Regulowany zasilacz wysokiego napięcia zmiennego (0-250V).pdf

(862 KB) Pobierz

P R O J E K T Y

Regulowany zasilacz

wysokiego napięcia

zmiennego

Opisy konstrukcji zasilaczy

warsztatowych, różnego

typu i przeznaczenia, są

stałym tematem w literaturze

dla elektroników. Niestety

publikacji zawierających

opisy zasilaczy napięcia

przemiennego o częstotliwości

elektroenergetycznej sieci

zasilającej nie ma zbyt dużo.

Rekomendacje:

opisany

zasilacz zainteresuje

z pewnością dotychczasowych

użytkowników autotransformatorów.

Oferuje łatwość nastawiania

napięcia i jednocześnie izolację

galwaniczną od sieci elektrycznej.

Może być stosowany do prac

związanych z naprawami,

uruchamianiem lub testowaniem

rozmaitych urządzeń, a także

przyda się do zasilania silników

elektrycznych lub regulacji

oświetlenia.

Elektronika Praktyczna 10/2004

W artykule autor proponuje

budowę właśnie takiego zasilacza.

Jego zasadniczym elementem jest

odpowiedniej konstrukcji transfor-

mator sieciowy z przekaźnikowym

układem przełączającym. Zasi-

lacz jest źródłem napięcia prze-

miennego, regulowanego w za-

kresie 0...255 V z rozdzielczością

1 V i obciążalności zróżnicowanej

w zależności od nastawionego na-

pięcia wyjściowego. Proponowane

rozwiązanie, przy założonym za-

kresie i założonej rozdzielczości

regulacji napięcia, zdecydowanie

upraszcza sposób regulacji oraz do

minimum redukuje liczbę uzwojeń

lub odczepów transformatora sie-

ciowego i połączeń wewnętrznych

zasilacza. Zastosowanie mikrokon-

trolera do sterowania tym urzą-

dzeniem wydatnie podnosi jego

walory użytkowe.

Nie znam odpowiedzi na py-

tanie, dlaczego podjęty temat nie

cieszy się większą popularnością.

Przecież zasilacz potraﬁący dostar-

czyć regulowanego w szerokich

granicach napięcia przemienne-

go jest urządzeniem bardzo przy-

datnym w warsztacie elektronika

amatora (i nie tylko), a obszar

jego zastosowań jest bardzo sze-

roki. Ponadto może być on wy-

godnym i tanim źródłem zasilania

posiadanych elektronarzędzi, takich

jak: miniwiertarka, lutownica, do-

datkowe oświetlenie itp. W swej

praktyce konstruktorskiej niejedno-

krotnie spotkałem się z potrzebą

dysponowania źródłem zasilania

napięcia przemiennego o wyraź-

nie określonym lub regulowanym

napięciu wyjściowym. Korzystałem

wtedy z ciężkiego i nieporęczne-

go autotransformatora regulacyjne-

go lub w „lżejszych” przypadkach

z różnych posiadanych w swoich

„zapasach” transformatorów siecio-

wych. Konﬁgurując na różne spo-

soby układ połączeń ich uzwojeń

wtórnych otrzymywałem pożądane

Regulowany zasilacz wysokiego napięcia zmiennego

niejako bezpośrednio konwertuje

binarny zapis położenia poszcze-

gólnych kluczy na wartość na-

pięcia wyjściowego. Ten fakt miał

zasadnicze znaczenie przy reali-

zacji układu odpowiedzialnego za

sterowanie kluczy przełączających

oraz wizualną prezentację wartości

zaprogramowanego napięcia wyj-

ściowego. Omawiany układ może

zatem realizować funkcję przełącz-

nika wartości napięcia na jego za-

ciskach wyjściowych, a napięcie to

zależne jest od położenia poszcze-

gólnych kluczy i może przyjmo-

wać wartości z przedziału od 0 V

do 15 V z rozdzielczością 1 V.

Ponadto wartość napięcia wyjścio-

wego wyrażona jest liczbą binar-

ną, która odzwierciedla położenie

poszczególnych kluczy. W prak-

tycznym zastosowaniu wyżej omó-

wionego układu, źródła napięcia

zastąpiłem uzwojeniami wtórnymi

transformatora sieciowego, zwięk-

szyłem ich liczbę do 8, a rolę

kluczy powierzyłem przekaźnikom

o stosownej wytrzymałości prądo-

wej. Uzwojenia wtórne transfor-

matora wykonałem tak, aby dosto-

sować się do zasad omówionych

powyżej, tzn. napięcia znamio-

nowe uzwojeń tworzą ciąg: 1 V,

2 V, 4 V, 8 V, 16 V, 32 V, 64 V,

128 V. Tak rozbudowany układ

realizuje funkcję regulacji napięcia

wyjściowego zasilacza w granicach

od 0 V do 255 V z założoną roz-

dzielczością 1 V.

Rys. 1. Sposób regulacji napięcia wyjściowego

napięcie zasilające. Jak dalece pry-

mitywny i niewygodny był to spo-

sób nie muszę przekonywać niko-

go, kto trzymał lutownicę w ręku.

Opracowałem wtedy i wykonałem

prezentowane w niniejszym ar-

tykule urządzenie. W przyjętych

założeniach zasilacz powinien

dostarczać napięcia przemienne-

go, ustawianego z rozdzielczością

1 V w zakresie od 0 do 250 V

i mocy 100...150 W. Ponadto, co

jest sprawą bardzo istotną z punk-

tu widzenia bezpieczeństwa pracy,

powinien zapewniać galwaniczną

separację od elektroenergetycznej

sieci zasilającej. Założenia te jed-

noznacznie wskazywały, że ser-

cem tej konstrukcji powinien być

transformator sieciowy. Pozostał

do rozwiązania sposób regulacji

napięcia wyjściowego. Na samym

wstępie odrzuciłem w miarę pro-

ste i powszechnie stosowane regu-

latory oparte na technice tyrysto-

rowej. Oczywistym powodem były

zniekształcenia kształtu sinusoidy

napięcia wyjściowego oraz zakłóce-

nia radioelektryczne, jakie te ukła-

dy generują. Tradycyjny sposób,

wykorzystujący odczepy wykonane

na uzwojeniu wtórnym transforma-

tora oraz wielopozycyjny przełącz-

nik był również nie do przyjęcia

z uwagi na znaczną (aż 250) licz-

bę potrzebnych odczepów. Zasto-

sowałem zatem niekonwencjonalny

sposób regulacji eliminujący opi-

sane powyżej niedogodności. Pre-

zentowany zasilacz jest konstruk-

cją stosunkowo prostą, ma jednak,

moim zdaniem, jedną kapitalną za-

letę. Zastosowane rozwiązanie ukła-

du regulacji napięcia, przy założo-

nym zakresie i rozdzielczości regu-

lacji, do minimum redukuje liczbę

uzwojeń i odczepów transformatora

sieciowego, jak również znakomicie

upraszcza metodę regulacji.

Metoda regulacji napięcia

wyjściowego

Przystępując do projektowania

zasilacza, zadałem sobie zasadni-

cze pytanie: w jaki sposób wy-

eliminować olbrzymią liczbę od-

czepów na uzwojeniu wtórnym

transformatora oraz jak uprościć

jego układ połączeń wewnętrz-

nych i montaż? Z pomocą przy-

szła technika cyfrowa. Dla potrzeb

projektowanego urządzenia zaadap-

towałem rozwiązania stosowane

w niektórych typach kompensa-

cyjnych przetworników analogowo-

-cyfrowych. Ideę tego rozwiązania

przedstawiono na

rys. 1.

Jest to

układ czterech źródeł napięcia

oznaczonych symbolami U

do U

Wartości napięć poszczególnych

źródeł są kolejnymi wyrazami cią-

gu 2

i wynoszą 1 V, 2 V, 4 V

i 8 V. Każde z tych źródeł po-

siada przynależny mu przełącznik

(klucz), oznaczony S

do S

. Ana-

lizując działanie układu, nietrud-

no spostrzec, że napięcie na za-

ciskach wyjściowych tego układu

zależne będzie od położenia po-

szczególnych kluczy. W przypad-

ku gdy wszystkie ustawione będą

w pozycji „0”, napięcie wyjściowe

równe będzie 0 V. Przestawienie

do pozycji „1”, np. przełącznika

oznaczonego S

, spowoduje po-

jawienie się na wyjściu napięcia

8 V, natomiast przełącznika ozna-

czonego S

, napięcia 2 V. W sy-

tuacji przedstawionej na rysunku,

gdy w pozycji „1” znajdują się

przełączniki S

i S

, a przełączniki

i S

pozostają w pozycji „0”,

napięcie wyjściowe będzie sumą

napięć źródeł U

oraz U

i bę-

dzie miało wartość 1 V + 8 V =

9 V. Dozwolona jest każda kom-

binacja położenia kluczy, zatem

w drugim krańcowym przypadku,

gdy wszystkie klucze znajdą się

w pozycji „1”, napięcie wyjściowe

przyjmie wartość 1 V + 2 V +

4 V + 8 V = 15 V. Zakładamy

naturalnie, że wszystkie napię-

cia źródłowe mają tę samą fazę.

W dolnej części rysunku przedsta-

wiony jest binarny zapis położenia

poszczególnych przełączników re-

prezentowany liczbą 1001. Należy

zwrócić uwagę na fakt, że liczba

1001 w zapisie binarnym to licz-

ba 9 w zapisie dziesiętnym, a to

oznacza, że przedstawiony układ

Opis konstrukcji zasilacza

Schemat elektryczny zasilacza

pokazano na

rys. 2

(sekcja prze-

łączników) i

rys. 3

(sekcja sterow-

nika). Zasadniczym elementem za-

silacza jest transformator sieciowy

i od jego wykonania rozpoczyna-

my budowę urządzenia. Gruntow-

na znajomość transformatorów jest

stosunkowo rzadkim zjawiskiem,

nawet wśród doświadczonych kon-

struktorów. Jest nieomal regułą, że

zarówno początkujący hobbysta,

jak i wieloletni praktyk posługują

się uproszczonymi wzorami ma-

tematycznymi pozwalającymi do-

brać przekrój rdzenia oraz wyzna-

czyć dane nawojowe potrzebnego

transformatora. Przytoczę zatem te

wzory dla mniej doświadczonych

Czytelników. Transformator Tr na-

szego zasilacza powinien posiadać

uzwojenie sieciowe, inaczej zwane

pierwotnym, które dostosowane

jest do napięcia elektroenergetycz-

Elektronika Praktyczna 10/2004

Regulowany zasilacz wysokiego napięcia zmiennego

kiej obciążalności prądowej prze-

znaczone do zasilania obwodów

pomocniczych.

Gotowego transformatora, speł-

niającego powyższe wymagania,

z całą pewnością nie kupimy. Po-

zostaje zatem wykonanie go sa-

modzielnie. Może się zdarzyć,

a tak było w moim przypadku, że

w swych zapasach będziemy mieli

transformator z rdzeniem o odpo-

wiednim przekroju i nawinięty-

mi już uzwojeniami. Wprawdzie

istniejące uzwojenia wtórne będą

dla nas bezużyteczne, ale możemy

przecież wykorzystać gotowe i na

pewno dobrze nawinięte uzwo-

jenie sieciowe przystosowane do

napięcia 230 V. Należy podkreślić,

że przezwojenie transformatora

jest łatwiejsze oraz mniej praco-

chłonne od wykonania go niejako

od nowa.

Co należy zrobić w takiej sy-

tuacji? W pierwszej kolejności, dla

posiadanego transformatora, należy

wyznaczyć parametr, który określa

liczbę zwojów przypadających na

1 V napięcia (w skrócie lz/1V).

Wykorzystamy go w obliczeniach

dla nowych uzwojeń. Możemy to

zrobić na dwa sposoby. Metoda

pierwsza to prowizoryczne nawi-

nięcie, na nierozebranym jeszcze

transformatorze, uzwojenia kontro-

lnego, np. 10 zwojów. Następnie

do uzwojenia sieciowego podłącza-

my napięcie 230 V i wykonujemy

dokładny pomiar napięcia zaindu-

kowanego na uzwojeniu kontrol-

nym. Z poniższej zależności obli-

czymy wartość interesującego nas

parametru:

[1.1]

Rys. 2. Schemat elektryczny zasilacza (sekcja przełączników)

nej sieci zasilającej, standardowo

230V/50Hz. Ponadto powinien po-

siadać 8 odrębnych, izolowanych

od siebie uzwojeń wtórnych o na-

pięciach znamionowych 1 V, 2 V,

4 V, 8 V, 16 V, 32 V, 64 V, 128 V.

Obciążalność prądowa poszczegól-

nych uzwojeń wtórnych może być

różna, trzeba jednak pamiętać, aby

iloczyn napięcia i prądu obciąże-

nia tych uzwojeń nie przekroczył

mocy znamionowej transformatora.

Dodatkowo transformator powinien

posiadać dwa pomocnicze uzwo-

jenia wtórne, o napięciach: 10 V

oraz 18 V o stosunkowo niewiel-

Ale tu uwaga! W czasie wyko-

nywania tych czynności zachowaj-

my szczególną ostrożność. Trzeba

zawsze pamiętać, że praca w po-

bliżu napięcia sieci elektroenerge-

tycznej 230 V jest niebezpieczna

dla zdrowia i życia człowieka.

Drugim sposobem liczbę zwo-

jów przypadających na 1V może-

my określić w trakcie usuwa-

nia zbędnych uzwojeń. Odwĳając

jedno z nich, najlepiej o małej

liczbie zwojów, trzeba dokład-

nie policzyć ich liczbę. Następ-

nie, wiedząc na jakie napięcie to

uzwojenie było wykonane, należy

obliczyć interesujący nas parametr

ze wzoru:

Elektronika Praktyczna 10/2004

Regulowany zasilacz wysokiego napięcia zmiennego

Rys. 2. Schemat elektryczny zasilacza (sekcja sterownika)

Elektronika Praktyczna 10/2004

Regulowany zasilacz wysokiego napięcia zmiennego

[1.2]

na moc wynika z zależności

przedstawionej poniżej. Podob-

nie jak poprzednio i tutaj za-

silacz wykorzystuje uzwojenia

obliczone powyżej oraz uzwo-

jenie o napięciu znamionowym

128 V, zatem średnicę drutu

nawojowego tego uzwojenia do-

stosowałem do prądu 0,5 A.

[1.5]

0,5 A · 255 V = 127,5 V < 180 V

Liczbę zwojów poszczególnych

uzwojeń wtórnych wyznaczyłem,

korzystając ze wzoru:

[1.6]

= U

· liczba zwojów/1V

natomiast średnicę drutu nawojo-

wego opisuje zależność:

[1.7]

d [mm]= 0,7 ·

√

I[A]

tab. 1

zebrano wszystkie wy-

niki dokonanych obliczeń. Zasto-

sowany w moim zasilaczu trans-

formator posiada rdzeń zestawiony

z blach w kształcie litery L. Ce-

chą charakterystyczną rdzenia tego

typu jest to, że posiada dwa kar-

kasy, na których nawinięte są jego

uzwojenia. Teoria mówi, że każde

uzwojenie takiego transformatora

powinno być symetrycznie roz-

dzielone na oba karkasy (po poło-

wie na każdy z nich). Dla nowych

uzwojeń wtórnych odstąpiłem od

tej zasady i rozmieściłem uzwoje-

nia tak, aby wypełnić równomier-

nie dostępną przestrzeń w kar-

kasie. Podczas nawĳania nowych

uzwojeń nie można dopuścić do

uszkodzenia izolacji drutu. Zwoje

powinny być ułożone równo obok

siebie, nie mogą pozostać luźne.

Gorąco polecam oznaczenie końcó-

wek wykonywanych uzwojeń. Za-

łożone kolorowe koszulki izolacyj-

ne z pewnością ułatwią ich póź-

niejsze rozpoznanie. Po nawinięciu

nowych uzwojeń, a przed nało-

żeniem ich na rdzeń, należy ko-

niecznie sprawdzić izolację pomię-

dzy poszczególnymi uzwojeniami.

Zakończeniem tego etapu powin-

no być staranne złożenie rdzenia

i sprawdzenie wyników dokonane-

go przezwojenia transformatora.

Jako przełączniki (klucze) prze-

łączające poszczególne uzwojenia

transformatora Tr zastosowałem po-

pularne, ogólnie dostępne i spraw-

dzone w praktyce przekaźniki typu

R15. Wybrałem typ w wykonaniu

bez obudowy z potrójnym układem

styków przełączających i cewkami

sterującymi przystosowanymi do

napięcia 24 VDC. Gorąco go pole-

cam z uwagi na szereg zalet, ja-

kimi się charakteryzuje. Ma prostą

konstrukcję, odpowiednią dla na-

szych celów obciążalność prądową

zestyków i stosunkowo duże prze-

rwy izolacyjne pomiędzy nimi. Ta

ostatnia cecha ma duże znaczenie,

gdyż w ekstremalnych przypadkach

napięcie pomiędzy zestykami może

osiągać wartość 255 VAC. Uważne-

go Czytelnika może zastanowić po-

kazana na rys. 2 konﬁguracja po-

łączeń uzwojeń transformatora Tr

z przekaźnikami przełączającymi

Pk0...Pk7, w której wykorzystane

są dwa zespoły zestyków każdego

z nich. Wybrałem ten układ nie-

przypadkowo. W chwili zmiany

położenia styków przekaźnika ge-

neruje on dwie przerwy izolacyj-

ne pomiędzy stykami, a to wy-

datnie poprawia warunki gaszenia

łuku elektrycznego, który pojawia

się w tym momencie. Dodatkowo

eliminuje konieczność stosowania

elastycznych połączeń dla styków

ruchomych przekaźnika. Wystarczy

„na sztywno” połączyć dwa są-

siadujące ze sobą wyprowadzenia

styków ruchomych, a pozostałe

przewody będą wymagały pod-

łączenia wyłącznie do jego sty-

ków stałych. Znacząco upraszcza

to montaż urządzenia. W trakcie

prac nad tą częścią zasilacza nale-

ży zwrócić uwagę na sposób pod-

łączenia każdego z uzwojeń wtór-

nych transformatora Tr z przyna-

leżnym przekaźnikiem. Istotny jest

kierunek nawinięcia uzwojenia,

a zatem jego połączenie z prze-

kaźnikiem nie może być przypad-

kowe. Generalną wskazówką jest

informacja, że w trakcie załączania

kolejnych przekaźników Pk0...Pk7

napięcia z tych uzwojeń powinny

się sumować. Z całą pewnością

pomocne będą tu oznaczenia ich

początku i końca, o których wspo-

minałem wcześniej. Pozostała apa-

ratura tej części naszego zasilacza

nie wymaga komentarza.

Centralnym elementem sterow-

nika zasilacza jest zaprogramo-

wany mikrokontroler US1 typu

AT89C2051. Zastosowanie mikro-

kontrolera wynika ze złożonych

funkcji, jakie pełni sterownik. Na

bieżąco odczytuje on i przetwa-

rza parametry nastaw zasilacza

wprowadzane przez użytkownika

z klawiatury, zajmuje się obsłu-

gą 3-dekadowego, 7-segmentowego

Po ustaleniu parametru lz/1V,

należy odwinąć wszystkie niepo-

trzebne uzwojenia, pozostawiając

tylko sieciowe. Czynność tę nale-

ży wykonać bardzo staranie, aby

nie uszkodzić izolacji pokrywają-

cej to uzwojenie.

Jak wspomniałem, w mojej

konstrukcji wykorzystałem posia-

dany transformator typu TS180/5

o mocy 180 VA. Celowo wybrałem

rdzeń o większej mocy, aby tą

drogą zyskać więcej przestrzeni na

pomieszczenie w karkasie dosyć

dużej liczby uzwojeń wtórnych.

Liczbę zwojów przypadających na

1 V napięcia wyznaczyłem metodą

uzwojenia kontrolnego i dla tego

typu transformatora wynosi ona

3,44 zw/1 V. Dopuszczalną obcią-

żalność prądową zasilacza, z uwa-

gi na moc zastosowanego transfor-

matora, zróżnicowałem w zależno-

ści od napięcia wyjściowego:

– W zakresie napięć od 1 V do

63 V przyjąłem obciążenie prą-

dem do 2 A. Wartość maksy-

malnej pobieranej mocy (dla

maksymalnego napięcia wyjścio-

wego i maksymalnego prądu)

sprawdzamy według zależności

przedstawionej poniżej. W tym

przedziale napięć wyjściowych

zasilacz wykorzystuje uzwojenia

o napięciu 1 V, 2 V, 4 V, 8 V,

16 V oraz 32 V, zatem śred-

nicę drutu nawojowego tych

uzwojeń dobrałem do założone-

go obciążenia prądem 2 A.

[1.3]

2 A · 63 V = 126 VA < 180 VA

– W przedziale napięć wyjścio-

wych od 64 V do 127 V ob-

ciążalność jest mniejsza i wy-

nosi 1 A. Maksymalny pobór

mocy wyznaczamy z poniższe-

go wzoru. Tutaj zasilacz wyko-

rzystuje uzwojenia sprawdzone

powyżej oraz uzwojenie o na-

pięciu znamionowym 64 V, tak

więc średnicę drutu nawojowe-

go dla tego uzwojenia dostoso-

wałem do prądu 1 A.

[1.4]

1 A· 127 V = 127 VA < 180 VA

– Dla napięć wyjściowych od

128 V do 255 V przyjęta ob-

ciążalność prądowa wynosi

0,5 A, a maksymalna pobiera-

Elektronika Praktyczna 10/2004

Plik z chomika:

Gryzon26

Inne pliki z tego folderu:

Energooszczędny zasilacz dużej mocy - 12V, 6A (AVT334).pdf (8492 KB)
Zasilacz labolatoryjny z potencjometrem cyfrowym (AVT349).pdf (7489 KB)
Lampowy zasilacz stabilizowany (AVT1631).pdf (5099 KB)
Zasilacz 50V 5A.pdf (3828 KB)
Mikroprocesorowy zasilacz laboratoryjny (AVT5083).pdf (3559 KB)

Regulowany zasilacz wysokiego napięcia zmiennego (0-250V).pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: