XNUMX つのマイクロコントローラー電源レギュレーター。スキーム、説明

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XNUMX つのマイクロコントローラー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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慣性負荷を制御するために、サイリスタ電力コントローラがよく使用されます。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。このようなレギュレータの利点は、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、このようなコントローラーには、位相制御コントローラーとは異なり、アナログしきい値要素が含まれていないため、安定性が向上し、調整が簡素化されます。

負荷は主電源電圧がゼロを通過する瞬間にのみ切り替えられるため、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、電力調整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% のステップを取得するには、繰り返しシーケンスの長さは 10 半サイクルになります。図上。図１（Ａ）は、３０％の負荷における電力に対す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。ご覧のとおり、サイリスタは最初の 1 つの半サイクルの間は開き、次の 30 つの半サイクルの間は閉じます。このシーケンスが繰り返されます。

100% 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 1/10 に等しくなります。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。一般的なケースでは、長さ M のシーケンス内の任意の数のインパルス N の一様分布の問題 (N が M 以下の場合) は、通常ラスターグラフィックスで斜めにプロットするために使用されるブレゼンハムアルゴリズムによって解決されます。セグメント。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。図１（Ｂ）は、同じ３０％の電力に対するシーケンスを示すが、ブレゼンハムのアルゴリズムを使用する。

XNUMXつのマイクロコントローラーパワーレギュレーター
図。 1

後者の場合、スイッチング周波数は 1 倍高くなります。パワー調整ステップを小さくすると、ゲインがより顕著になることに注意してください。たとえば、同じ電力 30% で 30% ステップの場合、ゲインは XNUMX 倍になります。

図2。パワーレギュレータ回路（クリックして拡大）

電力レギュレータ (図 2 を参照) の基礎は、ATMEL のマイクロコントローラ U1 タイプ AT89C2051 です。低電力トランス T1 はレギュレータ回路に電力を供給するために使用され、オプトサイリスタの使用と併せてネットワークからのガルバニック絶縁を実現します。これにより、デバイスの電気的安全性が高まります。このレギュレータのもう XNUMX つの便利な機能は、さまざまな動作電圧向け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入力に必要な電圧を印加するだけで十分です。たとえば、レギュレータを使用して、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だけが必要です。

負荷のパワー調整はボタン SB1 と SB2 を使用して実行されます。いずれかのボタンを短く押すと、出力が 1 段階変化します。ボタンを押し続けると単調なパワー変化が発生します。 3 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オフになり、ロードオフになっていた場合は最大電力がオンになります。負荷の電力を示すために、LED 17 セグメントインジケータ HG18 ～ HG1 が使用されます。要素の数を減らすために、ソフトウェアで実装される動的表示が使用されます。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、主電源電圧へのバインディングを実行します。交流電圧は、電源トランスの二次巻線からリミッター R2、RXNUMX、VDXNUMX、VDXNUMX を介してその入力に供給されます。

負極性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。コンパレータは主電源電圧の符号を復元します。コンパレータのスイッチは、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、サイリスタをオンにする制御レベルがサイリスタ制御出力 (マイクロコントローラポート INT0) に発行されます。現在の半サイクルがスキップされる場合、制御レベルは発行されません。その後、HG4 インジケータが 3 ミリ秒間点灯します。このとき、ボタンの押下を確認し、必要に応じて現在のパワーの値を変更する。

その後、サイリスタから制御電圧が取り除かれ、インジケータ HG4 と HG1 が 2 ms 間オンになります。その後、コンパレータの状態に新たな変化が 4 ミリ秒以内に発生すると予想されます。変化がない場合、システムはネットワークに接続されずにサイクルを開始します。この場合のみ、サイリスタは開きません。これは、主電源周波数を基準とするパルスがなくても表示が正常に動作するようにするために行われます。ただし、このような動作アルゴリズムでは、主電源周波数にいくつかの制限が課されます。50 Hz からの偏差が 20% 以内でなければなりません。実際には、主電源の周波数偏差ははるかに小さくなります。 INT0 ポートからの信号は、トランジスタ VT3 と VT4 で作られたキーに供給され、オプトサイリスタの LED を制御するために使用されます。マイクロコントローラーの RESET 信号がアクティブな場合、ポートはロジック XNUMX レベルになります。したがって、アクティブレベルとしてゼロが選択されます。負荷のスイッチングには、逆並列に接続された XNUMX つのオプトサイリスタが使用されます。オプトサイリスタの LED は直列に接続されています。

LED の電流は抵抗 R16 によって設定され、約 100 mA になります。レギュレータは、電力調整ステップが異なる 1 つのモードで動作できます。動作モードの選択はジャンパ JP1 によって行われます。このジャンパの状態は、マイクロコントローラをリセットした直後にポーリングされます。モード 1 では、電力調整ステップは 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。モード 10 では、電力調整ステップは 0% です。この場合、インジケーターには 0 (10%) から 100 (10%) までの数値が表示されます。モード 2 での階調数 XNUMX の選択は、場合によっては (電気ストーブの制御など)、小さな電力調整ステップが必要ないという事実によるものです。

レギュレータがモード 2 でのみ使用される場合は、HG1 インジケータと抵抗 R8、R9 を省略できます。一般に、コントローラーを使用すると、各モードの電力レベルの数を任意に設定できます。これを行うには、プログラムコードのアドレス 0005H にモード 1 の階調値を、アドレス 000BH にモード 2 の階調値を入力する必要があります (モード 1 の最大階調数は以下であることに注意してください)。 127、モード 2 では 99 までです。このモードでは 2 の位の表示ができないためです。負荷電流が最大 50 A であるため、オプトサイリスタはヒートシンクなしで使用できます。負荷電流が高い場合、オプトサイリスタは80〜XNUMXcmの面積のヒートシンクに取り付ける必要があります².

50 V 未満の電圧のレギュレータを使用する場合、オプトサイリスタはどのような電圧クラスでも使用できます。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。二次巻線電圧が 8 ～ 10 V (交流) で、許容負荷電流が少なくとも 200 mA の低電力変圧器であれば、電源として使用できます。変成器。ダイオード VD3 ～ VD6 は、任意の文字のダイオード KD208、KD209、または KTs405 整流器ブリッジに置き換えることができます。スタビライザーチップ U2 タイプ 7805 (国内アナログ KR142EN5A、KR1180EN5) はラジエーターを必要としません。トランジスタ VT1 ～ VT3 - 任意の低電力 PNP。トランジスタ VT4 は、任意の文字のトランジスタ KT815、KT817 に置き換えることができます。ダイオード VD1、VD2 - 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 HG1 ～ HG3 - 共通アノードを備えた任意の XNUMX セグメント。

十分な明るさの輝きがあることが望ましいだけです。コンデンサ C3、C4、C6 - 任意の電解コンデンサ。残りのコンデンサはセラミックです。抵抗 R16 - MLT-0,5、残り - MLT-0,125。 P1-12 などの SMD 抵抗を使用するとさらに便利です。チップ U1 がソケットに取り付けられています。レギュレータが保守可能な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。ネットワーク周波数への正しいバインディングを確認することのみをお勧めします。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、(マイクロコントローラの RXD および TXD ピン上の) 表示スキャンパルスが主電源と同期し、主電源周波数の 12 倍であることを確認する必要があります。負荷接続時に干渉により同期が乱れた場合は、コンパレータの入力（マイコンのピン13、1）間に4,7～XNUMXnFの容量のコンデンサを接続する必要があります。

ソフトウェアをダウンロードできます。pwr100.bin ファイル (366 バイト) には ROM ファームウェアが含まれ、pwr100.asm ファイル (7,106 バイト) にはソーステキストが含まれています。 TASM 2.76 を使用した翻訳に必要なライブラリは、lib.zip アーカイブ (2,575 バイト) にあります。

電力制御ステップが 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は、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。デバイスのブロック図を図に示します。 XNUMX.

XNUMX つのマイクロコントローラー電源レギュレーター。デバイスブロック図
図3。デバイスブロック図

自動制御モードでの動作には、1 つのブレゼンハム変調器 Br が使用されます。モード。 2とBr. モード。 1、ソフトウェアで実装されます。変調器の入力側 Br. モード。 1 は、制御ボタンを使用して設定された必要な電力のコードを受信します。この変調器の出力では、パルスシーケンスが形成され、ローパスフィルター LPF 2 によるフィルター処理の後、比較器の入力の 8 つに供給されます。負荷から取得された電圧は、ローパスフィルター LPF 16 を介してコンパレーターの 8 番目の入力に供給されます。コンパレータの出力から、2 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処理されます。デジタルフィルタのデジタルフィルタ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の繰り返し周波数およびこの周波数の高調波におけるリップルの効果的な抑制が保証される。デジタルフィルターの出力から、XNUMX ビットのエラー信号が IR 統合コントローラーに供給されます。精度を向上させるために、統合コントローラーは XNUMX ビットグリッド上で動作します。コントローラの出力コードの下位 XNUMX ビットは、変調器 Br の入力に供給されます。モード。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。

4 番目のレギュレーターの回路図を図に示します。 XNUMX.

図4。 XNUMX 番目のレギュレーターの回路図 (クリックして拡大)

このコントローラーは回路的には上記のもの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。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。レギュレータにはデュアルコンパレータ U2 タイプ LM393 を使用します。コンパレータの前半は主電源電圧に接続するために使用されます。 LM393 の特性により、抵抗 R27 を結合回路に追加する必要がありました。抵抗 R14 は、R15、R0 とともに、コンパレータ入力の負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電源周波数の蛇行は、マイクロコントローラ INT1 の入力に供給されます。コンパレータの後半はフィードバックループで使用されます。１ビットのエラー信号がマイクロコントローラＴ１に入力される。

コンパレータの入力には、要素 R16、C7 および R17、C8 によって形成されるローパスフィルターが取り付けられています。変調器の出力 (マイクロコントローラーの出力 T0) からの信号は、分周器 R18、R19 を介してローパスフィルターの入力に供給されます。コンパレータは電源電圧に近い入力電圧では動作できないため、分圧器が必要です。分周器の後、パルスの振幅は約 3,5 V になります。振幅の安定性は、基準として使用される +5 V 電源電圧の安定性によって決まります。負荷から除去された電圧は、抵抗器 R20、R21 によって形成される分圧器を介して、別のローパスフィルターの入力にも供給されます。この分圧器は、定格主電源電圧および 100% 負荷電力で、ローパスフィルターの出力電圧が 3,5 V になるように選択されます。信号は、INT1 マイクロコントローラーの出力からトランジスタスイッチを介して供給されます。サイリスタの制御に。オプトサイリスタ V1 および V2 は、VD11 ダイオードアセンブリとともに、負荷に電力を供給する制御された整流器を形成します。

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が別の方法で含まれています。インジケーターが消灯しているときは、レギュレーターの動作サイクルにギャップがあります。現時点では、これらのインジケーターの線を使用してボタンをスキャンすることが可能でした。したがって、3.7 つのボタンは追加の行を XNUMX つだけ使用します。これは戻り行 PXNUMX です。 XNUMX 番目のボタンは「AUTO」モードを制御するために必要でした。スイッチを入れた直後、レギュレーターは手動モードになっています。機能的には、上記のレギュレータに対応します。自動制御モードをオンにするには、「AUTO」ボタンと「UP」ボタンを同時に押します。同時に「AUTO」LED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「AUTO」ボタンを押し続けると、レギュレーターの現在の状態がインジケーターで確認できます（電力が変化しないように、主電源電圧の変動に応じて変化する出力電力の割合）。

主電源電圧が低下しすぎて電力を維持できなくなると、「AUTO」LED が点滅し始めます。「AUTO」ボタンと「DOWN」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。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。光サイリスタのベースはアノードに接続されているため、この回路では、デバイスの共通線に接続された共通のラジエーターにデバイスを取り付けることができます。 VD11 として、ショットキーダイオードのアセンブリ (または 2998 つの別個のショットキーダイオード、たとえば KDXNUMX) を使用することが望ましいです。極端な場合には、必要な負荷電流を可能にする従来のダイオードを使用できます。

KD2997、KD2999、KD213 で良好な結果が得られます。 LM393 コンパレータは、Integral ソフトウェアによって IL393 という名称で製造されています。 LM311 (別名 KR554CA3) など、505 つの個別のコンパレータを使用することもできます。 KP815A トランジスタ (ミンスクのトランジスタ工場で製造) の代わりに、VT817 コレクタ回路に直列に 1 KΩ 抵抗を追加することで、バイポーラトランジスタ KT3、KT100 を使用できます。残りの詳細については、要件は上記のレギュレーターの場合と同じです。レギュレータを調整するには、レギュレータに負荷を接続し、定格主電源電圧を印加する必要があります (たとえば、LATR を使用)。次に、最大電力 (21%) を設定する必要があります。トリマー抵抗器 R5 は、コンパレータ U6B の入力 2 と入力 90 の電圧差をゼロに近づけるために必要です。その後、電力を21%に下げて「AUTO」モードをオンにする必要があります。 R1を調整することにより、設置電力とコントローラステータスの制御モード（「AUTO」ボタンが押された状態）でのインジケータの読み取り値を一致（±XNUMXユニットの精度で）する必要があります。

ソフトウェアをダウンロードできます。pwr100a.bin ファイル (554 バイト) には ROM ファームウェアが含まれ、pwr100a.asm ファイル (10,083 バイト) にはソースコードが含まれています。 TASM 2.76 を使用した翻訳に必要なライブラリは、lib.zip アーカイブ (2,575 バイト) にあります。ファイルのダウンロード.

著者: Leonid Ivanovich Ridiko、wubblick@yahoo.com; 出版物: cxem.net

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