В данной статье рассматривается возможность беспрерывного переключения цепей переменного тока с применением электромеханических реле. Продемонстрирована способность уменьшения эрозии контактов реле, что, в свою очередь, способствует повышению долговечности устройства и снижению электромагнитных помех от его работы на примере стабилизатора напряжения для жилых помещений.
Мощный стабилизатор напряжения своими руками: принципиальные схемы + поэтапная инструкция сборки
Создание самодельных стабилизаторов напряжения является достаточно распространённой практикой. Однако в большинстве случаев изготавливаются устройства, предназначенные для работы с относительно низкими выходными напряжениями (в диапазоне 5-36 вольт) и мощностями. Эти устройства находят применение, в первую очередь, в бытовой электронике и аппаратуре.
В данной статье мы расскажем, как самостоятельно сделать мощный стабилизатор напряжения, способный работать с сетью напряжения 220 вольт. Следуя нашим рекомендациям, вы сможете без особых трудностей реализовать проект и выполнить сборку устройства самостоятельно.
Стабилизация напряжения бытовой сети
Стремление обеспечить стабильное напряжение в бытовой электросети является явным и обоснованным. Такой подход помогает сохранить целостность техники и электроприборов, которые часто бывают достаточно дорогими и востребованными в хозяйстве. В общем же, стабилизация напряжения – это залог повышенной безопасности эксплуатации электрических систем.
На практике чаще всего приобретаются стабилизаторы для таких электроприборов, как газовые котлы (автоматика которых требует подключения к электрической сети), холодильники, насосы, системы кондиционирования воздуха и аналогичные устройства-потребители.
На рынке представлено множество промышленных конструкций стабилизаторов напряжения, которые не составляют трудности в приобретении. Ассортимент такого оборудования весьма разнообразен, но всегда есть возможность создать свою собственную модель.
Эту задачу можно решить различными методами, самым простым из которых является покупка готового мощного стабилизатора, изготовленного на заводе.
На коммерческом рынке имеется большое количество предложений по стабилизаторам напряжения. Однако порой финансовые ограничения могут помешать приобретению устройства, и в таких случаях сборка стабилизатора своими руками из доступных электронных компонентов становится вполне приемлемой альтернативой.
При наличии необходимых знаний и навыков в области электромонтажа, основ теории электротехники (включая электронику), а также умений по разводке цепей и пайке компонентов, самодельный стабилизатор напряжения можно успешно реализовать и использовать на практике. Некоторые примеры подобных устройств уже существуют.
Так может выглядеть устройство стабилизации, выполненное своими руками из доступных и недорогих радиодеталей. Корпус и шасси можно взять от устаревшего промышленного оборудования, например, от старого осциллографа.
Стабилизатор напряжения 220В — принцип работы
Стабилизатор напряжения состоит из нескольких ключевых компонентов:
Принцип функционирования самого простого стабилизатора основан на использовании реостата. Он изменяет свое сопротивление в зависимости от силы тока, обеспечивая его стабильность. Современные модели стабилизаторов располагают множеством функций и могут полностью защищать бытовую технику от перепадов напряжения в сети.
Классификация стабилизаторов осуществляется по методу, который используется для регулировки тока. Так как ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, воздействовать на него можно несколькими способами:
-
Механический способ. Этот метод основан на законе Ома. Приборы, работающие по этому принципу называются линейными. Они включают два участка, соединенные через реостат. Напряжение, подаваемое на один элемент, проходит через реостат, после чего поступает на другой элемент и далее к потребителям. Приборы такого типа позволяют достаточно точно устанавливать параметры выходного тока и могут быть дополнены дополнительными узлами. Однако использование таких стабилизаторов в сетях, где существует значительное различие между входным и выходным током, нежелательно, так как они не будут в состоянии обезопасить бытовую технику от короткого замыкания при больших нагрузках.
Для более подробного понимания принципа работы импульсного стабилизатора напряжения 220В, вы можете ознакомиться с видео, представляемым ниже:
Кроме того, стабилизаторы напряжения можно делить на:
Учитывая, что большинство бытовых приборов функционирует от однофазной электросети, в жилых помещениях, как правило, используется оборудование, относящееся к первому типу.
Схема стабилизатора напряжения 220В для дома, комплектующие и инструменты
Важно отметить, что этот стабилизатор напряжения, собранный самостоятельно, будет выравнивать ток лишь в случае, если входное напряжение находится в диапазоне от 130 до 270В.
Предельная мощность устройств, подключаемых к такому оборудованию, не должна превышать 6 кВт. Также стоит учитывать, что переключение нагрузки будет производиться за 10 миллисекунд.
Что касается компонентов, то для создания такого стабилизатора нужны следующие элементы:
В качестве инструментов необходимо иметь паяльник и пинцет.
↑ Принципиальная схема
Схема состоит из автотрансформатора, который переключается как по входу, так и по выходу с применением реле. В данной схеме предусмотрено прямое измерение переменного напряжения с помощью микроконтроллера. Выходное напряжение через делитель R13, R14, R15, R16 поступает на вход микроконтроллера через конденсатор C10. Питание реле и микросхемы обеспечивается через диод D3 и микросхему U1. Кнопка SB1 в совокупности с резистором R1 предназначены для калибровки стабилизатора. Транзисторы Q1-Q4 служат усилителями для реле.
Основные реле — Р1 и Р2, а реле Р1а и Р2а в связке с диодами D1 и D5 обеспечивают замыкание цепи во время переключения основных реле. Для сокращения времени отключения реле в их усилителях используются транзисторы BF422, а обмотки реле защищены шунтирующими диодами 1N4007 и диодами Зенера на 150 Вольт, подключенными в противоположном направлении.
Для снижения импульсных помех, проникающих из сети, на входе и выходе стабилизатора установлены конденсаторы C1 и C11.
Трехцветный светодиод отображает уровни напряжения на входе стабилизатора: красный светится при низком напряжении, зеленый — в норме, синий — при высоком.
↑ Программа
Программа написана на языке СИ (mikroC PRO for PIC) и разделена на блоки, снабженные комментариями. В программе используется прямое измерение переменного напряжения микроконтроллером, что позволило упростить аппаратную часть. В качестве микропроцессора применяется PIC16F676. Блок программы zero ожидает появления спадающего перехода через ноль, по которому осуществляется измерение величины переменного напряжения или начинается переключение реле. Блок программы izm_U отвечает за измерение амплитуд отрицательного и положительного полупериодов.
В основной программе обрабатываются результаты измерений, и при необходимости выдаётся команда на переключение реле. Для каждой группы реле написаны отдельные программы для включения и выключения с учётом необходимых временных задержек R2on, R2off, R1on и R1off. 5-й бит порта C используется для подачи импульса синхронизации на осциллограф, чтобы можно было наблюдать результаты эксперимента.
Последовательность изготовления стабилизатора напряжения своими руками
Перед тем как начать самостоятельное изготовление устройства для стабилизации напряжения, необходимо запастись определенными инструментами. Вот их список:
- Паяльник. Так как работа будет производиться с чувствительными электронными компонентами, мощность паяльника должна составлять 40 Вт. Диоды, транзисторы и иные радиокомпоненты довольно чувствительны к высоким температурами, и применение паяльника мощностью 80 или 100 Вт может привести к их повреждению.
- Пинцет. Он необходим для удобного удерживания горячих проводов во время пайки, так как работать с горячими элементами голыми руками весьма неудобно.
- Монтажный нож. Он идеально подходит для снятия изоляции с проводов. Нет смысла тратить деньги на специальные инструменты для этой цели.
- Канифоль и припой. Это расходные материалы для пайки. Для начинающих радиомастеров может подойти также паяльная кислота.
После того как необходимые инструменты собраны, можно переходить к монтажу схемы.
Приступаем непосредственно к сборке стабилизатора
Создание печатной платы может оказаться слишком дорогим и времязатратным процессом, хотя, конечно, вы можете выбрать и этот путь. Однако мы предлагаем более быстрый и доступный вариант — выполнить монтаж устройства на обычной макетной плате, которая легко доступна в продаже. Такой подход упростит процесс создания схемы стабилизатора напряжения 220 В своими руками.
Набор современных электронных компонентов весьма обширен и предлагает множество вариантов замены оригинальных элементов:
Также стоит отметить, что в электронной схеме имеются два элемента, которые обязательно требуют охлаждения: стабилизатор КР1158ЕН6А и симисторы. Рекомендуется установить первый на теплоотвод площадью не меньше 15–20 см², можно использовать специализированный теплоотвод под корпус ТО-220. Второй элемент должен быть размещен на теплоотводе размером 800–1000 см².
ATmega32A-PU — процессор стабилизатора, удобный для самостоятельного монтажа
Почему именно ATmega32A-PU?
Во-первых, ATmega32 — это один из наиболее популярных микроконтроллеров среди разработчиков стабилизаторов напряжения. Его память в 32 кБайта и наличествующие аппаратные возможности более чем достаточно для выполнения всех необходимых функций.
Во-вторых, серия «PU» имеет большой корпус, позволяющий упростить процесс монтажа. Слишком мелкие контакты сложно пайкой работать вручную.
Управлять реле напрямую процессор не может, поскольку у него напряжение питания составляет 5 Вольт, тогда как для реле требуется 12 Вольт. Кроме того, ток реле слишком велик для выхода микроконтроллера.
Для передачи управляющих сигналов на реле используются транзисторы Дарлингтона, а именно — матрица из транзисторов в виде микросхемы ULN2803A.
Для вывода информации удобно применять семисегментный индикатор. Несмотря на свои небольшие размеры, он обеспечивает видимость значений напряжения на расстоянии до 3 метров.
Общая схема стабилизатора, сделанного своими руками
- «би»-трансформатор из двух ТП-15 220/25В 0,6А;
- четыре реле G5LA-14 10A277VAC;
- матрица транзисторов Дарлингтона ULN2803A;
- блок семисегментных индикаторов;
- микроконтроллер ATmega32A-PU с обвязкой;
- импульсный источник питания напряжением 5 и 12 Вольт;
- система датчиков, делителей и фильтров для измерений.
После определения подходящей ступени, контроллер активирует необходимую комбинацию реле. Замеры и расчет ступени проводятся в каждом периоде синусоиды, с учетом того, чтобы время реакции стабилизатора не превышало 20 миллисекунд.
Ноги PA4, PA5, PA6, PA7 (другие каналы АЦП) также могут использоваться для измерений, но эти параметры не влияют на работу стабилизатора, поэтому их можно проигнорировать. Можно измерять выходное напряжение, температуру и ток, а также другие параметры, которые могут улучшить эксплуатацию.
Параллельно с регулировкой напряжения, стабилизатор выводит данные на индикатор. Три разряжаемых символа управляются одними и теми же выводами, что позволяет попеременно менять нейтраль (это известный алгоритм чередующегося вывода символов). В зависимости от предпочтений, на индикатор можно выводить либо входное напряжение, либо все параметры, меняя их по очереди. Если к стабилизатору будет подключена кнопка, выбор параметра можно осуществлять вручную.
Для идентификации параметров на стабилизаторе можно использовать точки: например, для входного напряжения – точки нет, для выходного – точка есть, ток – точка посередине, температура – точка спереди, авария – три точки. Чтобы избежать путаницы, обозначения нужно подписать на лицевой панели или распечатать табличку, если печать сделана руками не слишком аккуратно.
Схема разделена пунктирными линиями, отделяющими часть, размещенную на верхней плате, от второй части, находящейся на нижней плате. Трансформаторы выделены отдельно пунктиром, так как они должны быть прикреплены к корпусу или нижней плате.
Для улучшения видимости индикатора стабилизатора напряжения, вместо непрозрачной лицевой панели нужно установить красное стекло, положив за ним лист бумаги, закрывающий лишнее пространство. Красное стекло для корпуса Gainta Industries продается отдельно и устанавливается без использования инструментов.
К верхней плате стабилизатора можно создать проект с использованием программного обеспечения, вроде Sprint-Layout, и протравить его. Либо вы можете заказать изготовление своей платы в одном из сервисов. Схема довольно проста, достаточно будет одностороннего текстолита.
скачать файл lay6
Имейте в виду, что из-за работы под напряжением, расстояние между дорожками должно быть максимально увеличено, поэтому рекомендуется делать их тонкими. Для нижней платы можно использовать макетку — они продаются стандартных размеров под корпуса Gainta Industries. Пайку рекомендуется выполнять вручную. Для нижней платы (силовой) желательно использовать припой, обладающий высокой температурой плавления.
- модуль измерения напряжения,
- модуль управления реле,
- модуль измерения температуры трансформаторов,
- модуль отображения информации и ее обновления вручную.
