstands R18 sicher, dass die Spannung an der Last ansteigt. Wenn die Spannung an der Last an einer beliebigen Position des Schiebers des variablen Widerstands R18 maximal ist, kann dies an einer falschen Phasenlage der Wicklungen des Transformators T2 liegen, was zur Versorgung der Eingänge X und Y der DA3-Mikroschaltung mit gegenphasigen Spannungen führt und eine negative Spannung an seinem Ausgang Z. In diesem Fall sollten die Leitungen einer beliebigen Wicklung des Transformators T2 vertauscht werden. Die Trimmerwiderstände R4 und R5 sorgen dafür, dass die maximalen (Amplituden-)Spannungswerte an den Eingängen des Multiplikators 10 V nicht überschreiten. Dies lässt sich bequem mit einem Oszilloskop überwachen. Als letzten Ausweg können Sie ein Wechselspannungsmessgerät verwenden. Bei einer sinusförmigen Spannung an der Last (dies tritt auf, wenn der Triac VS1 zu Beginn jeder Halbwelle öffnet und die Spannung an der Last nahezu gleich der Netzspannung ist), sollte die effektive Spannung an den Eingängen des Multiplizierers 7 nicht überschreiten V. Die Leistungssteuerung sollte über die gesamte Rotationsintervallachse des variablen Widerstands R18 reibungslos erfolgen. Wenn in der oberen Position des Schiebers des variablen Widerstands R18 im Diagramm bei maximal angeschlossener Last die Spannung daran nicht den Netzwert erreicht, sollten Sie den Widerstand des Widerstands R17 auf maximal 2,2 kOhm reduzieren oder den Strom reduzieren und Spannungsübertragungskoeffizienten durch Verschieben der Trimmwiderstandsschieber nach unten in den Diagrammen R4 und R5. Um die Leistungsstabilisierungsfunktion zu testen, benötigen Sie eine Last mit unterschiedlichem Widerstand (am besten verwenden Sie eine zweiteilige Haushaltsheizung) und einen Labor-Spartransformator mit der entsprechenden Leistung. Die Last muss aktiv sein (d. h. darf keine induktive oder kapazitive Komponente haben). Der Leistungsregler wird über einen Spartransformator an das Netzwerk angeschlossen und ein Abschnitt einer Haushaltsheizung wird an den Ausgang des Reglers angeschlossen. Die Spannung wird über einen Spartransformator auf 220 V eingestellt. Durch Parallelschaltung eines Effektivwert messenden Wechselspannungsvoltmeters (Quadratvoltmeter) zur Last wird über einen variablen Widerstand R18 die Spannung an der Last auf 150 V eingestellt. 200 V. Schließen Sie dann einen weiteren Abschnitt an und messen Sie erneut die Spannung am Stecker XS1. Es sollte um das 1,4-fache sinken [2]. Bei einem anderen Lastwiderstandsänderungsgesetz ist die Gleichung Un²/Rн = const in jedem Fall erfüllt. Wenn der Lastwiderstand so stark ansteigt, dass die Spannung zur Aufrechterhaltung der eingestellten Leistung ihren Maximalwert überschreiten muss, verlässt der Regler den Leistungsstabilisierungsmodus. Der Leistungsregler hat stabilisierende Eigenschaften nicht nur bei Änderungen des Lastwiderstands, sondern auch in Bezug auf Schwankungen der Netzspannung. Dies kann überprüft werden, indem die Versorgungsspannung des Reglers mithilfe eines Spartransformators im Bereich von 190 bis 240 V geändert wird (natürlich bei angeschlossener Last). Die Lastspannung muss bei einer solchen Änderung der Versorgung stabil sein. Lediglich der Öffnungswinkel des Triac VS1 variiert, was mit einem Oszilloskop überprüft werden kann. Das Signal kann entweder von der Last oder vom Ausgang des DA4-Komparators entnommen werden. Wenn dem Funkamateur kein Voltmeter zur Verfügung steht, das den Effektivwert misst (z. B. ein Gerät des elektromagnetischen Systems), wird zur Messung der Leistung ein Induktionsmessgerät für elektrische Energie verwendet: Die Anzahl der Umdrehungen der Messscheibe muss sein konstant, wenn sich der Lastwiderstand ändert und die Position des variablen Widerstands R18 des Motors konstant bleibt. Für diese Zwecke können Sie kein Voltmeter mit mittlerer gleichgerichteter Spannung verwenden. Um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, empfehlen wir, einen Widerstand mit einem Widerstandswert von etwa 150 Ohm in Reihe mit dem Opto-Triac zu schalten. Literatur
Autor: A. Evseev, Tula
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