27_29.PDF

Grupowy regulator mocy

Grupowy regulator

mocy

AVT−5067

Z†problemem regulacji

mocy dostarczanej do

odbiornikÛw energii

elektrycznej spotykamy siÍ

bardzo czÍsto. Jeøeli

urz¹dzenie zasilane jest

pr¹dem sta³ym, to

rozwi¹zania uk³adowe

regulatorÛw mocy s¹ doúÊ

proste i†powszechnie znane.

Nieco trudniej jest regulowaÊ

dostarczan¹ moc do urz¹dzeÒ

zasilanych napiÍciem

zmiennym. Jeden z†prostszych

sposobÛw przedstawiamy

w†artykule.

Rekomendacje: urz¹dzenie

umoøliwiaj¹ce skuteczn¹,

w†pe³ni cyfrow¹ regulacjÍ

mocy dostarczanej do

øarÛwek, grzejnikÛw

elektrycznych, grza³ek

bojlerowych, a takøe

wiÍkszoúci elektrycznych

piecÛw CO.

Najprostszymi sposobami regu-

lacji mocy w†obwodach DC s¹:

zmiana napiÍcia zasilaj¹cego od-

biornik, ograniczanie pr¹du pobie-

ranego przez niego lub zasilanie

impulsowe przebiegiem o†zmien-

nym wype³nieniu. Kiedy jednak

mamy do czynienia z†pr¹dem

przemiennym, a†najczÍúciej jest to

pr¹d pobierany z†sieci energetycz-

nej, to zadanie komplikuje siÍ.

W†epoce ìprzed-pÛ³przewodniko-

wejî stosowano do takiej regulacji

autotransformatory o†p³ynnie regulo-

wanym prze³oøeniu, transduktory

i†inne elementy elektromechaniczne.

Uøywane by³y takøe monstrualne

rezystory o†mocy setek i†tysiÍcy

watÛw. Wraz z†wynalezieniem ty-

rystorÛw, a†nastÍpnie triakÛw

zmiennopr¹dowych budowa regula-

torÛw mocy dla urz¹dzeÒ zasila-

nych z†sieci energetycznej uproúci³a

siÍ. Obecnie nie ma chyba elekt-

ronika, ktÛry nie zbudowa³by takie-

go regulatora - popularnego ìúciem-

niaczaî. Do jego realizacji potrzebne

jest zaledwie kilka elementÛw: triak,

diak, kondensator odpowiedniej po-

jemnoúci, rezystor, potencjometr

i†elementy s³uø¹ce likwidowaniu ge-

nerowanych przez uk³ad zak³ÛceÒ

radioelektrycznych.

No w³aúnie, doszliúmy do sedna

sprawy! Zbudowanie regulatora mo-

cy dla pr¹du przemiennego o†do-

puszczalnym pr¹dzie nawet setek

amperÛw jest spraw¹ prost¹.

ìSchodyî zaczynaj¹ siÍ dopiero przy

usuwaniu zak³ÛceÒ generowanych

przez taki sterownik. Jeøeli w†dodat-

ku sterowane urz¹dzenie charaktery-

zuje siÍ duø¹ indukcyjnoúci¹,

to zadanie staje siÍ naprawdÍ

trudne. Przypominam sobie

d³ugie godziny spÍdzone przy

dobieraniu elementÛw prze-

ciwzak³Ûceniowych do ste-

rownika grza³ek w†piekarniku

elektrycznym, zakoÒczone jedynie

po³owicznym sukcesem.

Tymczasem okazuje siÍ, øe prob-

lem regulacji mocy odbiornikÛw

energii elektrycznej AC moøna roz-

wi¹zaÊ inaczej. Jako element prze-

³¹czaj¹cy zastosujemy takøe triak,

ale bÍdzie on pracowa³ w†takiej

konfiguracji, øe o†jakichkolwiek za-

k³Ûceniach radioelektrycznych nie

moøe byÊ mowy. Uk³adem, w†ktÛ-

rym generowanie zak³ÛceÒ nie

wyst¹pi jest uk³ad sterowania gru-

powego. Nazwa pochodzi st¹d, øe

uk³ad zasila odbiornik energii elek-

trycznej grup¹ przebiegÛw sinusoi-

dalnych, w³¹czanych zawsze przy

Jako element przełączający zastosujemy

także triak, ale będzie on pracował

w takiej konfiguracji, że o jakichkolwiek

zakłóceniach radioelektrycznych nie może

być mowy.

sposoby regulacji uleg³y zmianie.

Od samego pocz¹tku ich istnienia

tyrystory znalaz³y zastosowanie

w†obwodach regulacji pr¹du prze-

miennego. Tyrystor jest jednak ele-

mentem przeznaczonym do pracy

w†obwodzie pr¹du sta³ego. Jego sto-

sowanie w†uk³adach zasilanych pr¹-

dem przemiennym by³o nieco k³o-

potliwe i†wi¹za³o siÍ z†koniecznoú-

ci¹ stosowania dodatkowego pros-

townika lub dwÛch tyrystorÛw pra-

cuj¹cych w†uk³adzie przeciwsob-

nym. Wraz z†wynalezieniem i†wpro-

wadzeniem do masowej produkcji

triakÛw - tyrystorÛw dwukierunko-

wych, przeznaczonych do obwodÛw

Elektronika Praktyczna 8/2002

P R O J E K T Y

Grupowy regulator mocy

Rys. 1. Schemat elektryczny regulatora mocy

napiÍciu bliskim zeru (tylko pe³ne

okresy przebiegu).

Zanim przyst¹pimy do opisu bu-

dowy proponowanego uk³adu, mu-

simy zdaÊ sobie sprawÍ z†ograniczeÒ

w†jego stosowaniu. Nasz regulator

w†øadnym wypadku nie nadaje siÍ

do regulacji mocy øarÛwek zasila-

nych z†sieci energetycznej, chyba øe

zmienilibyúmy jego nazwÍ na ìGen-

erator impulsÛw úwietlnych o†czÍs-

totliwoúci 5Hz i†zmiennym wype³-

nieniuî. To by³ tylko w†po³owie øart,

takie zastosowanie opisanego regu-

latora jest takøe moøliwe! Jednak

w†zasadzie uk³ad przeznaczony jest

do sterowania odbiornikami, takimi

jak grza³ki i†piecyki elektryczne o†mo-

cy zaleønej jedynie od typu zasto-

sowanego triaka (w wiÍc do dzie-

si¹tkÛw kilowatÛw).

Wykonanie proponowanego re-

gulatora jest bardzo proste, a†koszt

uøytych materia³Ûw jest znikomy.

PamiÍtajmy jednak o†jednym: bu-

dujemy urz¹dzenie zasilane wprost

z†sieci energetycznej, ktÛrego kaø-

dy element znajduje siÍ pod nie-

bezpiecznym dla zdrowia i†øycia

napiÍciem 220VAC! Dlatego teø

Koledzy nie maj¹cy doúwiadczenia

w†budowie takich uk³adÛw pro-

szeni s¹ o†zachowanie szczegÛlnej

ostroønoúci podczas uruchamiania

i†testowania regulatora!

co napisa³em o†jego prostocie nie

mija siÍ z†prawd¹. Uk³ad zasilany

jest bezpoúrednio z†sieci 220VAC

za poúrednictwem prostownika

zbudowanego z†diod D1...D5. Re-

zystor R3 ogranicza pr¹d pobie-

rany przez uk³ad, a†dioda Zenera

D6 stabilizuje napiÍcie zasilaj¹ce

na poziomie ok. 11V. Tranzystor

T1 pe³ni w†uk³adzie waøn¹ rolÍ

generatora impulsÛw zegarowych

steruj¹cych prac¹ licznika Johnso-

na IC1. Jeøeli napiÍcie w†punkcie

A†uk³adu ma wiÍksz¹ wartoúÊ niø

ok. 1,2V, to tranzystor ten prze-

wodzi i†na wejúciu licznika IC1

wystÍpuje niski poziom napiÍcia.

Na rys. 2 pokazano przebiegi

napiÍciowe na wejúciu uk³adu

i†na wyjúciu prostownika. AnalizÍ

uk³adu rozpoczniemy w†chwili,

kiedy napiÍcie na wyjúciu pros-

townika wynosi - powiedzmy -

kilkadziesi¹t woltÛw i†maleje.

W†momencie, kiedy napiÍcie

w†punkcie A†spadnie poniøej 1,2V

tranzystor T1 przestanie przewo-

dziÊ, na wejúcie zegarowe CLK

licznika Johnsona przekazane zo-

stanie dodatnie zbocze sygna³u

zegarowego i†licznik zmieni swÛj

stan. Po w³¹czeniu zasilania licz-

nik znajdowa³ siÍ w†stanie przy-

padkowym, a†wiÍc moøe byÊ po-

trzebnych kilka impulsÛw zegaro-

wych, aby poziom wysoki wyst¹-

pi³ na wyjúciu Q0. Konsekwencje

tego faktu mog¹ byÊ nastÍpuj¹ce:

1. W†przypadku ustawienia prze-

³¹cznika SW1 na pozycjÍ 1†nic

szczegÛlnego siÍ nie stanie. Na

wejúciu zeruj¹cym (pin 5) przerzut-

nika R-S, zrealizowanego na bram-

kach IC2A i†IC2B, wystÍpuje per-

manentnie poziom wysoki i†prze-

rzutnik ten pozostaje wyzerowany.

Na jego wyjúciu 3†wystÍpuje poziom

wysoki i†dioda transoptora nie jest

w³¹czona, triak Q2 pozostaje stale

wy³¹czony. W†tej pozycji SW1 do

odbiornika nie p³ynie øaden pr¹d.

2. W†przypadku ustawienia prze-

³¹cznika SW1 na jedn¹ z†pozycji

2...9, wyst¹pienie poziomu wyso-

kiego na wyjúciu Q0 licznika IC1

spowoduje natychmiastowe w³¹cze-

nie przerzutnika R-S. Poziom niski

z†jego wyjúcia zostanie doprowa-

dzony do wejúcia inwertera zreali-

zowanego na bramce IC2C, co

spowoduje zaúwiecenie siÍ diody

wewn¹trz struktury optotriaka. Na

razie, nic poza tym siÍ nie stanie,

Opis dzia³ania uk³adu

Na rys. 1 przedstawiono sche-

mat elektryczny regulatora mocy

i†kaødy chyba siÍ zgodzi, øe to

Rys. 2. Przebiegi napięciowe na

wejściu i wyjściu układu prostownika

Elektronika Praktyczna 8/2002

Grupowy regulator mocy

nie, powtarzaj¹c siÍ z†czÍstotli-

woúci¹ 5Hz. Widzimy wiÍc, dla-

czego nasz regulator w†zasadzie

nie nadaje siÍ do sterownia øa-

rÛwkami, nawet tymi o†duøej mo-

cy i†sporej bezw³adnoúci w³Ûkna.

Natomiast zastosowanie go w†uk³a-

dzie sygnalizatora optycznego,

w†ktÛrym øarÛwki s¹ zasilane

z†sieci energetycznej moøe byÊ

interesuj¹cym eksperymentem.

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1, R2: 120k

R3: 27k

/2W

Ω

R5, R6: 220

/0,5W

Ω

Kondensatory

C1: 220

F/16V

C2: 100nF

Półprzewodniki

D1...D5: 1N4007 lub odpowiednik

D6: dioda Zenera 11V

IC1: 4017

IC2: 4001

Q1: MOC3040

Q2: BT136

T1: BC548 lub odpowiednik

Różne

CON1, CON2: ARK2

SW1: przełącznik obrotowy

lutowany w płytkę

Rys. 3. Przebiegi czasowe napięcia

w wybranych punktach układu dla

trzech położeń przełącznika

Montaø i†uruchomienie

Na rys. 4 przedstawiono roz-

mieszczenie elementÛw na p³ytce

drukowanej regulatora. P³ytka zo-

sta³a wykonana na laminacie jed-

nowarstwowym, co spowodowa³o

koniecznoúÊ zastosowania kilku

zworek, od ktÛrych wykonania

rozpoczniemy montaø urz¹dzenia.

Montaø wykonujemy typowo, lu-

tuj¹c najpierw elementy o†naj-

mniejszych gabarytach, a†koÒcz¹c

na zamontowaniu prze³¹cznika ob-

rotowego SW1. Pod uk³ady sca-

lone warto zastosowaÊ podstawki.

Regulator zmontowany ze spraw-

dzonych elementÛw nie wymaga

øadnego uruchamiania ani regula-

cji. Zawsze jednak moøe siÍ zda-

rzyÊ, øe na skutek np. b³Ídu

w†montaøu uk³ad nie dzia³a lub

dzia³a üle. Stanowczo odradzam

jakichkolwiek manipulacji w†uk³a-

dzie do³¹czonym do sieci, nawet

jeøeli bÍdziemy przestrzegaÊ zna-

nej powszechnie zasady pracy

jedn¹ rÍk¹. W†przypadku koniecz-

noúci dokonania jakichú poprawek

w†uk³adzie lub wykonania ekspe-

rymentÛw zalecam do³¹czyÊ go do

zastÍpczego ürÛd³a zasilania, o†na-

piÍciu np. 24V. Naleøy wtedy

zbocznikowaÊ rezystor R3 za po-

moc¹ rezystancji 1...2k

pamiÍtajmy bowiem, øe napiÍcie

w†sieci jest w†tym momencie blis-

kie 0†i†triak Q2 nie moøe siÍ

w³¹czyÊ. Dopiero po ìprzejúciuî

napiÍcia sieci przez zero i†osi¹gniÍ-

ciu przez nie wartoúci kilku wol-

tÛw triak w³¹cza siÍ i†pr¹d zaczyna

p³yn¹Ê do odbiornika. Czas prze-

wodzenia triaka zaleøy úciúle od

po³oøenia prze³¹cznika SW1. Jeøeli

zosta³ on ustawiony w†pozycji 1,

to tuø przed kolejnym przejúciem

napiÍcia sieci przez zero przerzut-

nik R-S zostanie wy³¹czony. Tak

wiÍc triak bÍdzie pozostawa³ ot-

warty jedynie przez 1/10 czasu i†do

odbiornika bÍdzie przekazywana je-

dynie 1/10 energii, ktÛra mog³aby

zostaÊ przekazana w†przypadku sta-

³ego otwarcia triaka. Ustawienie

prze³¹cznika np. w†pozycji 5†spo-

woduje, øe odbiornik bÍdzie otrzy-

mywa³ 1/5, a†w†pozycji 9†-

9/10 maksymalnej energii.

SzczegÛlnym przypadkiem jest

ustawienie prze³¹cznika w†pozycji

10. WÛwczas przerzutnik R-S nie

bÍdzie w†ogÛle siÍ wy³¹cza³, a†triak

bÍdzie pozostawa³ stale otwarty.

Wszystkie w³¹czenia triaka nastÍ-

powaÊ bÍd¹ tuø po przejúciu na-

piÍcia sieci przez zero, przy na-

piÍciu rzÍdu kilku woltÛw. Z†kolei,

triak moøe zostaÊ wy³¹czony (a

w³aúciwie sam siÍ wy³¹czy) takøe

jedynie przy napiÍciu bliskim zeru.

Tak wiÍc, nie ma moøliwoúci po-

wstawania jakichkolwiek zak³ÛceÒ,

nawet w†przypadku obci¹øenia

o†sporej indukcyjnoúci.

Dla ³atwiejszego zrozumienia zasa-

dy dzia³ania uk³adu, na rys. 3 po-

kazano przebiegi napiÍciowe w†waø-

niejszych punktach uk³adu dla trzech

po³oøeÒ prze³¹cznika SW1.

Wszystkie opisane zjawiska bÍ-

d¹ zachodziÊ w†uk³adzie cyklicz-

Dopuszczalny pr¹d wyjúciowy

uk³adu zaleøy wy³¹cznie od rodzaju

zastosowanego triaka. W†uk³adzie

prototypowym, przeznaczonym g³Ûw-

nie do badaÒ laboratoryjnych zasto-

sowa³em najtaÒszy triak typu BT136

o†dopuszczalnym pr¹dzie 6A i†taki

triak bÍdzie dostarczany w†kicie.

Zbigniew Raabe, AVT

Wzory p³ytek drukowanych w for-

macie PDF s¹ dostÍpne w Internecie

pod adresem: http://www.ep.com.pl/

?pdf/sierpien02.htm oraz na p³ycie

CD-EP08/2002B w katalogu PCB .

, a†jako

obci¹øenie zastosowaÊ øarÛwkÍ

ma³ej mocy dostosowan¹ do uøy-

wanego napiÍcia. W†taki sposÛb

by³ wstÍpnie testowany prototyp

regulatora, a†jako obci¹øenie za-

stosowa³em dwie szeregowo po³¹-

czone øarÛwki od oúwietlenia ka-

biny kierowcy w†samochodzie.

Zmontowany i†sprawdzony

uk³ad musimy koniecznie umieú-

ciÊ w†obudowie, najlepiej z†two-

rzywa sztucznego. P³ytka obwodu

drukowanego nie zosta³a wpraw-

dzie zwymiarowana pod øadn¹

konkretn¹ obudowÍ, ale w†ofercie

AVT znajdzie siÍ z†pewnoúci¹

nawet kilka obudÛw nadaj¹cych

siÍ do naszych celÛw.

Rys. 4. Rozmieszczenie elementów

na płytce drukowanej

Elektronika Praktyczna 8/2002

R4: 10k

R7: 510

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: