Іноді бувають ситуації, коли необхідно стабілізувати потужність в навантаженні, опір якого змінюється з плином часу в широких межах. У таких випадках допоможе пропонований регулятор потужності, який одночасно виконує функції стабілізатора.
Більшість описаних у радіоаматорський літературі регуляторів потужності працюють або з чисто активної (лампа розжарювання, електроплита, електропіч), або з активно-індуктивним навантаженням (електродвигуни). Однак ця навантаження або постійна (електропіч), або змінюється протягом відносно короткого перехідного процесу і потім прагне до сталому значенню (лампа розжарювання, електродвигун). В обох випадках регулюють потужність таких навантажень зміною протікає середнього струму. Оскільки потужність навантаження Рн, струм через неї Ін і її опір Rн пов'язані залежністю Рн=Ін2·Rн. при незмінному опорі регулювання потужності однозначно досягається регулюванням струму.
Зустрічаються і такі види навантажень, опір яких залежить від різних факторів і, отже, змінюється у часі по заздалегідь невідомому закону. Приклад подібної навантаження - електродний водогрійний котел, в якому робочої електропровідним середовищем і тілом є вода. Опір води залежить від виду і кількості містяться в ній солей, температури, швидкості протікання через котел та інших факторів. Опір такого навантаження може змінюватися в десятки разів. У цьому випадку управління струмом через навантаження не вирішує завдання регулювання потужності, оскільки її опір є змінною величиною. Тут струм через навантаження залежить не тільки від напруги на ній, але і від її опору. Це не дозволяє управляти потужністю звичайним способом (встановленням певного значення струму). Навіть стабілізація струму не буде виходом з положення.
Оскільки при напрузі на навантаженні Uн її потужність Рн=Uн·Ін для стабілізації потужності в навантаженні слід стабілізувати твір Uн·Ін, тобто забезпечити його сталість. Регульованим параметром (незалежної змінної) може бути напруження, оскільки від його значення залежать і струм і потужність навантаження.
Отже, потрібно так регулювати напругу на навантаженні, щоб при зміну опору забезпечувалася постійна середня потужність в навантаженні. При цьому для визначення миттєвої потужності необхідно множити миттєві значення напруги і струму в навантаженні. Це випливає з класичного визначення потужності в електротехніці.
Структурна схема пристрою, що реалізує описаний вище алгоритм управління, представлена на рис. 1.
На входи помножувача подаються електричні сигнали, пропорційні миттєвим значенням напруги і струму в навантаженні. З виходу помножувача сигнал, пропорційний їх добутку (тобто потужності), після його усереднення в часі надходить на перший вхід диференціального підсилювача, на другий вхід якого подано задає напругу. У диференціальному підсилювачі відбувається порівняння напруги і посилення різницевого сигналу (сигналу помилки), який потім надходить на компаратор. На другий вхід компаратора подаються імпульси пилкоподібної форми, наступні з подвоєною частотою мережі. На виході компаратора формуються прямокутні імпульси, шпаруватість яких визначає напруга з виходу диференціального підсилювача. Імпульси з виходу компаратора керують симисторннім комутатором, а той, у свою чергу, навантаженням. При відхилення потужності в навантаженні від значення, заданого напругою u зад, сигнал помилки з виходу диференціального підсилювача буде впливати на компаратор так, що зміна скважності імпульсів призведе до стабілізації потужності.
Розглянемо роботу стабілізованого регулятора потужності з його принципової схемою (рис. 2) і тимчасових діаграм (рис. 3).
(натисніть для збільшення)
На входи X і Y мікросхеми DA3 (інтегральний перемножувач сигналів) надходять сигнали, пропорційні, відповідно, миттєвим значенням напруги на навантаженні і струму через неї. Сигнал, пропорційний миттєвому значенню напруги, знімають з движка підлаштування резистора R4. Резистор R1 - датчик струму навантаження. Напруга з цього резистора надходить на первинну обмотку підвищувального трансформатора Т2 (коефіцієнт трансформації - близько 40). Необхідність застосування трансформатора обумовлена двома факторами. По-перше, він підвищує напругу, що подається на вхід перемножувача, а по-друге, забезпечує гальванічну розв'язку. Сигнали, пропорційні струму і напрузі, - змінні, однак в їх випрямленні немає необхідності, оскільки мікросхема К525ПС2 (DA3) допускає подачу на входи X і Y змінної напруги амплітудою до 10,5 Ст.
Зауважимо, що сигнали напруги та струму, що подаються на перемножувач, повинні бути синфазними, що досягається відповідним з'єднанням обмоток трансформатора Т2.
Інтегральний перемножувач напруги К525ПС2 розроблений для реалізації низки типових функціональних залежностей (множення, ділення, зведення у квадрат, добування квадратного кореня). Для виконання зазначених функцій з аналоговими сигналами використовують експоненційну залежність струму колектора транзистора від його напруги база-емітер. Похибка множення - не більше 1%. Більш докладні відомості про структуру та застосуванні інтегральних помножувачів можна знайти в [1].
При включенні інтегрального перемножувача відповідно до показаної на рис. 2 схемою на його виході Z діє напруга Uz≈0,15 UxUy, де Ux, Uy - напруги, прикладені до входів X і Y мікросхеми DA3, відповідно.
Імпульси управління сімістором VS1 надходять з виходу компаратора напруги DA4. Інтегральний компаратор К554САЗ, використовуваний в регуляторі потужності, має відкритий колекторний вихід, розрахований на струм навантаження до 50 мА. Вихідний транзистор відкритий (тобто на виході при підключеній навантаженні напруга низького рівня), якщо напруга на інвертуючому вході (висновок 4) мікросхеми DA4 більше, ніж на неінвертуючому (висновок 3). При протилежному співвідношенні напруги на виході компаратора буде напруга високого рівня.
На компараторі DA4 відбувається порівняння пилкоподібної напруги (рис. 3, діаграма 3) і напруги, що знімається з виходу ОУ DA5 (діаграма 4).
Генератор пилкоподібної напруги виконаний на транзисторах VT1, VT2. Він формує імпульси частотою 100 Гц, синхронізовані напругою мережі. Напруга з випрямного моста VD2 (рис. 3, діаграма 1) надходить на базу транзистора VT1. Велику частину часу транзистор відкритий, а в моменти, коли випрямлена напруга наближається до нуля, він закривається. На його колекторі формуються короткі прямокутні імпульси (рис. 3, діаграма 2), які подаються на базу транзистора VT2. Поки напруга на базі одно нулю, на колекторі транзистора формується наростаюче напруження (конденсатор С6 заряджається через резистор R13). У момент появи позитивного імпульсу на базі транзистор VT2 відкривається, і напруга на його колекторі зменшується практично до нуля (рис. 3, діаграма 3).
На виході компаратора формуються прямокутні імпульси (рис. 3, діаграма 5). Навантаження компаратора - резистор R16 і світлодіод оптопари U1. При протіканні струму через світлодіод оптопари її сімістор відкривається, забезпечуючи відкривання симістора VS1 - струм починає протікати через навантаження, підключену до гнізд роз'єму XS1. Зміна скважності імпульсів на виході компаратора призводить до зміни напруги і, отже, потужності в навантаженні. З тимчасових діаграм нескладно визначити, що збільшення напруги на виході ОП DA5 призводить до зменшення потужності в навантаженні.
Тепер - про призначення та роботі мікросхеми DA5, що виконує функції диференціального підсилювача або підсилювача сигналу помилки (див. рис. 1). Задає напруга u зад знімають з движка змінного резистора R18 і подають на інвертуючий вхід ОП, на неінвертуючий вхід якого надходить усереднене вихідна напруга перемножувача DA3. Усереднення вихідного сигналу перемножувача забезпечує інтегруюча ланцюг R20C8.
ОУ DA5 посилює подані на її входи сигнали, забезпечуючи рівність значень напруги на них. Це означає, що зменшення задаючої напруги u зад призведе до зменшення напруги на виході ОП. Очевидно, що нижньому за схемою положення движка змінного резистора R18 буде відповідати нульове значення потужності в навантаженні. Конденсатор С7 забезпечує стабільну роботу ОУ при впливі перешкод.
Джерело живлення елементів регулятора потужності виконаний на двох інтегральних стабілізатори напруги DA1 і DA2. Використання двох мікросхем різнотипних обумовлено бажанням обійтися мережевим трансформатором з однією вторинною обмоткою (хоча і з відведенням від середини) і одним выпрямительным мостом.
Діод VD1 виключає вплив фільтруючого конденсатора С1 на форму випрямленої напруги, що подається на вхід генератора пилкоподібної напруги.
Регулятор потужності зібраний на друкованій платі з двосторонньо фольгованого склотекстоліти. Креслення друкованої плати наведено на рис. 4.
В отвори квадратних контактних майданчиків необхідно вставити відрізки лудженого дроту та пропоїти їх з обох сторін плати. Мікросхеми DA1, DA2 встановлені на невеликих дюралевих тепловідводах площею по 20...30 см2 кожний; симистор VS1 встановлений на стандартному охолоджувачі (литому тепловідвід з алюмінієвого сплаву) марки 0231. Резистор R1 виконаний з нихро пальмового дроту діаметром 3 мм
На місці компаратора DA4, крім зазначеного на схемі, можна також використовувати К521САЗ, К521СА5, К521СА6 (остання мікросхема містить два компаратора в одному корпусі), проте при цьому доведеться скорегувати креслення друкованої плати. ОУ КР140УД708 замінимо мікросхемами К140УД7, К140УД8, К153УД2 і будь-якими аналогічними. Аналоговий перемножувач напруг К525ПС2 допустимо замінити на К525ПС3 з будь-яким буквеним індексом, а також з корекцією друкованої плати. Транзистори VT1, VT2 - будь-які з серій КТ315, КТ342, КТ503, КТ630, KT3I02 або КТ3117А. Оптопару імпортного виробництва МОС3052 можна замінити вітчизняної АОУ160А-АОУ160В з корекцією друкованої плати. Сімістор VS1 можна застосувати з серій ТС112, ТС122, ТС132, ТС142 з допустимим імпульсною напругою в закритому стані не менш 400 В і струмом у відкритому стані, відповідним максимальному струму навантаження. Діод КД106А (VD1) замінимо будь-яким із серій КД105, КД221, КД226.
Випрямний міст (VD2) - будь-який з серій КЦ402, КЦ405, з корекцією друкованої плати. Оксидні конденсатори С1 - C3, С8 можуть бути К50-16, К50-35, К50-24, К50-29; С4, С5, С7 - КМ-6, К10-17, К73-17; С6 - К73-17, К73-24, К76-П2 (цей конденсатор повинен мати невеликий ТКЕ). Підстроювальні резистори R4, R5, R8-R10 - СП5-2, СПЗ-19, СПЗ-38, змінний резистор R18 - СП-0,4, СПЗ-4М, СПЗ-16, СПЗ-30, інші - МЛТ, С2-23. Трансформатор Т1 - ТПП232. Його можна замінити на будь-який інший, у якого вторинна обмотка з відведенням від середини забезпечує напругу 33...40 В і розрахована на струм не менше 150 мА. Трансформатор Т2 може бути будь-яким іншим з коефіцієнтом трансформації 30...50. Вимикач живлення SA1 - автоматичний вимикач A3161, АЕ2050 або АП50. Крім того, він виконує функцію запобіжника.
Налагодження регулятора потужності починають з перевірки вихідної напруги мікросхеми DA1 ( + 15) і установки вихідної напруги мікросхеми DA2 (-15 В) резистором R6. Після цього роблять регулювання перемножувача напруги DA3. Для цього входи X, Y вихід Z і висновок 1 відключають від інших елементів. Движки підстроювальних резисторів R8-R10 встановлюють у середнє положення. На вхід X подають напругу +5 В, а на вхід Y - Про В. Резистором R9 встановлюють вихідний напруга перемножувача Про В. Потім на вхід X подають напругу В, а на вхід Y- +5 Ст. Резистором R8 встановлюють вихідну напругу Про В. Потім на обидва входу перемножувача подають напругу + 5 В і вимірюють вихідна напруга. Потім на одному з входів змінюють полярність вхідного сигналу (тобто подають -5 В) і знову вимірюють вихідна напруга. За допомогою резистора R10 домагаються, щоб два останніх значення вихідної напруги були рівні за абсолютним значенням (за знаку вони повинні бути протилежні). При необхідності регулювання повторюють. Після цього підключають входи і вихід перемножувача напруги до елементів регулятора. Движки підстроєних резисторів R4 і R5 встановлюють в середнє, а змінного резистора R18 - у нижнє за схемою становище.
До роз'єму XS1 підключають навантаження і подають харчування на регулятор потужності. Плавно обертаючи вісь змінного резистора R18, переконуються в збільшенні напруги на навантаженні. Якщо напруга на навантаженні максимально при будь-якому положенні движка змінного резистора R18, причиною цього може бути неправильна фазування обмоток трансформатора Т2, що приводить до подачі протифазних напруг на входи X і Y мікросхеми DA3 і негативного напруги на її виході. У цьому випадку слід поміняти місцями висновки будь-який з обмоток трансформатора Т2.
Підстроєчними резисторами R4 і R5 домагаються, щоб максимальні (амплітудні) значення напруги на входах перемножувача не перевищували 10 Ст. Це зручно контролювати за допомогою осцилографа. У крайньому випадку можна скористатися вольтметром змінного струму. При синусоїдальної форми напруги на навантаженні (це має місце, якщо симистор VS1 відкривається на початку кожного напівперіоду, а напруга на навантаженні при цьому практично дорівнює мережного) ефективне напруга на входах перемножувача не повинно перевищувати 7 Ст. Регулювання потужності повинно плавно здійснюватися у всьому інтервалі повороту осі змінного резистора R18. Якщо у верхньому по схемі положенні движка змінного резистора R18 при максимальній вихідній навантаженні напруга на ній не досягає значення мережевого, слід зменшити опір резистора R17 не більше ніж до 2,2 кОм або зменшити коефіцієнти передачі струму і напруги, пересунути вниз за схемою движки підстроювальних резисторів R4 і R5.
Для перевірки функції стабілізації потужності необхідно мати навантаження змінним опором (зручно використовувати двосекційний побутової нагрівач) і лабораторний автотрансформатор відповідної потужності. Навантаження обов'язково повинна бути активною (тобто не мати індуктивної або ємнісної складової).
Регулятор потужності підключають до мережі через автотрансформатор і підключають до виходу регулятора одну секцію побутового нагрівача. Автотрансформатором встановлюють напругу 220 В. Підключивши паралельно навантаженні вольтметр змінного струму, що вимірює ефективні значення (квадратичний вольтметр), змінним резистором R18 встановлюють на навантаженні напруга 150...200 Ст. Потім підключають ще одну секцію і знову вимірюють напругу на роз'ємі XS1. Воно має зменшитися в 1,4 рази [2]. При іншому законі зміни опору навантаження в будь-якому випадку буде виконуватися рівність Uн2/Rн = const. Якщо ж опір навантаження збільшиться настільки, що для підтримки встановленої потужності напруга повинна перевищити своє максимальне значення, регулятор вийде з режиму стабілізації потужності.
Регулятор потужності стабілізуючими властивостями володіє не тільки в умовах зміни опору навантаження, але і по відношенню до коливань мережевого напруги. У цьому можна переконатися, змінюючи напругу живлення регулятора з допомогою автотрансформатора в інтервалі від 190 до 240 В (зрозуміло, при підключеної навантаженні). Напруга на навантаженні при такому зміні живлячої має бути стабільним. Змінюватись лише кут відкривання симістора VS1, у чому можна переконатися з допомогою осцилографа. Сигнал можна знімати або з навантаження, або з виходу компаратора DA4.
Якщо в розпорядженні радіоаматора немає вольтметра, що вимірює чинне значення (наприклад, приладу електромагнітної системи), то для вимірювання потужності використовують індукційний лічильник електричної енергії: число оборотів диска лічильника повинно бути постійним при зміні опору навантаження і незмінному положенні движка змінного резистора R18. Користуватися вольтметром средневыпрямленного значення напруги для цих цілей не можна.
Для підвищення надійності рекомендуємо послідовно з оптосимистором включити резистор опором близько 150 Ом.
Література
Автор: А. Євсєєв, Тула р.