Релейний стабілізатор мережевої напруги

Стабилизатор сетевого напряжения, описа­ние которого приведено в этой статье, изготовлен на базе вышедшего из строя стабилизатора ре­лейного типа AVR-500D торговой марки Luxeon (см. фото). Он состоит из регулирующего авто­трансформатора от AVR-500D, мощных реле, до­ступных компараторов и логических микросхем.

При изменении сетевого напряжения от 180 до 260 В напряжение на выходе рассматриваемого стабилизатора изменяется в интервале от 205 до 235 В, что вполне допустимо для питания боль­шинства бытовых электроприборов. Схема устройства показана на .

Для поддержания выходного напряжения стаби­лизатора в пределах 205…235 В устройство име­ет 5 режимов (ступеней переключения выходных напряжений) в зависимости от напряжения сети:

• 210….230 В;
• 195….210 В;
• 180….195 В;
• 230….245 В;
• 245….260 В.

При этом контактами реле К1, К2, КЗ обмотки II и III автотрансформатора Т1 могут подключать­ся к обмотке I синфазно или противофазно напря­жению сети.

Электронная часть схемы питается от обмотки IV Т1. Напряжение с этой обмотки выпрямляется диодами VD2, VD4, сглаживается конденсатором СЗ и используется для питания транзисторных ключей VT1-VT3 и реле К1 -КЗ. Кроме того, диоды VD1 и VD3 также обеспечивают двухполупериодное выпрямление переменного напряжения с обмотки IV Т1. На катодах диодов VD1, VD3 пульси­рующее напряжение. Затем это напряжение сгла­живается фильтром R1C1 и используется для по­лучения и стабилизации напряжения питания микросхем (МС) устройства, что обеспечивается интегральным стабилизатором DA1 LM7805.

Напряжение с катодов VD1, VD3 через делитель R3R4 и ограничивающие резисторы R17-R22 по­даётся на входы компараторов DD2.1-DD2.4, DD5.1 и DD5.2. С4 – сглаживающий конденсатор.

Для получения опорного напряжения для компараторов DD2.1-DD2.4, DD5.1, DD5.2 используется па­раметрический стабилизатор на стабилитроне VD5 и резис­торе R2. Опорное напряжение со стабилитрона VD5 через регулировочные резисторы R5-R10 и ограничивающие ре­зисторы R11-R16 подаётся на вторые входы компараторов DD2.1-DD2.4, DD5.1, DD5.2. В цепь положительной обратной связи каждого компаратора включен резистор (R23-R28), который обеспечивает гисте­резис при переключении ком­параторов, и, тем самым, по­вышают помехоустойчивость устройства.

На транзисто­рах VT1-VT3 со­браны электрон­ные ключи, которые подают напряжение питания на об­мотки реле К1-КЗ. Диоды VD6-VD8 защищают транзисторы от напря­жения самоиндукции обмоток реле, которое воз­никает при запирании транзисторов. Положение контактных групп реле К1-КЗ на схеме соответст­вует обесточенному состоянию стабилизатора и при напряжении сети от 210 до 230 В.

Каждый из компараторов DD2.1-DD2.4, DD5.1 и DD5.2 обеспечивает сравнение напряжения с движка потенциометра R4 с соответствующим опорным напряжением (с движков R5-R10). Логи­ческие уровни с выходов компараторов обрабаты­ваются логическими микросхемами DD1-DD5, обеспечивая включение-выключение транзистор­ных ключей VT1-VT3, реле К1-КЗ, переключение обмоток Т1, а следовательно, автоматический выбор ступеней переключения выходных напряже­ний устройства.

Рассмотрим работу схемы.

1. При напряжении сети ..230 В напряжение на выходе стабилизатора равно напряжению сети. В этом режиме транзисторы VT1-VT3 долж­ны быть заперты. Для этого на одном из трёх вхо­дов логических элементов «3ИЛИ-НЕ» DD6.1, DD6.2, DD6.3 должно быть напряжение высокого уровня (лог. «1»). Тогда на выходах 9, 6 и 10 этих элементов – напряжение низкого уровня (лог. «0»), и ключи VT1, VT2 и VT3 – заперты.

Как это реализовано?

Необходимое напряжение высокого уровня (лог. «1») на входах 8,11 элементов DD6.1, DD6.3 зависит от состояния компараторов DD5.1, DD5.2, DD2.2. Появление уровня лог. «1» на входе 4 элемента DD6.2 зависит от состояния компаратора DD2.3.

Это обеспечивается опор­ными напряжениями с потенциометров R9, R10, которые переключат компа­раторы DD5.1 и DD5.2 в состояние, при котором на их выходах (выводы 14 и 8) будут уровни лог. «1», и на выходе логического элемента «2ИЛИ-НЕ» DD3.3 (вывод 10) также будет напряжение высокого уровня. Оно поступает на вход элемен­та «исключающее ИЛИ» (вывод 2 DD4.1). Кроме того, опорное напряжение с R6 устанавливает компаратор DD2.2 в состояние, когда на его вы­ходе 7 и на входе 1 DD4.1 будет лог. «1», на вхо­дах 1 и 2 DD4.1 – напряжение высокого уровня, а на выходе 3 – напряжение низкого уровня. При этом после инвертора DD1.2 на входах 8 и 11 эле­ментов DD6.1, DD6.3 будет напряжение высоко­го уровня. Опорный уровень напряжения с R7 ус­танавливает компаратор DD2.3 в состояние, при котором на его выходе 14 будет напряжение низ­кого уровня, а после инвертора DD1.3 на входе 4 DD6.2 – напряжение высокого уровня. Следовательно, на выходах 9, 6 и 10 элементов DD6.1, DD6.2 и DD6.3 будут напряжения низкого уровня, а реле К1-КЗ будут обесточены. Их контакты бу­дут находиться в исходном состоянии, и напряже­ние на выходе стабилизатора будет равно напря­жению сети.

2. При напряжении сети 210… 195 В необходи­мо добавить (подключить синфазно) к напряжению сети напряжение обмотки IIТ1, чтобы напряжение на выходе стабилизатора было в пределах нормы. Эту функцию выполняют контакты реле К1. Чтобы сработало реле К1, необходимо наличие на трёх входах 2,1,8 элемента DD1 уровней лог. «0». За­метим, что в этом режиме уменьшается напряже­ние на движке R4 при тех же значениях всех 6-ти опорных напряжений. При напряжении высокого уровня на выходе компаратора DD2.1 на входе 2 элемента DD6.1 будет напряжение низкого уровня после инвер­тора DD1.1. Так как напряжение на R4 уменьша­ется, а опорное на R5 нет, компаратор DD2.1 пе­реводится в состояние, когда на его выходе 1 будет присутствовать лог. «1». Напряжение низ­кого уровня на входе 8 элемента DD6.1 будет за­висеть от состояния компараторов DD5.1, DD5.2, DD2.2. На входах 1, 2 элемента DD4.1 («исключа­ющее ИЛИ») должны быть лог. «1» и лог. «0», в та­ком случае на его выходе 3 будет напряжение высокого уровня и после инвертора DD1.2 на входе – низкий логический уровень. При понижении сетевого напряжения компаратор DD5.1 пере­ключится, и на выходе 14 образуется напряжение низкого уровня. Состояние компаратора DD5.2 не изменится, и на выходе останется напряже­ние высокого уровня. В результате на входах 8, элемента DD3.3 лог. «0» и лог. «1», а на его вы­ходе 10 – лог. «0». Опорное напряжение с R8 пе­реключит компаратор DD2.4 в состояние, при ко­тором на его выходе 8 установился лог. «0». Таким образом, на трёх входах элемента DD6.1 – лог. «0», а на его выходе – лог. «1», транзистор откро­ется, и сработает реле К1.

Напруга сети, В	Логические уровни на выходах компараторов						Напряжение на выходе стабилизатора, В
	D2.1	D2.2	D2.3	D2.4	D5.1	D5.2
210…230	1	1	0	0	1	1	210…230
195…210	1	1	0	0	0	1	215…230
180…195	0	1	0	1	0	1	220…235
230…245	1	1	1	0	1	0	210…225
245…260	1	0	1	0	1	0	205…220

3. При напряжении сети 195…180 В необходи­мо добавить к напряжению сети напряжения обмо­ток II и III трансформатора Т1. Это возможно при срабатывании реле К2, которое своими контакта­ми подключает синфазно обмотки II и III к первич­ной обмотке Т1. Реле К1 и КЗ отключены. Это значит, что на выходах компараторов DD1 и DD6.3 (выводы 9 и 10) – лог. «0», а на выходе DD6.2 – лог. «1». Предлагаю читателю рассмотреть, как формируются эти уровни самостоятельно, анало­гично тому, как это сделано в п.1 и п.2. Помочь в этом анализе может таблица.
4. При повышении напряжения сети до 230…245 В необходимо уменьшить выходное напряжение ста­билизатора путём подключения к первичной об­мотке Т1 противофазно обмотку III, снизив, таким образом, выходное напряжение стабилизатора на 20 В. Это произойдёт при срабатывании реле К1 и КЗ. Это значит, что на выходах компараторов DD1 и DD6.3 (выводы 9 и 10) – лог. «1», а на выходе DD6.2 – лог. «0». Предлагаю читателю рассмотреть, как формируются эти уровни самостоятельно, аналогично тому, как это сделано в п.1 и п.2. По­мочь в этом анализе также может таблица.
5. При повышении напряжения сети до 245…260 В и выше к первичной обмотке Т1 противофазно под­ключатся две обмотки II, III, уменьшив напряжение на выходе стабилизатора на 40 В. Для этого необ­ходимо, чтобы реле К1, К2 пришли в исходное со­стояние, сработало реле КЗ и своими контактами подключило синфазно включенные обмотки II, III противофазно к обмотке IТ1. При этом на выходах компараторов DD1 и DD6.2 (выводы 9 и 5) – лог. «0», а на выходе DD6.2 (вывод 6) – лог. «1». Чтобы разобраться в том, как формируются эти уровни самостоятельно, используйте таблицу.

Деталі

Большинство деталей стабилизатора установ­лено на макетной печатной плате. Соединения произведены в соответствии со схемой монтажны­ми проводами.

В конструкции использованы резисторы типа МЛТ-0,25, переменные резисторы R5-R10 типа СПЗ-4Г, но можно применять любые потенциоме­тры для печатного монтажа.

Конденсаторы С1-С4 оксидные К50-35 или импортные.

Диоды VD6, VD7, VD8 типа 1N4148 или КД209, диоды VD1-VD4 типа 1N4007, стабилитрон VD5 ти­па Д818Г или К190Б.

Реле К1-КЗ типа S3-12, JZC-4125-12VDC или серии TR90,TR91, или подобные, работающие при напряжении 250 В и при токе через контакты не менее 5 А.

Микросхемы:

• DD2, DD5 типа LM324 (аналог HA17324);
• DD1, DD3 типа К561ЛЕ5 (аналог CD4001B);
• DD4 типа К561ЛП2 (аналог CD4030A);
• DD6 типа К561ЛЕ10 (аналог CD4025A).

Автотрансформатор Т1 использован от стаби­лизатора AVR-500D, но его можно изготовить са­мостоятельно на сердечнике Ш32х35. Обмотка I содержит 1100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,2 мм, обмотки II и III содержат по 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,5 мм, обмотка IV содер­жит 120 витков (с отводом от середины) провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм. В конструкции можно использовать также унифицированный трансфор­матор ТПП-322.

Настройка стабилизатора

Для настройки стабилизатора необходимы следующие приборы:

• автотрансформатор ЛАТР;
• любой прибор для контроля входного и выход­ного переменного напряжений стабилизатора:
• вольтметр с большим входным сопротивлени­ем типа В7-26 или подобный для контроля состо­яния компараторов.

Можно на выход каждого компаратора вклю­чить светодиод для контроля их состояния. При на­пряжении высокого уровня на выходах компарато­ров светодиод будет светиться, при низком уровне погаснет.

С помощью ЛАТРа установить входное напря­жение стабилизатора 220 В.

Регулятором R4 установить на конденсаторе С4 напряжение 6…7 В.

Потенциометрами R9, R10 настроить компара­торы DD5.1, DD5.2 в состояние, при котором на их выводах 8, 14 было напряжение высокого уровня и сохранялось при входном напряжении в преде­лах 210…230 В. При этом на входе 2 элемента DD4.1 также должно быть напряжение высокого уровня.

Потенциометром настроить компаратор DD2.2 так, чтобы на его выходе 7 было напряжение вы­сокого уровня при входном напряжении от 180 до 245 В.

Резистором R5 настроить компаратор DD2.1 так, чтобы на его выходе 1 было напряжение вы­сокого уровня при входном напряжении от 195 до 260 В. При входном напряжении меньше 195 В компаратор должен переключиться, и на его вы­ходе образуется напряжение низкого уровня.

При входном напряжении 180…230 В потенци­ометром R7 настроить компаратор DD2.3 так, чтобы на его выводе 14 было напряжение низко­го уровня. При повышении входного напряжения выше 230 В компаратор должен переключиться, и на его выходе сформируется напряжение высоко­го уровня.

При входном напряжении 195…230 резистором R8 настроить компаратор DD2.4 так, чтобы на его выходе 8 сформировался уровень лог. «0». При по­нижении входного напряжения ниже 195 В компа­ратор должен переключиться, и на его выходе сформируется лог. «1».

Проверить работу стабилизатора при измене­нии входного напряжения от 180 до 260 В, контро­лируя при этом выходное напряжение. При необ­ходимости настройку следует повторить.

Автор: Владимир Соколовский г. Бердянск