Autotransformatorowy regulator/stabilizator napięcia sieciowego

To urządzenie zostało zbudowane w celu uzyskania stabilizowanego źródła zasilania 115 V AC do zasilania zabytkowego komputera. Mimo to można je łatwo dostosować do zapewnienia stabilnego napięcia 230…240 V AC do zasilania dowolnego sprzętu sieciowego, w tym radia, wzmacniaczy itp. Od Red. EdW: Będziemy wyraźnie zaznaczać rozwiązania typowe dla napięcia sieciowego 230 V. Chcemy także nadmienić, że prezentowane zasilanie może mieć bardzo szerokie zastosowanie w przypadku korzystania ze starych urządzeń lampowych, zasilanych nominalnie z sieci 220 V, takich, jak radioodbiorniki radiowe (np. słynny Beethoven), czy nawet stara aparatura (np. oscyloskop lub generator akustyczny). Zasilanie tego typu urządzeń lampowych z sieci dopuszczającej maksymalne napięcie 253 V jest dla tego sprzętu, a konkretnie lamp, wprost zabójcze.

Użycie silnika do regulacji napięcia wyjściowego autotransformatora w celu stabilizacji napięcia sieci zasilającej jest najprostszym sposobem na uzyskanie stabilnego napięcia AC dla urządzeń wrażliwych na zmiany napięcia sieciowego.

Oczywiście nie jest on w stanie reagować cyklicznie na nagłe skoki napięcia, ale doskonale radzi sobie z długoterminowymi zmianami.

Zmiany napięcia sieciowego są obecnie powszechne ze względu na wykorzystanie energii wiatru i słonecznej w dwukierunkowych instalacjach podłączonych do sieci energetycznej, które mogą znacznie zwiększyć napięcie zasilania w okresach dużego nasłonecznienia/wiatru. Oczywiście napięcie to później ponownie spada, więc nie można tego zjawiska uwzględnić za pomocą transformatora o stałej przekładni.

Zmiany zapotrzebowania w ciągu dnia mogą również powodować dość znaczące zmiany napięcia w sieci, podobnie jak włączanie i wyłączanie dużych obciążeń (np. w pobliskich fabrykach). Większość nowoczesnych urządzeń będzie działać dobrze od napięcia 220 V AC (a nawet mniejszego) do typowego maksimum 253 V AC (230 V AC + 10%), chociaż w niektórych obszarach, od czasu do czasu, mogą występować wyższe napięcia. Jest to szczególnie niekorzystne na terenach wiejskich, gdzie Czytelnik może znajdować się na końcu długiej linii zasilającej, a w okolicy mogą również znajdować się generatory energii odnawialnej.

A co, jeśli masz wrażliwy sprzęt? Te bardzo wysokie napięcia mogą uszkodzić niektóre urządzenia, podczas gdy urządzenia, które nawet nie są przez przepięcia uszkodzone, mogą działać nieprawidłowo, lub zużywać się szybciej. Dlatego pożądane jest, aby mieć sposób na ustabilizowanie podawanego do nich napięcia.

W przypadku komputera retro SOL-20 posiadanego przez Autora, podobnie jak w przypadku wielu komputerów na magistrali S-100 z lat 70., ma on zasilacz transformatorowy (analogowy). Za transformatorem znajduje się pełnookresowy prostownik i kondensatory filtrujące o bardzo wysokiej pojemności. Wykorzystuje on stabilizatory/regulatory liniowe do zasilania szyny 5 V, więc im wyższe napięcie wejściowe sieci, tym więcej ciepła rozpraszają te regulatory.

Regulując napięcie zasilania do najniższej wartości, która zapewnia wystarczający zapas napięcia do działania regulatorów liniowych, zmniejszamy wewnętrzne rozpraszanie ciepła i wydłużamy żywotność sprzętu. Projekt Autora ma zatem regulowane napięcie wyjściowe, które zostało ustawione na około 94 V AC.

Jest to wystarczające, aby utrzymać stabilność komputera i jego szynę 5 V na stałym poziomie, przy jednoczesnym zminimalizowaniu rozpraszania ciepła w stabilizatorach liniowych.

Pokrętło regulacji napięcia na panelu przednim ma mechaniczny pierścień blokujący, dzięki czemu nie można go przypadkowo ustawić poza bezpiecznym zakresem napięcia wyjściowego. Autor pozyskał to rozwiązanie z uszkodzonego wzmacniacza laboratoryjnego.

Nawiasem mówiąc, możliwe byłoby zrobienie czegoś podobnego do autotransformatora wykorzystując do tego celu konwerter AC-DC o odpowiednio dużej mocy z podłączonym doń falownikiem, generującym na wyjściu czyste napięcie sinusoidalne o zadanej wartości. Napięcie wyjściowe falownika byłoby w ten sposób niezależne od wahań napięcia sieciowego.

Rozwiązanie takie skutkuje jednak znacznie większymi „szumami” i zakłóceniami napięcia wyjściowego i znacznie większą ilością zakłóceń EMI ze względu na zastosowanie w urządzeniu dwóch wysokoprądowych zasilaczy impulsowych.

Zdaniem Autora taka konfiguracja jest również bardziej podatna na awarie, z których niektóre mogą uszkodzić podłączony sprzęt. Takie podejście może być również dość kosztowne (Czytelnik nie kupi dobrej jakości falownika za kilkaset złotych) i prawdopodobnie energetycznie nieefektywne. Dlatego też Autor zdecydował się na konstrukcję opartą na przetwornicy autotransformatorowej.

Pomimo „zabytkowej” natury autotransformatora, amplituda fali sinusoidalnej (napięcie wyjściowe) jest bardzo dobrze i płynnie regulowana, z zachowaniem wysokiej sprawności.

Co ważne, dość łatwo jest również skonfigurować projekt oparty na autotransformatorze, aby fizycznie ograniczyć maksymalne możliwe napięcie wyjściowe do bezpiecznego poziomu. W ten sposób, nawet jeśli wystąpi całkowita awaria elektroniki, nie może ona uszkodzić urządzenia (urządzeń) odbiorczego (odbiorczych).

Koncepcja projektowa

Podstawowy schemat blokowy działania regulatora napięcia sieciowego przedstawiono na schemacie blokowym. Wejściowe napięcie sieciowe jest podawane poprzez bezpiecznik na stały, zasilający odczep autotransformatora, a wyjście autotransformatora z ruchomego styku/ślizgacza zasila obciążenie. Zasilane jest również uzwojenie pierwotne małego transformatora, z którego uzwojenia wtórnego zasilane są obwody sterujące. Część tego zasilania generuje napięcie stałe proporcjonalne do napięcia przemiennego na wyjściu autotransformatora.

Jest ono następnie podawane na wejście nieodwracające wzmacniacza różnicowego wykorzystującego wzmacniacz operacyjny, z wejściem odwracającym podłączonym do stałego napięcia odniesienia +8 V. Wyjście tego wzmacniacza wskazuje, jak bardzo napięcie wyjściowe autotransformatora odbiega od pożądanej wartości. Napięcie to jest podawane na wejście odwracające drugiego wzmacniacza operacyjnego.

Napięcie na jego wejściu nieodwracającym jest regulowane przez potencjometr napięcia wyjściowego na panelu przednim. Tak więc napięcie na wyjściu drugiego wzmacniacza operacyjnego będzie ujemne, gdy napięcie wyjściowe jest wyższe niż wartość zadana, i dodatnie, gdy napięcie wyjściowe jest niższe. To napięcie wyjściowe steruje następnie zasilaczem silnika, który obraca suwak autotransformatora w odpowiednim kierunku, aby utrzymać żądane napięcie.

Co ważne, w tym napędzie zaimplementowano histerezę, aby zapobiec rozruchowi silnika z powodu minimalnych wahań napięcia sieciowego.

Nie chcemy, aby silnik cokolwiek robił, chyba, że napięcie wyjściowe spadnie o więcej niż, powiedzmy, dwa wolty od wartości zadanej.

W oryginalnej konstrukcji urządzenie jest zasilane z wyjścia transformatora obniżającego napięcie, podłączonego z kolei do wyjścia autotransformatora. Na wejściu autotransformatora napięcie wynosi ok. 115 V AC, a na jego wyjściu w konstrukcji Silicon Chip-a typowo poniżej 100 V AC. 

Większość autotransformatorów może dostarczać napięcie wyjściowe od bliskiego 0 V do napięcia wyższego niż napięcie sieci zasilającej. zatem projekt jest równie odpowiedni, gdy potrzebujesz napięcia wyjściowego w zakresie 220…240 V AC, co wymaga zastosowania autotransformatora na napięcie 230 V i transformatora zasilającego o odpowiednio dobranej przekładni, o czym będzie mowa dalej.

Specyfika konstrukcji

Wzmocnienie serwomechanizmu w zamkniętej pętli wynosi około 23,5:1. Zaprogramowany przedział histerezy wynosi około ±1,2 V, a do uruchomienia silnika potrzeba kolejnej porcji napięcia 1,2…1,3 V.

Tak więc dla zadziałania silnika przesunięcie napięcia wejściowego na wejściu drugiego wzmacniacza operacyjnego musi wynosić około ± 100 mV. Ponieważ napięcie to jest generowane z sieci zasilającej za pomocą transformatora obniżającego napięcie o przełożeniu około 10:1 (w przypadku sieci 110 V), napięcie wyjściowe autotransformatora będzie się różnić o około ±1 V od pożądanej wartości nominalnej.

W zastosowaniach, w których napięcie wyjściowe jest bliższe 230 V AC, przekładnia transformatora zasilającego elektronikę sterującą jest bliższa 20:1, więc napięcie wyjściowe będzie się różnić o około ±2 V od pożądanego. Zasadniczo nie będzie to groźne dla żadnego sprzętu, który może być zasilany, i zmniejszy możliwość zakłóceń spowodowanych impulsami przenoszonym przez sieć.

Przy nagłym skoku napięcia sieciowego, powiedzmy o 5 V, silnik jest zmuszony do osiągnięcia prawie pełnej prędkości i dokonuje szybszej korekty. Ponieważ w urządzeniu wykorzystano silnik o 2 obrotach na minutę (za pośrednictwem przekładni), korekta zajmuje kilka sekund.

W monitorowanym napięciu obwodu sterowania występują niewielkie tętnienia o częstotliwości 100 Hz, generowane przez prostownik. Przy wbudowanym filtrowaniu mają one amplitudę około ±215 mV. Mieści się to w zakresie histerezy ±1,2 V.

Bardziej skuteczne filtrowanie obniżyłoby tętnienia, ale także wydłużyłoby czas reakcji urządzenia na zmiany napięcia sieciowego.

W rozwiązaniu modelowym użyty został autotransformator toroidalny, w którym po uzwojeniu ślizga się szczotka węglowa. Ze względu na to, że jest to autotransformator toroidalny, ma on wysoką sprawność. Autor wybrał wysokiej jakości zabytkowy autotransformator firmy General Electric z pozłacanymi miedzianymi drutami uzwojenia w miejscu kontaktu ze szczotką węglową, o mocy znamionowej około 240 W.

Autotransformator o mocy 240…300 W jest stosunkowo niewielki, ma około 76 mm (trzy cale) średnicy i 50 mm (dwa cale) grubości.

Wałek autotransformatora jest połączony za pomocą sprzęgła Huco i kolejnego sprzęgła Oldhama z silnikiem prądu stałego 12 V o prędkości 2 obr/min.

Sprzęgło umożliwia współpracę silnika i walka autotransformatora przy niewielkim wzajemnym przesunięciu ich osi, lub ich wzajemnym skrzywieniu. Umożliwia też poślizg, gdy autotransformator osiągnie maksymalne lub minimalne mechaniczne punkty zatrzymania osi obrotu. Minimalny mechaniczny punkt zatrzymania osi autotransformatora Autor ustawił tak, aby najniższe napięcie wyjściowe wynosiło około 85 V, podczas gdy maksymalny punkt zatrzymania obrotu osi autotransformatora został ustawiony przy napięciu równym 115 V AC. W przypadku autotransformatora 250 V AC i zasilaniu urządzeń 230 V (albo muzealnych 220 V) punkty mechanicznej blokady napięcia wyjściowego można ustawić odpowiednio, np. przy 195 V i 240 V AC.

Adaptacja do wydania polskiego – Andrzej Nowicki

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz