Exitonservice.ru

Экситон Сервис
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Регулировка тока для лампочки

Почему «моргает» свет при работе стабилизатора напряжения?

В данной статье рассматривается одна достаточно распространенная ситуация, связанная с особенностью работы ступенчатых стабилизаторов напряжения. Эта ситуация часто ставит в недоумение людей, мало знакомых с принципами регулировки напряжения подобными устройствами. Со стабилизаторами других типов, в частности электромеханическими, проблема моргания (мерцания) света (в частности, ламп накаливания) не так актуальна.

На симисторе

Для начало рассмотрим схему светорегулятора, работающего от сети 220 Вольт. Данный тип устройств работает по принципу фазового смещения открывания силового ключа. Сердцем диммера является RC цепочка. Узел формирования управляющего импульса, в качестве которого выступает симметричный динистор. И собственно, сам силовой ключ, управляющий нагрузкой — симистор.

Рассмотрим работу схемы. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения. Так как R1 является переменным, то с его помощью меняется напряжение в цепочке R2C1. Динистор DB3 включен в точку между ними и при достижении напряжения порога его открывания на конденсаторе C1 он срабатывает и подает импульс на силовой ключ — симистор VS1. Он открывается и пропускает через себя ток, тем самым на выходе мы получаем напряжение. От положения регулятора зависит, какая часть волны пойдет на лампу. Чем быстрее заряжается конденсатор, тем быстрее открывается ключ, и большая часть волны и мощности пойдет на нагрузку. Таким образом, схема буквально отрезает часть синусоиды. Ниже представлен график работы устройства.

Значение (t*) — это время, за которое конденсатор заряжается до порога открывания силового элемента. Эта схема диммера проста и легко повторяется на практике. Лучше всего она работает на лампах накаливания, из-за того что спираль в лампе имеет инертность, а вот со светодиодными и иными лампами могут возникнуть проблемы, поэтому необходимо перед окончательной установкой проверить работоспособность схемы конкретно на ваших потребителях. Рекомендуем просмотреть предоставленное ниже видео, в котором наглядно показывается, как сделать светорегулятор на симисторе:

Установка светорегулятора своими руками

Монтируется светорегулятор, как обычный выключатель. Поэтому установить его будет несложно, если имеется опыт простых электромонтажных работ.

  1. Отключить подачу электроэнергии в распределительном щите.
  2. Выполнить демонтаж старого выключателя.
  3. Кратковременно подав напряжение, с помощью индикатора напряжения определить входящий фазный провод, пометить его маркером.
  4. Разобрав корпус светорегулятора и изучив его клеммную коробку и схему, подключить к соответствующим клеммам входящий и выходящий провода.
  5. Вставить механизм в коробку и укрепить саморезами или, при наличии, специальными усиками.

При выполнении электромонтажных работ следует соблюдать элементарные правила техники безопасности:

  • отключить электроэнергию во время работ;
  • принять меры, исключающие повторное включение электроэнергии;
  • использовать инструменты с исправной изоляцией.

Какие лампочки подходят для диммера

Не все лампы адаптированы к использованию светорегуляторов. Первое, что нужно сделать при желании внедрить функцию диммирования — посмотреть информацию на упаковке. Там можно найти надпись «dimmable» или изображение шкалы яркости. Если вы обнаружили такие обозначения, значит, выбранная лампа подойдет.

Диммируются следующие виды ламп:

  • Лампы накаливания.
  • Энергосберегающие.
  • Светодиодные.
  • Некоторые виды люминесцентных.

Для ламп накаливания и светодиодных светильников подойдут диммеры с режимом отсечки фаз. Можно использовать прибор любого типа: поворотный, поворотно-нажимной или сенсорный.

Регулировка яркости люминесцентных ламп чаще всего выполняется с помощью светорегуляторов, интегрированных в светильники. При выборе диммера для энергосберегающих лампочек лучше руководствоваться информацией от производителя. Можно попробовать универсальный светорегулятор, но не факт, что он будет работать в паре с выбранным источником света.

Разные виды ламп с функцией диммирования

Какие бывают диммеры?

По способу осуществления регулировки бывает сенсорный диммер, механический, акустический и дистанционный.

Начнём с наиболее простых – механических. Если рассматривать тип исполнения, то можно выделить следующие виды диммеров:

  1. Модульный. Им регулируют освещение в общественных местах (лестничные клетки, коридоры, подъезды). Этот тип устройств монтируют в распределительном щитке, непосредственную регулировку осуществляет кнопочный или одноклавишный выключатель.
  2. Моноблочный. Устанавливается на разрыв фазы цепи, которая идёт к осветительной нагрузке, выполняет функции выключателя.
  3. Блочный вариант, это когда диммер монтируется вместе с выключателем (как блок розетка-выключатель).

Чаще всего в быту применяются моноблочные диммеры, которые различаются по способу управления:

  • Поворотный. У такого диммера есть ручка, она вращается. Если установить её в левое крайнее положение, то освещение отключено. Если постепенно поворачивать ручку вправо, то яркость лампы будет увеличиваться.
  • Клавишный. Это устройство по внешнему виду очень похоже на обычный двухклавишный выключатель. В этом случае при помощи одной клавиши происходит включение или отключение светильника, а вторая используется для регулировки мощности освещения (посредством удержания клавиши).
  • Поворотно-нажимной. Принцип действия такой же, как и у поворотного устройства, только чтобы включить освещение, ручка немного утапливается.

Очень популярен сейчас сенсорный регулятор освещения, он имеет красивый внешний вид, гармонично смотрится в любом интерьере (особенно в стиле хай-тек). Регулировка осуществляется за счёт прикосновения к сенсорным кнопкам.

Читать еще:  Ваз 2110 розетка для переносной лампы схема

Самыми удобными считаются диммеры с дистанционным управлением. Это вполне заслуженно, ведь при помощи пульта регулировать яркость осветительного прибора можно из любой точки комнаты.

Акустические диммеры чаще всего применяют при планировании «умного дома», где управлять освещением можно путём голосовых команд или хлопков в ладоши.

Диммеры можно разделить по типу регулируемых ими ламп:

  1. Наиболее простые устройства используют для ламп накаливания и галогенных, которые работают от напряжения 220 V. Здесь всё просто – изменяется напряжение, и регулируется мощность свечения нити накала.
  2. Схема для галогенных ламп, работающих от напряжения 12 V или 24 V, должна быть с понижающим трансформатором. Когда нет такой возможности, то выбирайте регулятор под тип используемого трансформатора (у них есть специальная маркировка – С для электронных, RL для обмоточных).
  3. Светодиодные лампы требуют установки диммеров с импульсной модуляцией частоты тока.

Энергосберегающие и люминесцентные лампы регулировать сложно. Специалисты вообще не рекомендуют этого делать. Если уж очень надо управлять такими лампочками, то включите в схему диммера электронный пускатель.

Подробнее о диммировании различных типов ламп смотрите в этом видео:

Ну вот, сделали попытку познакомиться с таким регулятором света, как диммер. Надеемся, что теперь вам более или менее понятно, что это такое и каков принцип действия. По поводу схем подключения – диммеры устанавливаются в цепь либо вместо выключателя, либо последовательно с ним. Кстати, если вы с первого класса хорошо дружите с электроникой, то сделать диммер своими руками вам не составит особого труда.

Как изготовить блок защиты самостоятельно

Создать блок защиты можно по такой схеме:

Принцип функционирования блока:

  1. На старте полевой транзистор пребывает в закрытом состоянии. К нему поступает стабилизационное напряжение. Лампочка при этом не горит.
  2. Резистор (R1) и диод (VD1) передают напряжение на конденсатор (C1), вследствие чего он начинает заряжаться до 9,1 В. Это предельный показатель, ограниченный характеристиками стабилитрона.
  3. При достижении установленного напряжения транзистор начинает открываться, а сила тока повышаться. В токовом состоянии напряжение уменьшится, а спираль лампочки начнёт постепенно разогреваться.
  4. Уровень разрядки конденсатора контролируется вторым резистором. За счёт этого конденсатор продолжает разрядку после отсоединения питания.

Применение блока защиты даёт возможность выполнить постепенный пуск ламп с нитью накала. Он предохраняет их от негативного мерцания во время функционирования.

Как регулировать мощность переменного тока

Решил как-то отец собрать для дачи некое устройство, в котором, по его заверению, можно будет варить сыр. Устройство сие вид имело могучий и представляло из себя железный короб, подозрительно напоминающий старую стиральную машинку. Внутрь короба (все также добротно!) были вмонтированы три тэна по 1700 Ватт каждый. В общем сыра должно было хватить на небольшой посёлок.

Изделие (внешне выглядящее как что-то из безумного макса), должно быть весьма технологичным и поддерживать заданную температуру в максимально узких пределах. Для этого рядом появилась ещё одна коробка с симисторами, к которым подключались ТЭНы и схема, выдающая высокий уровень при переходе синусоиды через ноль. А у меня появился интересный проект.

Итак нам нужно выходить на заданную температуру и поддерживать её, с этим должен справляться алгоритм ПИД регулятора. Глубоко вдаваться в его работу не буду, скажу лишь что он получает на вход текущую ошибку, а на выходе выдает какое-то число в заданных пределах. У меня таким числом будет мощность выдаваемая на ТЭН, хотя в принципе, это может быть любой инерционный процесс, например обороты двигателя. Что важно для ПИД регулятора, это чтобы выходная величина производила воздействие линейно. Поэтому попробуем разобраться в способах регулировки мощности и их линейности.

Как вообще регулируется мощность?

Мощность — это произведение силы тока на напряжение. Если представить это произведение графически, то для постоянного тока, это будет площадь прямоугольника со сторонами равными напряжению и току

Так как при постоянном сопротивлении и напряжении ток тоже будет постоянным, то заменим ось тока на ось времени. Сопротивление я беру постоянным для объяснения принципа регулирования.

Тогда при заданном напряжении (12 В) и сопротивлении в 12 Ом, по закону Ома: I=U/R, получаем ток равный 1 А, и соответственно мощность за единицу времени будет равна 12 Вт. При другом сопротивлении мощность, естественно тоже изменится.

Теперь, если мы хотим регулировать мощность за единицу времени, нам нужно как-то изменять площадь фигуры за единицу времени. Самым чистым способом будет просто изменять напряжение, тогда и мощность будет пропорционально изменяться. Но контроллер, как и любые цифровые устройства, не умеет плавно изменять напряжение на ножках, он может либо «поднимать» их до высокого уровня, либо «опускать» до низкого уровня. Этот недостаток он компенсирует скоростью, даже самый дохленький современный МК может работать на частотах в миллионы тактов в секунду. Чтобы регулировать мощность, контроллер будет очень быстро «дрыгать» ножкой, тем самым изменяя результирующая площадь импульса за единицу времени.

Читать еще:  Какое выражение справедливо для сил токов протекающих через лампу

На этом принципе устроена широтно-импульсная модуляция, она же ШИМ. Изменяя время (ширину) импульса за период мы изменяем выдаваемую мощность. На рисунке выше, показано два периода ШИМа. Каждый период имеет отношение площади импульса к площади всего периода 0.5, те половину времени периода контроллер выдает высокий уровень сигнала, другую половину низкий. Отношение времени высокого уровня сигнала к времени низкого называется скважностью. Красная линия на графике отражает результирующую мощность за единицу времени, по ней видно что при скважности 0.5 мощность также упала на половину (с 12 до 6 Вт). Хорошая новость состоит в том, что, ШИМ в контроллерах реализован аппаратно. Так что для регулирования чего-то достаточно его запустить и, по необходимости, изменять скважность.

Для постоянного тока, режим ШИМа оптимален, причем чем более инерционный прибор мы к нему подключаем, тем меньшую частоту ШИМа можно использовать. Для большого ТЭНа достаточно чуть ли не одного герца, а вот для светодиодов лучше использовать частоту побольше. Кстати частота ШИМа в подсветке экрана ноутбука, зачастую оказывается чуть ли не решающим фактором при покупке, так как, при слишком низкой частоте, глаза будут быстро уставать.

Если попробовать провернуть трюк с ШИМом для переменного напряжения, мы увидим что все сломалось и мощность перестала регулироваться линейно

одинаковые промежутки времени стали давать нам разную площадь, а значит разную мощность. Однако, если разбить полученные отрезки на на ещё более мелкие, то процентное соотношение ширины импульса к ширине кусочка будет выравниваться.

Если мы возьмем равный процент выдаваемой мощности от каждого кусочка, в результате мы получим такой же процент, от мощности всей волны, а на выходе мы получим линейный регулятор мощности для переменного тока. Причем чем большую частоту будет иметь ШИМа, тем на большее количество кусочков он разобьет синусоиду, а значит мы получим большую линейность.

Это было бы решением всех проблем, но в моем случае устройством коммутировавшим нагрузку был не быстрый транзистор, а симистор — медленный прибор, с максимальными рабочими частотами в пределах нескольких сотен герц, к тому же симистор можно только открыть, закроется он сам при переходе через ноль. На таких частотах управлять переменным напряжением которое имеет частоту 50 Гц, линейно не получится. Поэтому здесь нужно использовать какой-то другой подход и как раз для него, помимо симисторов, была установлена схема перехода через ноль.

В случае с симисторами лучше разбить синусоиду на куски с одинаковыми площадями и записать время каждого такого кусочка в таблицу. Тогда каждое последующее значение из таблицы будет линейно увеличивать мощность.

На графике выше полуволна синусоиды разбита на части разные по времени, но имеющие одинаковую площадь, а значит несущие в себе одинаковую мощность. Все что нам останется сделать это загрузить таблицу с временными интервалам в наш котроллер, синхронизировать какой-то из его таймеров с частотой синусоиды, для этого используется схема перехода через ноль, и просто брать из таблички нужное значение, в течении которого будет высокий уровень. Суть метода похожа на ШИМ, но немного доработанный и синхронизированный с источником переменного напряжения.

Расчёт таблицы мощности

Теперь можно перейти непосредственно к расчёту.

Изначально задача заключается в том чтобы разбить синусоиду на нужное нам количество кусочков, каждый из которых будет иметь одинаковую площадь. На этом моменте, обычно проступает холодный пот, так-как площадь под графиком это и есть геометрическое определение интеграла. Соответственно нам нужно будет взять интеграл от функции при этом определить такие пределы интегрирования, которые будут давать одинаковый результат. Затем (как будто расчёта интегралов мало!) полученные пределы нужно будет перевести во время задержки (время в течении которого будет сохранятся высокий уровень). После чего полученное время перевести в понятное для контроллера число — количество тиков таймера. Звучит страшно, а по факту сейчас разберёмся:

Во первых сама функция — как было написано выше мощность это произведение тока на напряжение, для переменного тока (без сдвига фаз), это утверждение также верно, но, так-как и ток и напряжение меняются со временем P=IU превращается в P=I*sin(t) * U*sin(t). Так как амплитуда синусоиды нас сильно не волнует, уравнение вырождается до P=sin^2(t).

Неопределённый интеграл от квадрата синуса

Теперь нужно подобрать пределы для определенных интегралов. Выберем, насколько частей мы хотим разбить нашу синусоиду: я выбрал сто, чтобы можно было регулировать мощность с шагом в 1%.

Читать еще:  Схема подключения проходного выключателя с тремя лампочками

Итак мы нашли чему будет равен неопределённый интеграл и даже выбрали шаг. Теперь нужно подобрать пределы интегрирования. Смысл их подбора заключается в том, чтобы значение определенного интеграла было постоянным при их смене. Напомню, что неопределенный интеграл это формула, а определённый вполне конкретное число. Определённый интеграл считается по формуле:

То есть мы берем неопределённый интеграл, подставляем в него верхнее число, затем нижнее, и вычитаем второе из первого.

Наш неопределённый интеграл является смешанной тригонометрической функцией, а значит не имеет общего аналитического решения. Чаще всего такие функции решаются либо числовыми, либо графическими методами. Графический метода заключается в том что мы строим графики для правой и левой части уравнения их пересечение будет решением уравнения. На рисунке показано решение уравнения для 0.2

Наряду с графическим методом можно использовать численный, то есть подбор решения. Будем подставлять в неопределённый интеграл числа до тех пор пока не найдём решение). Можно использовать лист и бумажку чтобы попрактиковаться в математике, можно онлайн калькулятор, я же буду использовать Python и библиотеки numpy:

Отлично мы получили массив чисел (пределов интегрирования!), валидность этих чисел можно проверить подставив их в интеграл. В результате должна получится площадь равная выбранному шагу! Теперь, если подставить полученные числа на график мощности, должна получится следующая картина:

Если все сошлось, то можно двигаться дальше и задать получившимся числам размерность времени, потому что сейчас они в радианах. Чтобы это сделать нужно выяснить угловую скорость, для частоты сети, то есть количество радиан в секунду.

Тогда узнаем сколько сколько длится одна радиана

Теперь, значения задержек в радианах, превратим во время, умножив каждое значение на период радианы (T). Проверим ход своей мысли: действительно-ли получится время задержки, если умножить задержку, на период? Задержка имеет размерность радиан, период — секунд за радиану, мы хотим их перемножить. Тогда рад * ( сек / рад ) = сек. Мы получили время, а значит ход мыслей должен быть верным.

Для расчётов я опять предпочту python:

На этом моменте мы получили универсальную таблицу задержек, теперь необходимо конвертировать её специально под микроконтроллер.

Расчёт таймера МК и перевод таблицы

Время необходимо перевести в понятную для МК величину — количество переполнений таймера. Но сначала необходимо определится с частотой таймера: чем выше частота, тем точнее он будет отмерять время, но с другой стороны, тем меньше времени будет оставаться на выполнение остальной программы. Здесь необходимо найти золотую середину.

Для определения минимально допустимой частоты таймера, надо найти числа в массиве с минимальной разностью между ними. Разность тем меньше, чем ближе в максимуму синусоиды мы двигаемся. Тогда возьмем задержку при которой синусоида достигает единицы и число перед ним, после чего найдем их разность:

5 мс — 4.9363 мс = 0.0636 мс

Получившееся число является максимально допустимым периодом между прерываниями таймера, тогда через него найдём минимально допустимую частоту

1 / 0.0636 = 15 КГц

Значит для заданной точности в 1% будет достаточно таймера с частотой 15КГц. Частота МК составляет 16 МГц, значит между прерываниями будет 1000 тактов процессора, этого достаточно для выполнения остальной части программы, так что можно смело настраивать таймер на заданную частоту.

Для настройки таймера на определенную частоту, не кратную тактирующей используется режим таймера CTC — Clear Timer on Compare. В этом режиме таймер досчитывает до заданного числа и сбрасывается, после чего операция повторяется. Число при котором будет происходить совпадение считается по формуле

Число = Тактовая частота МК / предделитель таймера / выбранная частота

Частота выбрана, теперь нужно перевести таблицу в тики таймера. Делать я это буду опять на Python

В общем-то на этом весь расчёт окончен, остается только отзеркалить получившийся массив для второй половины полуволны и загрузить в МК. Далее по прерыванию от синхроимпульса, нужно подать низкий уровень, на ножку управления симистором, запустить таймер и считать его переполнения (совпадения, тк. у нас режим CTC). Как только количество переполнений достигнет нужного числа из таблички, подаем высокий уровень на управляющую ножку. На этом линейный регулятор мощности переменного напряжения готов!

Заключение

Надеюсь статья была понятна и её было интересно читать. В дополнение хотелось бы сказать, сигнал перехода через ноль не приходит идеально вовремя, поэтому может потребоваться дополнительная коррекция, чтобы это исправить.

Код расчетов на python

Также, если кому-то будет интересно, могу поделится исходником готового регулятора для ардуино.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector