Измеритель-стабилизатор мощности на основе среднеквадратичного детектора напряжения
В настоящее время часто при конструировании регуляторов мощности переменного напряжения, возникает необходимость в стабилизации мощности на нагрузке. Такие устройства широко применяются для управления температурой трубчатых нагревательных элементов (ТЭНов), галогенных ламп. Однако если для управления первыми, ввиду их инерционности могут использоваться регуляторы работающие по принципу пропуска определенного количества периодов, то для вторых они практически не пригодны, т.к. при их работе будет наблюдаться значительное мигание ламп. Кроме того такие регуляторы при коммутации больших мощностей вызывают заметную пульсацию сетевого напряжения, что может неблагоприятно сказываться на работе электроприборов и в частности вызывать мерцание осветительных ламп. Наиболее простым и эффективным решением в этом случае может стать применение фазовых регуляторов мощности. Для построения схемы фазового регулятора мощности, в настоящее время, достаточно всего лишь одной микросхемы например КР1182ПМ1 и еще нескольких деталей. Сложнее здесь обстоит дело со стабилизацией мощности, при колебаниях сетевого напряжения. Дело в том, что форма выходного напряжения в таких регуляторах может сильно отличаться от синусоидальной, а для поддержания стабильной мощности на нагрузке, необходимо, чтобы среднеквадратичное значение напряжения на выходе также оставалось постоянным. Если не вдаваться в подробности принципа построения преобразователей истинных среднеквадратичных значений напряжений сложной формы, в постоянное, доступное для измерения обычными вольтметрами, то можно отметить, что даже упрощенная схема подобного преобразователя на основе логарифмирующих и антилогарифмирующих усилителей, содержала бы как минимум семь ОУ.
Тем не менее на практике реализовать схему преобразователя обеспечивающего достаточно высокую точность, можно всего лишь на нескольких ОУ. Стабилизация мощности в схеме фазового регулятора рассмотренного ниже, осуществлена на основе одного из таких преобразователей, подробное описание принципа его работы можно найти в [1]. Очевидно, что в данном случае, для эффективной работы схемы стабилизации выходное напряжения должно быть установлено, ниже номинального сетевого, на 5-10%. Так например при установленном выходном напряжении 200В, изменение входного от 215 до 276В, практически не скажется на выходном. Если же напряжение в сети снизится до 210В, выходное (при установленном 200В), уже уменьшится на 1-2В и таким образом эффективность работы схемы стабилизации несколько снизится. Однако на практике, включаемые в качестве нагрузки таких регуляторов нагревательные элементы, редко используются на максимальную мощность, поэтому диапазон регулирования от 0 до 200В, вполне достаточен. Разумеется его можно расширить и до номинального сетевого напряжения, но в этом случае при увеличении задаваемого выходного напряжения свыше 200В, эффективность стабилизации будет снижаться (если конечно не принять дополнительных мер по увеличению питающего напряжения, например с помощью повышающего трансформатора).
Принцип работы регулируемого стабилизатора мощности, схема которого изображена на рисунке 1, следующий: контролируемое напряжение, через вывод 5 разъема XS1, поступает на резистивный делитель R3, R4, уменьшающий уровень сигнала до значений необходимых для согласования со входами четырехканального ОУ DA1 К1401УД2А. Далее этот сигнал через резистор R5, поступает на инвертирующий вход ОУ DA1.1 (выв.9). Данный узел посредством элементов VD1, R6, VD2, R7, включенных в цепь отрицательной обратной связи ОУ DA1.1, выполняет функцию двухполупериодного выпрямителя, служащего для выделения абсолютной величины напряжения. Отсюда инверсный сигнал (для отрицательной полуволны), через резистор R9, поступает на инвертирующий вход ОУ DA1.2 (выв. 13), где суммируется с прямым сигналом, идущим через резистор R8, с резистивного делителя R3, R4.
Среднеквадратичный преобразователь выполнен на ОУ DA1.2 -DA1.3. Так как в данном случае ОУ допустимо принять близкими к идеальным, обратные токи диодов пренебрежимо малыми, а постоянную времени С5, R12, значительно больше времени измерения, то постоянное напряжение на выходе преобразователя можно считать в точности соответствующему среднеквадратичному значению входного напряжения, в масштабе определяемом соотношением резисторов R12, R9.
С выхода ОУ DA1.3 (выв. 1) преобразованное напряжение поступает на прямой вход ОУ DA1.4, последний выполняет функцию сравнения измеренного напряжения, с опорным напряжением, подаваемым через цепочку R10, R11, R13, на его инвертирующий вход (выв. 6) с 14 вывода разъема XS1.
Для измерения среднеквадратичного значения напряжения, а значит и реальной мощности на нагрузке в устройстве используется цифровой вольтметр на микросхеме DD2 ICL7107. Через резистивный делитель R15, R16 измеряемое напряжение с выхода преобразователя поступает измерительный вход этой микросхемы, а так же на 12 вывод разъема XS1, к которому может подключаться внешний вольтметр.
Подстроячный резистор R10, служит для установки требуемого диапазона регулирования мощности в нагрузке при подаче управляющего напряжения 0-5В, например с внешнего блока управления, или же просто с переменного резистора включенного между +5В питания, и общим проводом. Конденсатор С4 сглаживает мелкие пульсации по входу управления. С выхода ОУ DA1.4 напряжение поступает на светодиод оптрона U1, управляющего микросхемой фазового регулятора мощности DD1 КР1182ПМ1, описание которой можно найти в [2]. Согласно паспортным данным она может работать в диапазоне питающих напряжений от 80 до 276В. Выходной сигнал с микросхемы DD1, через токоограничительный резистор R1 идет на 3 вывод разъема XS1, к которому подключается управляющий электрод дополнительного симмисторного ключа VS1, позволяющего увеличить значение максимального тока в нагрузке до 25А. На рисунке 2 показан вариант подключения к микросхеме двух тиристоров Т-142-63, обеспечивающих максимальный выходной ток до 126А. Элементы R2, C3, включены в управляющую цепь DD1, для обеспечения плавности увеличения мощности на нагрузке при включении питания, а так же для устранения влияния на работу схемы стабилизации, мелких скачков напряжения и помех.
В устройстве использованы постоянные резисторы МЛТ, подстроячные R10, R16 СП5-2В, оксидные конденсаторы C1, C2, C4, C5 — К50-35 или их малогабаритные зарубежные аналоги, С4 – керамический например КМ-6. Вместо отечественной микросхемы ОУ К1401УД2А, можно использовать ее зарубежный аналог LM324, однако учитывая, что эта микросхема имеет несколько иное расположение выводов, при установке на плату, ее необходимо ключом развернуть в противоположную сторону.
Правильно собранное устройство практически не требует наладки, необходимо лишь подстроячным резистором R16, установить правильные показания цифрового вольтметра на микросхеме DD2, при максимальном выходном напряжении. Требуемый диапазон регулировки выходного напряжения стабилизатора мощности задают подстроячным резистором R10.
Литература
1. Сухов Н. Среднеквадратичный милливольтметр. — Радио, 1981, № 11, с. 53—55.
2. Немич И. Микросхема КР1182ПМ1 – Фазовый регулятор мощности. — Радио, 1999, № 7, с. 44—46.
3. Тушнов В. Регулируемый стабилизатор мощности. — Cхемотехника, 2003, №3, с. 4-5.
Автор публикации Тушнов В. Е.
г. Луганск