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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Regulador de potência estabilizado. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Reguladores de potência, termômetros, estabilizadores de calor Às vezes, há situações em que é necessário estabilizar a potência em uma carga cuja resistência varia em uma ampla faixa ao longo do tempo. Nesses casos, ajudará o regulador de potência proposto, que funciona simultaneamente como estabilizador. A maioria dos reguladores de potência descritos na literatura de rádio amador operam com carga puramente ativa (lâmpada incandescente, fogão elétrico, forno elétrico) ou com carga indutiva ativa (motores elétricos). No entanto, esta carga é constante (forno elétrico) ou muda durante um processo transitório relativamente curto e depois tende a um valor constante (lâmpada incandescente, motor elétrico). Em ambos os casos, a potência de tais cargas é regulada pela alteração da corrente média que flui. Como a potência da carga Рн, a corrente que passa por ela Iн e sua resistência Rн estão relacionadas pela dependência Pн=In2·Rн. Com resistência constante, a regulação da potência é alcançada exclusivamente pela regulação atual. Existem também tipos de cargas cuja resistência depende de vários fatores e, portanto, muda ao longo do tempo de acordo com uma lei previamente desconhecida. Um exemplo de tal carga é uma caldeira de aquecimento de água com eletrodo, na qual o meio de trabalho e o corpo eletricamente condutor é a água. A resistência da água depende do tipo e quantidade de sais que contém, da temperatura, do caudal da caldeira e de outros factores. A resistência de tal carga pode mudar dezenas de vezes. Neste caso, controlar a corrente pela carga não resolve o problema de regulação de potência, pois sua resistência é variável. Aqui, a corrente através da carga depende não apenas da tensão através dela, mas também da sua resistência. Isto não permite que a potência seja controlada da maneira usual (definindo um valor de corrente específico). Mesmo a actual estabilização não será uma saída. Como quando a tensão na carga é Un, sua potência Pн=Un·In, para estabilizar a potência na carga, o produto Un·In deve ser estabilizado, ou seja, garantir sua constância. O parâmetro controlado (variável independente) pode ser a tensão, pois tanto a corrente quanto a potência da carga dependem do seu valor. Portanto, é necessário regular a tensão na carga para que quando a resistência mudar, uma potência média constante seja fornecida na carga. Neste caso, para determinar a potência instantânea, é necessário multiplicar os valores instantâneos de tensão e corrente na carga. Isto decorre da definição clássica de potência em engenharia elétrica. O diagrama de blocos do dispositivo que implementa o algoritmo de controle descrito acima é mostrado na Fig. 1.
Sinais elétricos proporcionais aos valores instantâneos de tensão e corrente na carga são fornecidos às entradas do multiplicador. Da saída do multiplicador, um sinal proporcional ao seu produto (ou seja, potência), após a média calculada ao longo do tempo, é fornecido à primeira entrada do amplificador diferencial, cuja segunda entrada é alimentada com uma tensão de referência. Em um amplificador diferencial, as tensões são comparadas e o sinal de diferença (sinal de erro) é amplificado, que é então alimentado em um comparador. A segunda entrada do comparador é alimentada com pulsos dente de serra, seguindo com o dobro da frequência da rede. Na saída do comparador são formados pulsos retangulares, cujo ciclo de trabalho determina a tensão da saída do amplificador diferencial. Os pulsos da saída do comparador controlam a chave triac, que, por sua vez, controla a carga. Se a potência na carga se desviar do valor especificado pela tensão Uset, o sinal de erro da saída do amplificador diferencial afetará o comparador de modo que uma mudança no ciclo de trabalho dos pulsos levará à estabilização da potência. Consideremos a operação de um regulador de potência estabilizado de acordo com seu diagrama de circuito (Fig. 2) e diagramas de temporização (Fig. 3).
As entradas X e Y do chip DA3 (multiplicador de sinal integrado) recebem sinais proporcionais, respectivamente, aos valores instantâneos da tensão na carga e da corrente que passa por ela. Um sinal proporcional ao valor da tensão instantânea é removido do controle deslizante do resistor de ajuste R4. O resistor R1 é um sensor de corrente de carga. A tensão deste resistor é fornecida ao enrolamento primário do transformador elevador T2 (a relação de transformação é de cerca de 40). A necessidade de usar um transformador se deve a dois fatores. Em primeiro lugar, aumenta a tensão fornecida à entrada do multiplicador e, em segundo lugar, fornece isolamento galvânico. Os sinais proporcionais à corrente e tensão são variáveis, mas não há necessidade de sua retificação, pois o microcircuito K525PS2 (DA3) permite que uma tensão alternada com amplitude de até 10,5 V seja fornecida às entradas X e Y. Observe que os sinais de tensão e corrente fornecidos ao multiplicador devem estar em fase, o que é conseguido conectando-se adequadamente os enrolamentos do transformador T2. O multiplicador de tensão integral K525PS2 foi projetado para implementar uma série de dependências funcionais típicas (multiplicação, divisão, quadratura, raiz quadrada). Para realizar essas funções com sinais analógicos, utiliza-se a dependência exponencial da corrente de coletor do transistor em sua tensão base-emissor. O erro de multiplicação não é superior a 1%. Informações mais detalhadas sobre a estrutura e aplicação de multiplicadores integrais podem ser encontradas em [1]. Quando o multiplicador integral é ligado de acordo com o mostrado na Fig. 2, o circuito em sua saída Z opera com tensão Uz≈0,15UxUy, onde Ux, Uy são as tensões aplicadas às entradas X e Y do microcircuito DA3, respectivamente. Os pulsos de controle do triac VS1 vêm da saída do comparador de tensão DA4. O comparador integrado K554SAZ, utilizado no regulador de potência, possui saída de coletor aberto projetada para corrente de carga de até 50 mA. O transistor de saída está aberto (ou seja, há uma baixa tensão na saída quando a carga está conectada) se a tensão na entrada inversora (pino 4) do chip DA4 for maior do que na entrada não inversora (pino 3) . Com a relação de tensão oposta, a saída do comparador terá uma tensão de alto nível. No comparador DA4, é feita uma comparação entre a tensão dente de serra (Fig. 3, diagrama 3) e a tensão retirada da saída do amplificador operacional DA5 (diagrama 4). O gerador de tensão dente de serra é feito nos transistores VT1, VT2. Gera pulsos com frequência de 100 Hz, sincronizados pela tensão da rede. A tensão da ponte retificadora VD2 (Fig. 3, diagrama 1) é aplicada à base do transistor VT1. Na maioria das vezes o transistor está aberto e, nos momentos em que a tensão retificada se aproxima de zero, ele fecha. Em seu coletor são formados pulsos retangulares curtos (Fig. 3, diagrama 2), que são alimentados na base do transistor VT2. Enquanto a tensão na base é zero, uma tensão crescente é formada no coletor do transistor (o capacitor C6 é carregado através do resistor R13). No momento em que aparece um pulso positivo na base, o transistor VT2 abre e a tensão em seu coletor diminui para quase zero (Fig. 3, diagrama 3). Pulsos retangulares são formados na saída do comparador (Fig. 3, diagrama 5). A carga do comparador é o resistor R16 e o optoacoplador LED U1. Quando a corrente flui pelo LED do optoacoplador, seu triac se abre, garantindo a abertura do triac VS1 - a corrente começa a fluir pela carga conectada aos soquetes do conector XS1. Uma mudança no ciclo de trabalho dos pulsos na saída do comparador leva a uma mudança na tensão e, consequentemente, na potência da carga. A partir dos diagramas de temporização, é fácil determinar que um aumento na tensão na saída do amplificador operacional DA5 leva a uma diminuição na potência da carga. Agora - sobre a finalidade e operação do microcircuito DA5, que desempenha as funções de amplificador diferencial ou amplificador de sinal de erro (ver Fig. 1). A tensão de ajuste Uset é removida do resistor variável R18 e fornecida à entrada inversora do amplificador operacional, cuja entrada não inversora recebe a tensão média de saída do multiplicador DA3. A média do sinal de saída do multiplicador é fornecida pelo circuito integrador R20C8. O amplificador operacional DA5 amplifica os sinais fornecidos às suas entradas, garantindo valores de tensão iguais entre elas. Isso significa que uma diminuição na tensão de ajuste Uset levará a uma diminuição na tensão na saída do amplificador operacional. Obviamente, a posição inferior do resistor variável R18 no diagrama corresponderá a um valor de potência zero na carga. O capacitor C7 garante operação estável do amplificador operacional quando exposto a interferências. A alimentação dos elementos reguladores de potência é feita através de dois estabilizadores de tensão integrados DA1 e DA2. A utilização de dois tipos diferentes de microcircuitos se deve ao desejo de se contentar com um transformador de rede com um enrolamento secundário (embora com derivação do meio) e uma ponte retificadora. O diodo VD1 elimina a influência do capacitor de filtro C1 no formato da tensão retificada fornecida à entrada do gerador de tensão dente de serra. O regulador de potência é montado em uma placa de circuito impresso feita de fibra de vidro dupla-face. O desenho da placa de circuito impresso é mostrado na Fig. 4.
É necessário inserir pedaços de fio estanhado nos orifícios das placas quadradas e soldá-los nos dois lados da placa. Os microcircuitos DA1, DA2 são instalados em pequenos dissipadores de calor de duralumínio com área de 20...30 cm² cada; O triac VS1 é instalado em um cooler padrão (dissipador de calor fundido em liga de alumínio) marca 0231. O resistor R1 é feito de fio de nicromo com diâmetro de 3 mm. No lugar do comparador DA4, além do indicado no diagrama, você também pode usar K521САЗ, K521СА5, K521СА6 (este último microcircuito contém dois comparadores em um invólucro), mas isso exigirá ajuste no desenho da placa de circuito impresso. Substituiremos o amplificador operacional KR140UD708 por K140UD7, K140UD8, K153UD2 e quaisquer microcircuitos semelhantes. O multiplicador de tensão analógico K525PS2 pode ser substituído por um K525PS3 com qualquer índice de letras, mas também com correção da placa de circuito impresso. Transistores VT1, VT2 - qualquer uma das séries KT315, KT342, KT503, KT630, KT3I02 ou KT3117A. O optoacoplador importado MOC3052 pode ser substituído pelo doméstico AOU160A-AOU160B com correção da placa de circuito impresso. Triac VS1 pode ser usado nas séries TC112, TC122, TC132, TC142 com uma tensão de pulso permitida no estado fechado de pelo menos 400 V e uma corrente no estado aberto correspondente à corrente máxima de carga. O diodo KD106A (VD1) pode ser substituído por qualquer uma das séries KD105, KD221, KD226. Ponte retificadora (VD2) - qualquer uma das séries KTs402, KTs405, com correção em placa de circuito impresso. Os capacitores de óxido C1 - C3, C8 podem ser K50-16, K50-35, K50-24, K50-29; C4, C5, C7 - KM-6, K10-17, K73-17; C6 - K73-17, K73-24, K76-P2 (este capacitor deve ter um pequeno TKE). Resistores trimmer R4, R5, R8-R10 - SP5-2, SPZ-19, SPZ-38, resistor variável R18 - SP-0,4, SPZ-4M, SPZ-16, SPZ-30, o resto - MLT, S2- 23 . Transformador T1 - TPP232. Pode ser substituído por qualquer outro cujo enrolamento secundário com derivação central forneça uma tensão de 33...40 V e seja projetado para uma corrente de pelo menos 150 mA. O transformador T2 pode ser qualquer outro com relação de transformação de 30...50. Chave de alimentação SA1 - disjuntor A3161, AE2050 ou AP50. Além disso, atua como fusível. A configuração do regulador de potência começa verificando a tensão de saída do chip DA1 (+15 V) e definindo a tensão de saída do chip DA2 (-15 V) com o resistor R6. Depois disso, o multiplicador de tensão DA3 é ajustado. Para isso, as entradas X, Y, saída Z e pino 1 são desconectadas dos demais elementos. Os motores dos resistores de corte R8-R10 são colocados na posição intermediária. Uma tensão de +5 V é aplicada à entrada X, e uma tensão de O V é aplicada à entrada Y-O V. O resistor R9 define a tensão de saída do multiplicador O V. Em seguida, uma tensão de O V é aplicada à entrada X, e +5 V para a entrada Y- +8 V. O resistor R5 define a tensão de saída O B. Em seguida, uma tensão de + 5 V é aplicada a ambas as entradas do multiplicador e a tensão de saída é medida. Então, em uma das entradas, a polaridade do sinal de entrada é alterada (ou seja, -10 V é aplicada) e a tensão de saída é medida novamente. Usando o resistor R4, é garantido que os dois últimos valores da tensão de saída sejam iguais em valor absoluto (devem ter sinais opostos). Se necessário, repita o ajuste. Depois disso, conecte as entradas e saídas do multiplicador de tensão aos elementos reguladores. Os controles deslizantes dos resistores ajustados R5 e R18 são colocados na posição intermediária e o resistor variável RXNUMX é colocado na posição inferior de acordo com o diagrama. Uma carga é conectada ao conector XS1 e a energia é fornecida ao regulador de energia. Girando suavemente o eixo do resistor variável R18, certifique-se de que a tensão na carga aumente. Se a tensão na carga for máxima em qualquer posição do controle deslizante do resistor variável R18, a razão para isso pode ser o faseamento incorreto dos enrolamentos do transformador T2, levando ao fornecimento de tensões antifásicas para as entradas X e Y do microcircuito DA3 e uma tensão negativa em sua saída Z. Neste caso, os cabos devem ser trocados por qualquer um dos enrolamentos do transformador T2. Os resistores trimmer R4 e R5 garantem que os valores máximos de tensão (amplitude) nas entradas do multiplicador não excedam 10 V. Isso é conveniente para monitorar usando um osciloscópio. Como último recurso, você pode usar um voltímetro CA. Com uma tensão senoidal na carga (isso ocorre se o triac VS1 abrir no início de cada meio ciclo e a tensão na carga for quase igual à tensão da rede), a tensão efetiva nas entradas do multiplicador não deve exceder 7 V. O controle de potência deve ser realizado suavemente ao longo de todo o eixo do intervalo de rotação do resistor variável R18. Se na posição superior do controle deslizante do resistor variável R18 no diagrama, com a carga máxima conectada, a tensão nele não atingir o valor da rede, você deve reduzir a resistência do resistor R17 para não mais que 2,2 kOhm ou reduzir a corrente e coeficientes de transferência de tensão movendo os controles deslizantes do resistor de corte para baixo no diagrama R4 e R5. Para testar a função de estabilização de energia, é necessário ter uma carga com resistência variável (é conveniente usar um aquecedor doméstico de duas seções) e um autotransformador de laboratório com potência adequada. A carga deve estar ativa (ou seja, não ter componente indutivo ou capacitivo). O regulador de potência é conectado à rede por meio de um autotransformador e uma seção do aquecedor doméstico é conectada à saída do regulador. A tensão é ajustada para 220 V usando um autotransformador. Ao conectar um voltímetro de corrente alternada medindo valores efetivos (voltímetro quadrado) em paralelo com a carga, um resistor variável R18 é usado para definir a tensão na carga para 150... 200 V. Em seguida, conecte outra seção e meça novamente a tensão no conector XS1. Deve diminuir 1,4 vezes [2]. Com uma lei diferente de mudança na resistência da carga, a igualdade Un²/Rн = const será satisfeita em qualquer caso. Se a resistência da carga aumentar tanto que para manter a potência definida a tensão deva ultrapassar o seu valor máximo, o regulador sairá do modo de estabilização de potência. O regulador de potência possui propriedades estabilizadoras não apenas em condições de alterações na resistência da carga, mas também em relação às flutuações na tensão da rede. Isso pode ser verificado alterando a tensão de alimentação do regulador por meio de um autotransformador na faixa de 190 a 240 V (claro, com carga conectada). A tensão de carga com tal mudança na alimentação deve ser estável. Apenas o ângulo de abertura do triac VS1 irá variar, o que pode ser verificado usando um osciloscópio. O sinal pode ser obtido da carga ou da saída do comparador DA4. Se o radioamador não tiver à sua disposição um voltímetro que meça o valor efetivo (por exemplo, um dispositivo de sistema eletromagnético), então um medidor de indução de energia elétrica é usado para medir a potência: o número de rotações do disco do medidor deve ser constante quando a resistência da carga muda e a posição do motor do resistor variável R18 permanece constante. Você não pode usar um voltímetro de tensão média retificada para esses fins. Para aumentar a confiabilidade, recomendamos conectar um resistor com resistência de cerca de 150 ohms em série com o opto-triac. Literatura
Autor: A. Evseev, Tula
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