Как сделать простой регулятор напряжения своими руками

В электрических схемах для изменения уровня выходного сигнала используется регулятор напряжения. Основное его назначение — изменять подаваемую на нагрузку мощность. C помощью устройства управляют оборотами электродвигателей, уровнем освещённости, громкостью звука, нагревом приборов. В радиомагазинах можно приобрести готовое изделие, но несложно изготовить регулятор напряжения своими руками.

Описание устройства

Регулятором напряжения называется электронный прибор, служащий для повышения или понижения уровня выходного сигнала, в зависимости от величины разности потенциалов на его входе. То есть это устройство, с помощью которого можно управлять значением мощности, подводимой к нагрузке. При этом регулировать подаваемый уровень энергии можно как на реактивной, так и активной нагрузке.

Самым простым устройством, с помощью которого можно изменять уровень сигнала, считается реостат. Он представляет собой резистор, имеющий два вывода, один из которых подвижный. При перемещении ползункового вывода реостата изменяется сопротивление. Для этого он подключается параллельно нагрузке. Фактически это делитель напряжения, позволяющий регулировать величину разности потенциалов на нагрузке в пределах от нуля до значения, выдаваемого источником энергии.

Использование реостата ограничено мощностью, которую можно через него пропустить. Так как при больших значениях тока или напряжения он начинает сильно нагреваться и в итоге перегорает, поэтому на практике применение реостата ограничено. Его используют в параметрических стабилизаторах, элементах электрического фильтра, усилителях звука и регуляторах освещённости небольшой мощности.

Разновидности приборов

По виду выходного сигнала регуляторы разделяют на стабилизированные и нестабилизированные. Также они могут быть аналоговыми и цифровыми (интегральными). Первые строятся на основе тиристоров или операционных усилителей. Их управление осуществляется путём изменения параметров RC цепочки обратной связи. Совместно с ними для повышения мощности применяются биполярные или полевые транзисторы. Работа же интегральных устройств связана с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), поэтому в цифровой схемотехнике используются микроконтроллеры и силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме.

При изготовлении самодельного регулятора напряжения могут быть использованы следующие элементы:

Первые два типа имеют несложные схемы и довольно просты к самостоятельной сборке. Их можно изготавливать без использования печатной платы с помощью навесного монтажа, в то время как импульсные регуляторы на основе микроконтроллеров требуют более обширных знаний в радиоэлектронике и программировании.

Характеристика регулятора

По своему виду приспособления могут изготавливаться в портативном или стационарном исполнении. Устанавливаются они в любом положении: вертикальном, потолочном, горизонтальном.

Устройства могут крепиться с использованием дин-рейки или встраиваться в различные блоки и приборы. Конструктивно регуляторы возможно изготовить как корпусными, так и без помещения в корпус.

К основным характеристикам устройств относят следующие параметры:

Особенности изготовления

Другой путь подразумевает самостоятельное приобретение радиокомпонентов и изготовление в случае необходимости печатной платы. Используя второй способ, можно будет сэкономить, но он занимает больше времени.

Существует множество схем разного уровня сложности для самостоятельного изготовления. Но чтобы сделать регулятор напряжения, кроме схемы, понадобится подготовить следующие инструменты, приборы и материалы:

Если планируется собирать устройство, состоящее из 6 и более элементов, то целесообразно будет смастерить печатную плату. Для этого необходимо иметь фольгированный текстолит, хлорное железо и лазерный принтер.

Техника изготовления печатной платы в домашних условиях называется лазерно-утюжной (ЛУТ). Её суть заключается в распечатывании печатной платы на глянцевом листе бумаги, и переносом изображения на текстолит с помощью проглаживания утюгом. Затем плату погружают в раствор хлорного железа. В нём открытые участки меди растворяются, а закрытые с переведённым изображением формируют необходимые соединения.

При самостоятельном изготовлении прибора важно соблюдать осторожность и помнить про электробезопасность, особенно при работе с сетью переменного тока 220 В. Обычно правильно собранный регулятор из исправных радиодеталей не нуждается в настройке и сразу начинает работать.

Простые схемы

Для управления величиной выходного напряжения для слабо мощных устройств можно собрать простой регулятор напряжения на 2 деталях. Понадобится лишь транзистор и переменный резистор. Работа схемы проста: с помощью переменного резистора происходит индуцирование (отпирание транзистора).

Если управляющий вывод резистора находится в нижнем положении, то напряжение на выходе схемы равно нулю. А если вывод перемещается в верхнее положение, то транзистор максимально становится открытым, а уровень выходного сигнала будет равен напряжению источника питания за вычетом падения разности потенциалов на транзисторе.

При изменении сопротивления регулируется величина напряжения на выходе. В зависимости от типа транзистора изменяется и схема включения. Чем номинал переменного резистора будет меньше, тем регулировка будет плавней. Недостатком схемы является чрезмерный нагрев транзистора, поэтому чем больше будет разница между Uвх и Uвых, тем он будет сильнее нагреваться.

Такую схему удобно применять для регулировки вращения компьютерных вентиляторов или других слабых двигателей, а также светодиодов.

Симисторный вид

Для регулировки переменного напряжения используются симисторные регуляторы, с помощью которых можно управлять мощностью паяльника или лампочки. Собрав схему на недорогом и доступном симисторе BT136, можно изменять мощность нагрузки в пределах 100 ватт.

Для сборки схемы понадобится:

Принцип работы регулятора заключается в следующем: через цепочку, состоящую из динистора DN1, конденсатора C1 и диода D1, ток поступает на симистор DN2, что приводит к его открытию. Момент открытия зависит от ёмкости C1, которая заряжается через резисторы R1 и R2. Соответственно, изменением сопротивления R1 управляется скорость заряда C1.

Несмотря на простоту, такая схема отлично справляется с регулировкой вольтажа нагревательных устройств, использующих вольфрамовую нить. Но так как такая схема не имеет обратной связи, использовать её для управления оборотами коллекторного электродвигателя нельзя.

Реле напряжения

Для автолюбителей важным элементом является устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети в установленных пределах при изменении различных факторов, например, оборотов генератора, включении или выключении фар. Использующиеся для этого приборы работают по одинаковому принципу – стабилизация напряжения путём изменения тока возбуждения. Иными словами, если уровень сигнала на входе изменяется, то устройство уменьшает или увеличивает ток возбуждения.

Собранная схема своими руками реле-регулятора напряжения должна:

Упрощённо принцип работы можно описать в следующем виде: при величине напряжения, превышающей установленное значение, ротор отключается, а при её нормализации запускается вновь. Основным элементом схемы является ШИМ стабилизатор LM 2576 ADJ.

Микросхема TC4420EPA предназначена для моментального переключения транзистора. С помощью резистора R3, конденсатора C1 и стабилитронов VD1, VD2 осуществляется защита микросхемы и полевого транзистора. Резисторы R1 и R2 задают опорное напряжение для стабилизатора. DD1 управляет работой полевого транзистора и ротора. Диод D2 используется для ограничения управляющего напряжения. Индуктивность L1 обеспечивает плавность разрядки ротора через диоды D4 и D5 при размыкании цепи.

Управляемый блок питания

Конструируя различные схемы, радиолюбители часто собирают источники напряжений. Спаяв регулятор постоянного напряжения своими руками, его можно будет использовать как управляемый блок питания в диапазоне от 0 до 12В.

Собираемый источник напряжения состоит из 2 частей: блока питания и параметрического регулятора напряжения. Первая часть изготавливается по классической схеме: понижающий трансформатор — выпрямительный блок. Типом используемого трансформатора, выпрямительных диодов и транзистора определяется мощность устройства. Переменное напряжение сети понижается в трансформаторе до 11 вольт, после чего попадает на диодный мост VD1, где становится постоянным. Конденсатор C1 используется как сглаживающий фильтр. Сигнал поступает на параметрический стабилизатор, состоящий из резистора R1 и стабилитрона VD2.

Параллельно стабилитрону подключён резистор R2, которым и изменяется уровень выходного напряжения. Транзисторы включены по упрощённой схеме эмиттерного повторителя, и при появлении на их переходах напряжения начинают работать в режиме усиления тока. То есть сигнал, снятый с R2, поступает на выход прибора через транзисторы, которые снижают его значение на величину своего насыщения. Таким образом, чем больше подаётся на них напряжение, тем сильнее они открываются и больше мощности поступает на выход.

Этот регулируемый блок питания может работать с нагрузкой до трёх ампер, то есть обеспечивать мощность до 30 ватт. Если есть опыт, то схема паяется навесным монтажом с использованием проводов любого сечения.

Источник

Регулирование напряжения в цепях постоянного тока

Сегодня, как в промышленности, так и в гражданской сфере, есть немало установок, электроприводов, технологий, где для питания требуется не переменное, а постоянное напряжение. К таким установкам относятся различные промышленные станки, строительное оборудование, двигатели электротранспорта (метро, троллейбус, погрузчик, электрокар), и другие установки постоянного тока разного рода.

Напряжение питания для некоторых из этих устройств должно быть изменяемым, чтобы например изменяющийся ток питания электродвигателя приводил бы к соответствующему изменению скорости вращения его ротора.

Один из первых способов регулировки постоянного напряжения — регулирование при помощи реостата. Затем можно вспомнить схему двигатель — генератор — двигатель, где опять же регулированием тока в обмотке возбуждения генератора достигалось изменение рабочих параметров конечного двигателя.

Но эти системы не экономичны, они считаются устаревшими, и гораздо более современными являются схемы регулирования на базе тиристоров. Тиристорное регулирование более экономично, более гибко, и не приводит к увеличению массо-габаритных параметров установки целиком. Однако, обо всем по порядку.

Реостатное регулирование (регулирование при помощи добавочных резисторов)

Регулирование при помощи цепи последовательно соединенных резисторов позволяет изменять ток и напряжение питания электродвигателя путем ограничения тока в его якорной цепи. Схематически это выглядит как цепочка добавочных резисторов, присоединенных последовательно к обмотке двигателя, и включенных между ней и плюсовой клеммой источника питания.

Часть резисторов может быть по мере надобности шунтирована контакторами, чтобы соответствующим образом изменился ток через обмотку двигателя. Раньше в тяговых электроприводах такой метод регулирования был распространен весьма широко, и за неимением альтернатив приходилось мириться с очень низким КПД в силу значительных тепловых потерь на резисторах. Очевидно, это наименее эффективный метод — лишняя мощность просто рассеивается в виде ненужного тепла.

Регулирование по системе двигатель — генератор — двигатель

Здесь напряжение для питания мотора постоянного тока получается на месте, при помощи генератора постоянного тока. Приводной мотор вращает генератор постоянного тока, который и питает в свою очередь мотор исполнительного механизма.

Регулирование рабочих параметров двигателя исполнительного механизма достигается путем изменения тока обмотки возбуждения генератора. Больше ток обмотки возбуждения генератора — большее напряжение подается на конечный двигатель, меньше ток обмотки возбуждения генератора — меньшее напряжение, соответственно, подается на конечный двигатель.

Данная система, на первый взгляд, более эффективна, чем просто рассеивание энергии в виде тепла на резисторах, однако и она отличается своими недостатками. Во-первых, система содержит две дополнительные, довольно габаритные, электрические машины, которые необходимо время от времени обслуживать. Во-вторых, система инерционна — соединенные три машины не в состоянии резко изменить свой ход. В результате снова КПД получается низким. Однако, на протяжении некоторого времени такие системы использовались на заводах в 20 веке.

Метод тиристорного регулирования

С появлением во второй половине 20 века полупроводниковых приборов, появилась возможность создания малогабаритных тиристорных регуляторов для двигателей постоянного тока. Двигатель постоянного тока теперь просто подключался к сети переменного тока через тиристор, и, варьируя фазу открывания тиристора, стало возможным получить плавное регулирование скорости вращения ротора двигателя. Этот метод позволил совершить рывок в подъеме КПД и быстродействия преобразователей для питания моторов постоянного тока.

Метод тиристорного регулирования и сейчас используется, в частности, для управления скоростью вращения барабана в автоматических стиральных машинах, где в качестве привода служит коллекторный высокооборотный мотор. Справедливости ради отметим, что аналогичный метод регулирования работает и в тиристорных диммерах, способных управлять яркостью свечения ламп накаливания.

Регулировка на базе ШИМ со звеном переменного напряжения

Постоянный ток при помощи инвертора преобразуется в переменный ток, который затем при помощи трансформатора повышается или понижается, после чего выпрямляется. Выпрямленное напряжение подается на обмотки электродвигателя постоянного тока. Возможно дополнительное импульсное регулирование посредством ШИМ-модуляции, тогда достигаемый эффект на выходе несколько похож на тиристорное регулирование.

Наличие трансформатора и инвертора в принципе приводит к удорожанию системы в целом, однако современная полупроводниковая база позволяет строить конверторы в виде готовых малогабаритных устройств с питанием от сети переменного тока, где трансформатор стоит высокочастотный импульсный, и в итоге габариты получаются небольшими, а КПД уже достигает 90%.

Импульсное управление

Система импульсного управления моторами постоянного тока похожа по своему устройству на импульсный DC-DC преобразователь. Этот метод является одним из наиболее современных, и именно его используют сегодня в электрокарах и внедряют в метро. Звено понижающего преобразователя (диод и дроссель) объединено в последовательную цепь с обмоткой мотора, и регулируя ширину подаваемых на звено импульсов, добиваются требуемого среднего тока через обмотку мотора.

Такие импульсные системы управления, по сути — импульсные преобразователи, отличаются более высоким КПД — более 90%, и обладают отличным быстродействием. Здесь открываются широкие возможности для рекуперации электроэнергии, что весьма актуально для станков с большой инерционностью и для электрокаров.

Источник

Как регулировать мощность переменного тока

Решил как-то отец собрать для дачи некое устройство, в котором, по его заверению, можно будет варить сыр. Устройство сие вид имело могучий и представляло из себя железный короб, подозрительно напоминающий старую стиральную машинку. Внутрь короба (все также добротно!) были вмонтированы три тэна по 1700 Ватт каждый. В общем сыра должно было хватить на небольшой посёлок.

Изделие (внешне выглядящее как что-то из безумного макса), должно быть весьма технологичным и поддерживать заданную температуру в максимально узких пределах. Для этого рядом появилась ещё одна коробка с симисторами, к которым подключались ТЭНы и схема, выдающая высокий уровень при переходе синусоиды через ноль. А у меня появился интересный проект.

Итак нам нужно выходить на заданную температуру и поддерживать её, с этим должен справляться алгоритм ПИД регулятора. Глубоко вдаваться в его работу не буду, скажу лишь что он получает на вход текущую ошибку, а на выходе выдает какое-то число в заданных пределах. У меня таким числом будет мощность выдаваемая на ТЭН, хотя в принципе, это может быть любой инерционный процесс, например обороты двигателя. Что важно для ПИД регулятора, это чтобы выходная величина производила воздействие линейно. Поэтому попробуем разобраться в способах регулировки мощности и их линейности.

Как вообще регулируется мощность?

Так как при постоянном сопротивлении и напряжении ток тоже будет постоянным, то заменим ось тока на ось времени. Сопротивление я беру постоянным для объяснения принципа регулирования.

Тогда при заданном напряжении (12 В) и сопротивлении в 12 Ом, по закону Ома: I=U/R, получаем ток равный 1 А, и соответственно мощность за единицу времени будет равна 12 Вт. При другом сопротивлении мощность, естественно тоже изменится.

Теперь, если мы хотим регулировать мощность за единицу времени, нам нужно как-то изменять площадь фигуры за единицу времени. Самым чистым способом будет просто изменять напряжение, тогда и мощность будет пропорционально изменяться. Но контроллер, как и любые цифровые устройства, не умеет плавно изменять напряжение на ножках, он может либо «поднимать» их до высокого уровня, либо «опускать» до низкого уровня. Этот недостаток он компенсирует скоростью, даже самый дохленький современный МК может работать на частотах в миллионы тактов в секунду. Чтобы регулировать мощность, контроллер будет очень быстро «дрыгать» ножкой, тем самым изменяя результирующая площадь импульса за единицу времени.

На этом принципе устроена широтно-импульсная модуляция, она же ШИМ. Изменяя время (ширину) импульса за период мы изменяем выдаваемую мощность. На рисунке выше, показано два периода ШИМа. Каждый период имеет отношение площади импульса к площади всего периода 0.5, те половину времени периода контроллер выдает высокий уровень сигнала, другую половину низкий. Отношение времени высокого уровня сигнала к времени низкого называется скважностью. Красная линия на графике отражает результирующую мощность за единицу времени, по ней видно что при скважности 0.5 мощность также упала на половину (с 12 до 6 Вт). Хорошая новость состоит в том, что, ШИМ в контроллерах реализован аппаратно. Так что для регулирования чего-то достаточно его запустить и, по необходимости, изменять скважность.

Для постоянного тока, режим ШИМа оптимален, причем чем более инерционный прибор мы к нему подключаем, тем меньшую частоту ШИМа можно использовать. Для большого ТЭНа достаточно чуть ли не одного герца, а вот для светодиодов лучше использовать частоту побольше. Кстати частота ШИМа в подсветке экрана ноутбука, зачастую оказывается чуть ли не решающим фактором при покупке, так как, при слишком низкой частоте, глаза будут быстро уставать.

Если попробовать провернуть трюк с ШИМом для переменного напряжения, мы увидим что все сломалось и мощность перестала регулироваться линейно

одинаковые промежутки времени стали давать нам разную площадь, а значит разную мощность. Однако, если разбить полученные отрезки на на ещё более мелкие, то процентное соотношение ширины импульса к ширине кусочка будет выравниваться.

Если мы возьмем равный процент выдаваемой мощности от каждого кусочка, в результате мы получим такой же процент, от мощности всей волны, а на выходе мы получим линейный регулятор мощности для переменного тока. Причем чем большую частоту будет иметь ШИМа, тем на большее количество кусочков он разобьет синусоиду, а значит мы получим большую линейность.

В случае с симисторами лучше разбить синусоиду на куски с одинаковыми площадями и записать время каждого такого кусочка в таблицу. Тогда каждое последующее значение из таблицы будет линейно увеличивать мощность.

На графике выше полуволна синусоиды разбита на части разные по времени, но имеющие одинаковую площадь, а значит несущие в себе одинаковую мощность. Все что нам останется сделать это загрузить таблицу с временными интервалам в наш котроллер, синхронизировать какой-то из его таймеров с частотой синусоиды, для этого используется схема перехода через ноль, и просто брать из таблички нужное значение, в течении которого будет высокий уровень. Суть метода похожа на ШИМ, но немного доработанный и синхронизированный с источником переменного напряжения.

Расчёт таблицы мощности

Теперь можно перейти непосредственно к расчёту.

Неопределённый интеграл от квадрата синуса

Теперь нужно подобрать пределы для определенных интегралов. Выберем, насколько частей мы хотим разбить нашу синусоиду: я выбрал сто, чтобы можно было регулировать мощность с шагом в 1%.

Итак мы нашли чему будет равен неопределённый интеграл и даже выбрали шаг. Теперь нужно подобрать пределы интегрирования. Смысл их подбора заключается в том, чтобы значение определенного интеграла было постоянным при их смене. Напомню, что неопределенный интеграл это формула, а определённый вполне конкретное число. Определённый интеграл считается по формуле:

То есть мы берем неопределённый интеграл, подставляем в него верхнее число, затем нижнее, и вычитаем второе из первого.

Наш неопределённый интеграл является смешанной тригонометрической функцией, а значит не имеет общего аналитического решения. Чаще всего такие функции решаются либо числовыми, либо графическими методами. Графический метода заключается в том что мы строим графики для правой и левой части уравнения их пересечение будет решением уравнения. На рисунке показано решение уравнения для 0.2

Наряду с графическим методом можно использовать численный, то есть подбор решения. Будем подставлять в неопределённый интеграл числа до тех пор пока не найдём решение). Можно использовать лист и бумажку чтобы попрактиковаться в математике, можно онлайн калькулятор, я же буду использовать Python и библиотеки numpy:

Отлично мы получили массив чисел (пределов интегрирования!), валидность этих чисел можно проверить подставив их в интеграл. В результате должна получится площадь равная выбранному шагу! Теперь, если подставить полученные числа на график мощности, должна получится следующая картина:

Если все сошлось, то можно двигаться дальше и задать получившимся числам размерность времени, потому что сейчас они в радианах. Чтобы это сделать нужно выяснить угловую скорость, для частоты сети, то есть количество радиан в секунду.

Тогда узнаем сколько сколько длится одна радиана

Для расчётов я опять предпочту python:

На этом моменте мы получили универсальную таблицу задержек, теперь необходимо конвертировать её специально под микроконтроллер.

Расчёт таймера МК и перевод таблицы

Для определения минимально допустимой частоты таймера, надо найти числа в массиве с минимальной разностью между ними. Разность тем меньше, чем ближе в максимуму синусоиды мы двигаемся. Тогда возьмем задержку при которой синусоида достигает единицы и число перед ним, после чего найдем их разность:

Получившееся число является максимально допустимым периодом между прерываниями таймера, тогда через него найдём минимально допустимую частоту

Значит для заданной точности в 1% будет достаточно таймера с частотой 15КГц. Частота МК составляет 16 МГц, значит между прерываниями будет 1000 тактов процессора, этого достаточно для выполнения остальной части программы, так что можно смело настраивать таймер на заданную частоту.

Число = Тактовая частота МК / предделитель таймера / выбранная частота

Частота выбрана, теперь нужно перевести таблицу в тики таймера. Делать я это буду опять на Python

В общем-то на этом весь расчёт окончен, остается только отзеркалить получившийся массив для второй половины полуволны и загрузить в МК. Далее по прерыванию от синхроимпульса, нужно подать низкий уровень, на ножку управления симистором, запустить таймер и считать его переполнения (совпадения, тк. у нас режим CTC). Как только количество переполнений достигнет нужного числа из таблички, подаем высокий уровень на управляющую ножку. На этом линейный регулятор мощности переменного напряжения готов!

Заключение

Надеюсь статья была понятна и её было интересно читать. В дополнение хотелось бы сказать, сигнал перехода через ноль не приходит идеально вовремя, поэтому может потребоваться дополнительная коррекция, чтобы это исправить.

Код расчетов на python

Также, если кому-то будет интересно, могу поделится исходником готового регулятора для ардуино.

Источник