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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Dois reguladores de potência do microcontrolador. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Microcontroladores Para controlar a carga inercial, são frequentemente usados controladores de potência de tiristores, que operam com base no princípio de fornecer vários meios ciclos de tensão de rede à carga, seguidos de uma pausa. A vantagem de tais reguladores é que os tempos de comutação dos tiristores coincidem com os momentos em que a tensão da rede passa por zero, de modo que o nível de interferência de rádio é drasticamente reduzido. Além disso, tal controlador, ao contrário de um controlador controlado por fase, não contém elementos de limite analógicos, o que aumenta a estabilidade e simplifica o ajuste. Como a carga é comutada apenas nos momentos em que a tensão da rede passa por zero, a parcela mínima de energia fornecida à carga é igual à energia consumida pela carga em um meio ciclo. Portanto, para reduzir a etapa de ajuste de potência, é necessário alongar a sequência de repetição de meio ciclos. Por exemplo, para obter um passo de 10%, o comprimento da sequência de repetição é de 10 meios ciclos. Na fig. 1 (A) mostra a sequência de pulsos no eletrodo de controle do tiristor para a potência na carga de 30%. Como você pode ver, o tiristor está aberto durante os primeiros três semiciclos e durante os próximos sete está fechado. 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 meios-ciclos durante os quais o tiristor está aberto uniformemente por toda a sequência. No caso geral, o problema da distribuição uniforme de qualquer número de impulsos N em uma sequência de comprimento M (quando N é menor ou igual a M) é resolvido pelo algoritmo de Bresenham, que geralmente é usado em gráficos raster para plotar oblíquas segmentos. Este algoritmo é implementado usando aritmética inteira, o que simplifica muito sua programação. Na fig. 1(B) 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 ajuste de potência. Por exemplo, no caso de um passo de 1% para uma mesma potência de 30%, o ganho será de 30 vezes.
A base do regulador de potência (ver Fig. 2) é o microcontrolador U1 tipo AT89C2051 da ATMEL. Um transformador de baixa potência T1 é usado para alimentar o circuito regulador, que, juntamente com o uso de optotiristores, fornece isolamento galvânico da rede. Isso torna o dispositivo eletricamente mais seguro. Outra característica útil do regulador é que ele pode ser usado com cargas projetadas para diferentes tensões de operação. Para fazer isso, basta aplicar a tensão necessária de um transformador adicional à entrada do tiristor. Por exemplo, um regulador pode ser usado para alimentar um ferro de solda de baixa tensão. É necessário apenas que a tensão e a corrente não ultrapassem o máximo permitido para os tiristores aplicados. O ajuste de potência na carga é realizado através dos botões SB1 e SB2. Um toque curto de um dos botões causa uma mudança na potência em um passo. Quando o botão é pressionado, ocorre uma mudança monótona na potência. O pressionamento simultâneo de dois botões desliga a carga se ela foi ligada antes ou liga na potência máxima se a carga foi desligada. Para indicar a potência na carga, são utilizados indicadores LED de sete segmentos HG1 - HG3. Para reduzir o número de elementos, é utilizada a indicação dinâmica, que é implementada em software. O comparador analógico embutido no microcontrolador executa a ligação à tensão de rede. Uma tensão alternada é fornecida às suas entradas através dos limitadores R17, R18, VD1, VD2 do enrolamento secundário do transformador de potência. O papel do limitador para a polaridade negativa é desempenhado pelos diodos da ponte retificadora. O comparador restaura o sinal da tensão de rede. As chaves do comparador ocorrem nos momentos em que a tensão da rede passa por zero. A saída do comparador é interrogada por software e assim que uma mudança em seu estado é detectada, um nível de controle é emitido para a saída de controle do tiristor (porta INT0 do microcontrolador) para ligar os tiristores. Se o meio ciclo atual for ignorado, nenhum nível de controle será emitido. Em seguida, o indicador HG4 acende por 3 ms. Nesse momento, é verificado o pressionamento dos botões e, se necessário, alterado o valor da potência atual. Em seguida, a tensão de controle é removida dos tiristores e os indicadores HG4 e HG1 acendem por 2 ms. Após isso, espera-se uma nova mudança de estado do comparador em até 4 ms. Se não houver alteração, o sistema ainda inicia o ciclo sem estar conectado à rede. Somente neste caso, os tiristores não abrem. Isso é feito para que a indicação funcione normalmente mesmo sem pulsos de referência à frequência da rede. Tal algoritmo de operação, no entanto, impõe algumas restrições à frequência da rede: deve ter um desvio de 50 Hz não superior a 20%. Na prática, o desvio da frequência da rede é muito menor. O sinal da porta INT0 é alimentado a uma chave feita nos transistores VT3 e VT4, que é usada para controlar os LEDs dos optotiristores. Quando o sinal RESET do microcontrolador está ativo, a porta está em um nível lógico um. Portanto, zero é escolhido como o nível ativo. Para comutar a carga, são utilizados dois optotiristores conectados em antiparalelo. Os LEDs dos optotiristores são conectados em série. A corrente dos LEDs é definida pelo resistor R16 e é de aproximadamente 100 mA. O regulador pode operar em dois modos com diferentes etapas de ajuste de potência. A escolha do modo de operação é feita pelo jumper JP1. O estado deste jumper é pesquisado imediatamente após a reinicialização do microcontrolador. No modo 1, o passo de ajuste de potência é de 1%. Nesse caso, o indicador exibe números de 0 (0%) a 100 (100%). No modo 2, o passo de ajuste de potência é de 10%. Nesse caso, o indicador exibe números de 0 (0%) a 10 (100%). A escolha do número de graduações 10 no modo 2 deve-se ao fato de que em alguns casos (por exemplo, controle de um fogão elétrico) não é necessário um pequeno passo de ajuste de potência. Se o regulador for usado apenas no modo 2, o indicador HG1 e os resistores R8, R9 podem ser omitidos. De um modo geral, o controlador permite definir arbitrariamente o número de níveis de potência para cada um dos modos. Para fazer isso, você precisa inserir o valor de gradação desejado para o modo 0005 no código do programa no endereço 1H e para o modo 000 no endereço 2BH. Você só precisa lembrar que o número máximo de gradações no modo 1 não deve ser maior que 127, e no modo 2 - não mais que 99, pois a exibição de centenas não é possível neste modo. Com uma corrente de carga de até 2 A, os optotiristores podem ser usados sem dissipadores de calor. Com uma corrente de carga maior, os optotiristores devem ser instalados em dissipadores de calor com área de 50 a 80 cm2. Ao usar um regulador com tensão inferior a 50 V, os optotiristores podem ser de qualquer classe de tensão. Ao trabalhar com tensão de rede, a classe de optotiristores deve ser de pelo menos 6. Qualquer transformador de baixa potência com uma tensão de enrolamento secundário de 8 - 10 V (alternada) e uma corrente de carga permitida de pelo menos 200 mA pode ser usado como fonte de alimentação transformador. Os diodos VD3 - VD6 podem ser substituídos pelos diodos KD208, KD209 ou uma ponte retificadora KTs405 com qualquer letra. O chip estabilizador U2 tipo 7805 (analógico doméstico KR142EN5A, KR1180EN5) não requer um radiador. Transistores VT1 - VT3 - qualquer pnp de baixa potência. O transistor VT4 pode ser substituído pelos transistores KT815, KT817 com qualquer letra. Diodos VD1, VD2 - qualquer silício de baixa potência, por exemplo KD521, KD522. Botões SB1 e SB2 - qualquer pequeno sem fixação, por exemplo PKN-159. Indicadores HG1 - HG3 - qualquer segmento de sete com um ânodo comum. É desejável apenas que eles tenham brilho suficiente do brilho. Capacitores C3, C4, C6 - qualquer eletrolítico. O resto dos capacitores são de cerâmica. Resistor R16 - MLT-0,5, o resto - MLT-0,125. É ainda mais conveniente usar resistores SMD, por exemplo, P1-12. O chip U1 está instalado no soquete. Se o regulador for montado com peças reparáveis e o microcontrolador for programado sem erros, o regulador não precisará ser ajustado. É apenas aconselhável verificar a ligação correta à frequência da rede. Para fazer isso, você precisa sincronizar o osciloscópio com a tensão da rede e certificar-se de que os pulsos de varredura do display (nos pinos RXD e TXD do microcontrolador) estejam sincronizados com a rede e tenham o dobro da frequência da rede. Se, ao conectar a carga, o sincronismo for perturbado devido a interferência, é necessário conectar um capacitor com capacidade de 12 - 13 nF entre as entradas do comparador (pinos 1, 4,7 do microcontrolador). Você pode baixar o software: o arquivo pwr100.bin (366 bytes) contém o firmware da ROM, o arquivo pwr100.asm (7,106 bytes) contém o texto fonte. As bibliotecas necessárias para tradução usando o TASM 2.76 estão localizadas no arquivo lib.zip (2,575 bytes). Com uma etapa de controle de energia de 1%, a instabilidade da tensão de rede é a principal fonte de erro de configuração de energia. Se a carga não estiver conectada galvanicamente à rede, é fácil medir o valor médio da tensão aplicada à carga e mantê-la constante usando o circuito de realimentação. Este princípio é implementado no segundo regulador. O diagrama de blocos do dispositivo é mostrado na fig. 3.
Para operação no modo de controle automático, dois moduladores Bresenham Br são usados. Maud. 1 e Ir. Maud. 2, que são implementados em software. Na entrada do modulador Br. Maud. 1 recebe o código da potência necessária, que é definida usando os botões de controle. Na saída desse modulador é formada uma sequência de pulsos que, após filtragem por um filtro passa-baixa, LPF 1, é alimentada a uma das entradas do comparador. A tensão retirada da carga é fornecida à segunda entrada do comparador através do filtro passa-baixo LPF 2. Da saída do comparador, um sinal de erro de um bit é enviado para a entrada do microcontrolador, onde é filtrado digitalmente. Como o filtro digital do filtro digital opera em sincronia com os moduladores, é garantida a supressão efetiva de ondulações na frequência de repetição das sequências de pulso de saída e nos harmônicos dessa frequência. A partir da saída do filtro digital, um sinal de erro de 8 bits é alimentado ao controlador de integração IR. Para melhorar a precisão, o controlador de integração opera em uma grade de 16 bits. Os 8 bits inferiores do código de saída do controlador são enviados para a entrada do modulador Br. Maud. 2, em cuja saída é formada uma sequência de pulsos, alimentada ao controle do tiristor. O diagrama esquemático do segundo regulador é mostrado na fig. 4.
Este controlador é muito semelhante em circuitos ao descrito acima, por isso faz sentido insistir apenas em suas diferenças. Como as portas de E/S disponíveis do microcontrolador não eram suficientes, tivemos que abandonar o uso do comparador embutido. O regulador usa um comparador duplo U2 tipo LM393. A primeira metade do comparador é usada para ligar à tensão de rede. Devido às peculiaridades do LM393, foi necessário adicionar um resistor R27 ao circuito de ligação, que junto com R14, R15 forma um divisor de tensão que reduz a tensão negativa nas entradas do comparador. O meandro da frequência de rede da saída do comparador é alimentado à entrada do microcontrolador INT0. A segunda metade do comparador é usada no loop de feedback. Um sinal de erro de um bit é inserido no microcontrolador T1. Nas entradas do comparador é instalado um filtro passa-baixo, formado pelos elementos R16, C7 e R17, C8. O sinal da saída do modulador (saída T0 do microcontrolador) é alimentado na entrada do filtro passa-baixo através do divisor R18, R19. O divisor é necessário porque o comparador não pode operar com tensões de entrada próximas da tensão de alimentação. Após o divisor, os pulsos têm uma amplitude 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 referência. A tensão removida da carga é alimentada na entrada de outro filtro passa-baixa também através de um divisor formado pelos resistores R20, R21. Este divisor é selecionado de forma que na tensão nominal da rede elétrica 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 INT1 através de uma chave de transistor é alimentado ao controle dos tiristores. Os optotiristores V1 e V2, juntamente com o conjunto de diodos VD11, formam um retificador controlado que alimenta a carga. Os botões de controle para salvar as portas do microcontrolador são incluídos de uma maneira diferente. Há uma lacuna no ciclo de operação do regulador quando os indicadores são apagados. Neste momento, era possível digitalizar os botões usando as linhas desses indicadores. Assim, os três botões usam apenas uma linha adicional: esta é a linha de retorno P3.7. O terceiro botão era necessário para controlar o modo "AUTO". Imediatamente após ligar, o regulador está no modo manual, ou seja, corresponde funcionalmente ao regulador descrito acima. Para ativar o modo de controle automático, pressione os botões "AUTO" e "UP" simultaneamente. Ao mesmo tempo, o LED "AUTO" acende. Neste modo, o controlador mantém automaticamente a potência definida. Se você pressionar e segurar o botão "AUTO", poderá ver o estado atual do regulador nos indicadores (porcentagens de potência de saída que mudam com flutuações na tensão de rede para que a potência permaneça inalterada). Se a tensão de rede cair tanto que não seja possível manter a alimentação, o LED "AUTO" começa a piscar. Você pode desligar o modo de controle automático pressionando simultaneamente os botões "AUTO" e "DOWN". Com uma corrente de carga superior a 2 A, os optotiristores devem ser instalados em um dissipador de calor. As bases dos optotiristores são conectadas aos ânodos, portanto, neste circuito, os dispositivos podem ser montados em um radiador comum, que é conectado ao fio comum do dispositivo. Como VD11, é desejável usar um conjunto de diodos Schottky (ou dois diodos Schottky separados, por exemplo KD2998). Em casos extremos, você pode usar diodos convencionais que permitem a corrente de carga necessária. Bons resultados podem ser obtidos com 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 (também conhecido como KR554CA3). Em vez do transistor KP505A (fabricado pela fábrica de transistores, Minsk), você pode usar o transistor bipolar KT815, KT817 adicionando um resistor de 1 KΩ em série ao circuito coletor VT3. Para o restante dos detalhes, os requisitos são os mesmos do regulador descritos acima. Para ajustar o regulador, é necessário conectar uma carga a ele e aplicar a tensão de rede nominal (por exemplo, usando LATR). Então você precisa definir a potência máxima (100%). O resistor trimmer R21 é necessário para atingir uma diferença de tensão nas entradas 5 e 6 do comparador U2B, próxima de zero. Depois disso, você precisa reduzir a potência para 90% e ligar o modo "AUTO". Ao ajustar R21, é necessário obter coincidência (com precisão de ±1 unidade) da potência instalada e as leituras dos indicadores no modo de controle do status do controlador (com o botão "AUTO" pressionado). Você pode baixar o software: o arquivo pwr100a.bin (554 bytes) contém o firmware da ROM, o arquivo pwr100a.asm (10,083 bytes) contém o código-fonte. As bibliotecas necessárias para tradução usando o TASM 2.76 estão localizadas no arquivo lib.zip (2,575 bytes). Download de arquivos. Autor: Leonid Ivanovich Ridiko, wubblick@yahoo.com; Publicação: cxem.net
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