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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Régulateur de puissance de phase à 12 canaux. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Alimentations L'article décrit un contrôleur de phase multicanal basé sur des microcontrôleurs AT89C4051-24PU huit bits. L'appareil comprend une unité de commutation et six régulateurs de phase, chacun étant capable de contrôler deux charges d'une puissance de 1,15 kW (limitées par les capacités des filtres réseau appliqués). De plus, chacun des doubles régulateurs dispose d’une horloge en temps réel. Le dispositif est réalisé sur une base d'éléments accessibles et peut être répliqué par des radioamateurs moyennement qualifiés. Le schéma fonctionnel d'un régulateur de phase à 12 canaux est illustré à la Fig. 1. Ici, A1-A6 sont des régulateurs de puissance de phase à deux canaux identiques en termes de circuit, de conception et d'algorithme de fonctionnement ; S1 est une unité de commutation utilisée pour réguler la puissance, régler l'heure actuelle et le temps de réponse de deux alarmes. Un diagramme schématique d'un régulateur de puissance à deux canaux est présenté sur la Fig. 2, et le bloc de commutation - sur la Fig. 3.
Les prises XS1-1 - XS1-6 de l'unité de commutation sont conçues pour connecter les fiches XP4 des régulateurs 1-6. Chaque régulateur dispose de deux régulateurs de phase indépendants et met en œuvre en outre les fonctions d'une horloge électronique. Le régulateur et ses fonctions seront décrits en détail ci-dessous. L'interrupteur SA1 de l'unité de commutation comporte six positions. S'il est réglé sur la position "1", alors les boutons SB1-SB4 sont connectés au contrôleur 1 et vous pouvez définir les paramètres de ce contrôleur. Ainsi, s'il est réglé sur la position "2", vous pouvez définir les paramètres du contrôleur 2, etc. Considérons en détail le fonctionnement du régulateur 1 (SA1 - en position "1"). L'appareil a les fonctions suivantes : - deux canaux indépendants de régulation phase-impulsion ; - indication de l'heure actuelle au format 24 heures sur un affichage à quatre chiffres en mode heures-minutes (mode "Horloge 2") ; - réglage de l'heure actuelle et son réglage ; - travailler en mode minute-seconde (mode "Clock 1"); - deux réveils, lors de leur déclenchement, les charges reliées respectivement aux connecteurs XP5 et XP6 (TV, radio, chauffage électrique, etc.) sont allumées, et pendant 10 secondes une alarme lumineuse et sonore intermittente avec une fréquence de répétition de 1 Hz ; - émettre un signal sonore court (durée 1 s) au début de chaque heure et forcer l'extinction de l'alarme lumineuse et sonore par le bouton au moment où l'alarme se déclenche. Ainsi, six modes de fonctionnement sont proposés : « Horloge 1 », « Horloge 2 », « Bouton 1 », « Bouton 2 », « Alarme 1 » et « Alarme 2 ». Deux contrôleurs de puissance indépendants sont montés respectivement sur les simulateurs VS1 et VS2. La régulation de puissance est effectuée par contrôle d'impulsion de phase des triacs. L'intervalle de contrôle de la puissance de sortie de chaque canal est défini en unités relatives de 0 à 99. Bien entendu, les régulateurs contrôlés par impulsion de phase créent du bruit, mais ils sont faciles à mettre en œuvre et vous permettent de réguler la puissance de charges telles que des lampes à incandescence, des radiateurs. , moteurs à induction AC, etc. L'interface du contrôleur comprend les boutons SB1-SB4 (Fig. 3), les bandes LED HL1, HL2 et un affichage de six indicateurs numériques à sept éléments HG1-HG6 (voir Fig. 2). La fonction des boutons est la suivante :
Dans n'importe quel mode de fonctionnement de l'appareil, chaque bouton ne remplit qu'une seule fonction (à l'exception de la désactivation des signaux sonores et lumineux lorsque les alarmes sont activées). Les bits d'indication d'interface ont les objectifs suivants (de droite à gauche sur la figure 2) :
Après la mise sous tension, l'appareil passe en mode Horloge 1. Pour régler l'heure actuelle, vous devez appuyer sur le bouton SB1 pour accéder au mode « Horloge 2 » (le chiffre 1 doit apparaître sur l'indicateur HG1), puis appuyer une fois sur le bouton SB4. Dans ce cas, le chiffre de l'unité des minutes sera sélectionné (le point h de l'indicateur HG6 commencera à s'allumer). La valeur de décharge requise est réglée à l'aide des boutons SB2 et SB3. La prochaine fois que vous appuyez sur SB4, le chiffre des dizaines de minutes est sélectionné (le point h est activé sur l'indicateur HG5), etc. Après avoir réglé la valeur dans le chiffre des dizaines d'heures (indicateur HG2), appuyez à nouveau sur le bouton SB4, ainsi permettant de compter le temps. Pour régler la valeur de puissance dans le canal 1, utilisez le bouton SB1 pour sélectionner le mode de fonctionnement « Régulateur 1 » (le chiffre 1 doit s'allumer sur l'indicateur HG2). Utilisez ensuite le bouton SB4 pour sélectionner une décharge et utilisez les boutons SB2 (« Plus ») et SB3 (« Less ») pour régler la valeur de puissance requise. Lors du réglage de l'heure en mode « Horloge 2 », le comptage de l'heure actuelle est interdit ; dans tous les autres modes, il est activé. Après avoir réglé l'heure des alarmes 1 et 2 (la sélection des chiffres se termine avec le bouton SB4), les bandes lumineuses HL1 et HL2 s'allument respectivement. La bande lumineuse indique que l’heure d’alarme réglée a été enregistrée dans la mémoire du microcontrôleur (elle peut être reprogrammée si nécessaire). Si l'heure actuelle coïncide avec l'heure réglée dans les modes « Alarme 1 » et « Alarme 2 », une alarme sonore (HA10) et lumineuse (HL1) intermittente est activée pendant 1 s avec des intervalles d'allumage et d'extinction de 0,5 s. Au bout de ce temps, la réglette lumineuse HL1 allumée s'éteint. Considérons les principales unités fonctionnelles du régulateur 1 (voir Fig. 2). Sa base est le microcontrôleur DD1, dont la fréquence de fonctionnement est réglée par un générateur avec un résonateur à quartz externe ZQ1 à 10 MHz. Un capteur de tension secteur est monté sur des optocoupleurs à transistors de l'ensemble U1. Il surveille les moments où la tension secteur passe à zéro. La tension de sortie du capteur de la résistance R8 est fournie à la broche 7 du microcontrôleur. Le canal de contrôle de puissance 1 est assemblé sur le triac VS1 et l'optocoupleur U2 et est contrôlé par un signal provenant de la broche 8 de DD1. La charge est connectée au connecteur XP2. Le deuxième canal est assemblé sur le triac VS2 et l'optocoupleur U3 et est contrôlé par un signal provenant de la broche 9 du microcontrôleur. La charge est connectée au connecteur XP3. Pour réduire le niveau d'interférence créé par les régulateurs, ceux-ci sont inclus dans le réseau via les filtres réseau Z1 et Z2. L'indication dynamique est effectuée sur les microcircuits DD2, DD3, les transistors VT1 -VT5 et les indicateurs numériques à sept éléments HG1-HG6. Le registre DD2 sert à augmenter le nombre de lignes de ports du microcontrôleur et contrôle les actionneurs internes : alarmes sonores et lumineuses (respectivement émetteur piézoélectrique HA1 et bandes lumineuses HL1 et HL2), optocoupleurs triac U4, U5, ainsi qu'une décharge sur l'indicateur HG1. Les résistances R9-R15 limitent le courant traversant les éléments indicateurs numériques. Le signal de la sortie 3 (broche 6) du registre DD2 à travers la résistance R26 allume et éteint périodiquement (avec une période de 1 s) l'élément g de l'indicateur HG4 dans les modes « Horloge 1 » et « Horloge 2 ». Le signal de la sortie 4 (broche 9) du registre DD2 à travers la résistance R27 active le point h dans l'un des indicateurs sélectionnés HG2, HG3, HG5, HG6. La partie numérique de l'appareil est isolée galvaniquement du réseau. Le programme du microcontrôleur contrôle le fonctionnement de l'horloge électronique et assure la mise en œuvre du contrôle des impulsions de phase des régulateurs de puissance triac. La tâche principale de la partie "horloge" du programme - la formation d'intervalles de temps précis d'une durée de 1 seconde - est résolue à l'aide d'interruptions de la minuterie TF0. Dans le cycle de la routine de traitement des interruptions du temporisateur TF0, toutes les 80 μs, le microcontrôleur interroge l'état de la broche 7. Les compteurs des registres R4, R6 comptent le nombre d'interruptions, et lorsqu'il devient égal à une certaine valeur, le temps actuel augmente de une seconde. L'heure actuelle est ajustée toutes les heures. Dans cet appareil, l'horloge est en retard d'environ 6 secondes par jour, ce qui est tout à fait acceptable dans la vie de tous les jours. Les interruptions de la minuterie TF0 fournissent également une indication dynamique. Appelons les octets que le microcontrôleur écrit périodiquement (avec une période de 3 ms) sur son port P1 et son registre synchrone DD2, respectivement, octets d'indication et d'état. La tétrade basse de l'octet d'indication est fournie à l'entrée du décodeur DD3 et détermine la valeur du chiffre, et les chiffres de la tétrade haute à travers les transistors VT2-VT5 contrôlent les indicateurs HG2, HG3, HG5, HG6 dans l'affichage dynamique . Le transistor VT1 et, par conséquent, l'indicateur HG1 sont contrôlés par un signal provenant de la broche 12 du registre DD2. Dans les modes « Contrôleur 1 » et « Contrôleur 2 », les voyants HG2 et HG3 sont éteints. Pour éteindre l'indicateur, il faut que le code F soit présent dans le poids faible de l'octet d'indication. Journal de niveau. 0 sur la broche 16 du microcontrôleur ouvre le transistor VT2 et allume l'indicateur HG2, un signal du même niveau sur la broche 17 ouvre le transistor VT3 et allume l'indicateur HG3, etc. La tétrade basse est un nombre décimal codé en binaire et, via le décodeur DD3, contrôle les éléments de tous les indicateurs, à l'exception du HG4. Lorsque les indicateurs HG2, HG3, HG5, HG6 s'allument, le microcontrôleur interroge l'état de son entrée INTO (P3.2 ; broche 6 de DD1). Chaque fois que le bouton SB1-SB4 est enfoncé, un niveau faible est présent à cette entrée avec les indicateurs indiqués allumés. Ainsi, chaque bouton de l'unité de commutation est « lié » à son « propre » chiffre dans l'ordre supérieur de l'octet d'indication. Considérons l'algorithme de fonctionnement du programme de régulateur d'impulsions de phase en utilisant l'exemple du canal 1. Les oscillogrammes expliquant le fonctionnement du régulateur sont présentés sur la Fig. 4. Dans chaque demi-cycle de la tension secteur (Fig. 4, a), le microcontrôleur allume le triac VS8 via l'optocoupleur U80 avec une impulsion de déclenchement de la broche 4 d'une durée de 1 μs (Fig. 2, c) . La valeur de puissance dans la charge connectée au connecteur XP2 dépend de la durée pendant laquelle le triac est allumé pendant chaque demi-cycle de la tension secteur. Pour que la valeur de puissance dans la charge augmente avec la valeur croissante de la puissance réglée sur l'indicateur de l'appareil, ainsi que pour obtenir une discrétion de contrôle égale à 1%, il est nécessaire que l'impulsion d'allumage du triac soit décalée (de de droite à gauche sur la Fig. 4,b) avec un pas de 100 μs à partir du moment où la tension du secteur passe par zéro lorsque la valeur de la puissance réglée sur l'indicateur de l'appareil augmente de un.
L'impulsion de déclenchement est fournie avec un certain retard par rapport au moment où la tension du secteur passe par « zéro ». Le moment de transition correspond au log. 0 sur la broche 7 du microcontrôleur (Fig. 4b). Le temps de retard est déterminé par le nombre sur l'indicateur de l'appareil en mode « Régulateur 1 », qui peut prendre une valeur de 0 à 99. Le sous-programme convertit ce nombre décimal binaire à deux chiffres en un nombre binaire à un octet. Ce numéro est chargé dans un compteur (registre R7), qui met en œuvre la temporisation. Comme déjà mentionné, le microcontrôleur interroge la sortie du capteur réseau toutes les 80 µs. Lorsque la tension secteur passe par zéro, le compteur démarre. Lorsque le bouton modifie le numéro affiché sur l'indicateur en mode « Régulateur 1 », le délai d'activation de l'impulsion de commande pour l'activation du triac VS1 change. C'est-à-dire qu'au moment où le triac est activé à chaque demi-cycle de la tension secteur et que la tension effective au niveau de la charge connectée au connecteur XP2 change. Le deuxième canal de l'appareil fonctionne de manière similaire, régulant la puissance de la charge connectée au connecteur XP3. L'angle de régulation du triac en fonction de la sortie de charge n'est pas le même. En réalité, dans l'appareil, l'intervalle de contrôle de puissance d'une lampe à incandescence de 100 watts selon l'indicateur est de 18 à 97. En d'autres termes, vous pouvez définir 79 niveaux de luminosité. Ceci est nécessaire dans les cas où la lampe est utilisée comme élément chauffant. Pour modifier la luminosité plus rapidement (pour l'éclairage, comme le montre la pratique, un si grand nombre de niveaux n'est pas nécessaire), vous pouvez modifier uniquement le chiffre le plus significatif de la plage relative de contrôle de la puissance réglée. En bref sur le programme. Un tampon d'affichage pour l'affichage dynamique est organisé dans la mémoire de données du microcontrôleur des adresses 2BN à 48H. La tétrade de poids faible de chaque octet dans le tampon d'affichage est un nombre décimal codé en binaire qui détermine la valeur numérique, et la tétrade de poids fort détermine le nombre de chiffres dans l'affichage dynamique. Ainsi, dans chaque octet du tampon, la valeur du nombre et sa place lors de l'affichage sont déterminées. Selon son objectif fonctionnel, en fonction du mode de fonctionnement de l'appareil, l'espace d'adressage du tampon est divisé en six groupes fonctionnels :
Chaque octet du groupe de fonctions de boucle dans la routine d'interruption de minuterie TF0 est émis vers le port P1 du microcontrôleur DD1. La tétrade de poids fort de l'octet d'indication est un code zéro courant. Ainsi, en écrivant les octets du groupe fonctionnel tampon dans un cycle un par un sur le port P1, on obtient un mode d'indication dynamique. Après avoir écrit l'octet d'indication sur le port P1, l'interrogation des boutons commence. En appuyant sur le bouton SB1, l'unité du registre R2 est décalée vers la gauche et définit ainsi l'un des cinq modes de fonctionnement ci-dessus. La première adresse des groupes fonctionnels est écrite dans le registre R0. Toutes les 3 ms dans le sous-programme de gestion des interruptions, le registre R0 est incrémenté. Dans le programme principal, l'heure actuelle est comptée et corrigée, le réveil est réglé, l'heure actuelle est comparée à l'heure du réveil, les signaux lumineux et sonores sont allumés, un nombre binaire-décimal à deux chiffres est traduit (le valeur du niveau de puissance réglé sur l'indicateur de l'appareil) dans le « Régulateur 1 » et le « Régulateur 2 » en binaire d'un octet pour implémenter l'algorithme de contrôle d'impulsion de phase. Le programme assembleur développé occupe environ 3,7 Ko de mémoire programme du microcontrôleur. Chacun des régulateurs et l'unité de commutation sont montés sur des planches à pain séparées mesurant 120x80 mm. Lors de l'installation des régulateurs, il est conseillé de séparer la partie numérique de l'appareil de la partie réseau. Toutes les résistances sont des C2-33N avec une puissance de dissipation de 0,125 W, mais toutes les autres avec la même puissance de dissipation et un écart de résistance admissible par rapport à la valeur nominale de ±5 % conviennent également. Les condensateurs C1, C4 sont en oxyde importé, C2, C3 sont en céramique K10-17. Il est utile d'installer des condensateurs de blocage K5-1 d'une capacité de 2 µF entre les bornes d'alimentation (+10 V et le fil commun) du microcontrôleur DD17 et du registre DD0,1. Sur l'écran, il est conseillé de mettre en évidence le chiffre indiquant le mode de fonctionnement actuel de l'appareil (indicateur HG1) sur fond d'autres chiffres. Par conséquent, pour cette catégorie, un indicateur rouge à sept éléments HDSP-F001 a été sélectionné (HDSP-F151 convient) ; indicateurs HG2-HG6 - vert HDSP-F501 (tous les autres avec une anode commune et une luminosité acceptable feront l'affaire). Dans l'indicateur HG4, seul le segment g est utilisé pour former le signe « - ». Le courant traversant les éléments indicateurs est déterminé par la capacité de charge du décodeur DD3. Pour le KR514ID2, le courant maximum autorisé de chaque sortie est de 22 mA. Bandes lumineuses HL1, HL2 - No.-2300EW rouge. Le courant traversant chaque canal de contrôle de puissance est limité à un courant maximum autorisé de 5 A via le filtre réseau FS-220 (Z1, Z2). Pour les charges légères et même si les exigences en matière de niveau sonore ne sont pas très élevées, les filtres de ligne peuvent être omis. Les charges sont connectées à l'appareil via des fiches MPW-2 (la contrepartie est des prises MHU-2). Au lieu de cela, vous pouvez utiliser des borniers TV-10-2. Si la puissance de charge nominale dans le canal de commande dépasse 100 W, le triac doit être installé sur le dissipateur thermique approprié. Le triac TIC236M, dont le courant admissible est de 12 A, permet de contrôler une charge jusqu'à 1,5 kW. Un remplacement possible est le triac domestique KU208G, mais sa sensibilité est bien pire : pour un fonctionnement fiable, un courant d'au moins 250 mA doit circuler à travers l'électrode de commande de ce triac, donc la résistance des résistances R1 et R3 doit être réduite à 100 Ohm. Pour les charges d'une puissance allant jusqu'à 2 kW, vous pouvez utiliser des triacs avec un courant admissible allant jusqu'à 16 A, par exemple ^C246N. Il est conseillé de mesurer les valeurs réelles du courant de contrôle et de maintien des triacs utilisés afin d'évaluer l'aptitude du triac à travailler avec une charge spécifique, particulièrement de faible puissance. Les optocoupleurs triac S202SE2 de SHARP (U4, U5) utilisés dans l'appareil peuvent commuter un courant jusqu'à 8 A. Ils sont activés à proximité du passage par zéro de la tension secteur. Il est possible d'utiliser des optocoupleurs S202S02, et si le courant commuté dans la charge ne dépasse pas 2 A, alors S202TO1. La consommation de courant d'une alimentation 5 V dans les régulateurs de puissance ne dépasse pas 80 mA. Le condensateur C1 de l'unité de commutation est un oxyde importé. Interrupteur Galet SA1 - PG2-12-6P8N (six positions et huit directions). Interrupteurs à bouton-poussoir SB1-SB4 - PKN125 ou similaire. L'appareil ne fournit aucun réglage ni ajustement, et si l'installation est effectuée correctement et que toutes les pièces sont en état de fonctionnement, il commence à fonctionner immédiatement après la mise sous tension. Lors de la vérification des canaux de contrôle de puissance, il est préférable d'effectuer la première mise sous tension avec une charge légère, par exemple avec une lampe à incandescence d'une puissance de 20...30 W. Il est conseillé de vérifier d'abord le canal de contrôle de puissance 1, puis 2. Pour ce faire, vous devez entrer dans le mode « Régulateur 1 » et, en modifiant le niveau de puissance à l'aide du clavier à l'aide de l'indicateur, surveiller l'évolution de la luminosité de la lampe. Si la lampe ne s'allume pas du tout, vous devez alors vérifier le signal du capteur réseau (broche 7 du microcontrôleur DD1) - la présence d'impulsions avec un niveau journal. 0 avec une durée de 1...1,2 ms et une période de 10 ms (Fig. 4,b). Auteur : S. Chichkine
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