В интернете, в литературе можно найти немало схем различных регуляторов мощности, как аналоговых, так и цифровых. Предлагаемое устройство, собранное на микроконтроллере ATMEL. В двух независимых каналах регулирования мощности устройства применен фазоимпульсный метод управления.
Принципиальная схема двухканального фазового регулятора мощности (далее устройства) приведена на Figure. 1, интерфейс управления на Figure. 2.
Устройство разработано на базе микроконтроллера фирмы ATMEL АТ89С4051-24PI. Два независимых регулятора мощности (два канала) собраны соответственно на симисторах VS1 и VS2. Регулирование мощности осуществляется фазоимпульсным управлением данных симисторов. Диапазон регулирования выходной мощности каждого канала задается в относительных единицах, от 0 до 99. Конечно, регуляторы с фазоимпульсным управлением создают помехи в питающей сети, но позволяют регулировать мощность (яркость излучения) таких нагрузок, как лампа накаливания. Например, к первому каналу регулятора можно подключить настольную лампу или торшер, второй канал будет регулировать подсветку в аквариуме и т. д.
В интерфейс управления (Figure. 2) входит клавиатура (кнопки S1…S4) и блок индикации из трех цифровых семисегментных индикаторах HG1…HG3.
В устройстве два основных режимов работы: “регулятор 1”, “регулятор 2”. Управление осуществляется с помощью клавиатуры, кнопки которой (по схеме S1…S4), имеют следующее назначение:
S1 ( Р) — выбор режима работы устройства в замкнутом цикле (“регулятор 1”, “регулятор 2”) после подачи питания устройство сразу переходит в режим “регулятор 1”, каждое нажатие данной кнопки переводит устройство в следующий режим;
S2 (▲) — увеличение значения подключаемой мощности регуляторов в режимах “регулятор 1”, “регулятор 2”, нажатие на данную кнопку увеличивает на единицу индицируемое значение в вышеуказанных режимах;
S3 ( ▼ ) — уменьшение значения выходной мощности регуляторов в режимах “регулятор 1”, “регулятор 2” каждое нажатие на данную кнопку уменьшает на единицу индицируемое значение в вышеуказанных режимах;
S4 (В) — отключение от сети нагрузок подключаемых к соединителям Х2, ХЗ, независимо от текущего значения индицируемого на индикаторах.
В любом режиме работы устройства, каждая кнопка выполняет только одну предназначаемую ей функцию.
Разряды индикации интерфейса имеют следующее назначение (справа налево по рис. 2).
1 разряд (индикатор HG3) отображает младший разряд задаваемого значения подключаемой мощности регуляторов в режимах “регулятор 1” и “регулятор 2”;
2 разряд (индикатор HG2) отображает старший разряд задаваемого значения подключаемой мощности регуляторов в режимах “регулятор 1” и “регулятор 2”;
3 разряд (индикатор HG1) отображает текущий режим работы устройства, если устройство работает в режиме “регулятор 1й — “2”; регулятор 2” — “3й.
После подачи питания устройство переходит в режим “ регулятор 1 ” (на индикаторе HG1 индицируется “1”).
Для задания нужного значения в каком -либо канале необходимо кнопкой S1 (Р) выбрать канал регулирования и кнопками S2 (▲), S3 ( ▼) установить требуемое значение. При нажатии на кнопку S4 (В) нагрузки подключенные к устройству отключаются от сети. При этом на выводах 8 и 9 микроконтроллера DD1 устанавливается сигнал уровня лог. 1. На индикаторах HG2, HG3 индицируются нули во всех режимах.
Рассмотрим основные, функциональные узлы принципиальной схемы.
Основой устройства служит микроконтроллер D1, рабочая частота которого задается генератором с внешним резонатором ZQ1 на 10 МГц.
На микросхеме DA1 собран датчик сетевого напряжения. Он отслеживает моменты перехода сетевого напряжения через нуль.
Выходное напряжение датчика с резистора R1 поступает на вывод 7 микроконтроллера. Канал регулирования мощности № 1 собран на симисторе VS1 и оптроне DA2. Канал управляется с вывода 8 микроконтроллера DD1. Нагрузка подключается к соединителю Х2. Канал регулирования мощности № 2 собран на симисторе VS2 и оптроне DA3. Канал управляется с вывода 9 микроконтроллера. Нагрузка подключается к соединителю ХЗ. Для уменьшения уровня помех, создаваемых регуляторами, они включены в сеть через сетевые фильтры А1 и А2.
Динамическая индикация собрана на микросхемах DD1, DD2; транзисторах VT1…VT3; цифровых семисегментных индикаторах HG1…HG3. Резисторы R10…R16 ограничивают ток через светодиоды индикаторов.
Цифровая часть принципиальной схемы устройства гальванически развязана от сети.
Программное обеспечение микроконтроллера обеспечивает реализацию фазоимпульсного управления симисторного регулятора мощности. В цикле, в подпрограмме обработки прерывания таймера TF0 через каждые 80 мкс микроконтроллер опрашивает состояние вывода 7. Прерывания от таймера TF0 обеспечивают функционирование динамической индикации, а так же работу клавиатуры.
Назовем условно байт, который микроконтроллер периодически записывает в порт Р1 — байтом индикации. Младшая тетрада байта индикации поступает на вход дешифратора D7 и определяет значение разряда. Биты старшей тетрады через транзисторы VT1…VT3 управляют индикаторами HG1…HG3, в динамической индикации. Лог. 0 на выводе 17 микроконтроллера открывает транзистор VT1 и включает индикатор HG1 и т. д. Младшая тетрада представляет собой двоично-кодированное десятичное число и через дешифратор DD2 управляет сегментами индикаторов HG1…HG3. При работе с подпрограммной опроса состояния клавиатуры, микроконтроллер опрашивает состояние своего входа INTO (вывод 6 микроконтроллера DD1). При любой нажатой кнопке S1…S4 на входе INTO, с включением этих индикаторов, присутствует низкий уровень. Таким образом, каждая кнопка клавиатуры “привязана” к “своему” биту в старшей тетраде байта индикации.
Алгоритм работы программы фазоимпульсного регулятора рассмотрим на примере канала № 1. Осциллограммы, поясняющие работу фазового регулятора, на рис 3.
В каждом полупериоде сетевого напряжения (рис. За) микроконтроллер запускающим импульсом с вывода 8 длительностью 80 мкс (рис. Зв) включает симистор VS1 через оптрон DA1. Значение мощности в нагрузке подключенной к соединителю Х2 зависит от того, как долго симистор будет включен в течение каждого полупериода сетевого напряжения.
Для того чтобы значение подключаемой мощности в нагрузке увеличивалось с увеличением значения задаваемой мощности на индикаторе устройства, а так же для получения дискретности регулирования 1 %, необходимо, чтобы импульс включения симистора, смещался с шагом 100 мкс, с момента прохождения сетевого напряжения через нуль, справа налево по рис 36, при увеличении на единицу значения задаваемой мощности на индикаторе устройства.
Запускающий импульс подается с некоторой задержкой с момента прохождения сетевого напряжения через “нуль». Моменту перехода соответствует лог. 0 на выводе 7 микроконтроллера (рис. 3б). Время задержки определятся числом на индикаторе устройства в режиме “регулятор 1”, которое может принимать значение от 0 до 99. Подпрограмма преобразует данное двухразрядное двоично-десятичное число в однобайтовое двоичное. Это число загружается в счетчик (регистр R7), который реализует временную задержку. Как уже упоминалось выше, микроконтроллер опрашивает каждые 80 мкс выход датчика сети. В момент прохождения сетевого напряжения через нуль и происходит запуск счетчика. При изменении кнопкой индицируемого на индикаторе числа, в режиме “регулятор 1” изменяется время задержки включения управляющего импульса на включения симистора VS1. То есть меняется момент включения симистора в каждом полупериоде сетевого напряжения и эффективное напряжение на нагрузке, подключенной к соединителю Х2. Аналогичным образом работает канала регулирования мощности № 2, регулирующий мощность в нагрузке, подключенной к соединителю ХЗ устройства.
