Несколько лет назад знакомые бизнесмены приобрели, так называемые, электродные батареи (фото 1) для отопления номеров летней гостиницы в зимнее время. Принцип действия таких батарей основан на нагреве водного раствора при воздействии на него переменного электрического тока. О качестве конструкции этого нагревателя говорить не стоит, так как каждый год их приходится перебирать. Качество работы электродных батарей можно заметно улучшить,если дополнить каждую из них стабилизатором тока (точнее, стабилизатором мощности). Как это сделать на микроконтроллере PIC12F675 рассказано в этой статье.
Греют электродные батареи хорошо и имеют довольно высокий КПД. Они потребляют около 55…60°С (руку с трудом можно удержать секунд 5), но у них есть один существенный недостаток. Когда батарея холодная, протекающий ток минимальный, менее 1 А, но с нагревом он возрастает. При 50°С, когда батарея уже горячая, ток увеличивается в 3-4 раза и вызывает кипение внутри нагревателя. В результате вода из раствора внутри батареи начинает выкипать, уровень падает,раствор насыщается. Всё это происходит в прогрессии. При этом слышны громкие щелчки,удары и т.д. Если этот момент прозевать и вовремя не долить воду в радиатор, то через сутки батарея перестанет работать.
В процессе эксплуатации был определён оптимальный ток, при котором и батарея греет, и работает тихо, и воду надо доливать не чаще,чем один раз в месяц. Для этой батареи оптимальный ток равен 2,5 А, но добиться такого значения путём подбора концентрации раствора крайне сложно. Заметим также, что электроды батареи ржавеют, площадь контакта меняется, концентрация раствора тоже. Соответственно, ток тоже не неизменен, и чаще всего несколько завышен. Вот и возникла идея ограничить ток и мощность потребления, но не традиционным фазово-импульсным способом, а методом пропуска периодов напряжения (тока) сети. Сам метод не нов, но в данном случае очень эффективен. Заключается он в том,что за определённый промежуток времени равномерно происходит пропуск целого количества волн. В программе можно задавать любое значение этого промежутка времени. Автор выбрал его равным 1 с. Чем больше пропущено периодов,тем меньше средний ток за данный промежутков времени.Включение происходит строго в момент перехода напряжения,а выключение-тока через ноль. Помех в сети от работы данного устройства практически нет.
Принципиальная схема устройства показана на рис.1. Она достаточно проста. На рис.1 не показана схема блока питания +5 В, в качестве которого можно использовать любой подходящий заводской БП., например, модуль питания дежурного режима от старого советского телевизора ЗУСЦТ или более современный импульсный БП. При правильно выполненном монтаже устройство запускается сразу при включении питания.
Основой усторойства является микроконтроллер (МК) DD1 типа PIC12F675 в восьмивыводном корпусе PDIP. Назначение выводов этого МК с учетом программного обеспечения устройства приведено в таблице. МК изолирован от сети оптопарой IC1 типа РC817, оптопарой с симисторным выходом (Random-Phase Optoisolators Triac Drivers) IC2 типа MOC3052 и самодельным измерительным трансформатором тока Т1. Через этот трансформатор и потенциометр RV1 на вход АЦП микроконтроллера GPO/ANO (вывод 7 DD1) поступает переменное напряжение,пропорциональное току в нагрузке(нагревателя), через оптопару IC1 на вход компаратора GP2/AN2 поступает сигнал,сформированный из напряжения сети, в котором важен момент перехода этого напряжения через ноль. MK DD1 управляет моментом отпирания симистора VS1 типа BTA41, регулируя этим средний ток в нагревателе, мощность потребления батареи и ее температуру.
| № | Обозначение | Назначение |
| 1 | Vdd | Питание +5В |
| 2 | GP5 | Не используется |
| 3 | GP4 | Не используется |
| 4 | GP3 | Не используется |
| 5 | GP2/AN2 | Вход компаратора |
| 6 | GP1 | Выход управления |
| 7 | GPO/ANO | Вход АЦП тока |
| 8 | Vcc | Корпус |
Алгоритм работы стабилизатора
При подаче напряжения питания MK DD1 отслеживает изменение на входе компаратора MK GP2/AN2(выводе 5 DD1). Как только на этом входе появился высокий уровень,что означает начало положительной полуволны сетевого напряжения, то по прерыванию программа уходит в обработчик прерываний. В зависимости от среднего тока в нагрузке (Summ_L и Summ_H), после его сравнения с ранее установленной в программе константой ТОК меняется значение переменной Роwer. Вначале ее значение равно 0, что соответствует максимальной мощности на выходе (или минимальному количеству пропусков волн в заданном интервале 1 с). Как только средний ток на нагрузке превысил пороговое значение, увеличивается количество пропусков на единицу и опять подсчитывается средний ток. Если он опять выше порога, снова увеличивается переменная Power на 1. И так происходит до тех пор, пока средний ток не уменьшится ниже порога. Как только это произошло, переменная Power уменьшается на 1 (тем самым, увеличивая средний ток), и снова происходит сравнение с порогом. Таким образом, МК как бы «балансирует»в районе порогового значения, поддерживая заданное значение среднего тока в нагрузке. За счет высокой инерционности процесса нагрева, а следовательно, и относительно медленного изменения сопротивления водного раствора, этот метод наиболее эффективен. Можно даже производить сравнение и реже, взяв интервал 2…5 и более секунд,увеличив при этом точность. В авторской конструкции за 50 периодов с шагом в 1 период погрешность равна 2%. При этом средний ток «гуляет» на ±2 шага (±4%).
Детали и конструкция
Типы и номиналы деталей,использованных автором в этой конструкции, указаны на принципиальной схеме рис.1.
В качестве VD4 можно использовать практически любой стабилитрон на 12 В. Симисторная оптопара IC2 может быть другого типа без контроля перехода через ноль на пиковое напряжение не менее 600 В. В позиции VS1 можно использовать симистор другого типа на меньший ток,предусмотрев радиатор.
Трансформатор(датчик) тока самодельный и требует отдельного объяснения. Автор не стал покупать готовые датчики тока,так как они имеют высокую цену. Поскольку их надо было 15 штук, автор решил изготовить трансформаторы тока самостоятельно. В качестве основы были использованы каркасы для сетевых фильтров (фото 2). Перегородку в средней части каркаса необходимо срезать кусачками, обработать поверхность надфилем (фото 3) и намотать 2000 витков первичной обмотки проводом ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм и зашунтировать эту обмотку резистором 1 кОм (фото 4).
Затем из трансформаторной ленты от старого тороидального трансформатора ножницами по металлу необходимо нарезать полоски длиной около 50 см по ширине окна каркаса. Далее на наждаке необходимо обработать края ленты,убрать неровности от ножниц,заусенцы и окончательно подогнать ее под окно, так чтобы лента свободно проходила в окно по всей длине. После намотки 7-8 колец получается готовый датчик переменного тока. Намотку сердечника надо производить так,чтобы внутри окна каркаса она была не дугообразная. Сердечник получается неправильной формы, в виде арки с основанием (фото 5). Основание как раз и находится внутри окна. Линейность характеристики датчика тока неважна для этого устройства. Провод, который идет от симистора VS1 к нагрузке, следует пропустить двумя витками через кольцо магнитопровода датчика. Направление этих витков важно,так как сигнал от датчика обрабатывается МК в положительной полуволне.
Резистором RV1 устанавливается порог,при котором амплитуда напряжения с этого датчика после обработки а АЦП контроллера соответствует такому же значению, какое задано в программе. Эта регулировка осуществляется очень просто. Последовательно с нагрузкой включается амперметр переменного тока (автор использовал мультиметр M89OG) и, медленно вращая движок резистора, следует установить ток в нагрузке равным 2,5 А. При этом светодиод должен моргать. Это свидетельствует о том, что происходит стабилизация тока. Чем чаще моргает, тем больше волн пропускается.
Все изготовленные автором стабилизаторы были собраны на отрезках стандартных монтажных плат (фото 6 и 7), но, несмотря на это, печатная плата для сборки этого устройства была разработана в программе Sprint Layout. Печатная плата рассчитана на изготовление на отрезке односторонне фольгированного стеклотексолита размерами 33×28мм с одной перемычкой. На рис.2 показан чертеж этой платы,а на рис.3-расположение деталей на ней. Перемычка на рис.3. показана белым наклонным отрезком.
Скачать архив к проекту (исходный текст программы для МК на ассемблере, файлы прошивки и печатной платы, а также проект в программе).
Источник: Радиоаматор №7-8, 2014
Автор: Александр Корабельников, г.Севастополь