Делаем ЛАТР + стабилизатор переменного напряжения

Всегда хотелось иметь в хозяйстве лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) для проверки и налаживания различных радиоэлектронных устройств. Но ЛАТР мощностью до 1 кВт мне неинтересен, а мощностью 10 кВт — это то, что надо. И вот однажды мне удалось приобрести тороидальный трансформатор с ползунковым регулятором от неисправного стабилизатора переменного напряжения мощностью 10 кВт с электрическим механизмом управления ползунком.

Самый простой способ сделать из него ЛАТР — это удалить мотор-редуктор, вместо него поставить рукоятку и можно регулировать напряжение в нужную сторону, но это слишком просто. Раз есть электрическое устройство управления ползунком, к нему можно подключить драйвер двигателя на модуле L298N, но им надо как-то управлять, значит ставим Arduino nano, чтобы было можно регулировать выходное напряжение переменным резистором, а лучше энкодером. Чтобы автоматика работала, она должна получать информацию о состоянии входного и выходного переменного напряжения, для этого подойдут модули датчиков напряжения ZMPT101B.

Собирался сделать ЛАТР. а в конечном итоге получил стабилизатор переменного напряжения, поскольку при установке нужного выходного напряжения устройство поддерживает его на заданном уровне.


Схема этого устройства показана на рис. 1 Оно состоит из узла управления на модуле Arduino nano (А7), двух модулей ZMPT101B, контролирующих входное (модуль А2) и выходное (модуль A3) напряжение устройства. Модули А2 и A3 преобразуют высокое переменное напряжение сети в низкое, безопасное для работы микроконтроллера и имеют гальваническую развязку между входом и выходом. Модуль А1 собран на основе твердотельного реле переменного напряжения на симисторе, он включает мощные реле К1 и К2 с током коммутации до 40 А, переключающие тороидальный трансформатор Т1 из режима понижающего в режим повышающего автотрансформатора. Обмотки этих реле рассчитаны на питание переменным напряжением 230 В. На диодном мосте VD1 и оптроне U1 собран датчик перехода переменного напряжения через ноль, резисторы R2 и R3 — токоограничивающие.

Датчик обнаружения перехода переменного напряжения через ноль нужен для синхронизации переключения реле К1,К2 в момент этого перехода, чтобы исключить переключение контактов реле под нагрузкой. Конденсатор С1, подключённый к контактам реле К1, подавляет помехи в момент переключения реле, без него микроконтроллер может ’зависнуть". Электродвигателем ползунка управляет модуль А5 на основе микросхемы L298N, SOI и SQ2 — концевые выключатели крайних положений ползунка. Управляется устройство с помощью энкодера HW-040 A4, интервал регулировки выходного напряжения — 5 ..250 В. На узел индикации — модуль А8 выводятся три параметра: входное напряжение, выходное напряжение и устанавливаемое напряжение, как показано на рис. 2 Дисплей А8 подключается к плате Arduino через преобразователь последовательного интерфейса в параллельный, собранный на микросхеме PCF8574AT, по шине 1\2С, как показано на рис. 3 и рис. 4. Они соединяются между собой с помощью разъема в сендвич (на схеме конвертер не показан).

Питается устройство от трансформатора Т2 с вторичной обмоткой с отводом посередине. Переменное напряжение 2x12 В выпрямляется диодами VD2, VD3, пульсации сглаживает конденсатор СЗ. В результате на выходе выпрямителя получается около 15 В постоянного напряжения. Модуль А6 на микросхеме MINI360 понижает это напряжение до 9 В для безопасного питания модуля Arduino nano.


При включении устройства модуль А7 производит инициализацию всех модулей, применённых в устройстве, измеряет входное, выходное напряжения и по полученным данным управляет электроприводом ползунка, устанавливая его в требуемое положение. Выходное напряжение при включении по умолчанию установлено 200 В. Если установленное напряжение больше, чем напряжение на входе, модуль А7 переключает устройство с помощью двух реле из режима понижающего в режим повышающего автотрансформатора. Для уменьшения качания ползунка при близкой к нулю разнице между заданными и измеренным напряжениями установлен гистерезис ±3 В. Для снижения скорости перемещения ползунка напряжение питания электродвигателя ограничено с помощью ШИ-регулирования. Из-за инерции регулирования выходного напряжения устройство не успевает реагировать на изменение напряжения, и ползунок может качаться после установки заданного выходного напряжения. Кому интересно, применив библиотеку PID-регулирования, можно исключить качание ползунка, но меня устроило то, что получилось, и я не стал усложнять программу.

Собрано устройство на металлическом основании от заводского стабилизатора (доставшегося в наследство вместе с трансформатором) размерами 270x270 мм. Трансформатор закреплён сверху (рис. 5). а вся электроника — на нижней стороне металлического основания (рис. 6). Монтаж силовой части проведён медными изолированными проводами сечением 6 мм2 с напрессованными наконечниками.


Все платы и модули закреплены на латунных стойках высотой 10 мм. В конечном итоге вся конструкция будет обшита стеклотекстолитом толщиной 2 мм, на котором будут закреплены элементы управления, индикации, входные и выходные разъемы. В авторском варианте большинство деталей установлено на макетной печатной плате. На плате управления размещены модули А2, A3, А6, а элементы датчика ноля размещены с обратной стороны платы.

Для изготовления платы можно использовать односторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 1.5...2 мм Применены в основном резисторы МЛТ, резисторы R2 и R3 — для поверхностного монтажа типоразразмера 1206, оксидные конденсаторы — К50-35, остальные — плёночные К73-17 или аналоги иностранного производства, диоды VD2, VD3 — также SMD. Конденсатор С1 — МБГЧ-1. Резистор R1 и конденсатор С2 припаяны к выход ному разъему модуля А1. Трансформатор Т2 — от того же стабилизатора, у него вторичная обмотка со средним выводом, и каждая половина выдаёт по 12 В переменного напряжения.

Налаживание устройства заключается в регулировке толкателей концевых выключателей SQ1 и SQ2 и модулей А2, A3. Поскольку в этих модулях применены ОУ, на их выходах вместе с переменной составляющей присутствует и постоянная (половина напряжения питания), поэтому требуется установить значение переменной составляющей, по которой происходит измерение входного и выходного напряжения.

При превышении амплитуды переменного напряжения 2,5 В происходит искажение синусоиды в верхней части (рис. 7). что влияет на показания вольтметра и работу устройства. На осциллографе параметр VPP — это переменная составляющая, при входном напряжении 220 В надо подстроечным резистором модуля установить амплитуду синусоиды 2 В, тогда при входном напряжении 250 В не произойдёт ограничение синусоиды, как показано на рис. 8.

Чтобы показания вольтметров были правильные, в программе-скетче надо экспериментально подобрать переменные для калибровки модулей ZM РТ101В в строках:
#define VOLT_CAL_ln 300 — переменная калибровки входного напряжения;
#define VOLT_CAL_Out 325 — переменная калибровки выходного напряжения

Все библиотеки, которые применены в программах, можно загрузить с сайта GilHub (https://github.com/ru-doc).