Лабораторний автотрансформатор практично незамінний для ремонту і наладки електронної апаратури. Однак наявність гальванічного зв'язку з мережею підвищує ризик ураження електричним струмом або виходу з ладу вимірювальної апаратури, що використовується під час налаштування. Пропонований електронний регулятор дозволяє мінімізувати ці ризики і зробити процес налагодження пристроїв більш безпечним і зручним.
Електронний регулятор дозволяє змінювати напругу на навантаженні в діапазоні від 0 до 255В з кроком в 1В. Напруга на навантаженні вимірюється з дозволом 0,1 і виводиться на семисегментний індикатори. Максимальний струм в навантаженні обмежується застосовуваним силовим трансформатором і перетином проводів його обмоток, в даному випадку він дорівнює 3А.
Електричні принципові схеми плати управління регулятора напруги і силової частини регулятора представлені нижче.
Регулювання напруги здійснюється за рахунок комутації вторинних обмоток трансформаторів Т1 і Т2 за допомогою реле К1 ... К8. Напруга на обмотці II трансформатора Т1 одно 1В, на кожній наступній обмотці значення напруги подвоюються, досягаючи значення 128В на обмотці III трансформатора Т2, іншими словами, рівні напруг є ряд послідовних ступенів числа «2» - двійковий ряд. Мікроконтролер DD1 подає двійковий код, відповідний необхідному вихідній напрузі, на ключі VT6 ... VT13, які керують реле К1 ... К8. Молодший розряд числа відповідає реле К1, старший - К8. Припустимо, необхідно отримати на виході напругу, рівну 173В. Число 173 в двійковому коді представляється як 10101101, таким чином, будуть включені реле К8, К6, К4, К3, К1, які скоммутіруют обмотки з напругою 128В, 32В, 8В, 4В, 1В послідовно один з одним, що в сумі складе якраз 173В.
Установка вихідної напруги здійснюється кнопками SB1 ... SB6. Після включення регулятора в комірці пам'яті, де зберігається значення встановленого напруги, заноситься 0. Функціональне призначення кнопок наступне:
SB1 - збільшення вихідної напруги на 1В;
SB2 - зменшення вихідної напруги на 1В;
SB3 - збільшення вихідної напруги на 10В;
SB4 - зменшення вихідної напруги на 10В;
SB5 - збільшення вихідної напруги на 100В;
SB6 - зменшення вихідної напруги на 100В;
Перед установкою нового коду напруги реле К1 ... К8 відключаються на час близько 16мс. Незважаючи на те, що час вимикання реле, як правило, в 2 рази менше часу включення, при розмиканні контактів під навантаженням виникає дуга, за рахунок якої час повного відключення навантаження збільшується, а такий ефект може привести до кидка напруги на навантаженні в момент зміни коду .
Підключенням / відключенням навантаження до регулятора управляє МК DD1 за допомогою кнопки SB7, ключів VT14 ... VT16 і реле К9, початковий стан - відключено, включений стан відображається світлодіодом HL2. Ключі VT14 ... VT16 управляються двома лініями порту МК DD1 - PC5, активний рівень «0», і PC6, активний рівень «1». Таке управління зменшує ймовірність мимовільного спрацювання реле в момент включення / відключення регулятора або скидання контролера.
Елементи C2 і R4 необхідні для гасіння дуги між контактами реле при відключенні навантаження, що має індуктивний характер. Крім цього, вони сприяють зменшенню пускового струму пристроїв, що містять випрямлячі (імпульсні БЖ), за рахунок часткового попереднього заряду згладжує конденсатора останніх, що запобігає залипання контактів реле К9 в момент включення.
Випрямлення вихідної напруги для подальшого вимірювання здійснюється за допомогою елементів DA1, R1 ... R4, R6 ... R9, VD2, VD12, C3, C6, C8 на платі реле. Резистори R1 ... R4 утворюють дільник напруги, діод VD2 шунтирует негативну півхвилю напруги, конденсатор C3 - фільтруючий. Однополярної включення ОУ DA1 не дозволяє під час відсутності сигналу на вході отримати нульове напруга на виході. Для вирішення цієї проблеми в ланцюг ООС DA1 включений діод VD12, напруга падіння на якому більше, ніж мінімальна напруга на виході 1 DA1. Конденсатор C8 інтегрує позитивні напівхвилі напруги, резистор R8 розв'язує вихід ОУ від ємнісний навантаження, а конденсатор C6 забезпечує високочастотну шунтування.
Для проведення вимірювань застосовується метод перетворення напруги в частоту, внутрішній АЦП МК DD1 не застосовується. Вимірювальна частина складається з інтегратора, зібраного на елементах DA1, R3, R4, C8, VT1, компаратора DA3 і працює наступним чином. У момент запуску перетворення мікроконтролер DD1 закриває транзистор VT1. Одночасно з цим програма дозволяє роботу лічильного регістра TCNT1 від тактової частоти контролера, поділеній на 8, що становить 1 МГц. Елементи DA1, R3, R4, утворюють джерело стабільного струму, заряджають конденсатор C8. Компаратор DA3 порівнює лінійно наростаюче напруження на вив. 2 з вимірюваним напругою на вив.3, і, як тільки наростаюче напруження побільшає вимірюваного, на вив.1 DA2 встановиться низький логічний рівень. Спадаючий фронт на вив. 20 контролера DD1 призведе до запису в регістр захоплення ICR1 вмісту рахункового регістра TCNT1, запит на переривання за подією «захоплення» і виклик підпрограми обробки переривання. Підпрограма відкриває транзистор VT1, розряджаючи конденсатор C8, перетворює нарахована лічильником значення (кількість підрахованих тактів пропорційно вимірюваному напрузі) в десяткову форму і виводить це значення на індикатор HL1.
Стабілітрон VD1 забезпечує обмеження напруги на вив. 3 щодо лінійно наростаючої напруги на вив. 2 компаратора DA3, гарантуючи спадаючий фронт на вив. 20 DD1, а значить, переривання за подією «захоплення». Це обмеження необхідно в ситуації, коли вимірювана напруга перевищує встановлений програмою максимальне значення, в даному випадку 499,9В. Перевищення вимірюваної напруги 499,9 У призведе до мерехтіння індикатора з частотою 1 Гц і відображенню числа «4999».
Якщо на вив. 3 компаратора DA4 присутній нульове значення напруги, то негативного перепаду на вив. 20 DD1 не відбудеться, оскільки рівень напруги на вив. 2 буде свідомо більше. В цьому випадку відбудеться переповнення лічильника TCNT1, і буде викликана підпрограма обробки переривання за подією «переповнення», яка виведе на індикатор значення «0.0».
Конденсатор C11 необхідний для придушення викиду при перемиканні компаратора DA3, що призводить до передчасного виникнення переривання за подією «захоплення».
Нижче представлені схеми розташування та друковані плати блоку управління і силовий частини регулятора відповідно. В архіві додаються креслення друкованих плат у форматі ACAD.
Фотографії зібраних плат:
Керуюча програма написана на асемблері. Налаштування фьюз-бітів показана нижче, де галочка означає, що біт запрограмований - дорівнює нулю, а порожній квадрат - немає.
Програмування МК DD1 здійснюється через 10-ти контактний роз'єм XP1 по інтерфейсу ISP, при цьому на плату управління регулятора необхідно подати живлення + 12В. Після того, як МК запрограмований, при включенні харчування на індикатор HL1 протягом 1с виводиться число «2816», після чого МК переходить в робочий режим, і показує напругу, виміряний на виході. Для настройки вимірювальних ланцюгів регулятора на вхід «+ Uвип» і «GND» від зовнішнього джерела живлення подається напруга + 4,500В ... + 4,800В, яке контролюється вольтметром. Підстроюванням резистора R4 на індикаторі HL1 домагаються показань, ідентичних зовнішньому вольтметру. Далі зовнішнє джерело живлення від'єднується, і вхід «+ Uвип» плати регулятора з'єднується з «GND». Можлива індикація значення, відмінного від нуля, через затримки перемикання, напруги зсуву нуля компаратора DA2 або ненульового опору стік-витік транзистора VT1. Для виключення цієї похибки передбачена програмна компенсація вимірюваної напруги.
Вихід з режиму корекції відбувається при повторному натисканні кнопки SB8, при цьому значення константи записується в енергонезалежну пам'ять МК DD1. Після цього на регулятор знову подається напруга + 4,500В ... + 4,800В, і додаткової підстроюванням резистора R4 домагаються потрібних свідчень вимірюваної напруги.
Остаточне налаштування зводиться до установки на дисплеї напруги на індикаторі HL1 відповідно до змінним напругою на виході регулятора, яке контролюється зовнішнім вольтметром. Установка вимірюваної напруги встановлюється резистором R3 на платі реле, при цьому на виході встановлюється максимальний рівень в 255В.
Допустима потужність навантаження регулятора повністю залежить від характеристик трансформаторів Т1 і Т2 і реле К1 ... К9. Використовувати 2 трансформатора не обов'язково, буде достатньо і одного, але через велику кількість витків у вторинних обмотках розмістити їх на одному муздрамтеатрі буде важко.
Обидва трансформатора намотані на тороїдальних сердечниках, оскільки тороїдальні трансформатори мають більш низьким струмом спокою, практично безшумні при роботі, мають меншу вагу і габарити, ніж трансформатори, намотані на «П» і «Ш» -образних сердечниках.
Всі обмотки намотані проводом діаметром 1,06мм, типорозмір сердечника - D = 117мм, d = 58мм, h = 55мм. Кількість витків зазначено в таблиці нижче.
Якщо регулятор передбачається використовувати для харчування низьковольтних, але споживають значний струм пристроїв, обмотки від 1В до 16В має сенс мотати проводом більшого перетину, ніж інші.
Гострі краї тора, щоб уникнути проколювання ізоляції у дроти під час намотування, необхідно округляти шлифмашиной або напилком, після чого наклеїти на торці шайби з щільного картону, мають більший зовнішній діаметр, і менше внутрішній, ніж у тора, на 5-7 мм. Після цього тор обмотується лакотканиною або кіперною стрічкою, але якщо їх не виявиться під рукою, можна скористатися вузьким паперовим малярським скотчем.
Відводи від обмоток трансформатора найкраще робити з гнучкого і різнобарвного багатожильного дроту, одножильний може зламатися через часті перегинів під час намотування, а різні кольори у обмоток допоможуть швидше розібратися, яка напруга у останніх. Щоб не переплутати фазировку при остаточному монтажі пристрою, бажано відразу відзначати початок і кінець обмоток. Самі обмотки просочуються шелаком, шари ізолюється один від одного.
Кріпильні елементи для тороідов показані нижче, притискна шайба виготовлена з склотекстоліти товщиною 3 мм.
Як прокладки між трансформаторами і корпусом регулятора використовуються поліуретанові меблеві підп'ятники.
Мікроконтролер DD1 ATmega16L можна замінити на ATmega16, резисторні збірки DR2, DR3 замінити звичайними резисторами, об'єднавши 8 висновків в один і підключивши до ланцюга +5. Збірка DR1 є 8 окремих чіп резисторів типорозміру 1206. Стабілізатор DA1 LM7812CV встановлений на алюмінієвій пластині розміром 100х45 мм і товщиною 5 мм. Номінали дугогасящей ланцюжка C2, R4, в залежності від типу навантаження, можуть відрізнятися від зображених на схемі, можливо, їх доведеться перерахувати під власні потреби. Від цього ланцюжка можна відмовитися, якщо замість реле К9 використовувати реле з дугогасительного магнітом.
Корпус регулятора зібраний з алюмінієвих пластин товщиною 2 мм скріплених між собою алюмінієвим куточком 15х15мм.
Фотографії зібраного пристрої:
При роботі з регулятором, незважаючи на відсутність гальванічного зв'язку з мережею 220В, не слід забувати про техніку безпеки, оскільки рівень напруги, здатний досягти на виході 255В, небезпечний для життя. Крім того, при наявності елементів C2 і R4, на виході регулятора буде присутній напруга, навіть якщо контакти реле К9 розімкнуті.