Универсальный регулятор мощности на ATtiny2313

Обычно регуляторы мощности адаптируются к конкретному типу контролируемой нагрузки. Иногда использование регуляторов приводит к различным нежелательным явлениям: появлению раздражающего «жужжания», мерцания, помех. Представленный контроллер позволяет выбирать метод регулирования, поэтому его можно использовать во многих задачах, а благодаря удобному интерфейсу он позволяет точно устанавливать рабочие параметры — оптимальные для данной нагрузки. Рекомендации: контроллер будет полезен для питания нагревательных и/или охлаждающих устройств.

Основные параметры:

• Регулирование мощности устройств, работающих от сети переменного тока 230 В;
• Максимальная мощность подключаемого устройства: 1000 Вт;
• Три метода управления: фазовый, групповой и 10-ти ступенчатый групповой(10-групповой);
• Рабочие параметры отображаются на ЖК-дисплее;
• Работа пользовательского меню с использованием энкодера;
• Функция быстрого включения/выключения;
• Сохранение настроек;
• Электропитание 230 В переменного тока;
• Размеры 100мм×80мм×50мм.

Электронные регуляторы мощности устройств, работающих от сети переменного тока 230 В, чаще всего используют один из двух методов управления: фазовый или групповой. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, и каждый подходит для приемников с различными характеристиками.

Фазовый метод регулирования

Типичная электросеть переменного тока напряжением 230 В, используемая в Европе, выдает переменное напряжение синусоидальной формы. Проще говоря, фазовая регулировка заключается в подаче на приемник не всего синусоидального сигнала, а его части. Формы входных и выходных сигналов контроллера для различных настроек мощности показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Принцип работы фазового регулирования

Преимуществом фазового метода является непрерывный режим работы — в каждом периоде формы сигнала питающего напряжения часть энергии передается приемнику, поэтому, например, при питании лампочки эффект мерцания отсутствует (он может быть виден только при питании лампочек наименьшей мощности). Недостатком данного метода является генерация сильных электромагнитных помех, что обуславливает необходимость использования дополнительных помехоподавляющих элементов – крупных дросселей. Однако если фильтр установлен неправильно, работающие устройства могут издавать жужжащие или гудящие звуки. Кроме того, соединительные кабели должны быть как можно короче.

Этот метод подходит, среди прочего, для регулирования мощности: коллекторные двигатели и лампочки. Также возможно регулирование мощности трансформатора, а значит и тока, протекающего во вторичной обмотке, однако это применимо только к маломощным трансформаторам с максимальной мощностью 100 Вт.

Групповой метод регулирования

При этом методе энергия подается на приемник прерывисто. Время включения и выключения изменяется в зависимости от желаемой выходной мощности. Чем дольше время включения и короче время выключения, тем большая мощность подается на приемник. Данный метод регулирования использован в конструкции обычного термостата на основе биметалла. Формы сигналов на входе и выходе контроллера для различных настроек мощности показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Принцип работы группового регулирования

Точки включения и выключения имеют точно определенное положение во времени и синхронизированы с формой сигнала питания, что позволяет пропускать только полные периоды сигнала. Благодаря этому групповой метод управления не вызывает помех, что является большим преимуществом по сравнению с фазовым управлением.

Недостатком является прерывистый метод работы. Групповой метод подходит для включения различных нагревательных или охлаждающих элементов. Он особенно эффективен при использовании с вентиляторами и резистивными нагревателями — инерция крыльчатки вентилятора или нагревателя делает перебои в подаче электроэнергии незаметными.

Представленное устройство может работать одним из описанных методов: фазовым, групповым и 10-групповым. 10-групповой метод отличается от «обычного» группового метода тем, что один полный цикл, т. е. время включения и выключения, содержится в 10 периодах формы сигнала электропитания. При групповом методе это обычно 100 периодов, что позволяет осуществлять более точное регулирование (с шагом 1%), но приводит к длительным перерывам в выходном напряжении. 10-групповой метод позволяет осуществлять регулирование с шагом 10%, но перерывы невелики, что позволяет, в частности, запитывать вентиляторы.

Использование

Пользовательский интерфейс состоит из: дисплея, энкодера с кнопкой и кнопки. На дисплее отображается информация об уровне регулирования в диапазоне 0...100% и выбранном методе регулирования Fazowa/Grupowa/Grup10. Если выход системы активен, вместо метода управления отображается мигающее предупреждение AKTYWNY.

Ручка энкодера используется для установки уровня регулировки. Нажатие на ручку изменяет метод регулировки. Изменение возможно только при отключенном выходе. Кнопка под энкодером используется для включения и выключения выхода. При длительном нажатии кнопки настройки сохраняются. С этого момента при каждом включении устройства будут использоваться эти настройки. Функции и расположение элементов панели показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Описание компонентов передней панели

Конструкция

Регулятор разделен на две части: силовую и управления, схемы которых приведены на рисунках 4 и 5. Силовая часть содержит блок питания, содержащий трансформатор TS1, выпрямительный мост М1, стабилизатор US1 и пассивные элементы, формирующие стабилизированное напряжение 5 В. Силовая часть содержит блок определения фазового перехода сетевого напряжения через ноль. Он состоит из моста М2, транзисторов Т2 и Т3, оптопары ОК1 и пассивных элементов. На его выходе возникают импульсы, возникающие при прохождении фазы напряжения через ноль. Последним блоком силовой части является схема управления выходом устройства – симистор Т1 и оптосимистор ОК2.

Рисунок 4. Принципиальная схема исполнительной части

Рисунок 5. Принципиальная схема блока управления

Блок управления содержит в основном элементы пользовательского интерфейса, а именно: ЖК-дисплей, энкодер, кнопку и ряд необходимых пассивных элементов. Основным элементом блока управления является микроконтроллер US2, но самый важный элемент устройства на схеме не виден – это управляющая программа, содержащаяся в памяти микроконтроллера.

Сборка и запуск

Устройство разработано для компонентов сквозного монтажа, поэтому его сборка не должна вызвать никаких трудностей. Необходимо только обратить внимание на правильную полярность полупроводниковых элементов, особенно выпрямительных мостов М1 и М2 и оптоэлектронных элементов ОК1 и ОК2. В устройстве будут присутствовать напряжения, опасные для жизни и здоровья, поэтому перед подключением электропитания необходимо убедиться, что монтаж выполнен правильно. Схемы сборки обеих плат показаны на рисунке 6. Фото 7 также будет полезно при сборке.

Рисунок 6. Схемы сборки силовой и платы управления

Фото 7. Собранный регулятор

Компоненты панели управления должны быть установлены не со стороны компонентов, а со стороны пайки. Дисплей тогда закроет большую часть точек пайки, поэтому мы монтируем его в самом конце. Платы должны быть соединены между собой через разъемы SV1 и SV2. Соединение можно осуществить с помощью угловых разъемов, как в прототипе. Соединение также может быть выполнено с помощью проводов. Это облегчит монтаж в корпусе, но кабели не должны быть длиннее 10 сантиметров. После сборки отрегулируйте контрастность дисплея с помощью потенциометра PR1.

В связи с наличием опасного напряжения на плате регулятора стоит подготовить корпус для устройства. Это должен быть пластиковый корпус с вентиляционными отверстиями – например, корпус типа Z3W. Если предполагается длительная работа устройства при большой нагрузке, то стоит оснастить элемент Т1 (симистор) радиатором большего размера. Источник питания переменного тока напряжением 230 В следует подключить к разъему с маркировкой INPUT, а приемник, мощность которого мы будем регулировать, следует подключить к разъему OUTPUT.