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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Regulador de potencia estabilizado. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Reguladores de potencia, termómetros, estabilizadores de calor A veces hay situaciones en las que es necesario estabilizar la potencia en la carga, cuya resistencia varía con el tiempo en un amplio rango. En tales casos, ayudará el regulador de potencia propuesto, que realiza simultáneamente las funciones de un estabilizador. La mayoría de los reguladores de potencia descritos en la literatura de radioaficionados funcionan con una carga puramente activa (lámpara incandescente, estufa eléctrica, horno eléctrico) o con una carga inductiva activa (motores eléctricos). Sin embargo, esta carga es constante (horno eléctrico) o cambia durante un proceso transitorio relativamente corto y luego tiende a un valor constante (lámpara incandescente, motor eléctrico). En ambos casos, la potencia de tales cargas se regula cambiando la corriente promedio que fluye. Dado que la potencia de carga Рн, la corriente a través de ella Iн y su resistencia Rн están relacionadas por la dependencia Pн=Iн2·Rн. con una resistencia constante, la regulación de potencia se logra únicamente mediante la regulación de corriente. También existen este tipo de cargas, cuya resistencia depende de varios factores y, por lo tanto, cambia en el tiempo según una ley desconocida de antemano. Un ejemplo de tal carga es una caldera de calentamiento de agua por electrodos, en la que el medio de trabajo y el cuerpo eléctricamente conductor es el agua. La resistencia del agua depende del tipo y la cantidad de sales que contiene, la temperatura, el caudal a través de la caldera y otros factores. La resistencia de tal carga puede variar diez veces. En este caso, controlar la corriente a través de la carga no resuelve el problema de regulación de potencia, ya que su resistencia es variable. Aquí, la corriente a través de la carga depende no solo del voltaje, sino también de su resistencia. Esto no permite controlar la potencia de la forma habitual (estableciendo un valor de corriente específico). Incluso la estabilización actual no será una salida. Dado que, a una tensión en la carga Un, su potencia Pn = Un·In, para estabilizar la potencia en la carga, se debe estabilizar el producto Un·In, es decir, asegurar su constancia. El parámetro controlado (variable independiente) puede ser la tensión, ya que tanto la corriente como la potencia de la carga dependen de su valor. Por lo tanto, es necesario regular el voltaje en la carga para que cuando cambie la resistencia, se proporcione una potencia promedio constante en la carga. En este caso, para determinar la potencia instantánea, es necesario multiplicar los valores instantáneos de tensión y corriente en la carga. Esto se deriva de la definición clásica de potencia en ingeniería eléctrica. El diagrama de bloques del dispositivo que implementa el algoritmo de control descrito anteriormente se muestra en la fig. 1.
Las entradas del multiplicador son señales eléctricas proporcionales a los valores instantáneos de tensión y corriente en la carga. Desde la salida del multiplicador, una señal proporcional a su producto (es decir, potencia), luego de promediarla en el tiempo, ingresa a la primera entrada del amplificador diferencial, cuya segunda entrada recibe un voltaje de referencia. En el amplificador diferencial, se comparan los voltajes y se amplifica la señal de diferencia (señal de error), que luego se alimenta al comparador. La segunda entrada del comparador recibe pulsos de diente de sierra, siguiendo con el doble de la frecuencia de la red. A la salida del comparador, se forman pulsos rectangulares, cuyo ciclo de trabajo determina el voltaje de la salida del amplificador diferencial. Los pulsos de la salida del comparador controlan el interruptor triac, que, a su vez, controla la carga. Si la potencia en la carga se desvía del valor especificado por el voltaje Uset, la señal de error de la salida del amplificador diferencial afectará al comparador, de modo que un cambio en el ciclo de trabajo de los pulsos conducirá a la estabilización de la potencia. Considere la operación de un controlador de potencia estabilizado de acuerdo con su diagrama de circuito (Fig. 2) y diagramas de tiempo (Fig. 3).
Las entradas X e Y del chip DA3 (multiplicador de señal integral) reciben señales proporcionales, respectivamente, a los valores instantáneos del voltaje en la carga y la corriente a través de ella. Se toma una señal proporcional al valor de voltaje instantáneo de la resistencia de ajuste R4. Resistencia R1 - sensor de corriente de carga. El voltaje de esta resistencia se suministra al devanado primario del transformador elevador T2 (la relación de transformación es de aproximadamente 40). La necesidad de utilizar un transformador se debe a dos factores. En primer lugar, aumenta el voltaje aplicado a la entrada del multiplicador y, en segundo lugar, proporciona aislamiento galvánico. Las señales proporcionales a la corriente y el voltaje son variables, pero no es necesario rectificarlas, ya que el chip K525PS2 (DA3) permite aplicar voltaje AC con una amplitud de hasta 10,5 V a las entradas X e Y. Tenga en cuenta que las señales de voltaje y corriente aplicadas al multiplicador deben estar en fase, lo que se logra conectando adecuadamente los devanados del transformador T2. El multiplicador de tensión integrado K525PS2 está diseñado para implementar una serie de dependencias funcionales típicas (multiplicación, división, elevación al cuadrado, extracción de raíz cuadrada). Para realizar estas funciones con señales analógicas, se utiliza una dependencia exponencial de la corriente del colector del transistor en su voltaje base-emisor. Error de multiplicación: no más del 1%. Se puede encontrar información más detallada sobre la estructura y aplicación de los multiplicadores integrales en [1]. Cuando se enciende el multiplicador integral de acuerdo con el que se muestra en la fig. 2, el voltaje Uz≈0,15UxUy actúa sobre su salida Z, donde Ux, Uy son los voltajes aplicados a las entradas X e Y del chip DA3, respectivamente. Los pulsos de control del triac VS1 provienen de la salida del comparador de voltaje DA4. El comparador integral K554SAZ utilizado en el controlador de potencia tiene una salida de colector abierto diseñada para una corriente de carga de hasta 50 mA. El transistor de salida está abierto (es decir, en la salida cuando la carga está conectada, el voltaje es bajo) si el voltaje en la entrada inversora (pin 4) del chip DA4 es mayor que en la no inversora (pin 3) . Con la relación opuesta de voltajes, la salida del comparador tendrá un alto nivel de voltaje. En el comparador DA4, se compara el voltaje de diente de sierra (Fig. 3, diagrama 3) y el voltaje tomado de la salida del amplificador operacional DA5 (diagrama 4). El generador de voltaje de diente de sierra está hecho en transistores VT1, VT2. Genera pulsos con una frecuencia de 100 Hz, sincronizados con la tensión de red. El voltaje del puente rectificador VD2 (Fig. 3, diagrama 1) se suministra a la base del transistor VT1. La mayor parte del tiempo, el transistor está abierto, y en los momentos en que el voltaje rectificado se acerca a cero, se cierra. Se forman pulsos rectangulares cortos en su colector (Fig. 3, diagrama 2), que se alimentan a la base del transistor VT2. Mientras que el voltaje base es cero, se forma un voltaje creciente en el colector del transistor (el capacitor C6 se carga a través de la resistencia R13). En el momento en que aparece un pulso positivo en la base, el transistor VT2 se abre y el voltaje en su colector disminuye a casi cero (Fig. 3, diagrama 3). A la salida del comparador se forman pulsos rectangulares (Fig. 3, diagrama 5). Comparador de carga - resistencia R16 y optoacoplador LED U1. Cuando la corriente fluye a través del LED del optoacoplador, su triac se abre, proporcionando la apertura del triac VS1: la corriente comienza a fluir a través de la carga conectada a los enchufes del conector XS1. Un cambio en el ciclo de trabajo de los pulsos a la salida del comparador conduce a un cambio en el voltaje y, en consecuencia, en la potencia de la carga. A partir de los diagramas de tiempo, es fácil determinar que un aumento en el voltaje en la salida del amplificador operacional DA5 conduce a una disminución en la potencia de la carga. Ahora, sobre el propósito y el funcionamiento del microcircuito DA5, que realiza las funciones de un amplificador diferencial o un amplificador de señal de error (ver Fig. 1). El voltaje de ajuste Uzad se elimina del motor de la resistencia variable R18 y se alimenta a la entrada inversora del amplificador operacional, cuya entrada no inversora recibe el voltaje de salida promedio del multiplicador DA3. El promedio de la señal de salida del multiplicador proporciona un circuito integrador R20C8. Op-amp DA5 amplifica las señales aplicadas a sus entradas, asegurando la igualdad de los valores de voltaje en ellas. Esto significa que una disminución en el voltaje de ajuste Uset conducirá a una disminución en el voltaje en la salida del amplificador operacional. Obviamente, la posición inferior del motor de resistencia variable R18 según el diagrama corresponderá al valor cero de la potencia en la carga. El condensador C7 garantiza un funcionamiento estable del amplificador operacional cuando se expone a interferencias. La alimentación de los elementos reguladores de potencia se realiza sobre dos estabilizadores de tensión integrados DA1 y DA2. El uso de dos tipos diferentes de microcircuitos se debe al deseo de arreglárselas con un transformador de red con un devanado secundario (aunque con un grifo desde el medio) y un puente rectificador. El diodo VD1 elimina la influencia del condensador de filtro C1 en la forma del voltaje rectificado suministrado a la entrada del generador de voltaje de diente de sierra. El regulador de potencia está ensamblado en una placa de circuito impreso hecha de fibra de vidrio de lámina de doble cara. El dibujo de la PCB se muestra en la fig. 4.
Inserte pedazos de alambre estañado en los orificios de las almohadillas cuadradas y suéldelos en ambos lados del tablero. Los microcircuitos DA1, DA2 se instalan en pequeños disipadores de calor de duraluminio con un área de 20 ... 30 cm² cada uno; triac VS1 está instalado en un enfriador estándar (disipador de calor fundido hecho de aleación de aluminio) marca 0231. La resistencia R1 está hecha de alambre de nicromo con un diámetro de 3 mm. En lugar del comparador DA4, además del indicado en el diagrama, también puede usar K521CAZ, K521CA5, K521CA6 (el último microcircuito contiene dos comparadores en un paquete), sin embargo, deberá ajustar el dibujo de la placa de circuito impreso. Reemplazaremos el KR140UD708 OU con K140UD7, K140UD8, K153UD2 y cualquier microcircuito similar. El multiplicador de voltaje analógico K525PS2 se puede reemplazar por K525PS3 con cualquier índice de letras, pero también con corrección de PCB. Transistores VT1, VT2: cualquiera de las series KT315, KT342, KT503, KT630, KT3I02 o KT3117A. El optoacoplador MOC3052 importado se puede reemplazar por el AOU160A-AOU160V doméstico con corrección de PCB. El triac VS1 se puede utilizar de las series TS112, TS122, TS132, TS142 con una tensión de pulso de estado cerrado admisible de al menos 400 V y una corriente de estado abierto correspondiente a la corriente de carga máxima. El diodo KD106A (VD1) se puede sustituir por cualquiera de las series KD105, KD221, KD226. Puente rectificador (VD2) - cualquiera de las series KTs402, KTs405, con corrección de PCB. Los condensadores de óxido C1 - C3, C8 pueden 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 debe tener un TKE pequeño). Resistencias de corte R4, R5, R8-R10 - SP5-2, SPZ-19, SPZ-38, resistencia variable R18 - SP-0,4, SPZ-4M, SPZ-16, SPZ-30, el resto - MLT, S2- 23 . Transformador T1 - TPP232. Puede ser reemplazado por cualquier otro, en el que el devanado secundario con un grifo desde el medio proporcione un voltaje de 33 ... 40 V y esté clasificado para una corriente de al menos 150 mA. El transformador T2 puede ser cualquier otro con una relación de transformación de 30...50. Interruptor de alimentación SA1 - disyuntor A3161, AE2050 o AP50. Además, realiza la función de un fusible. El establecimiento de un regulador de potencia comienza con la verificación del voltaje de salida del chip DA1 (+ 15 V) y el ajuste del voltaje de salida del chip DA2 (-15 V) con la resistencia R6. Después de eso, se ajusta el multiplicador de voltaje DA3. Para ello se desconectan las entradas X, Y, la salida Z y la salida 1 del resto de elementos. Los motores de las resistencias de sintonización R8-R10 se establecen en la posición media. Se aplica un voltaje de +5 V a la entrada X y un voltaje de +9 V a la entrada Y. El voltaje de salida del multiplicador O V se ajusta con la resistencia R5. Luego, se aplica un voltaje de O V a la entrada X , y +8 V a la entrada Y. B. Luego, se aplican +5 V a ambas entradas del multiplicador y se mide el voltaje de salida. Luego, en una de las entradas, se cambia la polaridad de la señal de entrada (es decir, se aplican -5 V) y se mide nuevamente el voltaje de salida. Con la ayuda de la resistencia R10, se asegura que los dos últimos valores del voltaje de salida sean iguales en valor absoluto (deben tener signos opuestos). Si es necesario, repita el ajuste. Después de eso, las entradas y salidas del multiplicador de voltaje se conectan a los elementos del regulador. Los motores de las resistencias sintonizadas R4 y R5 se configuran en la posición media, y la resistencia variable R18 se configura en la posición inferior de acuerdo con el diagrama. Se conecta una carga al conector XS1 y se suministra energía al regulador de potencia. Al girar suavemente el eje de la resistencia variable R18, estamos convencidos de un aumento en el voltaje a través de la carga. Si el voltaje en la carga es máximo en cualquier posición del control deslizante de la resistencia variable R18, la razón de esto puede ser una fase incorrecta de los devanados del transformador T2, lo que lleva al suministro de voltajes en contrafase a las entradas X e Y de el microcircuito DA3 y un voltaje negativo en su salida Z. En este caso, las conclusiones deben intercambiarse cualquiera de los devanados del transformador T2. Las resistencias de ajuste R4 y R5 aseguran que los valores de voltaje máximo (amplitud) en las entradas del multiplicador no excedan los 10 V. Esto se controla convenientemente con un osciloscopio. En casos extremos, puede usar un voltímetro de CA. Con una tensión sinusoidal en la carga (esto ocurre si el triac VS1 se abre al principio de cada medio ciclo, y la tensión en la carga es prácticamente igual a la tensión de red), la tensión efectiva en las entradas del multiplicador no debería exceda los 7 V. El control de potencia debe llevarse a cabo sin problemas en todo el eje de intervalo de giro de la resistencia variable R18. Si en la posición superior del motor de resistencia variable R18 de acuerdo con el diagrama con la carga máxima conectada, el voltaje no alcanza el valor de la red, debe reducir la resistencia de la resistencia R17 a no más de 2,2 kOhm o reducir el coeficientes de transferencia de corriente y voltaje moviendo los motores de resistencia de ajuste por el circuito R4 y R5. Para probar la función de estabilización de potencia, es necesario disponer de una carga con una resistencia variable (es conveniente utilizar un calentador doméstico de dos secciones) y un autotransformador de laboratorio de la potencia adecuada. La carga debe ser necesariamente activa (es decir, no tener componente inductivo ni capacitivo). El regulador de potencia está conectado a la red a través de un autotransformador y una sección del calentador doméstico está conectada a la salida del regulador. Con un autotransformador se establece un voltaje de 220 V. Al conectar un voltímetro de CA que mide valores efectivos (un voltímetro cuadrático) en paralelo con la carga, un voltaje de 18 ... Debería disminuir en 150 veces [200]. Con una ley diferente de cambio en la resistencia de carga, en cualquier caso, se cumplirá la igualdad Un² / Rn = const. Si la resistencia de carga aumenta tanto que el voltaje debe exceder su valor máximo para mantener la potencia establecida, el regulador saldrá del modo de estabilización de potencia. El regulador de potencia tiene propiedades estabilizadoras no solo en condiciones de cambios en la resistencia de carga, sino también en relación con las fluctuaciones en el voltaje de la red. Esto se puede verificar cambiando la tensión de alimentación del regulador mediante un autotransformador en el rango de 190 a 240 V (por supuesto, con la carga conectada). El voltaje en la carga con tal cambio en el suministro debe ser estable. Solo variará el ángulo de apertura del triac VS1, lo cual se puede verificar con un osciloscopio. La señal puede tomarse de la carga o de la salida del comparador DA4. Si el radioaficionado no tiene un voltímetro que mida el valor efectivo (por ejemplo, un dispositivo del sistema electromagnético), entonces se usa un medidor de energía eléctrica de inducción para medir la potencia: el número de revoluciones del disco del medidor debe ser constante cuando la carga la resistencia cambia y la posición del control deslizante de resistencia variable R18 permanece sin cambios. Es imposible utilizar un voltímetro del valor medio de tensión rectificada para estos fines. Para aumentar la confiabilidad, recomendamos conectar una resistencia con una resistencia de aproximadamente 150 ohmios en serie con el opto-triac. Literatura
Autor: A. Evseev, Tula
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