微控制器上的电源调节器。方案、说明

微控制器上的电源调节器。无线电电子电气工程百科全书

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本文介绍了两种用于惯性负载的晶闸管功率调节器。微控制器的使用使得可以使用特殊的算法来均匀分布负载中的电流脉冲，并且即使在功率控制步长为1%的情况下也能获得高开关频率。第一个器件旨在调节针对电源电压设计的负载中的功率。第二个使用低压负载运行，该负载未通过电流连接到网络。此外，该稳压器可确保电源电压波动时负载功率的稳定性。

为了控制惯性负载，使用了晶闸管功率调节器，其工作原理是向负载提供几个半周期的电源电压，然后暂停。这种装置的优点是晶闸管的开关时刻与电源电压过零的时刻一致，因此无线电干扰的水平急剧降低。此外，与相控调节器不同，此类器件不包含模拟阈值元件，从而提高了工作稳定性并简化了设置。由于开关仅在电源电压转变为零时发生，因此提供给负载的最小能量部分等于负载在一个半周期内消耗的能量。因此，为了减少功率控制步长，需要延长半周期的重复序列。

例如，为了获得 10% 的步长，需要十个半周期的序列。在图中。图 1a 显示了 30% 功率负载下晶闸管控制电极上的脉冲序列。

微控制器上的电源调节器

正如您所看到的，晶闸管在前三个半周期内打开，在接下来的七个半周期内关闭。然后重复该序列。对于任何小于 100% 的功率，此类调节器的开关频率等于半周期重复率的 1/10。

如果可能的话，将晶闸管打开的半周期均匀地分布在整个序列中会更合乎逻辑[1]。在一般情况下，任意数量的脉冲N在长度M的序列中均匀分布的问题（对于N小于或等于M）由Bresenham算法解决。通常在光栅图形中用于构造倾斜线段。该算法使用整数运算来实现，这大大简化了其编程。在图中。 1,6 显示了相同功率 30% 的序列。但使用 Bresenham 算法。在后一种情况下，开关频率高出三倍。应该注意的是，功率控制步长较小时，增益会更加明显。

电源控制器（图 2）的基础是 ATMEL 的 DD1 AT89C2051 微控制器 [2]。电源采用小功率TT变压器。它与光晶闸管一起使用，提供与网络的电流隔离。这使得该设备更加电气安全。稳压器的另一个有用特性是它可以与针对不同工作电压设计的负载一起使用。为此，从附加变压器向晶闸管提供所需的电压就足够了。例如，您可以为低压烙铁供电。只需要电压和电流不超过所用晶闸管的最大允许值即可。

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使用按钮 SB1 和 SB2 调节负载中的功率。短按其中一个按钮将增加或减少一级，按住按钮会导致功率单调变化。同时按下两个按钮将关闭负载（如果之前已打开）或打开最大功率（如果负载已关闭）。

负载功率值显示在七元件LED指示灯HG1-HG3上。为了减少元素数量，使用了软件中实现的动态显示。指示器的阴极连接到微控制器端口，阳极包括晶体管VT3和VT4。由指示器扫描信号控制。在最高位只能指示一位，因此元件B和C通过电阻连接到一个端口，并将指示器HG1和HG2的阳极组合在一起。元件的脉冲电流受到电阻器 R10-R18 的限制，约为 15 mA，小于端口的最大允许电流 (20 mA)。但足以获得所需的亮度。

微控制器内置的模拟比较器与电源电压过零的时刻相关。其输入通过限幅器VD5R2和VD6R3接收来自电源变压器次级绕组的交流电压。电源电压负半周的限制器作用是由整流桥的二极管执行的。当电源电压过零时，比较器进行切换。比较器输出由软件轮询，一旦检测到其状态发生变化，晶闸管控制输出（微控制器端口 P3.2）就会出现打开比较器的控制信号。如果要跳过当前半周期，则不会出现该信号。然后HG4指示灯亮3ms。此时，检查和按钮的关闭状态。如果需要，改变当前功率的值。此后，晶闸管上的控制电压被移除，并且指示灯 HG4 和 HG1 点亮 2 ms。此外，在 4 ms 内，预计比较器的状态会发生新的变化。

来自P3.2端口的信号进入由晶体管VT1和VT2组成的开关，用于控制光晶闸管的发光二极管。为了切换负载，使用两个反并联的光晶闸管。它们的发光二极管串联连接。电流发射二极管（大约 100 mA）设置电阻器 R1。

该稳压器可以在两种具有不同功率控制步骤的模式下运行。使用焊接跳线 S1 选择操作模式。复位后，微控制器立即轮询其位置。如图所示，在位置 1 处，功率调整步长为 1%。在这种情况下，指示器显示从 0 (0%) 到 100 (100%) 的数字。在位置 2 中，步长为 10%。该指示器显示从 0 (0%) 到 10 (100%) 的数字。模式2中选择十个灰度是出于这样的事实。在某些情况下（例如控制电炉）不需要小步的功率调整。如果调节器仅用于此模式，则无需安装 HG1 指示器和电阻器 R17、R18。一般来说，设备允许您任意设置每种模式的功率级别数量。只需要在地址 0005Н 的程序代码中输入模式 1 所需的灰度值，对于模式 000，则在地址 2Н 处输入。您只需记住模式 1 的最大灰度数不应超过127，在模式 2 中 - 不超过 99，因为在此模式下无法显示数百个。

如果负载电流不超过2A。可以使用不带散热器的光晶闸管。在较高电流下，它们安装在面积为 50 ... 80 cm' 的散热器上。当负载供电电压低于 50 V 时，光晶闸管可以是任何级别（就电压而言）。使用电源电压时，光晶闸管的等级必须至少为 6。电源变压器 - 任何次级绕组电压为 8 ... 10 V 且允许电流至少为 200 mA 的低功率变压器。二极管FR157（VD1-VD4）可与任何字母索引的KD208、KD209或KTs405整流桥互换。 DA1 7805稳定器芯片（国产模拟KR142EN5A、KR1180EN5）不需要额外的散热器。晶体管 VT2-VT4 - 任何低功率 pn-p 结构。代替VT1，任何字母索引的晶体管KT815、KT817都适用。但需要选择电阻R5。二极管VD5。 VD6 - 任何低功耗芯片，例如 KD521、KD522。按钮 SB1 和 SB2 - 任何没有固定的小型按钮，例如 PKN-159。指示器HG1 - HG3 - 任何七元具有共阳极，发光所需的亮度。电容器C1。 C3、C6 - 任何氧化物，其余 - 陶瓷。电阻 R1 - MLT-0,5，其余 - MLT-0.125。例如，使用表面贴装电阻器更为方便。 RN1-12。

如果调节器是由已知良好的部件组装而成，并且微控制器的编程没有错误，则不需要调整。仍然建议检查电源电压频率连接的正确性。为此，您应该将示波器与电源电压同步，并确保显示扫描脉冲（微控制器的RXD和TXO信号）与网络同步并且具有双倍的电源频率。当由于干扰而连接负载时，同步会被破坏。在这种情况下，需要在比较器的输入端（微控制器的引脚12、13）之间连接一个容量为1000-4700 pF的电容器。

微控制器程序代码在表中给出。一。

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当控制步长为1%时，电网电压不稳定是功率整定误差的主要来源。如果负载没有电流连接到网络，则很容易测量施加到负载的电压平均值并使用反馈电路保持其恒定。该原理在第二个调节器中得到实现。该装置的功能框图如图所示。 3.

微控制器上的电源调节器

为了在自动控制模式下运行，使用了两个 Bresenham 调制器（Mod. 1 和 Mod. 2），它们通过软件实现。第一个输入接收所需功率的代码，该代码由控制按钮设置。在其输出端形成一个脉冲序列，该脉冲序列通过低通滤波器 (Z1) 馈送到比较器的反相输入端。低通滤波器（Z2）接收从负载去除的电压后，其同相输入端。从比较器的输出，一位误差信号被馈送到微控制器的输入，并在其中进行数字滤波。

由于数字滤波器 (DF) 与调制器同步工作，因此可以在输出脉冲序列及其谐波的重复频率处提供有效的纹波抑制。八位误差信号从数字滤波器的输出发送至积分调节器 (IR)。为了提高精度，积分控制器在 2 位网格上运行。控制器输出代码的低八位被发送到调制器Mod的输入。 XNUMX，在其输出端形成脉冲序列，用于控制晶闸管。

该稳压器的电路与上述稳压器非常相似，因此仅关注其差异是有意义的。在图中。图4示出了电路的不同部分。微控制器DD1的其余引脚未在图中示出。它们以相同的方式连接。如图所示2.

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由于微控制器的可用I/O端口不够，我们不得不放弃使用内置比较器。相反，调节器使用双比较器 DA2。在其中一个 (DA2.1) 上，绑定单元被组装到电源电压通过零的过渡时刻。由于LM393微电路的特殊性，必须在该节点添加电阻器R19，该电阻器与电阻器R2和R3（见图2）一起形成分压器，以降低比较器输入端的负极性电压。来自比较器输出的信号（电源频率曲线）被馈送到微控制器 P3.2 的输入。

第二个比较器（DA2.2）用于反馈电路。一位错误信号被发送到微控制器 P3.5 的输入。低通滤波器安装在比较器输入处。由元素R23、C7和R24、C8形成。来自调制器输出（微控制器端口 P3.4 的引脚）的信号通过分频器 R22R26 提供给低通滤波器的输入。这是必要的，因为比较器无法在接近电源电压的输入电压下工作。经过分压器后的脉冲幅度约为3,5 V。幅度的稳定性由用作参考电压的+5 V电源电压的稳定性决定。

从负载移除的电压也通过分压器 R20R21 提供给另一个低通滤波器的输入。他就是这样被选中的。因此，在额定网络电压和 100% 负载功率下，低通滤波器输出端的电压为 3,5 V。来自微控制器 RZ.Z 输出的信号被馈送到控制光晶闸管的晶体管开关。网络变压器具有附加绕组(111)，由光晶闸管VS1形成的受控整流器连接至该附加绕组。 VS2和二极管组件VD7。他们从中提供负载。

为了节省微控制器端口，控制按钮的连接方式与以前的设备不同。当指标关闭时，调节器的工作周期存在间隙。这时候发现可以沿着指标控制线扫描按钮了。因此，这三个按钮仅额外使用一根线：这是连接到端口 P3.7 引脚的返回线。 “自动”模式需要第三个按钮。接通电源后，设备立即处于手动控制模式，即其功能与上述控制器相对应。要打开自动控制，您需要同时按下“自动”和“+”按钮。同时，HL1“自动”LED 亮起。在此模式下，调节器自动维持设定功率。如果您现在按住“自动”按钮，您可以在指示器上看到调节器的当前状态。当电源电压下降太多以至于无法再维持供电时，“自动”LED 开始闪烁。同时按下“自动”和“-”按钮可以关闭自动控制模式。

表中给出了该调节器的微控制器程序的固件代码。 2.

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当负载电流大于2A时，光晶闸管应安装在散热器上。光晶闸管本体的散热板与阳极连接，因此装置中的器件可以安装在一个散热片上。建议使用肖特基二极管组件（或两个单独的肖特基二极管，例如 KD7A）代替 VD2998。作为最后的手段，您可以使用专为所需负载电流设计的传统二极管。使用KD2997系列二极管可以获得良好的结果。 KD2999。 KD213。 LM393 比较器由 Integral 软件生产，名称为 IL393。您还可以使用两个独立的比较器，例如 LM311。可以使用KT505、KT815系列双极型晶体管代替KP817A晶体管，在VT2晶体管的集电极电路上连接1kOhm的电阻。其余要求相同。至于上面描述的控制器。

设置调节器时，将负载连接到其上并提供额定电源电压（例如，使用 LATR）。然后，设置最大功率（100%）。微调电阻R21用于确保比较器0A2.2输入端的电压差接近于零。之后，将电量降低至90%，并开启“自动”模式。通过调节电阻R21，我们在监控调节器状态的模式下（按下“自动”按钮）实现设定功率和指示器读数之间的匹配（精度为±1）。

文学

Biryukov S. 二通道双向可控硅调节器。 - 收音机。 2000 年。第 2 期。 32.33.,
AT89C2051 8 位微控制器，带 2Kbytes 闪存。爱特梅尔数据表。 - vww.atmel.com/atrnel/postscript/firsl_page/doc0368a.gif。

作者：L.Ridiko，明斯克，白俄罗斯

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