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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Reguladores de energia no microcontrolador. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Reguladores de potência, termômetros, estabilizadores de calor O artigo descreve dois reguladores de potência tiristorizados para cargas inerciais. A utilização de microcontroladores permite utilizar um algoritmo especial para distribuição uniforme dos pulsos de corrente na carga e obter uma alta frequência de chaveamento mesmo com um passo de controle de potência de 1%. O primeiro dispositivo é projetado para regular a potência em uma carga projetada para tensão de rede. O segundo opera com carga de baixa tensão, que não está conectada galvanicamente à rede. Além disso, este regulador garante a estabilização da potência na carga quando a tensão da rede flutua. Para controlar cargas inerciais, são utilizados reguladores de potência tiristorizados, que operam segundo o princípio de fornecer à carga vários semiciclos de tensão de rede seguidos de uma pausa. A vantagem de tais dispositivos é que os momentos de comutação dos tiristores coincidem com os momentos em que a tensão da rede ultrapassa zero, de modo que o nível de interferência de rádio é drasticamente reduzido. Além disso, tal dispositivo, ao contrário de um regulador controlado por fase, não contém elementos de limite analógicos, o que aumenta a estabilidade operacional e simplifica a configuração. Como a comutação ocorre apenas durante a transição da tensão da rede para zero, a porção mínima da energia fornecida à carga é igual à energia consumida pela carga em um meio ciclo. Portanto, para reduzir a etapa de controle de potência, é necessário alongar a sequência repetida de semiciclos. Por exemplo, para obter um passo de 10%, é necessária uma sequência de dez semiciclos. Na Fig. A Figura 1a mostra a sequência de pulsos no eletrodo de controle do tiristor para uma carga de potência de 30%.
Como você pode ver, o tiristor está aberto durante os primeiros três semiciclos e fechado nos próximos sete. Esta sequência é então repetida. A frequência de comutação de tal regulador para qualquer potência inferior a 100% é igual a 1/10 da frequência de meio ciclo. Seria muito mais lógico distribuir os semiciclos durante os quais o tiristor está aberto, se possível, uniformemente ao longo de toda a sequência [1]. No caso geral, o problema de distribuição uniforme de qualquer número de pulsos N em uma sequência de comprimento M (para N menor ou igual a M) é resolvido pelo algoritmo de Bresenham. que geralmente é usado em gráficos raster para construir segmentos inclinados. Este algoritmo é implementado usando aritmética inteira, o que simplifica muito sua programação. Na Fig. 1,6 mostra a sequência para a mesma potência de 30%. mas usando o algoritmo de Bresenham. Neste último caso, a frequência de comutação é três vezes maior. Deve-se notar que o ganho é mais perceptível com um pequeno passo de controle de potência. A base do controlador de potência (Fig. 2) é o microcontrolador DD1 AT89C2051 da ATMEL [2]. Um transformador TT de baixa potência é usado para fonte de alimentação. que, juntamente com o uso de optotiristores, proporciona isolamento galvânico da rede. Isso torna o dispositivo mais seguro eletricamente. Outra propriedade útil do regulador é que ele pode ser utilizado com cargas projetadas para diferentes tensões de operação. Para isso, basta fornecer a tensão necessária aos tiristores a partir de um transformador adicional. Você pode, por exemplo, alimentar um ferro de soldar de baixa tensão. É necessário apenas que a tensão e a corrente não ultrapassem os valores máximos permitidos para os tiristores utilizados.
Ajuste a potência da carga através dos botões SB1 e SB2. Um toque curto em um dos botões irá aumentá-lo ou diminuí-lo em um passo, e segurar o botão causa uma mudança monótona na potência. Pressionar dois botões simultaneamente desliga a carga se ela estiver ligada anteriormente ou liga a potência máxima se a carga estiver desligada. O valor da potência de carga é exibido nos indicadores LED de sete elementos HG1-HG3. Para reduzir o número de elementos, foi utilizado um display dinâmico implementado em software. Os cátodos indicadores são conectados às portas do microcontrolador, os ânodos incluem os transistores VT3 e VT4. que são controlados por sinais de varredura de indicadores. No dígito mais significativo, apenas um pode ser indicado, portanto os elementos B e C são conectados através de resistores a uma porta, e os ânodos dos indicadores HG1 e HG2 são combinados. A corrente de pulso dos elementos é limitada pelos resistores R10-R18 em aproximadamente 15 mA, que é menor que a corrente máxima permitida para as portas (20 mA). mas o suficiente para obter o brilho necessário. O comparador analógico embutido no microcontrolador liga-se aos momentos em que a tensão da rede elétrica ultrapassa zero. Suas entradas através dos limitadores VD5R2 e VD6R3 recebem tensão alternada do enrolamento secundário do transformador de potência. A função de limitador do semiciclo negativo da tensão da rede é desempenhada pelos diodos da ponte retificadora. O comparador muda quando a tensão da rede ultrapassa zero. A saída do comparador é pesquisada por software e, assim que uma mudança em seu estado é detectada, um sinal de controle para ligá-los aparece na saída de controle do tiristor (porta P3.2 do microcontrolador). No caso em que o meio ciclo atual esteja sujeito a saltos, este sinal não aparecerá. Em seguida, o indicador HG4 acende por 3 ms. Neste momento, o estado fechado dos botões e é verificado. se necessário, o valor da potência atual é alterado. Depois disso, a tensão de controle é removida dos tiristores e os indicadores HG4 e HG1 são ligados por 2 ms. A seguir, dentro de 4 ms, espera-se uma nova mudança no estado do comparador. O sinal da porta P3.2 é enviado para uma chave composta pelos transistores VT1 e VT2, que é utilizada para controlar os diodos emissores dos optotiristores. Para comutar a carga, são utilizados dois optotiristores, conectados costas com costas. Seus diodos emissores estão conectados em série. A corrente dos diodos emissores - aproximadamente 100 mA - é definida pelo resistor R1. O regulador pode operar em dois modos com diferentes etapas de controle de potência. O modo de operação é selecionado usando um jumper soldado S1. O microcontrolador verifica sua posição imediatamente após a reinicialização. Na posição 1, mostrada no diagrama, o passo de ajuste de potência é de 1%. Neste caso, o indicador exibe números de 0 (0%) a 100 (100%). Na posição 2 o degrau é de 10%. O indicador exibe números de 0 (0%) a 10 (100%). A escolha de dez gradações no modo 2 se deve ao fato. que em alguns casos (por exemplo, controlar um fogão elétrico) não é necessário um pequeno passo de ajuste de potência. Se o regulador for utilizado somente neste modo, o indicador HG1 e os resistores R17, R18 não precisam ser instalados. De modo geral, o dispositivo permite definir arbitrariamente o número de níveis de potência para cada modo. Só é necessário inserir o valor desejado das gradações para o modo 0005 no código do programa no endereço 1Н, e no endereço 000ВН - para o modo 2. Basta lembrar que o número máximo de gradações no modo 1 não deve ser superior a 127, e no modo 2 - não mais que 99 , já que a exibição de centenas não é possível neste modo. Se a corrente de carga não exceder 2 A, os optotiristores podem ser usados sem dissipadores de calor. Em correntes mais altas são instalados em dissipadores de calor com área de 50...80 cm'. Quando a carga é alimentada com tensão inferior a 50 V, os optotiristores podem ser de qualquer classe (tensão). Ao trabalhar com tensão de rede, a classe dos optotiristores deve ser no mínimo 6. O transformador de potência é qualquer transformador de baixa potência com tensão no enrolamento secundário de 8...10 V e corrente permitida de pelo menos 200 mA. Os diodos FR157 (VD1-VD4) são substituíveis por KD208 KD209 ou ponte retificadora KTs405 com qualquer índice de letras. O chip estabilizador DA1 7805 (análogo doméstico de KR142EN5A, KR1180EN5) não requer remoção de calor adicional. Transistores VT2-VT4 - quaisquer estruturas pn-p de baixa potência. Em vez de VT1, são aplicáveis os transistores KT815, KT817 com qualquer índice de letras. Porém, é necessário selecionar o resistor R5. Diodos VD5. VD6 - qualquer silício de baixo consumo de energia, por exemplo, KD521, KD522. Botões SB1 e SB2 - quaisquer de tamanho pequeno sem travamento, por exemplo, PKN-159. Indicadores HG1 - HG3 - qualquer sete elementos com ânodo comum, o brilho necessário. Capacitores C1. C3, C6 - qualquer óxido, o resto - cerâmico. O resistor R1 é MLT-0,5, o restante é MLT-0.125. É ainda mais conveniente usar resistores para montagem em superfície, por exemplo. RN1-12. O regulador não precisa de ajuste se for montado com peças em boas condições e o microcontrolador for programado sem erros. Ainda é aconselhável verificar a exatidão da ligação à frequência da tensão de rede. Para fazer isso, você deve sincronizar o osciloscópio com a tensão da rede e certificar-se de que os pulsos de varredura do display (sinais RXD e TXO do microcontrolador) estejam sincronizados com a rede e tenham o dobro da frequência da rede. Acontece que quando uma carga é conectada, a sincronização é interrompida devido a interferências. Neste caso, é necessário conectar um capacitor com capacidade de 12-13 pF entre as entradas do comparador (pinos 1000, 4700 do microcontrolador). Os códigos de programa do microcontrolador são dados na Tabela. 1.
Com um passo de controle de 1%, a instabilidade da tensão da rede é a principal fonte de erro de ajuste de potência. Se a carga não estiver conectada galvanicamente à rede, é fácil medir o valor médio da tensão aplicada à carga e usar um circuito de realimentação para mantê-la constante. Este princípio é implementado no segundo regulador. O diagrama funcional do dispositivo é mostrado na Fig. 3.
Para operar em modo de controle automático, são utilizados dois moduladores Bresenham (Mod. 1 e Mod. 2), implementados em software. A entrada do primeiro recebe o código de potência necessário, que é configurado através dos botões de controle. Em sua saída é formada uma sequência de pulsos, que é alimentada através de um filtro passa-baixa (Z1) até a entrada inversora do comparador. Sua entrada não inversora, após o filtro passa-baixa (Z2), recebe a tensão retirada da carga. Da saída do comparador, um sinal de erro de um bit é alimentado na entrada do microcontrolador, onde é submetido à filtragem digital. Como o filtro digital (DF) opera de forma síncrona com os moduladores, a supressão efetiva de ondulação é fornecida na frequência de repetição das sequências de pulso de saída e seus harmônicos. Da saída do filtro digital, o sinal de erro de oito bits é enviado ao regulador integrador (IR). Para melhorar a precisão, o controlador integrador opera em uma grade de dezesseis bits. Os oito bits inferiores do código de saída do controlador são enviados para a entrada do modulador Mod. 2, na saída da qual é formada uma sequência de pulsos fornecida para controlar os tiristores. Este regulador é muito semelhante em circuito ao descrito acima, por isso faz sentido insistir apenas em suas diferenças. Na Fig. 4 mostra uma parte diferente do circuito. Os pinos restantes do microcontrolador DD1 não são mostrados no diagrama. Eles estão conectados da mesma maneira. como na fig. 2.
Como as portas de E/S disponíveis do microcontrolador não eram suficientes, tivemos que abandonar o uso do comparador embutido. Em vez disso, o regulador utiliza um comparador duplo DA2. Em um (DA2.1) é montada uma unidade para ligação aos momentos de cruzamento zero da tensão da rede. Devido às características do microcircuito LM393, foi necessário adicionar o resistor R19 a este nó, que, juntamente com os resistores R2 e R3 (ver Fig. 2), forma um divisor de tensão que reduz a tensão de polaridade negativa nas entradas do comparador. O sinal (onda quadrada de frequência de rede) da saída do comparador é alimentado na entrada do microcontrolador P3.2. O segundo comparador (DA2.2) é usado no circuito de feedback. Um sinal de erro de um bit é enviado para a entrada do microcontrolador P3.5. Filtros passa-baixa são instalados nas entradas do comparador. formado pelos elementos R23, C7 e R24, C8. O sinal da saída do modulador (pino da porta P3.4 do microcontrolador) é fornecido à entrada do filtro passa-baixa através do divisor R22R26. o que é necessário porque o comparador não pode operar com uma tensão de entrada próxima da tensão de alimentação. A amplitude dos pulsos após o divisor é de cerca de 3,5 V. A estabilidade da amplitude é determinada pela estabilidade da tensão de alimentação de +5 V, que é usada como tensão de referência. A tensão retirada da carga é fornecida à entrada de outro filtro passa-baixa, também através de um divisor R20R21. É assim que ele é escolhido. de modo que na tensão nominal da rede e 100% da potência de carga, a tensão na saída do filtro passa-baixa seja de 3,5 V. O sinal da saída do microcontrolador RZ.Z é alimentado a uma chave de transistor que controla os optotiristores. O transformador da rede possui um enrolamento adicional (111), ao qual é conectado um retificador controlado formado por optotiristores VS1. VS2 e conjunto de diodo VD7. de onde eles fornecem a carga. Para salvar as portas do microcontrolador, os botões de controle são conectados de forma diferente do dispositivo anterior. Há uma lacuna no ciclo operacional do regulador quando os indicadores estão desligados. Neste momento, foi possível digitalizar os botões ao longo das linhas de controle do indicador. Assim, os três botões utilizam adicionalmente apenas uma linha: esta é a linha de retorno conectada ao pino da porta P3.7. O terceiro botão era necessário para o modo “Automático”. Imediatamente após ser ligado, o dispositivo entra no modo de controle manual, ou seja, corresponde funcionalmente ao controlador descrito acima. Para ativar o controle automático, você precisa pressionar simultaneamente os botões “Automático” e “+”. Ao mesmo tempo, o LED “Automático” HL1 acende. Neste modo, o regulador mantém automaticamente a potência definida. Se você pressionar e segurar o botão “Automático”, poderá ver o estado atual do regulador nos indicadores. Quando a tensão da rede diminui tanto que não é mais possível manter a energia, o LED “Automático” começa a piscar. Você pode desligar o modo de controle automático pressionando simultaneamente os botões “Automático” e “-”. Os códigos para o firmware do programa do microcontrolador deste regulador são fornecidos na Tabela. 2.
Quando a corrente de carga for superior a 2 A, os optotiristores devem ser instalados em um dissipador de calor. A placa do dissipador de calor do corpo do optotiristor é conectada ao ânodo, de modo que os dispositivos do dispositivo podem ser montados em um dissipador de calor. No lugar do VD7, é aconselhável usar um conjunto de diodos Schottky (ou dois diodos Schottky separados, por exemplo KD2998A). Como último recurso, você pode usar diodos convencionais projetados para a corrente de carga necessária. Bons resultados podem ser obtidos com diodos da série KD2997. KD2999. KD213. O comparador LM393 é produzido pelo software Integral sob a designação IL393. Você também pode usar dois comparadores separados, por exemplo, LM311. Em vez do transistor KP505A, é permitido usar um transistor bipolar das séries KT815, KT817 conectando um resistor de 2 kOhm ao circuito coletor do transistor VT1. Os requisitos para outras peças são os mesmos. como para o regulador descrito acima. Ao configurar o regulador, uma carga é conectada a ele e a tensão nominal da rede é fornecida (por exemplo, usando LATR). Em seguida, definindo a potência máxima (100%). O resistor de corte R21 é usado para garantir que a diferença de tensão nas entradas do comparador 0A2.2 seja próxima de zero. Depois disso, reduza a potência para 90% e ligue o modo “Automático”. Ajustando o resistor R21, conseguimos uma correspondência (com precisão de ± 1) entre a potência definida e as leituras do indicador no modo de monitoramento do estado do regulador (com o botão “Automático” pressionado). Literatura
Autor: L.Ridiko, Minsk, Bielorrússia
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