CC BY
71Компоненты и технологии, № 2'2005
Управление сетевым питанием
с помощью PIC10F204 и симистора
В статье рассматривается вариант замены механического термостата на электронный регулятор на новом микроконтроллере от Microchip — PIC10F204. Управление током через нагревательный элемент осуществляется с помощью симистора, основы управления которым также рассмотрены в статье.
Алексей Сафронов
safronov@gamma.spb.ru
В:
м
е-
большей части нагревательных приборов и электроплит применяются механические термостаты — устройства, обеспечивающие периодическое включение нагревательного элемента. Механический термостат является дешевым решением, но он имеет ряд существенных недостатков:
• возможность калибровки прибора только на этапе производства;
• плохая работа при низком уровне регулирования;
• низкая точность регулирования;
• большое количество механических деталей.
В этой статье рассматривается вариант замены механического термостата электронным регулятором на микроконтроллере PIC10F204 — новинке от Microchip в 6-выводном корпусе SOT-23. Управление током через нагревательный элемент осуществляется с помощью симистора, основы управления которым также рассмотрены в статье. Для питания микроконтроллера используется бестрансформаторный источник питания.
Электронный термостат, разработанный на Flash-микроконтроллере, может иметь ряд удобных функций: светодиодный индикатор состояния, автоматическое отключение питания и т. д.
МТ2 /\ МТ2 (-)'от G -у- •/^МТ1 REF 1«т- Q" 3ositive Г\ МТ2 M'gt ^G.AfMTl REF Ql
МТ2 Ql" (-)'от G W -у- »/^МТ1 REF п , □ г мт2№ Рис. 1. Режимы работы симистора QIV ы MT2 -П- cV^mti REF gative
Механический термостат
В электроплитах и нагревателях используется резистивный нагревательный элемент. Для управления нагревом используется механический термостат, который может подавать напряжение на нагревательный элемент в течение заданного времени. Он работает следующим образом:
1. Электрический контакт образуется между двумя проводниками. Для их размыкания используется биметаллическая пластина.
2. Коммутируемый ток протекает через биметаллическую пластину, вызывая ее нагрев.
3. При определенной температуре пластина изгибается и соединение размыкается.
4. После размыкания происходит охлаждение пластины и цикл повторяется.
Для управления частотой повторения используется специальный винт, с помощью которого изменяется предварительная сила сжатия контактов. Обычно на головке винта имеется ручка для выставления температуры или мощности. Ясно, что такая уставка не может быть точной. Кроме того, в процессе работы вследствие постоянного температурного расширения-сжатия изнашиваются как сами контакты (обгорают), так и биметаллическая пластина. Все это очень сильно сказывается на долговечности металлических термостатов.
Принцип работы симистора
Симистор — полупроводниковый элемент, предназначенный для коммутации нагрузки в сети переменного тока. Он имеет три вывода: два силовых и управляющий. Для управления режимом работы сими-стора используется низковольтный сигнал, подаваемый на управляющий электрод симистора. При подаче напряжения на управляющий электрод симистор переходит из закрытого состояния в открытое и пропускает через себя ток. Все режимы работы симистора отображены на рис. 1. Каждый квадрант соответствует определенному режиму работы симистора. Все уровни даны относительно точки МТ1.
Рабочими квадрантами являются QI, С2И и QШ, запрещенный— QIV. В этом квадранте симистор может
Компоненты и технологии, № 2'2005
выйти из строя, для предотвращения этого состояния используются специальные схемы защиты. Другим вариантом является работа только при негативных уровнях управляющего напряжения — в квадрантах С2И и QШ.
Следует заметить, что в настоящее время многие производители полупроводниковых приборов освоили производство трехквадрантных симисторов, у которых случайный переход в квадрант QIV невозможен.
В связи с тем, что симистор управляется не напряжением, а током, возможно его подключение непосредственно к выводу микроконтроллера, ток через который может быть до 25 мА. Симистор остается в открытом состоянии до окончания полупериода коммутируемого напряжения. При переходе через нуль симистор закрывается — он оказывается в другом квадранте, и для его открытия требуется следующий управляющий импульс.
Фазовое управление
Для изменения мощности, подведенной к нагрузке через симистор, может использоваться фазовое управление (рис. 2). Сущность метода заключается в пропуске части полупериода сетевого напряжения — аналогично широтноимпульсной модуляции. Ток в нагрузке пропорционален интегралу от полученного сигнала. Такой режим используется в регуляторах освещенности — диммерах. Яркость свечения лампы накаливания пропорциональна площади под обрезанной синусоидой.
L О—
N о-
mov
01 „Ь С2
5,IV ^ 470ц-
R1 R2
1K5W 1K5W
-кь
47 ЮМ
GP0 GP3
GND VDD
GP1 GP2
PIC 10F204
С7
0,1ц
Рис. 3. Принципиальная схема устройства
Преимуществом этого метода является то, что частота пульсаций на нагрузке остается равной сетевой. Это важно для управления осветительными приборами, так как снижение частоты может сказаться на появлении мерцания, заметного глазом.
Обратной стороной являются наводки, которые могут появиться в связи с резким переключением симистора. Эти наводки плохо сказываются на электромагнитной совместимости (EMI) полученного устройства и могут вызвать ненужные переключения симистора.
Пропуск периодов
Альтернативным методом управления мощностью является метод пропуска периодов. Для регулирования тока через нагрузку сими-стор пропускает только часть периодов сетевого напряжения. Пропуск периодов позво-
ляет решить проблему электромагнитной совместимости, так как включение симистора происходит в момент перехода сетевого напряжения через нуль.
Режим пропуска периодов применим для управления резистивными нагрузками, но не применим для осветительных приборов, так как вызывает мигание ламп накаливания.
Для обоих методов управления мощностью необходимо знать, когда сетевое напряжение переходит через нуль. Одним из способов является подача переменного сетевого напряжения непосредственно на вход микроконтроллера через последовательный резистор в несколько МОм. Благодаря наличию защитных диодов на портах микроконтроллеров Microchip PIC напряжение будет ограничено: сверху — напряжением питания, снизу — уровнем GND. Существует и альтернативный способ, который используется в данной реализации.
Рассмотрим схему реализации блока управления нагрузкой на микроконтроллере Microchip PIC10F204, имеющем встроенный аналоговый компаратор (рис. 3). Для питания микроконтроллера используется бестрансфор-маторный резистивный источник питания. Более подробно о расчетах таких источников можно узнать из статьи «AN954 Transformerless
power supplies: resistive and capacitive» на сайте компании. Для детектирования момента перехода сетевого напряжения через нуль достаточно использовать сигнал, снятый с анода стабилитрона. Сигнал подается через токоограничительный резистор непосредственно на вывод порта микроконтроллера.
Схема управления током через нагрузку не содержит обратной связи, для установки мощности используется переменный резистор, то есть получен электронный аналог термостата. В качестве нагрузки используется резистивный нагреватель. При сетевом питании 220 В получаем действующее значение тока порядка 5 А, однако симистор необходимо выбрать с запасом рабочего тока и установить на теплоотвод. В схеме используется BTA208-600F фирмы Philips.
Для оцифровки значения переменного резистора, устанавливающего мощность, используется интегрирующий преобразователь на конденсаторе С6. Для стабилизации задающего напряжения применен стабилитрон D4 на 3 В. В начале цикла преобразования вывод контроллера GP1 настраивается на выход и выдается высокий уровень. Этим уровнем заряжается конденсатор. Далее вывод конфигурируется как вход компаратора, конденсатор на-
Компоненты и технологии, № 2'2005
L O-
N o-
MOV
= = Cl 0,47ц
R3
3M
D1
R7 47
R1 R2
1K5W 1K5W
MT1 Ці----------------1
MT2
Q1
-W-
R5
-a-
50
C3
10ц
R4
VCC
D2
R6 47 ЮМ
V
20
TRC1
16A
400V
RLOAD V 13
1100W
R8 IK
-Q-
R9
R10 1,5K
t—I—і—, T C4
1---1 і -ilOOn ui і
10K
R11 470
H<--------l=b-
=f=C5 3n
LED1
R12 22K
POT1 25K "
-LC6 0,1ц
R13 IK
-a-
D4
3V
GP0 GP3
GND VDD
GP1 GP2
PIC10F204
C7
0,1ц
Рис. 5. Защищенное от шумов устройство
чинает разряжаться через переменный резистор (время разряда пропорционально значению резистора). Значение на выводе сравнивается с внутренним опорным напряжением
0,6 В. В момент, когда напряжение на конденсаторе упадет ниже этого уровня, срабатывает компаратор, и фиксируется время разряда. По формуле можно рассчитать значение переменного резистора:
t=-(RpQT1+R12)xC6xln(VREp/Vz) (1)
где t — время разряда конденсатора, RPQт1 — сопротивление переменного резистора, VREF — внутреннее опорное напряжение (0,6 В), V— напряжение на стабилитроне (3 В).
В устройстве используется переменный резистор 25 кОм с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота. Время разряда лежит в пределах от 3,53 до 7,56 мс, время полного разряда должно быть меньше 10 мс, так как используется синхронизация с сетью. Диаграмма работы преобразователя представлена на рис. 4.
Борьба с шумами
Представленная на рис. 3 схема цифрового термостата предполагает наличие идеального сетевого питания. В реальной сети имеются достаточно сильные помехи, которые могут сказаться на функционировании микроконтроллера. Особенно опасны шумы мегагерцо-вого диапазона, амплитуда которых может достигать десятков киловольт. Если при разработке схемы учесть этот факт и принять ряд несложных мер, можно сэкономить много сил и времени при отладке. Создание надежного сетевого устройства предполагает изолирование микроконтроллера от высокочастотных шумов. Это относится не только к цепям питания, но и к остальным выводам контроллера. На рис. 5 представлена модификация схемы с учетом данных рекомендаций.
Первое, на что следует обратить внимание, это фильтр по цепи питания микроконтроллера (С3, И4 и И5). Получены две «земли» — одна для цифровой части схемы, другая — для зашумленной аналоговой.
Второе — защита выводов микроконтроллера с помощью ФНЧ (GP2, GP3). В них рекомендуется использовать керамические конденсаторы.
Программное обеспечение
Предполагается следующий алгоритм работы. Основной цикл программы — отслеживание перехода сетевого напряжения через нуль. Когда переход обнаруживается, делается вывод о том, должен ли быть открыт симистор в данном полупериоде. Для открытия симис-тора на вывод контроллера GP2 выдается импульс длительностью порядка 2 мс.
Преобразования значения переменного резистора привязывается к полупериодам сетевого напряжения. Во время положительного полупериода происходит заряд конденсатора, во время отрицательного — непосредственно преобразование. Исходя из частоты питающего напряжения необходимо выбирать временные параметры интегрирующей цепи (см. формулу 1). Время разряда конденсатора измеряется с помощью таймера 0.
Для управления мощностью производится пропуск периодов сетевого напряжения: полный цикл составляет 10 полупериодов, количество полупериодов, во время которого нагрузка запитывается пропорционально значению задающего резистора. Если это значение не равно нулю, то зажигается светодиод и запускается таймер на 2 часа. Перезапуск таймера происходит при смене задающего значения. По истечении двух часов нагрузка отключается и включается лишь после сброса питания или задания нового уровня мощности.
Полученное программное обеспечение занимает порядка 130 ячеек памяти программ и использует 10 байт ОЗУ.
Полученный электронный термостат имеет множество преимуществ по сравнению со своим механическим аналогом:
1. повышенная надежность, обусловленная практически полным отсутствием механических частей;
2. встроенные механизмы защиты, такие как таймер автоматического отключения;
3. индикатор работы;
4. гибкость полученной схемы, так как возможно внутрисхемное программирование контроллера и получение на основе одного и того же конструктива устройств с различной функциональностью;
5. повышенная точность и возможность работы при малых уровнях мощности. Возможные доработки полученной системы:
1. введение обратной связи по температуре и реализация несложного закона поддержания и регулирования температуры;
2. возможность самокалибровки;
3. дистанционное управление устройством, например, по инфракрасному или радиоканалу;
4. реализация режима фазового управления для управления лампами накаливания.
На основе предложенной схемы возможна реализация целой гаммы несложных устройств управления сетевым питанием, которые могут применяться в бытовой технике, осветительных приборах, в промышленности и сельском хозяйстве.
