7.2 Стабилизатор сетевого напряжения

Он предназначен для поддержания сетевого напряжения в заданных пределах и по своим функциям аналогичен устройству, схема которого была приведена на рис. 96. Данный стабилизатор, подобно вышеописанному и в отличие от феррорезонансных стабилизаторов, также не искажает форму напряжения и способен работать без нагрузки. Точность его несколько ниже, но зато он содержит силовой трансформатор меньших размеров, а подвижные элементы в конструкции отсутствуют. По сравнению с феррорезонансными стабилизаторами данное устройство имеет значительно меньшие массогабаритные показатели.

Схема стабилизатора представлена на рис. 139. Принцип действия устройства основан на включении последовательно с нагрузкой одной, двух или трех дополнительных обмоток трансформатора при отклонении сетевого напряжения от нормы. Если сетевое напряжение ниже необходимого, то дополнительные обмотки включаются синфазно с сетью, и напряжение на нагрузке становится больше сетевого; если же напряжение сети становится выше нормы, то обмотки включаются в противофазе с сетевым напряжением, приводя к уменьшению напряжения на нагрузке. Роль такого трансформатора выполняет Т1, а дополнительных обмоток — обмотки IV, V, VI.

На интегральных микросхемах DA3 — DA8 выполнены компараторы напряжения, которые срабатывают при отклонении сете-

вого напряжения от нормы. На инвертирующие входы компараторов поданы эталонные напряжения, снимаемые со стабилитрона VD3 и с резисторов R5 — R 10 делителя напряжения. На неинвертирующие входы компараторов через резисторы R 11 — R 16 поступает напряжение, по величине пропорциональное сетевому и снимаемое с движка подстроечного резистора R2. Датчиком напряжения сети является обмотка III трансформатора Т1, напряжение на которой (примерно 10 В) изменяется пропорционально сетевому. Оно выпрямляется диодным мостом VD2. пульсации сглаживаются П-образным RC-фильтром C4R1C5. Постоянная времени фильтра выбрана равной 1...2 с, что исключает срабаты-

вание компараторов от действия кратковременных всплесков напряжения.

Компараторы DA3 — DA8 настроены на срабатывание от уровней сетевого напряжения 250 В, 240 В, 230 В, 210 В, 200 В и 190 В соответственно. Если напряжение сети превышает указанные уровни, то на выходах (вывод 9) тех компараторов, для которых выполняется указанное условие, действует напряжение высокого логического уровня (уровня логической 1) — около 12В. Таким образом, разница уровней срабатывания компараторов составляет 10 В, или примерно 5 % сетевого напряжения. Уровни срабатывания компараторов DA5 и DA6 отличаются на 20 В. Это соответствует зоне регулирования 220 В±5%. Следует заметить, что государственными стандартами установлено допустимое сетевое напряжение 220 В +10%-15% (от 187 В до 242 В). Данный же стабилизатор, как видно, обеспечивает более высокую точность поддержания величины сетевого напряжения.

Все компараторы охвачены положительной обратной связью через резисторы R17 — R22. Это сделано для обеспечения небольшого гистерезиса (разницы между напряжениями срабатывания каждого компаратора при увеличении и уменьшении сетевого напряжения). Величина гистерезиса определяется соотношением номиналов резисторов R17 и R 11 для микросхемы DA3 и аналогичных пар резисторов для других компараторов. Эти резисторы подобраны таким образом, чтобы разница между напряжениями срабатывания и отпускания компараторов составляла 1,5...2 В. Если исключить положительную обратную связь, т.е. сделать нулевой гистерезис, то небольшие колебания сетевого напряжения (вызванные, например, включением и отключением бытовых приборов, а также иными помехами), будут приводить к частому срабатыванию компараторов и, соответственно, повышенному износу контактов электромагнитных реле, а также к дополнительным помехам в сети.

Таким образом, точность поддержания напряжения на нагрузке определяется разницей напряжения срабатывания разных компараторов и величиной гистерезиса и составляет около 12В.

Работа компараторов и электромагнитных реле при различных значениях напряжения сети иллюстрируется таблицей 4.

Из таблицы видно, что при изменении сетевого напряжения от 170 В до 270 В, т.е. на 23%, напряжение на нагрузке изменяется от 200 В до 240 В, т.е. всего лишь на 9%.

Несколько слов о других схемных решениях стабилизатора. Эталонное напряжение на инвертирующие входы компараторов подается с параметрического стабилизатора R4VD3, который, в свою очередь, питается от интегрального стабилизатора напряжения, выполненного на микросхеме DA2 (выходное напряжение +12 В). Стабилитроны серии Д818 обладают весьма малым температурным коэффициентом напряжения, что обеспечивает высокую точность поддержания эталонного напряжения в широком диапазоне температур. Этому же способствует и питание параметрического стабилизатора от стабилизированного источника напряжения. Питание обмоток реле К1 — К5 осуществляется от интегрального стабилизатора +12 В (микросхема DA1). Необходимость в отдельном стабилизаторе для питания реле вызвана тем, что следует максимально исключить взаимное влияние цепей питания компараторов, источника эталонного напряжения и цепей питания реле; в противном случае срабатывание реле и вызванное

этим изменение тока может привести к ложным срабатываниям компараторов.

Напряжение, пропорциональное сетевому, снимается с отдельной обмотки трансформатора Т1 (обмотка III). хотя его можно было бы снимать с обмотки II трансформатора. Необходимость использования отдельной обмотки объясняется желанием исключить влияние изменений тока. вызванных срабатыванием реле, на величину напряжения, которое с обмотки трансформатора после выпрямления поступает на неинвертирующие входы компараторов.

Логика работы компараторов DАЗ — DA8 и логических элементов микросхем DD1. DD2, а также работы электромагнитных реле К1 — К5 видна из таблицы 4 и потому в дополнительных разъяснениях не нуждается.

В устройстве можно в качестве компараторов использовать, помимо указанных на схеме, микросхемы К1401СА1 (каждая из них содержит четыре компаратора напряжения): интегральные стабилизаторы КР142ЕН8Б можно заменить 15-вольтовыми (с индексом "В"). В качестве диодных мостов VD1. VD2 можно также использовать приборы типов КЦ402 — КЦ405. КЦ409. КЦ410. КЦ412 с любыми буквенными индексами. Диоды VD4 — VD7, шунтирующие обмотки реле. могут быть любого типа с допустимым обратным напряжением более 15 В и прямым током более 100 мА. Оксидные конденсаторы — К50-16. К50-29 или К50-35; остальные— КМ-6. К10-17. К73-17. Все постоянные резисторы МЛТ, С2-23, С 1-12; подстроечные R2 и RIO — многооборотные СП5-2 или СП5-14. Резисторы R5 — R9 должны иметь допустимое отклонение сопротивлений от номинальных не хуже 1%; если же нет возможности найти резисторы с таким классом точности, их следует подобрать из группы резисторов указанного номинала, используя цифровой омметр. Реле К1 — К5 — зарубежного производства Bestar BS-902CS. Реле этого типономинала имеют обмотку сопротивлением 150 Ом, рассчитанную на рабочее напряжение 12 В, и контактную группу переключающего типа. рассчитанную на коммутацию напряжения 240 В при токе 15 А. Выключатель Q1 — тумблер типа ТВ 1-4, у которого все четыре пары контактов соединены параллельно. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ50х40. Обмотка I намотана проводом ПЭВ-2 0,9 и содержит 300 витков; обмотка II —21 виток провода ПЭВ-2 0,45;

обмотка III — 14 витков провода ПЭВ-2 0.45: обмотки IV, V. VI содержат по 14 витков провода ПБД 2.64. Удобно использовать стандартный трансформатор типа ОСМ1-0.63. у которого все обмотки, кроме первичной (она содержит 300 витков), удалены, а вторичные обмотки намотаны в соответствии с приведенными выше данными. При изготовлении трансформатора одноименные выводы обмоток I, IV, V, VI следует пометить (на схеме обозначены точками). Номинальная мощность такого трансформатора составляет 630 Вт.

Все элементы стабилизатора напряжения, кроме трансформатора Т1 и тумблера Q1, смонтированы на плате из стеклотекстолита. В авторском экземпляре монтаж выполнен проводами, хотя можно разработать и печатную плату. Микросхемы DA1 и DA2 установлены на радиаторах площадью соответственно около 100 см^2 и 30 см^2

Настройка стабилизатора состоит в установлении величины номинального напряжения на нагрузке, равного 220 В, и в подборке порогов срабатывания компараторов DA3 — DA8 равными 250 В, 240 В. 230 В, 210 В, 200 В и 190 В соответственно. Для настройки понадобятся два вольтметра, измеряющих переменное напряжение в диапазоне 300 В, и лабораторный автотрансформатор, напряжение на выходе которого можно изменять от 170 В до 270 В. Для индикации состояний компараторов желательно к каждому из них подключить последовательно соединенные резистор сопротивлением 10... 15 кОм и светодиод серии АЛ307 так, чтобы аноды диодов были соединены с выводами 9 микросхем компараторов. а свободные выводы резисторов — с общим проводом (т.е. так, как это сделано в простейшем логическом пробнике на рис. 8 этой книги). Разумеется, можно обойтись и вольтметром постоянного тока. с помощью которого измерять напряжения на выходах компараторов, но это менее удобно. К выходу лабораторного автотрансформатора подключают стабилизатор напряжения и первый вольтметр; к гнездам "Нагрузка" стабилизатора подключают второй вольтметр. Движки подстроечных резистора R2 и R 10 устанавливают в крайнее правое по схеме положение, а на выходе автотрансформатора устанавливают напряжение 190 В. При этом на выходах всех компараторов должен быть низкий логический уровень (светодиоды не светятся, а при определении уровня напряжения вольтметром постоянного тока он должен показывать не

более 1 В. Перемещая движок подстроечного резистора R2, добиваются срабатывания компаратора DA8, на выходе которого устанавливается напряжение высокого логического уровня (около 10...12 В). Затем, плавно увеличивая напряжение автотрансформатором до 250 В, добиваются срабатывания компаратора DA3, при этом наблюдают по загоранию светодиодов последовательное срабатывание компараторов DA7, DA6, DA5, DA4. В случае необходимости порог срабатывания этого компаратора подбирают регулировкой подстроечного резистора R10. После установки пределов срабатывания компараторов DA8 и DA3 проверяют пороги срабатывания остальных компараторов, которые должны быть равны указанным выше значениям. При необходимости всю настройку можно повторить.

К стабилизатору напряжения может быть подключена нагрузка мощностью до 3 кВт. Если точность поддержания выходного напряжения может быть ниже указанной, число вторичных обмоток трансформатора Т2 можно снизить до двух, а их напряжения увеличить с 10 В до 15 В. При этом, соответственно, число компараторов также уменьшится, а пороги их срабатывания следует установить соответственно напряжениям вторичных обмоток Т2.

Нельзя не сказать о возможности применения полупроводниковых ключей для коммутации вторичных обмоток трансформатора Т1 взамен контактов электромагнитных реле К1 — К5. Действительно, контакты электромагнитных реле имеют ограниченный срок службы, вызванный их износом, который тем больше, чем больше число срабатываний и чем больше коммутируемые токи. В этом смысле применение полупроводниковых элементов предпочтительнее. В данном случае можно применить симисторы. Однако следует заметить, что одна группа переключающих контактов реле может быть заменена двумя симисторами, т.е. в данном устройстве потребуется применить 10 симисторов. Кроме того, необходимо будет принять специальные меры, чтобы симисторы одной группы контактов не оказались одновременно в открытом состоянии — при этом будет замыкание вторичной обмотки трансформатора Т2 и выход из строя симисторов. Такая ситуация объясняется тем, что симистор после снятия напряжения с управляющего электрода не может закрыться раньше окончания полупериода сетевого напряжения, который составляет 10 мс. В

то же время другой симистор из этой пары откроется практически сразу после подачи на управляющий электрод управляющего напряжения, что может произойти в любой момент полупериода. Чтобы исключить одновременное открытое состояние двух симисторов, следует принять специальные меры — например, производить подачу и снятие напряжений с управляющих электродов симисторов только в начале полупериода. Это существенно усложнит схему управления. Кроме того, такой алгоритм коммутации не устранит полностью сквозные токи, поскольку симисторы коммутируют индуктивную нагрузку (трансформатор), способную накапливать электромагнитную энергию. Следовательно, для полного устранения сквозных токов алгоритм управления симисторами должен быть еще более сложным. Скорее всего, форма сетевого напряжения при этом будет значительно искажаться в моменты переключения ключей.

С учетом вышесказанного конструктору следует принять решение о предпочтительности использования электромагнитных реле или симисторов. Авторский экземпляр стабилизатора, выполненный по приведенной выше схеме, надежно работает уже более 1 года и питает нагрузку мощностью до 3 кВт.