12-канальный фазовый регулятор мощности

В статье описан многоканальный фазовый регулятор на базе восьмиразрядных микроконтроллеров AT89C4051-24PU. В состав устройства входят блок коммутации и шесть фазовых регуляторов, каждый из которых способен управлять двумя нагрузками мощностью по 1,15 кВт (ограничена возможностями применённых сетевых фильтров). Кроме того, в каждом из сдвоенных регуляторов имеются часы реального времени. Устройство выполнено на доступной элементной базе и может быть повторено радиолюбителями средней квалификации.

Структурная схема 12-канального фазового регулятора представлена на рис. 1.

Здесь А1—А6 — идентичные по схеме, конструкции и алгоритму работы двухканальные фазовые ре­гуляторы мощности; S1 — блок ком­мутации, с помощью которого осу­ществляется регулирование мощ­ности, установка текущего времени и времени срабатывания двух будильников. Принципиальная схема одного двухканального регулятора мощности представлена на рис. 2, а блока коммутации — на рис. 3.

Розетки XS1-1 — XS1-6 блока ком­мутации предназначены для подклю­чения вилок ХР4 регуляторов 1-6. В каждом регуляторе имеются два не­зависимых один от другого фазовых регулятора и, кроме того, реализованы функции электронных часов. Подробно о регуляторе и его функциях будет рас­сказано ниже.

Переключатель SA1 блока коммута­ции имеет шесть положений. Если он установлен в положение «1», то кнопки SB1-SB4 подключены к регулятору 1 и можно задать параметры для этого ре­гулятора. Соответственно, если он ус­тановлен в положение «2», можно задать параметры для регулятора 2 и т. д.

Рассмотрим подробно работу регу­лятора 1 (SA1 — в положении «1»). В устройстве реализованы следующие функции:

• два независимых канала фазоим­пульсного регулирования;
• индикация текущего времени в 24-часовом формате на четырёхразрядном дисплее в режиме часы—мину­ты (режим “Часы 2“);
• установка текущего времени и его корректировка;
• работа в режиме минуты—секун­ды (режим «Часы 1“);
• два будильника, в моменты сраба­тывания которых включаются нагрузки, подключённые соответственно к соеди­нителям ХР5 и ХР6 (телевизор, ра­диоприёмник, электронагреватель и др.), и на 10 с прерывистая световая и звуковая сигнализация с частотой по­вторения 1 Гц;
• подача короткого (длительностью 1 с) звукового бип-сигнала в начале каждого часа и принудитель­ное отключение кнопкой световой и звуковой сигнализации в момент — срабатывания будильника.

Соответственно предусмотрены шесть режимов работы: «Часы 1”, «Ча­сы 2», «Регулятор 1», «Регулятор 2», «Будильник 1” и «Будильник 2». Два независимых регулятора мощности собраны соответственно на симисторах VS1 и VS2. Регулирование мощности осуществляется фазо­импульсным управлением симисто­рами. Интервал регулирования выход­ной мощности каждого канала задаётся в относительных единицах от 0 до 99. Конечно, регуляторы с фазоимпульсным управлением создают помехи, но они просты в реализации и позволяют регу­лировать мощность таких нагрузок, как, например, лампы накаливания, нагре­ватели, асинхронные электродвигатели переменного тока и т. п.

В интерфейс регулятора входят кнопки SB1—SB4 (рис. 3), светодиод­ные полосы HL1, HL2 и дисплей из шес­ти цифровых семиэлементных индика­торов HG1—HG6 (см. рис. 2). Назначе­ние кнопок следующее:

• SB1 («Р» — «Режим”) — выбор режи­ма работы устройства в замкнутом цик­ле («Часы Г—»Часы 2″—»Регулятор 1″— «Регулятор 2″—»Будильник 1”—»Бу­дильник 2″—»Часы 1» и т. д.). После подачи питания устройство устанавли­вается в режим «Часы 1», каждое нажа­тие кнопки переводит его в следующий режим;
• SB2 («▲” — «Больше») — увеличение на единицу значения каждого разряда при установке времени в режимах «Часы 1”, «Часы 2», а также времени включения будильников в режимах «Бу­дильник 1”, «Будильник 2» и увеличение значения мощности в режимах «Регу­лятор 1”, «Регулятор 2»; нажатие на дан­ную кнопку увеличивает на единицу выбранный разряд во всех режимах; принудительное выключение звукового и светового сигналов при включении бу­дильников (выполняется только в режи­мах «Часы 1», «Часы 2», «Будильник 1”, «Будильник 2»);
• SB3 (”▼” — «Меньше») — уменьше­ние значения выходной мощности регу­ляторов в режимах «Регулятор 1», «Ре­гулятор 2» (каждое нажатие на данную кнопку уменьшает на единицу выбран­ный разряд в указанных режимах);
• SB4 («В” — «Выбор”) — выбор разря­да при установке текущих значений во всех указанных режимах (в выбранном разряде включается децимальная точка h). При первом нажатии на кнопку точка h включается у первого разряда (индикатор HG6), при втором — у второ­го (индикатор HG5) и т. д.

В любом режиме работы устройства каждая кнопка выполняет только одну функцию (кроме выключения звукового и светового сигналов при включении бу­дильников). Разряды индикации интер­фейса имеют следующее назначение (справа—налево по рис. 2):

• 1-й разряд (индикатор HG6) отобра­жает единицы минут в режимах «Часы 2» и «Будильник 1», «Будильник 2», едини­цы секунд — в режиме «Часы 1», млад­ший разряд задаваемого значения мощности регуляторов — в режимах «Регулятор 1» и «Регулятор 2”;
• 2-й разряд (индикатор HG5) — десят­ки минут в режимах «Часы 2» и «Бу­дильник 1», «Будильник 2», десятки се­кунд в режиме «Часы 1», старший раз­ряд задаваемого значения мощности регуляторов — в режимах «Регулятор 1» и «Регулятор 2»;
• 3-й разряд (индикатор HG4) — дефис (элемент д) с периодом включения 1 с в режимах «Часы 1» и «Часы 2»; в режимах «Регулятор 1» и «Регулятор 2» этот эле­мент погашен, а в режимах «Будильник 1» и «Будильник 2» постоянно включён;
• 4-й разряд (индикатор HG3) — еди­ницы часов в режимах «Часы 2», «Бу­дильник 1» и «Будильник 2», единицы минут — в режиме «Часы 1»; в режимах «Регулятор 1» и «Регулятор 2» этот раз­ряд гасится;
• 5-й разряд (индикатор HG2) — десят­ки часов в режимах «Часы 2» и «Бу­дильник 1», «Будильник 2», десятки ми­нут в режиме «Часы 1»; в режимах «Регу­лятор 1 ” и «Регулятор 2» разряд гасится;
• 6-й разряд (индикатор HG1) — теку­щий режим работы устройства: в режиме «Часы 1» на нём индицируется 0, в ре­жиме «Часы 2» — 1, в режимах «Регуля­тор 1», «Регулятор 2», «Будильник 1», «Бу­дильник 2» — соответственно 2, 3,4 и 5.

После включения питания устройст­во переходит в режим “Часы 1″. Чтобы установить текущее время, необходимо нажатием на кнопку SB 1 войти в режим «Часы 2» (на индикаторе HG1 должна по­явиться цифра 1), после чего однократ­но нажать на кнопку SB4. При этом будет выбран разряд единиц минут (начнёт светиться точка h у индикатора HG6).

Требуемое значение разряда устанав­ливают кнопками SB2 и SB3. При сле­дующем нажатии на SB4 выбирается разряд десятков минут (точка h включа­ется у индикатора HG5) и т. д. После ус­тановки значения в разряде десятков часов (индикатор HG2) нажимают на кнопку SB4 ещё раз, разрешая тем са­мым счёт времени.

Для установки значения мощности в канале 1 необходимо кнопкой SB1 выбрать режим работы «Регулятор 1» (на индикаторе HG1 должна светиться цифра 2). Затем кнопкой SB4 выбрать разряд и кнопками SB2 («Больше») и SB3 («Меньше) установить требуемое значение мощности.

При установке времени в режиме «Часы 2» отсчёт текущего времени запрещается, во всех остальных режи­мах он разрешён. После установки вре­мени будильников 1 и 2 (закончен пере­бор разрядов кнопкой SB4) зажигаются соответственно световые полосы HL1 и HL2. Светящаяся полоса сигнализирует о том, что установленное время будиль­ника записано в память микроконтрол­лера (при необходимости его можно перепрограммировать). При совпаде­нии текущего времени с установленным временем в режимах «Будильник 1» и «Будильник 2» на 10 с включается пре­рывистая звуковая (НА1) и световая (HL1) сигнализация с интервалами включения и выключения 0,5 с. По окон­чании этого времени включённая свето­вая полоса HL1 гаснет.

Рассмотрим основные функциональ­ные узлы регулятора 1 (см. рис. 2). Его основа — микроконтроллер DD1, рабо­чая частота которого задана генерато­ром с внешним кварцевым резонатором ZQ1 на 10 МГц. На транзисторных опт­ронах сборки U1 собран датчик сетево­го напряжения. Он отслеживает момен­ты перехода сетевого напряжения через нуль. Выходное напряжение датчика с резистора R8 поступает на вывод 7 микроконтроллера. Канал регулирова­ния мощности 1 собран на симисторе VS1 и оптроне U2 и управляется сигна­лом с вывода 8 DD1. Нагрузку подклю­чают к соединителю ХР2. Второй канал собран на симисторе VS2 и оптроне U3 и управляется сигналом с вывода 9 мик­роконтроллера. Нагрузку подключают к соединителю ХР3. Для уменьшения уровня создаваемых регуляторами по­мех они включены в сеть через сетевые фильтры Z1 и Z2.

Динамическая индикация выполнена на микросхемах DD2, DD3, транзисто­рах VT1 —VT5 и цифровых семиэлемент­ных индикаторах HG1—HG6. Регистр DD2 служит для увеличения числа линий портов микроконтроллера и управляет внутренними исполнительными уст­ройствами: звуковой и световой сиг­нализацией (соответственно пьезо­электрическим излучателем НА1 и све­товыми полосами HL1 и HL2), симисторными оптронами U4, U5, а также раз­рядом на индикаторе HG1. Резисторы R9—R15 ограничивают ток через эле­менты цифровых индикаторов.

Сигнал с выхода 3 (вывод 6) регистра DD2 через резистор R26 периодически (с периодом 1 с) включает и выключает элемент g индикатора HG4 в режимах «Часы 1» и «Часы 2». Сигнал с выхода 4 (вывод 9) регистра DD2 через резистор R27 включает точку h в одном из вы­бранных индикаторов HG2, HG3, HG5, HG6. Цифровая часть устройства галь­ванически развязана от сети.

Программа микроконтроллера уп­равляет работой электронных часов и обеспечивает реализацию фазоимпуль­сного управления симисторными регу­ляторами мощности. Основная задача «часовой» части программы — форми­рование точных временных интервалов длительностью 1 с — решена с помо­щью прерываний от таймера TF0. В цикле подпрограммы обработки преры­вания таймера TF0 через каждые 80 мкс микроконтроллер опрашивает состоя­ние вывода 7. Счётчики на регистрах R4, R6 подсчитывают число прерываний, и когда оно становится равным определенному значению, текущее время уве­личивается на секунду. Корректировка текущего времени происходит каждый час. В данном устройстве за сутки часы отстают примерно на 6 с, в быту это вполне приемлемо. Прерывания от тай­мера TFO обеспечивают и динамиче­скую индикацию.

Назовём условно байты, которые микроконтроллер периодически (с пе­риодом 3 мс) записывает в свой порт Р1 и синхронный регистр DD2 соответст­венно байтами индикации и состояния. Младшая тетрада байта индикации по­ступает на вход дешифратора DD3 и определяет значение разряда, а разря­ды старшей тетрады через транзисторы VT2—VT5 управляют индикаторами HG2, HG3, HG5, HG6 в динамической ин­дикации. Транзистор VT1 и соответст­венно индикатор HG1 управляются сиг­налом с вывода 12 регистра DD2. В режимах «Регулятор 1” и «Регулятор 2» индикаторы HG2 и HG3 гасятся. Для га­шения индикатора необходимо, чтобы в младшей тетраде байта индикации при­сутствовал код F.

Уровень лог. 0 на выводе 16 микро­контроллера открывает транзистор VT2 и включает индикатор HG2, сигнал тако­го же уровня на выводе 17 открывает транзистор VT3 и включает индикатор HG3 и т. д. Младшая тетрада представ­ляет собой двоично-кодированное де­сятичное число и через дешифратор DD3 управляет элементами всех инди­каторов, кроме HG4. С включением ин­дикаторов HG2, HG3, HG5, HG6 микро­контроллер опрашивает состояние сво­его входа INTO (Р3.2; вывод 6 DD1). При любой нажатой кнопке SB1— SB4 на этом входе с включением указанных индикаторов присутствует низкий уро­вень. Таким образом, каждая кнопка блока коммутации «привязана» к «свое­му» разряду в старшей тетраде байта индикации.

Алгоритм работы программы фазо­импульсного регулятора рассмотрим на примере канала 1. Осциллограммы, по­ясняющие работу регулятора, приведе­ны на рис. 4. В каждом полупериоде сетевого напряжения (рис. 4, а) микро­контроллер запускающим импульсом с вывода 8 длительностью 80 мкс (рис. 4, в) включает симистор VS1 через оптрон U2. Значение мощности в нагрузке, под­ключённой к соединителю ХР2, зависит от того, как долго симистор включён в течение каждого полупериода сетевого напряжения. Для того чтобы значение мощности в нагрузке увеличивалось с увеличением значения задаваемой мощности на индикаторе устройства, а также для получения дискретности ре­гулирования, равной 1 %, необходимо, чтобы импульс включения симистора смещался (справа—налево по рис. 4, б) с шагом 100 мкс с момента прохожде­ния сетевого напряжения через нуль при увеличении на единицу значения задаваемой мощности на индикаторе устройства.

Запускающий импульс подаётся с некоторой задержкой относительно мо­мента прохождения сетевого напряже­ния через «нуль». Моменту перехода со­ответствует лог. 0 на выводе 7 микро­контроллера (рис. 4, б). Время задержки определяется числом на индикаторе устройства в режиме «Регулятор 1”, ко­торое может принимать значение от 0 до 99. Подпрограмма преобразует дан­ное двухразрядное двоично-десятич­ное число в однобайтное двоичное. Это число загружается в счётчик (регистр R7), который реализует временную за­держку. Как уже упоминалось, микро­контроллер опрашивает выход датчика сети каждые 80 мкс. В момент прохож­дения сетевого напряжения через нуль и происходит запуск счётчика. При из­менении кнопкой индицируемого на ин­дикаторе числа в режиме «Регулятор 1» изменяется время задержки включения управляющего импульса на включение симистора VS1. То есть меняются мо­мент включения симистора в каждом полупериоде сетевого напряжения и эф­фективное напряжение на нагрузке, подключённой к соединителю ХР2. Ана­логично работает второй канал устройст­ва, регулирующий мощность в нагрузке, подключённой к соединителю ХР3.

Угол регулирования симистора в за­висимости от тока нагрузки неодинако­вый. Реально в устройстве интервал регулирования мощности 100-ваттной лам­пы накаливания по индикатору состав­ляет от 18 до 97. Иными словами, мож­но задать 79 уровней яркости. Это не­обходимо в тех случаях, когда лампа ис­пользуется в качестве нагревательного элемента. Для более быстрого измене­ния яркости (для освещения, как пока­зывает практика, такого большого чис­ла уровней не нужно) можно изменять только старший разряд относительного диапазона регулирования задаваемой мощности.

Коротко о программе. В памяти дан­ных микроконтроллере с адреса 2ВН по 48Н организован буфер отображения для динамической индикации. Младшая тетрада каждого байта в буфере ото­бражения представляет собой двоично- кодированное десятичное число, которое определяет значение разряда, а старшая тетрада определяет номер разряда в динамической индикации. Таким образом, в каждом байте буфера определено значение числа и его место при выводе на индикацию. По своему функциональному назначению в зависи­мости от режима работы устройства адресное пространство буфера разбито на шесть функциональных групп:

• 2ВН—2FH — адреса, где хранится текущее в рюмя в минутах и секундах (адреса выводятся на индикацию в режиме «Часы 1»);
• 30Н—34Н — адреса, где хранится те­кущее в рюмя в часах и минутах (выво­дятся на индикацию в режиме «Часы 2»);
• 35Н—39Н — область хранения за­данного значения регулируемой мощ­ности канала регулирования 1 (эти ад­реса выводятся на индикацию в режиме «Регулятор Г);
• 3АН—3ЕН — область хранения за­данного значения регулируемой мощности канала регулирования 2 (адреса выводятся на индикацию в режиме «Регулятор 2»);
• 3FH—43Н — область хранения вре­мени включения «Будильника 1» (адре­са выводятся на индикацию в режиме «Будильник 1»);
• 44Н—48Н — область хранения вре­мени включения «Будильника 2» (адре­са выводятся на индикацию в режиме «Будильник 2»).

Каждый байт из функциональной группы цикла в подпрограмме обработ­ки прерывания таймера TF0 выводится в порт Р1 микроконтроллера DD1. Стар­шая тетрада байта индикации пред­ставляет собой код «бегущий ноль». Таким образом, записывая в цикле поочерёдно в порт Р1 байты из функ­циональной группы буфера, мы получа­ем режим динамической индикации. После записи байта индикации в порт Р1 начинается опрос кнопок. Нажатием на кнопку SB1 единица в регистре R2 сдвигается влево и тем самым задаётся один из вышеуказанных пяти режимов работы. В регистр R0 записывается первый адрес функциональных групп. Через каждые 3 мс в подпрограмме обработки прерывания регистр R0 инкрементируется.

В основной программе происходят счёт и коррекция текущего времени, установка времени включения будиль­ников, сравнение текущего времени с временем будильника, включение све­товых и звуковых сигналов, перевод двухразрядного двоично-десятичного числа (значение уровня задаваемой мощности на индикаторе устройства) в режимах «Регулятор 1» и «Регулятор 2» в однобайтное двоичное для реализа­ции алгоритма фазоимпульсного уп­равления.

Разработанная программа на ас­семблере занимает около 3,7 кБайт памяти программ микроконтроллера.

Каждый из регуляторов и блок ком­мутации смонтированы на отдельных макетных платах размерами 120×80 мм. При монтаже регуляторов желательно отделить цифровую часть устройства от сетевой. Все резисторы — С2-ЗЗН с мощностью рассеяния 0,125 Вт, но по­дойдут и любые другие с такой же мощ­ностью рассеяния и допустимым откло­нением сопротивления от номинала ±5%. Конденсаторы C1, С4 — ок­сидные импортные, С2, СЗ — керамиче­ские К10-17. Между выводами питания (+5 В и общим проводом) микроконт­роллера DD1 и регистра DD2 полезно установить блокировочные конденсато­ры К10-17 ёмкостью 0,1 мкФ.

В дисплее целесообразно выделить разряд, индицирующий текущий режим работы устройства (индикатор HG1), на фоне остальных разрядов. Поэтому для данного разряда выбран семиэлемент­ный индикатор красного цвета свече­ния HDSP-F001 (подойдёт HDSP-F151); индикаторы HG2—HG6 — зелёного цве­та свечения HDSP-F501 (подойдут лю­бые другие с общим анодом и приемле­мой яркостью свечения). В индикаторе HG4 для формирования знака ис­пользуется только сегмент д. Ток через элементы индикаторов определяется нагрузочной способностью дешифра­тора DD3. Для КР514ИД2 максимально допустимый ток каждого выхода — 22 мА. Световые полосы HL1, HL2 — KB-2300EW красного цвета свечения.

Ток через каждый канал регулирова­ния мощности ограничен предельно допустимым током 5 А через сетевой фильтр ФС-220 (Z1, Z2). При небольших нагрузках, а также в случае, если требо­вания по уровню помех не очень высоки, сетевые фильтры можно исключить. Нагрузки подключают к устройству че­рез вилки MPW-2 (ответная часть — розетки MHU-2). Вместо них можно применить клеммники ТВ-10-2. Если номинальная мощность нагрузки в ка­нале регулирования превышает 100 Вт, то симистор следует установить на со­ответствующий теплоотвод. Симистор TIC236M, допустимый ток которого 12 А, позволяет управлять нагрузкой мощ­ностью до 1,5 кВт. Возможная замена — отечественный симистор КУ208Г, од­нако он обладает значительно худшей чувствительностью: для надёжного срабатывания через управляющий электрод этого симистора должен про­текать ток не менее 250 мА, поэтому сопротивление резисторов R1 и R3 необходимо уменьшить до 100 Ом. Для нагрузок мощностью до 2 кВт можно использовать симисторы с допустимым током до 16 А, например TIC246N. Це­лесообразно измерить реальные значе­ния тока управления и удержания при­меняемых симисторов, чтобы оценить пригодность симистора для работы с конкретной, особенно маломощной на­грузкой.

Применённые в устройстве симис­торные оптроны S202SE2 фирмы SHARP (U4, U5) могут коммутировать ток до 8 А. Их включение происходит вблизи перехода сетевого напряжения через нуль. Возможно применение опт­ронов S202S02, а если коммутируемый ток в нагрузке не превышает 2 А, то и S202TO1. Потребление тока от источни­ка питания напряжением 5 В в регуля­торах мощности не превышает 80 мА.

Конденсатор С1 блока коммутации — оксидный импортный. Галетный пере­ключатель SA1 — ПГ2-12-6П8Н (на шесть положений и восемь направле­ний). Кнопочные выключатели SB1— SB4 — ПКН125 или подобные.

В устройстве не предусмотрено никаких настроек и регулировок, и если монтаж выполнен правильно, а все детали исправны, то оно начинает ра­ботать сразу после включения напряже­ния питания. При проверке каналов регулирования мощности первое вклю­чение лучше сделать при небольшой нагрузке, например, с лампой накали­вания мощностью 20…30 Вт. Целесо­образно сначала проверить канал регу­лирования мощности 1, а затем 2. Для этого необходимо войти в режим «Ре­гулятор 1” и, изменяя с клавиатуры уро­вень мощности по индикатору, проконт­ролировать изменение яркости свече­ния лампы. Если лампа вообще не включилась, то нужно проконтролиро­вать сигнал с датчика сети (вывод 7 микроконтроллера DD1) — наличие импульсов с уровнем лог. 0 длитель­ностью 1,..1,2 мс и периодом 10 мc (рис. 4, б).

Программа микроконтроллера имеется по адресу ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/11/freg12.zip

Автор: С. ШИШКИН, г. Саров Нижегородской обл.
Источник: журнал Радио №11, 2015