Регулятор напряжения на микроконтроллере

Очень часто нужно иметь возможность регулировать ток, протекающий через лампы или нагревательные элементы. Поскольку нагрузка у них резистивная – самое простое решение собрать небольшой PWM (с английского ШИМ – широтно-импульсная модуляция) регулятор. Поскольку простые схемы на базе таймеров NE555 не интересовали – решено было разработать и собрать свою, несколько похожую на микроконтроллерный LED драйвер.

Схема, несмотря на наличие микроконтроллера PIC18LF2550, очень проста для повторения и может быть условно разделена на 3 части:

Генератор ШИМ

Микроконтроллер генерирует чёткие импульсы нужной формы и скважности, что значительно упрощает схему. Есть две кнопки, для увеличения и уменьшения мощности. Они идут на 3 и 5 выводы микросхемы PIC18LF2550. В зависимости от ширины импульса – светодиод медленнее или быстрее мигает, так визуально можно оценить скважность. Если светодиод светит полностью – мощность 100%, а если он погас, то скважность 0%.

Микроконтроллерный блок питания

Стаблизатор МК на 3,3 вольта, поэтому в зависимости от выходного транзистора можно использовать источник питания от 3.7 до 25 вольт. Частота коммутации составляет 32 кГц, а длительность импульса разделена на 256 шагов, в том числе полное включение и отключение.

Коммутатор нагрузки

Драйвер для MOSFET транзистора является – обычный 2N3904. Сам силовой транзистор может быть любой подходящий N-канальный MOSFET, не обязательно как по схеме 80NF55L.

Мощность дорожек на плате рассчитывается исходя из токов около 5 ампер, если более высокие токи, то нужно усиливать их припайкой толстого провода. Скачать файлы для контроллера

Представленная схема осуществляет регулирование выходной мощности при помощи микроконтроллера ATtiny. Регулирование осуществляется при помощи симистора BT138. Управление которым осуществляется микросхемой. Индикатор показывает на сколько процентов открыт симистор. Логическая часть схемы запитана от блок питания, собранного на микросхеме DA1 7805.

Выходная мощность состаляет порядка 150 Вт, если требуется большая мощность то необходимо на симистор установить дополнительно охлаждающей радиоатор.

Бытовые электроприборы в наших домах подключаются к одной из фаз трехфазного переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Часто бывает необходимо регулировать мощность и напряжение на входе.

Простейший регулятор мощности можно сделать на трансформаторе.

Способы регулирования мощности

Соотношение напряжения на входе и выходе определяется числом витков в первичной и вторичной обмотках. Сделав много отводов на вторичной обмотке, можно осуществить ступенчатое регулирование. По такой схеме работают релейные стабилизаторы напряжения.

Плюсов у такой схемы немало. В первую очередь, это ее простота. А также высокий КПД трансформатора, гальваническая развязка входа и выхода, чисто синусоидальная форма выходного тока.

Однако, на частоте сети 50 Гц мощные трансформаторы становятся тяжелыми и громоздкими, невозможно плавно регулировать мощность, определенные проблемы возникают при коммутации обмоток.

Другой способ регулирования мощности называется методом фазового регулирования. При этом способе нагрузка подключается к источнику через электронный ключ.

Ключ прерывает цепь питания на определенную долю периода синусоиды переменного тока. Меняя время закрытого состояния ключа, можно регулировать величину мощности, передаваемой в нагрузку и действующее значение напряжения на выходе.

Принцип работы тиристорного ключа

Для работы в режиме фазного регулирования надо открыть ключ с некоторой задержкой относительно начала полупериода и оставить его в открытом состоянии до конца полуволны, когда ток будет переходить через 0.

Для этой цели как нельзя лучше подходят приборы из семейства тиристоров.

Тиристор очень похож на биполярный транзистор. У него тоже три электрода: анод, катод и база. Он также управляется базовым током. Но в отличие от биполярного транзистора, тиристор сохраняет открытое состояние и после снятия управляющего сигнала до того момента, пока ток через него не снизится практически до нуля. Это и нужно для реализации схемы фазового регулирования.

Симистор как симметричный тиристор

Тиристор — прибор с тремя p-n переходами. Структура тиристора имеет вид p-n-p-n или n-p-n-p. То есть, как и транзисторы, тиристоры бывают прямой и обратной проводимости. Тиристорный ключ проводит ток в одном направлении в зависимости от своего типа.

Если соединить два тиристора с разными типами проводимости параллельно, объединив управляющие входы, мы получим симметричный тиристор — симистор. Он работает точно так же, как и тиристор, но пропускает ток в обоих направлениях.

В качестве примера можно взять отечественный симистор КУ208Г.

Характеристики симистора:

• Максимальное напряжение — 400 В;
• Максимальный ток в открытом состоянии (импульсный) — 10 А;
• Напряжение на открытом ключе — 2 В;
• Максимальный ток отпирания не более — 160 мА;
• Предельная скорость нарастания напряжения — 10 В/мкс;
• Максимальная рабочая частота — 400 Гц.

Динистор как симистор без управляющего входа

Симистор без управляющего входа называется динистором. Характеристика динистора приведена на рисунке ниже.

Из нее следует, что динистор работает наподобие разрядника. Когда напряжение между его катодом и анодом превышает определенную величину, он переходит в открытое состояние и начинает проводить ток. Динистор удобно использовать для управления тиристорными ключами.

Простейшая схема симисторного регулятора

Рассмотрим самую простую схему симисторного регулятора напряжения.

В этой схеме всего пять элементов, но она вполне работоспособна. Время заряда емкости регулируется переменным резистором.

Когда напряжение на конденсаторе достигнет уровня примерно 30 В, динистор начинает проводить ток и открывает симистор, который остается в открытом состоянии до конца полупериода, когда ток начнет переходить через 0. Затем цикл повторяется уже с другой полярностью.

Это универсальная схема. Она может применяться для самых разных нагрузок. Для управления индуктивными нагрузками, такими как двигатель пылесоса, необходимо защитить симистор от бросков напряжения при выключении варистором и RC-цепочкой, присоединенными параллельно симистору.

Использование микросхемы К1182 ПМ1

Для построения тиристорных и симисторных регуляторов выпускается специальная микросхема К1182 ПМ1. На кристалле микросхемы реализована почти законченная схема фазового регулятора мощности.

Два тиристора включены параллельно и навстречу друг другу. Их управляющие входы подключены чрез развязывающие диоды к выходу блока управления. Встроенный диодный мост вырабатывает напряжение питания для блока управления.

На выводы AC1 и AC2 подается напряжение 220 В. К выводам UST1+ и UST2+ подключаются конденсаторы, формирующие задержку включения тиристоров. К выводам С+ и C- подключается элемент управления — переменный резистор или RС цепочка.

Ниже приведены рекомендованные производителем схемы включения маломощных нагрузок непосредственно к микросхеме.

При необходимости подключения мощных нагрузок используются внешние тиристоры или симисторы.

Вариант с двумя тиристорами.

Вариант с симистором.

Микросхема выпускается в трех типах корпусов:

• 16 выводной Power DIP-(12+4);
• 8 выводной DIP-8;
• 8 выводной планарный SO-8.

Собрать симисторный регулятор мощности своими руками может любой радиолюбитель.

Регулятор мощности на микроконтроллере

В последнее время стало модным использовать для управления самыми разными устройствами микроконтроллеры. Микроконтроллеры, представляющие собой микрокомпьютер на кристалле, обвешанный к тому же и встроенными таймерами, АЦП, ЦАП и тому подобными устройствами, представляют разработчикам практически неограниченные возможности.

Вариант реализации симисторного регулятора мощности на микроконтроллере ATmega 8 приведен ниже.

Особенностью схемы является использование оптоэлектронных микросхем для гальванической развязки схемы управления и силовых цепей. Микроконтроллер имеет собственное питание, условно обозначенное на схеме батарейкой. Диодный мост служит двуполупериодным выпрямителем, к выходу которого через оптопару подключен вход контроллера. На этом входе контроллера формируется сигнал в начале каждого полупериода сетевой частоты. Мощный тиристор подключается к выходу контроллера через оптический элемент — оптосимистор.

Кнопками подаются сигналы на увеличение или уменьшение мощности. Оптические элементы обеспечивают необходимый уровень изоляции цепей управления от высоковольтной части схемы. Интеллект микроконтроллера позволяет строить и более сложные схемы, например, схему трехфазного регулятора мощности.