Низковольтный регулятор переменного тока на ATtiny24

Схема диммера на основе симистора может использоваться для регулирования мощности резистивной нагрузки в цепях переменного тока. К сожалению, из-за особенностей своей работы она не будет работать с низкими напряжениями 12 В или 24 В. Представленная схема разработана специально для таких целей.

Основные параметры:

• фазовое управление мощностью для приемников, работающих от сети переменного тока;
• работает от напряжения питания 12…24 В переменного тока;
• адаптирован к частоте 50 Гц;
• легкочитаемый светодиодный дисплей, отображающий время включения симистора (в процентах);
• регулирование с помощью линейного потенциометра;
• отсутствие гальванической изоляции цепи привода от заземления системы;
• потребляемый ток: 35…50 мА (при питании от 12 В).

Регулирование мощности устройств, питаемых синусоидальным напряжением с низким среднеквадратичным значением - задача нетривиальная. Простейший подход к решению этой проблемы - фазовое управление, которое включает задержку включения нагрузки после определенного времени, прошедшего после того, как напряжение пересечет нулевое значение. Чем больше эта задержка, тем меньше рассеиваемая мощность, поскольку интеграл оставшейся синусоиды будет иметь меньшее значение. Интуитивно идея заключается в том, чтобы питать управляемый исполнительный механизм «кусочками» синусоиды: чем меньше кусок, тем меньше мощность - как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Фазовое регулирование

Эта функция не может быть реализована в многоэлементном «диммере для лампочек», который использует задержку, создаваемую зарядкой конденсатора через переменный резистор. Ключевым элементом в такой схеме является динистор, который начинает проводить ток, как только конденсатор зарядится до определенного напряжения. Современные динисторы (DB3, DB4 и аналогичные) имеют пусковое напряжение около 30 В, что делает их совершенно непригодными для низковольтных применений. Поэтому задержка включения симистора должна быть реализована иным способом.

Описанная схема обеспечивает такое управление, предоставляя пользователю еще одну возможность, недоступную в очень простых диммерах. Она оснащена дисплеем, отображающим процент времени включения симистора. Чем ниже значение, тем короче проводимость симистора и, следовательно, тем меньше мощности подается в нагрузку.

Конструкция и принцип работы

Схема устройства показана на рисунке 2, и на ней можно выделить несколько важных блоков. Переменное напряжение для питания нагрузки и схемы управления подключается к клеммам разъема J1. Для поддержания контакта одного из выводов с заземлением системы используется полуволновое выпрямление. Конденсатор C1 обладает значительной емкостью, поэтому падение напряжения на его выводах между последовательными импульсами зарядки незначительно.

Рисунок 2. Схема устройства.

Сильно пульсирующее, но теперь выпрямленное напряжение подается на вход понижающего преобразователя, который основан на недорогой и популярной микросхеме MC34063A. Выходное напряжение устанавливается резисторами R2 и R3 примерно на 8 В, что обеспечивает корректную работу как с источниками переменного тока 12 В, так и с 24 В. Схема также включает линейный стабилизатор положительного напряжения 78M05, который обеспечивает 5 В для схемы управления.

Симистор TR1 включает нагрузку, подключенную к клеммам разъема J2. В данной системе его активация осуществляется путем приложения положительного потенциала к затвору относительно анода А1. Резистор R6 ограничивает этот ток, а резистор R3 предотвращает самопроизвольное включение симистора. Между анодами симистора размещена простая схема с резистором R4 и конденсатором C5 для поглощения энергии импульсных перенапряжений, которые могут возникать при переключении индуктивных нагрузок. Диод D3 пропускает ток только в одном направлении: от стока транзистора T1 к затвору. Резистор R7 обеспечивает путь для тока стока транзистора T1, а резистор R8 предотвращает его протекание. Это позволяет кратковременно снизить потенциал затвора транзистора T1 для быстрого и надежного включения симистора, поскольку ток, протекающий через его затвор, составляет приблизительно 35 мА.

Ток "подается" на затвор симистора независимо от направления тока между его анодами. Это означает работу в первом квадранте (потенциал А2 отрицательный, G положительный) и в четвертом квадранте (потенциал А2 положительный, G положительный). Хотя первый квадрант является «естественным» рабочим диапазоном симистора, не все симисторы обеспечивают надежную активацию в четвертом квадранте - такие устройства обозначаются производителями как «4Q». Используемый в прототипе BT136-600G относится к этой группе.

Для корректной работы детектора напряжения перехода через ноль, основанного на сдвоенном операционном усилителе LM358 (US3), требуется напряжение питания 8 В. Сначала переменное напряжение ограничивается до амплитуды приблизительно 0,7 В с помощью простой двухдиодной ограничительной схемы. Усилитель US3A работает как идеальный полноволновой выпрямитель, с одним нюансом: нижняя и верхняя половины входного сигнала проходят через схему неравномерно. Отрицательная половина инвертируется и усиливается приблизительно в 5,5 раз, в результате чего пиковое значение составляет приблизительно 3,9 В. Однако нижняя половина сигнала проходит без усиления, поскольку диоды D6 и D7 блокируют работу усилителя.

Обнаружение минимумов униполярного сигнала означает нахождение точек пересечения с нулем. Простейший метод - сравнение мгновенного значения сигнала с фиксированным потенциалом. Именно это и делает усилитель US3B, работающий в системе с разомкнутой обратной связью - выступая в качестве компаратора.

Опорный потенциал устанавливается резисторами R12 и R13 на значение приблизительно 140 мОм.Выход компаратора управляет входом микроконтроллера. Поскольку микросхема US3 питается от напряжения выше 5 В, ток, протекающий через вход микроконтроллера, ограничивается резистором R14.

В качестве микроконтроллера используется Attiny24A, небольшой объем памяти которого достаточен для этой задачи. Тактовая частота стабилизирована с помощью внешнего кварцевого резонатора на 8 МГц. Это было необходимо, поскольку система выполняет критическую по времени операцию: включение симистора в точно определенный момент времени. Для связи между программатором и микроконтроллером был предусмотрен разъем J3, подключенный к сигналам, необходимым для ISP (внутрисистемного программирования).

Необходимая задержка включения затвора симистора устанавливается вращением оси потенциометра P1. Он был встроен в качестве делителя напряжения для питания микроконтроллера, а также служит опорным потенциалом для встроенного аналого-цифрового преобразователя. Поэтому результат преобразования всегда прямо пропорционален углу поворота оси тока. Конденсатор C12 ограничивает полосу пропускания шума и помех, которые нарушают работу преобразователя.

Для отображения заданного значения задержки используется простой трехразрядный светодиодный дисплей. Из-за ограниченного количества выводов ATtiny24A управление осуществляется в мультиплексном режиме. Включение отдельных сегментов осуществляется с помощью сдвигового регистра 74HC595. Его вход активации управляется резистором R16 и конденсатором C15, которые кратковременно поддерживают все восемь выходов регистра в высокоимпедансном состоянии после включения питания. Это предотвращает некрасивое «мерцание» некоторых сегментов до начала выполнения программы микроконтроллером, прежде чем будет определено содержимое регистра. Токи отдельных сегментов составляют приблизительно 6 мА, поэтому ток для всей цифры может достигать 48 мА. Следовательно, включение цифр осуществляется с помощью дополнительных MOSFET-транзисторов, которые имеют минимальное падение напряжения в открытом состоянии.

Сборка и запуск

Схема была собрана на двухсторонней печатной плате размером 65x70 мм, схема расположения дорожек и схема сборки показаны на рисунке 3. Монтажные отверстия расположены на расстоянии 3 мм от края платы.

Рисунок 3. Схема расположения дорожек и схема сборки.

Лучше всего начать сборку с пайки всех компонентов поверхностного монтажа, поскольку они расположены на одной стороне платы. Далее стоит перейти к компонентам, устанавливаемым в отверстия, которые также расположены на нижней стороне платы: R2, Q1, C5, J1, J2, L1, J3 и, наконец, конденсатор C1. Последним припаяйте индикатор LED1, который единственный должен быть установлен на верхней стороне платы.

Потенциометр P1 можно припаять к любой стороне платы или вывести на коротких проводах в удобное место на корпусе устройства. Собранная схема прототипа показана на фото 1, 2 - потенциометр был припаян к нижней стороне платы для более компактной конструкции.

Фото 1.

Фото 2.

Собранную схему следует программировать с помощью готового разъема для программирования. Биты защиты микроконтроллера ATtiny24A следует установить следующим образом:
Low Fuse = 0xFD,
High Fuse = 0xDC.

Подробности показаны на рисунке 4, который содержит снимок экрана окна программы BitBurner. Эта конфигурация битов защиты запустит генератор, который возбудит внешний кварцевый резонатор, и установит порог защиты от просадки напряжения на уровне 4,3 В.

В процессе программирования система должна быть запитана путем подачи соответствующего напряжения на клеммы разъема J1. Важно помнить, что одна из клемм разъема J1 подключена к заземлению системы, а следовательно, и к заземлению программатора. Для целей программирования это также может быть постоянное напряжение в диапазоне 15-40 В. Правильно собранная и запрограммированная система не требует дальнейшей настройки и готова к работе.

Источник питания, например, сетевой трансформатор, следует подключить к клеммам J1, а нагрузку, например, лампочку, - к клеммам J2. Максимальный ток нагрузки определяется пропускной способностью симистора, а также дорожек и разъемов. Симистор BT136-600E может пропускать до 4 А (среднеквадратичное значение), дорожки - приблизительно 8 А (при толщине меди 35 мкм и повышении температуры на 20 °C), а разъемы - приблизительно 10 А. Симистор можно заменить, например, на BT137-600E, способный выдерживать ток 8 А среднеквадратичного значения. Важно, чтобы у него был чувствительный затвор, который упростит запуск – в данном случае чувствительность затвора составляет 10 мА. В любом случае, убедитесь, что симистор хорошо охлаждается. Чем больше период его работы, тем больше рассеиваемая мощность.

Эксплуатация

Прототип схемы был протестирован при напряжении питания приблизительно 12 В среднеквадратичного значения и резистивной нагрузке. С помощью осциллографа были построены графики напряжения на клеммах нагрузки (с одинаковой временной базой и чувствительностью к оси Y) при установке 50% (рисунок 5) и 99,9% (рисунок 6) времени проводимости симистора.

Рисунок 5

Рисунок 6.

На рисунке 6 особенно заметно искажение формы напряжения, напоминающее кроссоверное искажение, известное по усилителям класса B. Эта кратковременная «нечувствительность» симистора вызвана двумя причинами.

Во-первых, это небольшой запас, который схема оставляет между обнаружением перехода через ноль и включением затвора триака. Этот запас служит для предотвращения случайного срабатывания симистора, если он еще не полностью выключился после предыдущего полупериода. Аналогичный запас прочности был введен и для очень малых значений продолжительности активного состояния, чтобы предотвратить так называемое продление активного состояния на следующий период.

Второй вариант более прозаичен: падение напряжения на проводящем симисторе составляет около 1,4 В (прямое напряжение двух p-n переходов). Если мгновенное напряжение питания не превышает это значение, симистор не активируется. В приборах, работающих от сети, где пиковое напряжение превышает 300 В, эта проблема незначительна.