マイクロコントローラーの電源レギュレーター。スキーム、説明

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マイクロコントローラー上の電源レギュレーター。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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この記事では、慣性負荷用の 1 つのサイリスタ電力コントローラーについて説明します。マイクロコントローラーを使用すると、負荷内の電流パルスを均一に分配するための特別なアルゴリズムを使用することが可能になり、電力制御ステップが XNUMX% であっても高いスイッチング周波数を得ることができます。最初のデバイスは負荷の電力を制御するように設計されており、主電源電圧用に設計されています。 XNUMX つ目は、ネットワークに電気的に接続されていない低電圧負荷で動作します。さらに、このレギュレータは、主電源電圧の変動時に負荷の電力を安定化します。

慣性負荷を制御するには、サイリスタ電力コントローラが使用されます。サイリスタ電力コントローラは、電源電圧の数半サイクルを負荷に供給し、その後停止するという原理で動作します。このようなデバイスの利点は、サイリスタのスイッチング時間が主電源電圧がゼロを通過する瞬間と一致するため、無線干渉のレベルが大幅に低減されることです。さらに、このようなデバイスは、位相制御レギュレータとは異なり、アナログしきい値要素を含まないため、動作の安定性が向上し、調整が簡素化されます。スイッチングは主電源電圧がゼロを通過するときにのみ発生するため、負荷に供給されるエネルギーの最小部分は、半サイクルで負荷によって消費されるエネルギーに等しくなります。したがって、電力制御ステップを減らすには、半サイクルの繰り返しシーケンスを長くする必要があります。

たとえば、10% のステップを得るには、1 回の半サイクルのシーケンスが必要です。図上。図１ａは、３０％の電力負荷におけるサイリスタの制御電極上のパルスのシーケンスを示す。

マイクロコントローラのパワーレギュレータ

ご覧のとおり、サイリスタは最初の 100 つの半サイクルでは開き、次の 1 つの半サイクルでは閉じます。このシーケンスが繰り返されます。 10% 未満の電力に対するこのようなレギュレータのスイッチング周波数は、半サイクル繰り返し率の XNUMX/XNUMX に等しくなります。

可能であれば、サイリスタが開いている半サイクルをシーケンス全体にわたって均等に分散する方がはるかに論理的です [1]。一般的な場合、長さ M のシーケンス内の任意の数のパルス N を一様に分散する問題 (N が M 以下の場合) は、ブレゼンハムアルゴリズムによって解決されます。これは通常、ラスターグラフィックスで斜めのセグメントをプロットするために使用されます。このアルゴリズムは整数演算を使用して実装されているため、プログラミングが大幅に簡素化されます。図上。 1,6 は、同じ電力 30% のシーケンスを示しています。ただし、ブレゼンハムのアルゴリズムを使用します。後者の場合、スイッチング周波数は XNUMX 倍高くなります。ゲインは、電力制御ステップが小さいほど顕著になることに注意してください。

電力レギュレータ (図 2) の基礎は、ATMEL の DD1 АТ89С2051 マイクロコントローラです [2]。電源には低電力TTトランスを採用しました。これは、オプトサイリスタの使用と合わせて、ネットワークからのガルバニック絶縁を提供します。これにより、デバイスの電気的安全性が高まります。レギュレータのもう XNUMX つの便利な特性は、さまざまな動作電圧用に設計された負荷で使用できることです。これを行うには、追加の変圧器からサイリスタに必要な電圧を印加するだけで十分です。たとえば、低電圧のはんだごてに電力を供給できます。電圧と電流が適用されるサイリスタの最大許容値を超えないことのみが必要です。

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ボタン SB1 および SB2 を使用して負荷の電力を調整します。いずれかのボタンを短く押すと出力が XNUMX 段階ずつ増加または減少し、ボタンを押し続けると出力が単調に変化します。 XNUMX つのボタンを同時に押すと、以前にオンになっていた場合はロードがオフになり、ロードがオフになっていた場合は最大電力がオンになります。

負荷にかかる電力の値は、LED 1 要素インジケータ HG3 ～ HG3 に表示されます。要素の数を減らすために、ソフトウェアに実装された動的表示が使用されます。インジケーターのカソードはマイクロコントローラーのポートに接続されており、アノードにはトランジスタ VT4 と VT1 が含まれています。インジケータースキャン信号によって制御されます。最上位桁は 2 つしか表示できないため、エレメント B とエレメント C が抵抗を介して同じポートに接続され、HG10 と HG18 の指示計のアノードが結合されます。素子のインパルス電流は抵抗 R15 ～ R20 によって約 XNUMXmA のレベルに制限されますが、これはポートの最大許容電流 (XNUMXmA) よりも小さくなります。しかし、必要な明るさを得るには十分です。

マイクロコントローラーに組み込まれたアナログコンパレーターは、主電源電圧がゼロを通過する瞬間にバインドされます。 AC電圧は、電源トランスの5次巻線からリミッタVD2R6およびVD3R3.2を介してその入力に供給されます。主電源電圧の負の半サイクルに対するリミッターの役割は、整流器ブリッジのダイオードによって実行されます。コンパレータのスイッチングは、主電源電圧がゼロを通過する瞬間に発生します。コンパレータ出力はソフトウェアによって問い合わせられ、その状態の変化が検出されるとすぐに、サイリスタ制御出力 (マイクロコントローラポート P4) に制御信号が表示され、サイリスタ制御出力がオンになります。現在の半サイクルがスキップされる場合、この信号はスキップされません。その後、HG3 インジケータが 4 ミリ秒間点灯します。このとき、、ボタンの閉状態がチェックされます。必要に応じて、現在の電力の値が変更されます。その後、サイリスタから制御電圧が除去され、インジケータ HG1、HG2 が 4ms 間点灯します。さらに、XNUMX ms 以内にコンパレータの状態に新たな変化が生じることが予想されます。

ポート P3.2 からの信号は、オプトサイリスタの発光ダイオードを制御するために使用される、トランジスタ VT1 および VT2 で作られたスイッチに送られます。負荷のスイッチングには、逆並列に接続された 100 つのオプトサイリスタが使用されます。それらの発光ダイオードは直列に接続されています。電流放出ダイオード - 約 1 mA - が抵抗 RXNUMX を設定します。

レギュレータは、異なる電力制御ステップを備えた 1 つのモードで動作できます。動作モードは、はんだ付け可能なジャンパ S1 によって選択されます。その位置は、リセット直後にマイクロコントローラーによってポーリングされます。図に示す位置 1 では、出力調整ステップは 0% です。この場合、インジケーターには 0 (100%) から 100 (2%) までの数値が表示されます。位置 10 では、ステップは 0% です。インジケーターには 0 (10%) から 100 (2%) までの数値が表示されます。モード1で17階調を選択したのはこのためです。場合によっては（電気ストーブの制御など）、小さな出力調整ステップは必要ありません。レギュレータがこのモードでのみ使用されることを想定している場合は、HG18 インジケータと抵抗 R0005、R1 を省略できます。一般に、このデバイスでは各モードの電力レベルの数を任意に設定できます。プログラムコードのアドレス 000Н にモード 2 の階調値を、アドレス 1ВН にモード 127 の階調値を入力するだけで済みますが、モード 2 の最大階調数は 99 以下であることに注意してください。モード XNUMX では、このモードでは XNUMX の表示ができないため、XNUMX を超えません。

負荷電流が 2 A を超えない場合、オプトサイリスタはヒートシンクなしで使用できます。より高い電流では、それらは50 ... 80 cm 'の面積のヒートシンクに取り付けられます。負荷に 50 V 未満の電圧が供給されている場合、オプトサイリスタは (電圧の点で) どのクラスのものでも使用できます。主電源電圧を使用する場合、オプトサイリスタのクラスは少なくとも 6 である必要があります。電源トランスは、二次巻線の電圧が 8 ～ 10 V、許容電流が少なくとも 200 mA の低電力トランスです。ダイオード FR157 (VD1 ～ VD4) は、任意の文字インデックスを持つ KD208 KD209 または KTs405 整流器ブリッジと交換可能です。 DA1 7805 スタビライザーチップ (国内アナログ KR142EN5A、KR1180EN5) には追加のヒートシンクは必要ありません。トランジスタ VT2 ～ VT4 - 任意の低電力 pn-p 構造。 VT1 の代わりに、任意の文字インデックスを持つトランジスタ KT815、KT817 が適用可能です。ただし、抵抗R5の選定が必要です。ダイオード VD5。 VD6 - 任意の低電力シリコン (KD521、KD522 など)。ボタン SB1 および SB2 - 固定されていない小さなボタン (PKN-159 など)。インジケーター HG1 - HG3 - 共通のアノードを備えた 1 つの要素、必要なグローの明るさ。コンデンサC3。 C6、C1 - 酸化物、残り - セラミック。抵抗R0,5 - MLT-0.125、残り - MLT-1。たとえば、表面実装抵抗を使用するとさらに便利です。 RN12-XNUMX。

レギュレータが正常に動作することがわかっている部品から組み立てられており、マイクロコントローラがエラーなくプログラムされている場合、レギュレータを調整する必要はありません。主電源電圧の周波数へのバインディングが正確であることを確認することをお勧めします。これを行うには、オシロスコープを主電源電圧と同期させ、表示スキャンパルス (マイクロコントローラの RXD および THO 信号) が主電源と同期し、主電源周波数の 12 倍であることを確認します。干渉により負荷が接続されると同期が崩れる場合があります。この場合、コンパレータの入力（マイクロコントローラのピン13、1000）間に4700～XNUMXpFの容量のコンデンサを接続する必要があります。

マイクロコントローラのプログラムコードを表に示します。 1。

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制御ステップが 1% の場合、主電源電圧の不安定性が電力設定エラーの主な原因となります。負荷がネットワークに直流的に接続されていない場合、負荷に印加される電圧の平均値を測定し、フィードバック回路を使用してそれを一定に保つことが簡単にできます。この原理は 3 番目のレギュレータに実装されています。デバイスの機能図を図に示します。 XNUMX.

マイクロコントローラのパワーレギュレータ

自動制御モードで動作するには、ソフトウェアで実装された 1 つのブレゼンハム変調器 (Mod. 2 および Mod. 1) が使用されます。最初の入力は、制御ボタンによって設定された必要な電力のコードを受け取ります。その出力では、パルスシーケンスが形成され、ローパスフィルター (Z2) を介してコンパレーターの反転入力に供給されます。ローパスフィルタ (ZXNUMX) が負荷から除去された電圧を受け取った後の非反転入力。コンパレータの出力から、XNUMX ビットのエラー信号がマイクロコントローラの入力に供給され、そこでデジタルフィルタリングが行われます。

デジタルフィルター (DF) は変調器と同期して動作するため、出力パルスシーケンスとその高調波の繰り返し周波数でのリップルを効果的に抑制できます。デジタルフィルターの出力から、2 ビットのエラー信号が積分コントローラー (IR) に供給されます。精度を向上させるために、統合コントローラーは XNUMX ビットグリッドで動作します。コントローラーの出力コードの下位 XNUMX ビットは、変調器 Mod の入力に供給されます。この出力でパルスシーケンスが形成され、サイリスタ制御に供給される。

このようなコントローラーは、回路的には上記のコントローラーと非常に似ているため、その違いについてのみ説明するのが理にかなっています。図上。図４は、回路の別の部分を示している。マイクロコントローラ DD4 の残りのピンは図には示されていません。それらは同じように接続されています。図のように。 1.

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マイコンの入出力ポートが足りなかったため、内蔵コンパレータの使用を断念せざるを得ませんでした。代わりに、レギュレータはデュアルコンパレータ DA2 を使用します。 2.1 つ目 (DA393) では、バインディングユニットが主電源電圧のゼロを通過する瞬間に組み立てられます。 LM19 マイクロ回路の特性により、このノードに抵抗 R2 を追加する必要がありました。抵抗 R3 および R2 (図 3.2 を参照) とともに、コンパレータ入力の負極性電圧を低減する分圧器を形成します。コンパレータの出力からの信号 (電源周波数蛇行) は、マイクロコントローラ PXNUMX の入力に供給されます。

2.2 番目のコンパレータ (DA3.5) はフィードバック回路で使用されます。シングルビットエラー信号はマイクロコントローラ P23 に入力されます。コンパレータの入力にはローパスフィルタが装備されています。要素 R7、C24 および R8、C3.4 によって形成されます。変調器の出力 (マイクロコントローラーのポート P22 の出力) からの信号は、分周器 R26R3,5 を介してローパスフィルターの入力に供給されます。これはコンパレータが電源電圧に近い入力電圧では動作できないために必要です。分周器後のパルスの振幅は約 5 V です。振幅の安定性は +XNUMX V 電源電圧の安定性によって決まりますが、これは例として使用されます。

負荷から除去された電圧は、分圧器 R20R21 を介して別のローパスフィルターの入力に供給されます。こうして彼は選ばれるのです。したがって、ネットワークの定格電圧と負荷電力が 100% の場合、ローパスフィルターの出力の電圧は 3,5 V になります。RZ.Z マイクロコントローラーの出力からの信号はトランジスタに供給されます。オプトサイリスタを制御するスイッチ。ネットワーク変圧器には追加の巻線 (111) があり、オプトサイリスタ VS1 によって形成された制御整流器が接続されています。 VS2 とダイオードアセンブリ VD7。そこから負荷を供給します。

マイクロコントローラーのポートを保存するためのコントロールボタンは、以前のデバイスとは異なる方法で接続されています。インジケーターが消灯しているときは、レギュレーターのサイクルにギャップがあります。この時点では、インジケーターの制御線に沿ってボタンをスキャンすることができました。したがって、3.7 つのボタンは追加のラインを 1 つだけ使用します。これは、ポートピン PXNUMX に接続されたリターンラインです。 XNUMX 番目のボタンは「自動」モードに必要でした。スイッチを入れた直後、デバイスは手動制御モードになります。つまり、機能的には上記のコントローラーと同等です。自動制御を有効にするには、「自動」ボタンと「＋」ボタンを同時に押します。この場合、LED HLXNUMX「自動」が点灯します。このモードでは、コントローラーは設定された電力を自動的に維持します。ここで「自動」ボタンを押し続けると、インジケーターでレギュレーターの現在の状態を確認できます。主電源電圧が低下しすぎて電力を維持できなくなると、「自動」LED が点滅し始めます。「自動」ボタンと「－」ボタンを同時に押すと、自動制御モードをオフにできます。

このレギュレータのマイクロコントローラプログラムのファームウェアのコードを表に示します。 2.

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負荷電流が 2 A を超える場合、オプトサイリスタをヒートシンクに取り付ける必要があります。オプトサイリスタハウジングのヒートシンクプレートはアノードに接続されているため、デバイス内の 7 つのヒートシンクにデバイスを取り付けることができます。 VD2998 の代わりに、ショットキーダイオードのアセンブリ (または 2997 つの別個のショットキーダイオード、たとえば KD2999A) を使用することが望ましいです。極端な場合には、必要な負荷電流に合わせて設計された従来のダイオードを使用できます。 KD213 シリーズのダイオードを使用すると良好な結果が得られます。 KD393。 KD393。 LM311 コンパレータは、Integral ソフトウェアによって IL505 という名称で製造されています。 LM815 など、817 つの個別のコンパレータを使用することもできます。 KP2Aトランジスタの代わりに、VT1トランジスタのコレクタ回路にXNUMXkΩの抵抗を入れてKTXNUMX、KTXNUMXシリーズのバイポーラトランジスタを使用しても良いです。残りの要件は同じです。上で説明したコントローラーと同様です。

レギュレータを調整する場合、負荷がレギュレータに接続され、定格主電源電圧が供給されます（たとえば、LATR を使用）。次に、最大電力（100％）を設定します。トリマー抵抗器 R21 は、コンパレータ 0A2.2 の入力における電圧差がゼロに近づくことを保証します。その後、電力を90%に下げ、「自動」モードをオンにします。抵抗器 R21 を調整することにより、設置電力とレギュレータの状態の制御モード (「自動」ボタンが押されたとき) でのインジケータの読み取り値の一致 (精度 ± 1) が達成されます。

文学

Biyukov S. 2000 チャンネルトライアックレギュレータ。 - ラジオ。 2. No. 32.33. p. XNUMX.、
AT89C2051 8K バイトのフラッシュを備えた 2 ビットマイクロコントローラ。アトメルのデータシート。 - vww.atmel.com/atrnel/postscript/firsl_page/doc0368a.gif。

著者: L.Ridiko、ミンスク、ベラルーシ

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