Régulateurs de puissance sur le microcontrôleur. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Régulateurs de puissance, thermomètres, stabilisateurs thermiques

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L'article décrit deux contrôleurs de puissance à thyristors pour charge inertielle. L'utilisation de microcontrôleurs permet d'utiliser un algorithme spécial pour une répartition uniforme des impulsions de courant dans la charge et d'obtenir une fréquence de commutation élevée même avec un pas de contrôle de puissance de 1 %. Le premier appareil est conçu pour contrôler la puissance de la charge, conçue pour la tension secteur. Le second fonctionne avec une charge basse tension, qui n'est pas connectée galvaniquement au réseau. De plus, ce régulateur assure la stabilisation de la puissance de la charge lors des fluctuations de la tension secteur.

Pour contrôler la charge inertielle, on utilise des contrôleurs de puissance à thyristors, qui fonctionnent sur le principe de fournir plusieurs demi-cycles de tension secteur à la charge, suivis d'une pause. L'avantage de tels dispositifs est que les temps de commutation des thyristors coïncident avec les moments où la tension du secteur passe par zéro, ce qui réduit considérablement le niveau d'interférence radio. De plus, un tel dispositif, contrairement à un régulateur à commande de phase, ne contient pas d'éléments de seuil analogiques, ce qui augmente la stabilité de fonctionnement et simplifie le réglage. Étant donné que la commutation se produit uniquement pendant le passage de la tension du secteur à zéro, la partie minimale de l'énergie fournie à la charge est égale à l'énergie consommée par la charge au cours d'un demi-cycle. Par conséquent, pour réduire l’étape de contrôle de puissance, il est nécessaire d’allonger la séquence répétitive des demi-cycles.

Par exemple, pour obtenir un pas de 10 %, il faut une séquence de dix demi-cycles. Sur la fig. La figure 1a montre la séquence d'impulsions sur l'électrode de commande du thyristor pour une charge de puissance de 30 %.

Comme vous pouvez le constater, le thyristor est ouvert pendant les trois premiers demi-cycles et fermé lors des sept suivants. Cette séquence est ensuite répétée. La fréquence de commutation d'un tel régulateur pour toute puissance inférieure à 100 % est égale à 1/10 du taux de répétition d'un demi-cycle.

Il serait beaucoup plus logique de répartir les alternances pendant lesquelles le thyristor est ouvert, si possible, de manière homogène sur toute la séquence [1]. Dans le cas général, le problème de la distribution uniforme d'un nombre quelconque d'impulsions N dans une séquence de longueur M (lorsque N est inférieur ou égal à M) est résolu par l'algorithme de Bresenham. qui est généralement utilisé dans les graphiques raster pour tracer des segments obliques. Cet algorithme est implémenté en utilisant l'arithmétique entière, ce qui simplifie grandement sa programmation. Sur la fig. 1,6 montre la séquence pour la même puissance de 30 %. mais en utilisant l'algorithme de Bresenham. Dans ce dernier cas, la fréquence de commutation est trois fois supérieure. Il convient de noter que le gain est plus perceptible avec un petit pas de contrôle de puissance.

La base du régulateur de puissance (Fig. 2) est le microcontrôleur DD1 АТ89С2051 d'ATMEL [2]. Un transformateur TT de faible puissance a été utilisé pour l’alimentation électrique. qui, associé à l'utilisation d'optothyristors, assure une isolation galvanique du réseau. Cela rend l'appareil plus sûr électriquement. Une autre propriété utile du régulateur est qu'il peut être utilisé avec des charges conçues pour différentes tensions de fonctionnement. Pour ce faire, il suffit d'appliquer la tension requise aux thyristors à partir d'un transformateur supplémentaire. Vous pouvez par exemple alimenter un fer à souder basse tension. Il est seulement nécessaire que la tension et le courant ne dépassent pas les valeurs maximales autorisées pour les thyristors appliqués.

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Réglez la puissance de la charge avec les boutons SB1 et SB2. Un appui court sur l'un des boutons l'augmentera ou le diminuera d'un pas, tandis que le maintien du bouton provoquera un changement de puissance monotone. L'appui simultané sur deux boutons conduit à éteindre la charge si elle a été allumée auparavant ou à allumer la puissance maximale si la charge a été éteinte.

La valeur de la puissance dans la charge est affichée sur les indicateurs LED à sept éléments HG1-HG3. Pour réduire le nombre d'éléments, une indication dynamique implémentée dans le logiciel est utilisée. Les cathodes indicatrices sont connectées aux ports du microcontrôleur, les anodes comprennent les transistors VT3 et VT4. contrôlé par des signaux de balayage d'indicateur. Dans le chiffre le plus élevé, un seul peut être indiqué, donc les éléments B et C sont connectés au même port via des résistances et les anodes des indicateurs HG1 et HG2 sont combinées. Le courant impulsionnel des éléments est limité par les résistances R10-R18 à un niveau d'environ 15 mA, ce qui est inférieur au courant maximum admissible pour les ports (20 mA). mais suffisant pour obtenir la luminosité requise.

Le comparateur analogique intégré au microcontrôleur se lie aux instants où la tension secteur passe par zéro. La tension alternative est fournie à ses entrées via les limiteurs VD5R2 et VD6R3 à partir de l'enroulement secondaire du transformateur de puissance. Le rôle de limiteur de l'alternance négative de la tension secteur est assuré par les diodes du pont redresseur. La commutation du comparateur se produit aux moments où la tension du secteur passe par zéro. La sortie du comparateur est interrogée par logiciel, et dès qu'un changement de son état est détecté, un signal de commande apparaît à la sortie de commande des thyristors (port du microcontrôleur P3.2) pour les activer. Dans le cas où l'alternance en cours doit être sautée, ce signal ne le sera pas. Ensuite, l'indicateur HG4 s'allume pendant 3 ms. A ce moment, l'état fermé des boutons et est vérifié. si nécessaire, la valeur de la puissance actuelle est modifiée. Après cela, la tension de commande est supprimée des thyristors et les indicateurs HG4 et HG1 sont allumés pendant 2 ms. De plus, dans les 4 ms, un nouveau changement d'état du comparateur est attendu.

Le signal du port P3.2 va à un interrupteur réalisé sur les transistors VT1 et VT2, qui sert à contrôler les diodes électroluminescentes des optothyristors. Pour commuter la charge, deux optothyristors connectés en anti-parallèle sont utilisés. Leurs diodes émettrices sont connectées en série. Le courant des diodes électroluminescentes - environ 100 mA - fixe la résistance R1.

Le régulateur peut fonctionner selon deux modes avec différentes étapes de contrôle de puissance. Le mode de fonctionnement est sélectionné par le cavalier soudable S1. Sa position est interrogée par le microcontrôleur immédiatement après la réinitialisation. En position 1, représentée sur le schéma, le pas de réglage de la puissance est de 1 %. Dans ce cas, l'indicateur affiche des nombres de 0 (0%) à 100 (100%). En position 2, le pas est de 10%. L'indicateur affiche des nombres de 0 (0%) à 10 (100%). Le choix de dix gradations en mode 2 est dû au fait. que dans certains cas (par exemple, contrôle d'une cuisinière électrique), une petite étape de réglage de la puissance n'est pas nécessaire. Si le régulateur est censé être utilisé uniquement dans ce mode, l'indicateur HG1 et les résistances R17, R18 peuvent être omis. D'une manière générale, l'appareil vous permet de définir arbitrairement le nombre de niveaux de puissance pour chaque mode. Il suffit de saisir la valeur de gradation souhaitée pour le mode 0005 dans le code du programme à l'adresse 1Н et pour le mode 000 à l'adresse 2ВН. N'oubliez pas que le nombre maximum de gradations en mode 1 ne doit pas dépasser 127, et en mode 2 - pas plus de 99 car l'affichage des centaines n'est pas possible dans ce mode.

Si le courant de charge ne dépasse pas 2 A. les optothyristors peuvent être utilisés sans dissipateurs thermiques. A un courant plus élevé, ils sont installés sur des dissipateurs thermiques d'une superficie de ​​50 ... 80 cm'. Lorsque la charge est alimentée par une tension inférieure à 50 V, les optothyristors peuvent être de n'importe quelle classe (en termes de tension). Lorsque vous travaillez avec la tension du secteur, la classe des optothyristors doit être d'au moins 6. Le transformateur de puissance est tout transformateur de faible puissance avec une tension sur l'enroulement secondaire de 8 ... 10 V et un courant admissible d'au moins 200 mA. Les diodes FR157 (VD1-VD4) sont interchangeables avec le pont redresseur KD208 KD209 ou KTs405 avec n'importe quelle lettre d'index. La puce stabilisatrice DA1 7805 (analogue domestique KR142EN5A, KR1180EN5) ne nécessite pas de dissipateur thermique supplémentaire. Transistors VT2-VT4 - toutes structures pn-p de faible puissance. Au lieu de VT1, les transistors KT815, KT817 avec n'importe quelle lettre d'index sont applicables. Il faut cependant sélectionner la résistance R5. Diodes VD5. VD6 - n'importe quel silicium de faible consommation, par exemple KD521, KD522. Boutons SB1 et SB2 - tous petits sans fixation, par exemple PKN-159. Indicateurs HG1 - HG3 - n'importe quel sept éléments avec une anode commune, la luminosité requise de la lueur. Condensateurs C1. C3, C6 - n'importe quel oxyde, le reste - céramique. Résistance R1 - MLT-0,5, le reste - MLT-0.125. Il est encore plus pratique d'utiliser des résistances à montage en surface, par exemple. PH1-12.

Le régulateur n'a pas besoin d'être réglé s'il est assemblé à partir de pièces en bon état et que le microcontrôleur est programmé sans erreur. Il est néanmoins conseillé de vérifier l'exactitude de la liaison à la fréquence de la tension secteur. Pour ce faire, synchronisez l'oscilloscope avec la tension du secteur et assurez-vous que les impulsions de balayage de l'affichage (signaux RXD et THO du microcontrôleur) sont synchrones avec le secteur et ont deux fois la fréquence du secteur. Il arrive que lorsqu'une charge est connectée en raison d'interférences, le synchronisme soit rompu. Dans ce cas, il est nécessaire de connecter un condensateur d'une capacité de 12-13 pF entre les entrées du comparateur (broches 1000, 4700 du microcontrôleur).

Les codes de programme du microcontrôleur sont donnés dans le tableau. une.

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Avec un pas de contrôle de 1%, l'instabilité de la tension secteur est la principale source d'erreur de réglage de la puissance. Si la charge n'est pas connectée galvaniquement au réseau, il est facile de mesurer la valeur moyenne de la tension appliquée à la charge et de la maintenir constante à l'aide du circuit de rétroaction. Ce principe est mis en œuvre dans le deuxième régulateur. Le schéma fonctionnel de l'appareil est présenté sur la fig. 3.

Pour fonctionner en mode de contrôle automatique, deux modulateurs Bresenham (Mod. 1 et Mod. 2) sont utilisés, qui sont implémentés dans le logiciel. L'entrée du premier reçoit le code de la puissance requise, qui est définie par les boutons de commande. À sa sortie, une séquence d'impulsions est formée, qui est transmise à travers un filtre passe-bas (Z1) à l'entrée inverseuse du comparateur. Son entrée non inverseuse après le filtre passe-bas (Z2) reçoit la tension retirée de la charge. À partir de la sortie du comparateur, un signal d'erreur d'un bit est envoyé à l'entrée du microcontrôleur, où il est soumis à un filtrage numérique.

Étant donné que le filtre numérique (DF) fonctionne de manière synchrone avec les modulateurs, une suppression efficace des ondulations à la fréquence de répétition des séquences d'impulsions de sortie et de ses harmoniques est assurée. À partir de la sortie du filtre numérique, un signal d'erreur de huit bits est transmis au contrôleur intégrateur (IR). Pour améliorer la précision, le contrôleur intégrateur fonctionne dans une grille de seize bits. Les huit bits inférieurs du code de sortie du contrôleur sont envoyés à l'entrée du modulateur Mod. 2, à la sortie de laquelle est formée une séquence d'impulsions, transmise à la commande à thyristors.

Un tel contrôleur est très similaire en termes de circuits à celui décrit ci-dessus, il est donc logique de s'attarder uniquement sur ses différences. Sur la fig. La figure 4 montre une partie différente du circuit. Les broches restantes du microcontrôleur DD1 ne sont pas représentées dans le schéma. Ils sont connectés de la même manière. comme sur la fig. 2.

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Les ports d'E/S disponibles du microcontrôleur n'étant pas suffisants, nous avons dû abandonner l'utilisation du comparateur intégré. Au lieu de cela, le régulateur utilise un double comparateur DA2. Sur l'un (DA2.1), une unité de liaison est assemblée aux instants de transition par zéro de la tension secteur. En raison des particularités du microcircuit LM393, une résistance R19 a dû être ajoutée à ce nœud, qui, avec les résistances R2 et R3 (voir Fig. 2), forme un diviseur de tension qui réduit la tension de polarité négative aux entrées du comparateur. Le signal (méandre de fréquence du secteur) de la sortie du comparateur est envoyé à l'entrée du microcontrôleur P3.2.

Le deuxième comparateur (DA2.2) est utilisé dans le circuit de rétroaction. Un signal d'erreur sur un seul bit est entré dans le microcontrôleur P3.5. Les entrées du comparateur sont équipées d'un filtre passe-bas. formé par les éléments R23, C7 et R24, C8. Le signal de la sortie du modulateur (sortie du port P3.4 du microcontrôleur) est envoyé à l'entrée du filtre passe-bas via le diviseur R22R26. ce qui est nécessaire car le comparateur ne peut pas fonctionner avec une tension d'entrée proche de la tension d'alimentation. L'amplitude des impulsions après le diviseur est d'environ 3,5 V. La stabilité de l'amplitude est déterminée par la stabilité de la tension d'alimentation +5 V, qui est utilisée à titre d'exemple.

La tension retirée de la charge est introduite à l'entrée d'un autre filtre passe-bas également via le diviseur R20R21. C'est ainsi qu'il est choisi. de sorte qu'à la tension nominale du réseau et à la puissance dans la charge de 100 %, la tension à la sortie du filtre passe-bas soit de 3,5 V. Le signal de la sortie du microcontrôleur RZ.Z est envoyé au transistor interrupteur qui contrôle les optothyristors. Le transformateur de réseau comporte un enroulement supplémentaire (111), auquel est connecté un redresseur commandé, formé d'optothyristors VS1. VS2 et ensemble diode VD7. à partir duquel ils alimentent la charge.

Les boutons de commande pour enregistrer les ports du microcontrôleur sont connectés différemment que dans l'appareil précédent. Il y a un écart dans le cycle du régulateur lorsque les indicateurs sont éteints. À cette époque, il était possible de scanner les boutons le long des lignes de commande des indicateurs. Ainsi, les trois boutons n'utilisent qu'une seule ligne supplémentaire : il s'agit de la ligne de retour reliée à la broche du port P3.7. Le troisième bouton était nécessaire pour le mode "Automatique". Immédiatement après la mise sous tension, l'appareil se trouve en mode de commande manuelle, c'est-à-dire qu'il est fonctionnellement équivalent au contrôleur décrit ci-dessus. Pour activer le contrôle automatique, appuyez simultanément sur les boutons "Automatique" et "+". Dans ce cas, la LED HL1 "Automatique" s'allume. Dans ce mode, le contrôleur maintient automatiquement la puissance définie. Si vous maintenez maintenant enfoncé le bouton "Automatique", vous pouvez voir l'état actuel du régulateur sur les indicateurs. Lorsque la tension secteur a tellement diminué qu'il n'est plus possible de maintenir l'alimentation, la LED « Automatique » commence à clignoter. Vous pouvez désactiver le mode de contrôle automatique en appuyant simultanément sur les boutons "Automatique" et "-".

Les codes du micrologiciel du programme du microcontrôleur de ce régulateur sont indiqués dans le tableau. 2.

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Lorsque le courant de charge est supérieur à 2 A, les optothyristors doivent être installés sur le dissipateur thermique. La plaque du dissipateur thermique du boîtier de l'optothyristor est reliée à l'anode, de sorte que les appareils peuvent être montés sur un dissipateur thermique dans l'appareil. A la place du VD7, il est conseillé d'utiliser un ensemble de diodes Schottky (ou deux diodes Schottky distinctes, par exemple KD2998A). Dans les cas extrêmes, vous pouvez utiliser des diodes conventionnelles conçues pour le courant de charge requis. De bons résultats peuvent être obtenus avec les diodes de la série KD2997. KD2999. KD213. Le comparateur LM393 est produit par le logiciel Integral sous la désignation IL393. Vous pouvez également utiliser deux comparateurs distincts, par exemple LM311. Au lieu du transistor KP505A, il est permis d'utiliser un transistor bipolaire des séries KT815, KT817 en incluant une résistance de 2 kΩ dans le circuit collecteur du transistor VT1. Le reste des exigences est le même. comme pour le contrôleur décrit ci-dessus.

Lors du réglage du régulateur, une charge y est connectée et la tension nominale du secteur est fournie (par exemple, en utilisant LATR). Ensuite, réglage de la puissance maximale (100%). La résistance ajustable R21 garantit que la différence de tension aux entrées du comparateur 0A2.2 est proche de zéro. Après cela, réduisez la puissance à 90 % et activez le mode "Automatique". En ajustant la résistance R21, la correspondance (avec une précision de ± 1) de la puissance installée et les lectures des indicateurs en mode contrôle de l'état du régulateur (lorsque le bouton "Automatique" est enfoncé) est obtenue.

littérature

1. Biryukov S. Régulateur triac à deux canaux. - Radio. 2000. N° 2. p. 32.33.,
2. Microcontrôleur AT89C2051 8 bits avec Flash de 2 Ko. Fiche technique Atmel. - vww.atmel.com/atrnel/postscript/firsl_page/doc0368a.gif.

Auteur : L.Ridiko, Minsk, Biélorussie

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