Алгоритм брезенхема в тиристорных регуляторах мощности. Алгоритм Брезенхема в паяльной печи — теория

Данный регулятор позволяет регулировать мощность на нагрузке двумя способами.

Фазоимпульсным - изменение угла открытия симистора.
По пропуску нужного кол-ва полупериодов.

Для второго способа распределение импульсов находится по алгоритму Брезенхема, исходный код данного решения я полностью взял из статей и постов на форумах уважаемого Ридико Леонида Ивановича , большое ему спасибо!

Регулятор управляется тремя кнопками:

SET – при удержании более 2сек вход в режим настроек, при кратковременном нажатии листание трех быстрых уставок мощности.
Минус.
Плюс.

Регулятор позволяет хранить 3 быстрые настройки мощности. Есть функция авто выключения, если в течении 30 минут не было нажатий на кнопки, индикатор начинает мигать, далее, через 10 минут произойдет выключение нагрузки.

Блок схема управления в режиме настроек.

При нажатии SET с удержанием более 2сек на экран выводится надпись РЕГ, далее кнопками плюс/минус выбирается нужный алгоритм

PAU - алгоритм Брезенхема.
FI – фазоимпульсный.

Если выбран алгоритм FI
ЧИС – регулировка от 0..145. То есть полупериод разбит на 145 значений. ПРЦ – регулирование от 0 до 100%, то есть идет автоматический пересчет шкалы 145 в проценты Далее идут три быстрых уставки мощности “-1-” ”-2- ” ”-3-”.
INC – шаг на который будет увеличиваться/уменьшаться мощность кнопками плюс/минус.
_t_ - управление функцией авто-выключения ON-включено, OFF-выключено.

Как видно из блок-схемы быстрые устваки мощности для режимов PAU и FI(ПРЦ) используются одни и те же, так как их диапазон 0..100. Для FI(ЧИС) свои уставки, так как их диапазон 0..145.

Доступно быстрое включение регулятора на полную мощность нажатием двух кнопок SET+ПЛЮС (кнопку SET следует нажимать немного ранее), при этом на экран выведется надпись “on”. Быстрое выключение по нажатию SET+МИНУС, при этом на экран выведется надпись “OFF”.

Диагностические сообщения.

noC – нет синхроимпульсов, при этом запрещается подача управляющих импульсов на симистор.
EEP – ошибка данных в EEPROM, лечится заходом в режим настроек, после редактирования параметров надпись пропадает.

В железе.

Печатная плата . Обращаю Ваше внимание, что на ней не установлены резисторы для индикатора, они у меня установлены на самом индикаторе.

Регулятор мощности для паяльника.

Данный регулятор позволяет регулировать мощность на нагрузке двумя способами.

Фазоимпульсным - изменение угла открытия симистора.
По пропуску нужного кол-ва полупериодов.

Регулятор управляется тремя кнопками:

SET – при удержании более 2сек вход в режим настроек, при кратковременном нажатии листание трех быстрых уставок мощности.
Минус.
Плюс.

Блок схема управления в режиме настроек.

PAU - алгоритм Брезенхема.
FI – фазоимпульсный.

Диагностические сообщения.

noC – нет синхроимпульсов, при этом запрещается подача управляющих импульсов на симистор.
EEP – ошибка данных в EEPROM, лечится заходом в режим настроек, после редактирования параметров надпись пропадает.

В железе.

Для управления инерционной нагрузкой часто применяются тиристорные регуляторы мощности, работающие по принципу подачи на нагрузку нескольких полупериодов сетевого напряжения с последующей паузой. Преимуществом таких регуляторов является то, что моменты коммутации тиристоров совпадают с моментами перехода сетевого напряжения через ноль, поэтому уровень радиопомех резко снижен. Кроме того, такой регулятор, в отличие от регулятора с фазовым управлением, не содержит аналоговых пороговых элементов, что увеличивает стабильность работы и упрощает настройку. Поскольку коммутация нагрузки происходит только в моменты перехода сетевого напряжения через ноль, минимальная порция энергии, поступающая в нагрузку, равна энергии, потребляемой нагрузкой за один полупериод. Поэтому для уменьшения шага регулировки мощности приходится удлинять повторяющуюся последовательность полупериодов. Например, чтобы получить шаг в 10%, необходима длина повторяющейся последовательности 10 полупериодов.

На рис. 1 (A) показана последовательность импульсов на управляющем электроде тиристора для мощности в нагрузке 30%. Как видно, тиристор открыт в течение первых трех полупериодов, а в течение семи последующих - закрыт. Далее эта последовательность повторяется. Частота коммутации у такого регулятора для любой мощности, меньшей 100%, равна 1/10 частоты следования полупериодов. Гораздо логичнее было бы распределить полупериоды, в течение которых тиристор открыт, равномерно по всей последовательности. В общем случае задачу равномерного распределения любого числа импульсов N в последовательности длиной M (при N меньшем или равном M) решает алгоритм Брезенхема, который обычно используется в растровой графике для построения наклонных отрезков. Этот алгоритм реализуется с помощью целочисленной арифметики, что существенно упрощает его программирование. На рис. 1 (B) показана последовательность для той же мощности в 30%, но с применением алгоритма Брезенхема. В последнем случае частота коммутации в три раза выше. Нужно отметить, что выигрыш более заметен при малом шаге регулировки мощности. Например, в случае шага 1% для той же мощности в 30%, выигрыш составит 30 раз.

Рис.2. Схема регулятора мощности

Основой регулятора мощности (см. рис. 2) является микроконтроллер U1 типа AT89C2051 фирмы . Для питания схемы регулятора использован маломощный трансформатор T1, что вместе с применением оптотиристоров обеспечивает гальваническую развязку от сети. Это делает устройство более электробезопасным. Еще одним полезным свойством регулятора является то, что он может быть использован с нагрузками, рассчитанными на разное рабочее напряжение. Для этого достаточно подать на вход тиристоров требуемое напряжение с дополнительного трансформатора. Например, регулятор можно использовать для питания низковольтного паяльника. Необходимо только, чтобы напряжение и ток не превышали максимально допустимых для примененных тиристоров. Регулировка мощности в нагрузке осуществляется с помощью кнопок SB1 и SB2. Короткое нажатие одной из кнопок вызывает изменение мощности на один шаг. При удержании кнопки происходит монотонное изменение мощности. Одновременное нажатие двух кнопок выключает нагрузку, если до этого она была включена или включает максимальную мощность, если нагрузка была выключена. Для индикации мощности в нагрузке служат светодиодные семисегментные индикаторы HG1 - HG3. Для уменьшения количества элементов использована динамическая индикация, которая реализована программно. Встроенный в микроконтроллер аналоговый компаратор осуществляет привязку к сетевому напряжению. На его входы через ограничители R17, R18, VD1, VD2 поступает переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора питания. Роль ограничителя для отрицательной полярности выполняют диоды выпрямительного моста. Компаратор восстанавливает знак сетевого напряжения. Переключения компаратора происходят в моменты перехода сетевого напряжения через ноль. Выход компаратора опрашивается программно, и как только обнаруживается изменение его состояния, на выход управления тиристорами (порт микроконтроллера INT0) выдается управляющий уровень для включения тиристоров. Если текущий полупериод подлежит пропуску, то управляющий уровень не выдается. Затем на 4 мс включается индикатор HG3. В это время происходит проверка нажатия кнопок и, если нужно, изменяется значение текущей мощности. Затем снимается управляющее напряжение с тиристоров, и на 4 мс включаются индикаторы HG1 и HG2. После этого в течение 4 мс ожидается новое изменение состояния компаратора. Если изменения не происходит, система все равно начинает цикл, не привязавшись к сети. Только в этом случае тиристоры не открываются. Это сделано для того, чтобы индикация нормально работала даже без импульсов привязки к частоте сети.

Такой алгоритм работы, однако, накладывает некоторые ограничения на сетевую частоту: она должна иметь отклонение от 50 Гц не более 20%. На практике отклонение частоты сети значительно меньше. Сигнал с порта INT0 поступает на ключ, выполненный на транзисторах VT3 и VT4, который служит для управления светодиодами оптотиристоров. Когда активен сигнал RESET микроконтроллера, на порту присутствует уровень логической единицы. Поэтому в качестве активного уровня выбран ноль. Для коммутации нагрузки используются два оптотиристора, включенные встречно-параллельно. Светодиоды оптотиристоров соединены последовательно. Ток светодиодов задается резистором R16 и равен примерно 100 мА. Регулятор может работать в двух режимах с разным шагом регулировки мощности. Выбор режима работы производится перемычкой JP1. Состояние этой перемычки опрашивается сразу после сброса микроконтроллера. В режиме 1 шаг регулировки мощности составляет 1%. При этом на индикаторе отображаются цифры от 0 (0%) до 100 (100%). В режиме 2 шаг регулировки мощности составляет 10%. При этом на индикаторе отображаются цифры от 0 (0%) до 10 (100%). Выбор числа градаций 10 в режиме 2 обусловлен тем, что в некоторых случаях (например, управление электроплитой) не требуется малый шаг регулировки мощности. Если регулятор предполагается использовать только в режиме 2, то индикатор HG1 и резисторы R8, R9 можно не устанавливать. Вообще говоря, регулятор позволяет произвольно задать число градаций мощности для каждого из режимов. Для этого необходимо в код программы по адресу 0005H занести желаемое значение градаций для режима 1, а по адресу 000BH - для режима 2. Нужно только помнить, что максимальное число градаций в режиме 1 должно быть не более 127, а в режиме 2 - не более 99, поскольку в этом режиме индикация сотен невозможна.

При токе нагрузки до 2 А оптотиристоры можно использовать без радиаторов. При большем токе нагрузки оптотиристоры необходимо установить на теплоотводы площадью 50 - 80 см2. При использовании регулятора с напряжением менее 50 В оптотиристоры могут быть любого класса по напряжению. При работе с сетевым напряжением класс оптотиристоров должен быть не ниже 6. В качестве трансформатора питания можно применить любой маломощный трансформатор с напряжением вторичной обмотки 8 - 10 В (переменное) и допустимым током нагрузки не менее 200 мА. Диоды VD3 - VD6 можно заменить диодами КД208, КД209 или выпрямительным мостом КЦ405 с любой буквой. Микросхема стабилизатора U2 типа 7805 (отечественный аналог КР142ЕН5А, КР1180ЕН5) радиатора не требует. Транзисторы VT1 - VT3 - любые маломощные p-n-p. Транзистор VT4 можно заменить транзисторами КТ815, КТ817 с любой буквой. Диоды VD1, VD2 - любые кремниевые маломощные, например КД521, КД522. Кнопки SB1 и SB2 - любые малогабаритные без фиксации, например ПКН-159. Индикаторы HG1 - HG3 - любые семисегментные с общим анодом. Желательно только, чтобы они обладали достаточной яркостью свечения. Конденсаторы C3, C4, C6 - любые электролитические. Остальные конденсаторы - керамические. Резистор R16 - МЛТ-0,5, остальные - МЛТ-0,125. Еще удобнее применить SMD-резисторы, например, Р1-12. Микросхема U1 установлена на панельке. Если регулятор собран из исправных деталей, а микроконтроллер запрограммирован без ошибок, то регулятор в настройке не нуждается. Желательно только проверить правильность привязки к сетевой частоте. Для этого необходимо засинхронизировать осциллограф сетевым напряжением и убедиться, что импульсы сканирования дисплея (на выводах RXD и TXD микроконтроллера) синхронны с сетью и имеют удвоенную сетевую частоту. Если при подключении нагрузки из-за помех синхронность нарушается, необходимо между входами компаратора (выводы 12, 13 микроконтроллера) включить конденсатор емкостью 1 - 4,7 нф.

Вы можете загрузить программное обеспечение: в файле pwr100.bin (366 байт) находится прошивка ПЗУ, в файле pwr100.asm (7,106 байт) - исходный текст. Необходимые для трансляции с помощью TASM 2.76 библиотеки размещены в архиве lib.zip (2,575 байт).

При шаге регулирования мощности 1% нестабильность сетевого напряжения является основным источником погрешности установки мощности. Если нагрузка не связана гальванически с сетью, то несложно измерить среднее значение приложенного к нагрузке напряжения и с помощью цепи обратной связи поддерживать его постоянным. Этот принцип и реализован во втором регуляторе. Блок-схема устройства приведена на рис. 3.

Рис.3. Блок-схема устройства

Для работы в режиме автоматического регулирования используются два Брезенхемовских модулятора Бр. Мод. 1 и Бр. Мод. 2, которые реализованы программно. На вход модулятора Бр. Мод. 1 поступает код требуемой мощности, который задается с помощью кнопок управления. На выходе этого модулятора формируется импульсная последовательность, которая после фильтрации фильтром нижних частот ФНЧ 1 поступает на один из входов компаратора. На второй вход компаратора через фильтр нижних частот ФНЧ 2 поступает напряжение, снимаемое с нагрузки. С выхода компаратора однобитный сигнал ошибки поступает на вход микроконтроллера, где он подвергается цифровой фильтрации. Поскольку цифровой фильтр ЦФ работает синхронно с модуляторами, обеспечивается эффективное подавление пульсаций на частоте повторения выходных импульсных последовательностей и на гармониках этой частоты. С выхода цифрового фильтра 8-битный сигнал ошибки поступает на интегрирующий регулятор ИР. Для повышения точности интегрирующий регулятор работает в 16-разрядной сетке. Младшие 8 бит выходного кода регулятора поступают на вход модулятора Бр. Мод. 2, на выходе которого формируется импульсная последовательность, поступающая на управление тиристорами.

Принципиальная схема второго регулятора показана на рис. 4.

Рис.4. Принципиальная схема второго регулятора

Этот регулятор схемотехнически очень похож на описанный выше, поэтому имеет смысл остановиться только на его отличиях. Поскольку имеющихся портов ввода-вывода микроконтроллера оказалось недостаточно, пришлось отказаться от использования встроенного компаратора. В регуляторе применен сдвоенный компаратор U2 типа LM393. Первая половинка компаратора используется для привязки к сетевому напряжению. Из-за особенностей LM393 в схему привязки пришлось добавить резистор R27, который совместно с R14, R15 образует делитель напряжения, уменьшающий отрицательное напряжение на входах компаратора. Меандр сетевой частоты с выхода компаратора поступает на вход микроконтроллера INT0. Вторая половинка компаратора используется в петле обратной связи. Однобитный сигнал ошибки поступает на вход микроконтроллера T1. На входах компаратора установлены ФНЧ, образованные элементами R16, C7 и R17, C8. Сигнал с выхода модулятора (вывод T0 микроконтроллера) поступает на вход ФНЧ через делитель R18, R19. Делитель необходим по той причине, что компаратор не может работать с входными напряжениями, близкими к напряжению питания. После делителя импульсы имеют амплитуду около 3,5 В. Стабильность амплитуды определяется стабильностью напряжения питания +5 В, которое использовано в качестве опорного. Напряжение, снимаемое с нагрузки, поступает на вход другого ФНЧ также через делитель, образованный резисторами R20, R21. Этот делитель выбирается таким образом, чтобы при номинальном напряжении сети и мощности в нагрузке 100% напряжение на выходе ФНЧ составляло 3,5 В. Сигнал с выхода микроконтроллера INT1 через транзисторный ключ поступает на управление тиристорами. Оптотиристоры V1 и V2 вместе с диодной сборкой VD11 образуют управляемый выпрямитель, который и питает нагрузку.

Кнопки управления для экономии портов микроконтроллера включены по-другому. В цикле работы регулятора есть промежуток, когда индикаторы погашены. В это время оказалось возможным провести сканирование кнопок, используя линии данных индикаторов. Таким образом, три кнопки используют дополнительно только одну линию: это линия возврата P3.7. Третья кнопка понадобилась для управления режимом "AUTO". Сразу после включения регулятор находится в ручном режиме, т.е. функционально соответствует регулятору, описанному выше. Для включения режима автоматического регулирования необходимо нажать одновременно кнопки "AUTO" и "UP". При этом зажигается светодиод "AUTO". В таком режиме регулятор автоматически поддерживает установленную мощность. Если теперь нажать и удерживать кнопку "AUTO", то на индикаторах можно посмотреть текущее состояние регулятора (проценты выходной мощности, которые изменяются при колебаниях сетевого напряжения так, чтобы мощность оставалась неизменной). Если сетевое напряжение упало настолько, что поддерживать мощность нет возможности, то начинает мигать светодиод "AUTO". Выключить режим автоматического регулирования можно одновременным нажатием кнопок "AUTO" и "DOWN".

При токе нагрузки более 2 А оптотиристоры необходимо установить на теплоотвод. Основания оптотиристоров соединены с анодами, поэтому в данной схеме приборы можно монтировать на общем радиаторе, который соединен с общим проводом устройства. В качестве VD11 желательно применить сборку диодов Шоттки (или два отдельных диода Шоттки, например КД2998). В крайнем случае, можно применить обычные диоды, допускающие необходимый ток нагрузки. Хорошие результаты можно получить с КД2997, КД2999, КД213. Компаратор LM393 выпускает ПО "Интеграл" под обозначением IL393. Можно применить и два отдельных компаратора, например LM311 (он же КР554СА3). Вместо транзистора КП505А (производства з-да "Транзистор", г. Минск) можно применить биполярный транзистор КТ815, КТ817, добавив резистор 1 Ком последовательно в цепь коллектора VT3. К остальным деталям требования такие же, что и для регулятора, описанного выше. Для настройки регулятора необходимо к нему подключить нагрузку и подать номинальное сетевое напряжение (например, с помощью ЛАТРа). Затем нужно установить максимальную мощность (100%). Подстроечным резистором R21 необходимо добиться разницы напряжений на входах 5 и 6 компаратора U2B, близкой к нулю. После этого нужно уменьшить мощность до 90% и включить режим "AUTO". Подстройкой R21 необходимо добиться совпадения (с точностью ±1 единица) установленной мощности и показаний индикаторов в режиме контроля состояния регулятора (при нажатой кнопке "AUTO").

Вы можете загрузить программное обеспечение: в файле pwr100a.bin (554 байт) находится прошивка ПЗУ, в файле pwr100a.asm (10,083 байт) - исходный текст. Необходимые для трансляции с помощью TASM 2.76 библиотеки размещены в архиве lib.zip (2,575 байт).

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
	Вариант 1.
U1	МК AVR 8-бит	AT89C2051	1		В блокнот
U3	Линейный регулятор	LM7805	1		В блокнот
VT1-VT3	Биполярный транзистор	КТ3107В	3		В блокнот
VT4	Биполярный транзистор	КТ972А	1		В блокнот
V1, V2	Оптронный тиристор	ТО125-12.5-6	2		В блокнот
VD1, VD2	Выпрямительный диод	1N4148	2		В блокнот
VD3-VD6	Выпрямительный диод	FR157	4		В блокнот
С1, С2	Конденсатор	33 пФ	2		В блокнот
С3		1 мкФ	1		В блокнот
С4	Электролитический конденсатор	33 мкФ	1		В блокнот
С5	Конденсатор	0.1 мкФ	1		В блокнот
С6	Электролитический конденсатор	1000 мкФ 25 В	1		В блокнот
R1-R9	Резистор	200 Ом	9		В блокнот
R10, R11	Резистор	4.7 кОм	2		В блокнот
R12-R15, R17, R18	Резистор	10 кОм	6		В блокнот
R16	Резистор	51 Ом	1	0.5 Вт	В блокнот
ZQ1	Кварцевый резонатор	12 МГц	1		В блокнот
SB1, SB2	Кнопка		2		В блокнот
JP1	Джампер		1		В блокнот
HG1-HG3	Светодиодный индикатор	ELC3614	3		В блокнот
Т1	Трансформатор	5 Вт 9-12 Вольт	1		В блокнот
S1	Выключатель		1		В блокнот
FU1	Предохранитель	0.315 А	1		В блокнот
	Вариант 2.
U1	МК AVR 8-бит	AT89C2051	1		В блокнот
U2	Компаратор	LM393	1		В блокнот
U3	Линейный регулятор	LM7805	1		В блокнот
VT1-VT3	Биполярный транзистор	КТ3107В	3		В блокнот
VT4	Транзистор	КП505А	1		В блокнот
V1, V2	Оптронный тиристор	ТО125-12.5-6	2		В блокнот
VD1-VD5	Выпрямительный диод	1N4148	5		В блокнот
VD6	Светодиод		1		В блокнот
VD7-VD10	Выпрямительный диод	FR157	4		В блокнот
VD11	Диод Шоттки	MBR3045CT	1		В блокнот
С1, С2	Конденсатор	33 пФ	2

Алгоритм Брезенхема является одним из старейших алгоритмов в машинной графике. Казалось бы, как можно применить алгоритм построения растровых прямых при создании домашней паяльной печи? Оказывается, можно, причем с очень достойным результатом. Забегая вперед, скажу, что данный алгоритм очень хорошо скармливается маломощному 8-битному микроконтроллеру. Но обо всем по порядку.

Алгоритм Брезенхе́ма - это алгоритм, определяющий, какие точки двумерного растра нужно закрасить, чтобы получить близкое приближение прямой линии между двумя заданными точками. Суть алгоритма заключается в том, чтобы для каждого столбца X (см. рисунок) определить какая строка Y ближе всего к линии, и нарисовать точку.

Теперь посмотрим, как подобный алгоритм поможет нам при управлении ТЭНами в электропечи.

ТЭН питается от сетевого напряжения 220В/50Hz. Взглянем на график.

При подаче такого напряжения в чистом его виде на вход электронагревателя мы получим на выходе 100% мощность нагрева. Все просто.

Что будет если подать на вход ТЭНа только положительную полуволну сетевого напряжения? Правильно, мы получим 50% выходной мощности нагрева.

Если подать каждую третью полуволну, мы получим 33% мощности.

В качестве примера возьмем 10% градацию выходной мощности и временной отрезок в 100мс, что равносильно 10 полуволнам сетевого напряжения. Нарисуем сетку 10х10 и представим, что ось Y это ось значений выходной мощности. Проведем прямую от 0 до необходимого значения мощности.

Прослеживаете зависимость?
Увеличив временной отрезок до 1 сек, можно получить градацию выходной мощности в 1%. Получится сетка 100х100 со всеми вытекающими.

А теперь о приятном:
Алгоритм Брезенхема можно построить в цикле таким образом, чтобы на каждом шаге по оси X просто отслеживать значение ошибки, которое означает - вертикальное расстояние между текущим значением y и точным значением y для текущего x . Всякий раз, когда мы увеличиваем x , мы увеличиваем значение ошибки на величину наклона. Если ошибка превысила 0.5, линия стала ближе к следующему y , поэтому мы увеличиваем y на единицу (читай - пропускаем одну полуволну напряжения), одновременно уменьшая значение ошибки на 1.

Такой подход легко сводится к циклическому целочисленному сложению (об этом позже, при описании алгоритма работы МК в следующей статье), что несомненный плюс для микроконтроллеров.

Я намеренно не стал грузить вас формулами. Алгоритм элементарный, легко гуглится. Я лишь хочу показать его возможность применения в схемотехнике. Для управления нагрузкой будет использоваться типовая схема подключения симисторной оптопары MOC3063 с детектором нуля.

При таком подходе есть ряд преимуществ.

Минимальные помехи в сети из-за частых коммутаций большой нагрузки, включение/выключение будет происходить в моменты перехода напряжения через ноль.
Очень простой алгоритм - все вычисления сводятся к работе с целыми числами, что хорошо для микроконтроллера.
Нет необходимости городить детектор перехода напряжения через ноль (привет MOC3063). Даже если МК будет просто дергать ногой по таймеру, открывая оптопару, ошибка будет не критичной.

Продолжение следует.

Благодаря идее и участию Юрия Зинченко (ZenitSoft) было разработано и построено устройство, регулирующее мощность кухонной электроплиты методом пропуска периодов. За основу была взята (см. также блок ссылок в подвале). Разработанный вариант и в настоящее время работает у него, и он вполне доволен его работой.

После изготовления первого варианта устройства были замечены единичные сбои при работе и сравнительно сложная регулировка детектора перехода сетевого напряжения через ноль из-за сдвига фазы при получении импульса перехода.

В новом варианте схема и программа были переделаны так, чтобы было можно получить точное детектирования нуля с наивысшим приоритетом по прерыванию. Также был добавлен режим фазового управления мощностью.

Технические характеристики контроллера электроплиты

Симисторный регулятор позволяет регулировать мощность в активной нагрузке от нуля до 100% с шагом 1%. Величина регулируемой мощности определяется типом тиристора и свойствами радиатора охлаждения.
Для быстрого разогрева предусмотрена подача 100% мощности на заданное время, от нуля до 9 мин
Предусмотрен таймер обратного отсчета времени нагрева, от нуля до 999 мин.
Возможен выбор способа регулирования пропуском периодов или управлением длительностью полупериода (фазовый метод). Позволяет менять способы регулирования во время работы.
Запоминание всех установок при плановом или случайном отключении устройства от сети.
Габариты устройства 125×70 х 62 мм.

Краткое описание режимов регулирования

Пропуск периодов

Пропуск периодов позволяет решить проблему электромагнитной совместимости, так как включение симистора происходит в момент перехода сетевого напряжения через нуль.

Известно, что отдаваемую мощность прибора работающего на переменном напряжении можно регулировать, пропуская в неё не все периоды напряжения сети. Если взять сеть частотой 50Гц, то в 2с проходит 100 периодов, значит если в 2 с пропустить, допустим, 10 периодов, то получим 10% мощности, и точность регулирования составит 1%. При этом очень желательно чтобы периоды шли не пачками, а были бы распределены равномерно.
Это достигается использованием алгоритма Брезенхема , который распределяет заданный процент мощности равномерно во времени. Причем это достигается применением в программе только целочисленной арифметики, без деления и умножения, что существенно упрощает и ускоряет вычисления. Вычисления и управление по алгоритму Брезенхема запускаются сразу после поступления внешнего прерывания.
Режим пропуска периодов применим для управления резистивными нагрузками, но не применим для осветительных приборов, так как вызывает мигание ламп накаливания.

Фазовое регулирование

Альтернативным методом управления мощностью является метод фазового управления
Для изменения мощности, подведенной к нагрузке через симистор, может использоваться фазовое управление. Сущность метода заключается в отпирании симистора на каждом полупериоде переменного тока с постоянной задержкой относительно точки перехода через ноль. Таким образом, от каждого полупериода отрезается «ломтик». Это и будет так называемая широтно-импульсная модуляция, позволяющей управлять током в (или, что реже, напряжением на) нагрузке с максимальным КПД.

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. Но при регулировании данным методом появляется особенность неравномерности характеристики регулирования.

Прямое решение этого уравнения требует поиска корней квадратного уравнения и вычисление арккосинуса полученного корня. Это довольно сложная задача для микроконтроллера, как по времени, так и по объему ресурсов. Поэтому значительно более простым оказалось применение метода кусочно-линейной аппроксимации, без значительной потери точности, что наглядно видно из графика.

По оси x указано значение устанавливаемой мощности в процентах, а по оси y значение угла открывания симистора в значениях Π/100. Синий график – вычисленный по формулам, а коричневый создан с помощью аппроксимации. Как видно из рисунка расхождения между реальными и вычисленными значениями весьма незначительны.
Неприятной особенностью фазового метода являются помехи, которые могут появиться в связи с резким переключением симистора, поэтому желательно применение фильтров на входе.

Для обоих методов управления мощностью необходимо знать, когда сетевое напряжение переходит через нуль и поэтому основной цикл программы - отслеживание перехода сетевого напряжения через ноль и подача его на вход внешнего прерывания микроконтроллера, как на вход с наивысшим приоритетом.

Схема и описание силовой части регулятора мощности

Силовой блок выдает напряжение +5V, формирует импульсы перехода сети через ноль и содержит схему управления нагрузкой с помощью симистора.
Детектор перехода сетевого напряжения через ноль взят из журнала «Радиолоцман». Он выдает импульсы перехода с интервалом 10 мсек.
Конденсатор С6 заряжается до 25 Вольт - уровня ограничения стабилитрона D12. Входной ток ограничивается резистором R2. Когда выпрямленное входное напряжение опускается ниже напряжения на конденсаторе С6, открывается транзистор Q3 и генерирует импульс длительностью в несколько сотен микросекунд. Оптрон U2 обостряет фронты и делает выходной импульс более прямоугольным.

Схема источника +5 Вольт подробно описана в журнале «Радио» № 11 за 2007 год, стр. 30, в статье «Доработка ЗУ сотового телефона». Добавлен стабилизатор на 78L05 для уменьшения помех и для дополнительной стабилизации.
Работа схемы: Напряжение сети через резистор R1, который выполняет функции предохранителя, поступает на мостовой выпрямитель на диодах D1 -D4 и сглаживается конденсатором С1. Стабилизация выходного напряжения осуществляется косвенным методом. Для этого напряжение со второй обмотки трансформатора выпрямляется диодом D5, сглаживается конденсатором С2 и через стабилитрон D6 поступает на базу транзистора. Для защиты источника в момент подключения к сети, а также при резких колебаниях напряжения в сети, установлена защита по току Q2 на элементах Q1, R7 на уровне 60…70 мА.

Подключение симистора выполнено по схеме из даташита на оптосимистор MOC3052.
Когда силовой блок проектировался, предполагалось, его применение только в режиме с пропуском периодов, поэтому в схеме отсутствуют фильтры для защиты от помех. Для работы в режиме фазового регулирования их желательно добавить, хотя бы простейший LC фильтр перед симистором.

Схема управляющей части регулятора мощности

NB! На принципиальной схеме неверно указаны номиналы резисторов R2 - R6. Правильный номинал 680 Ом.
Применен индикатор с общим катодом.

Схема блока управления получилась довольно простой. Три кнопки управления, 3-х разрядный индикатор и два светодиода позволяют управлять и следить за всеми функциями устройства.
Платы блоков соединяются 4-х проводным шлейфом.

Программное обеспечение

Программа написана на языке Си для компилятора «mikroC for PIC». Комментарии, расположенные в программе способствуют пониманию ее работы.
Для управления режимами работы применено управление с помощью одной кнопки с подсчетом числа нажатий. Алгоритм и часть кода взяты из .
Кнопку можно нажимать кратко (несколько раз), длинно или делать разные комбинации нажатий. Сколько за две секунды успеем «натыкать» - всё наше. Далее запустится процедура анализа собранных данных и всё расставит по порядку.
Бороться с дребезгом тут уже не обязательно, так как временные задержки организуются автоматически. См. подробности в статье.

В программе задействованы прерывания по внешнему входу INT, по таймеру 1 и таймеру 2.
На вход INT поступают импульсы с детектора перехода через ноль с периодом 10 мсек. Импульсы с таким периодом используются для получения фазовой регулировки, а для управления пропуском периодов необходим период 20 мсек, который получаем программно, пропуская один из импульсов. Алгоритм Брезенхема удачно вписался в программу внешних прерываний.
С таймера TMR1 получаем импульсы 5 мсек, которые используются для динамической индикации, работы кнопки «Выбор» и отсчета системного времени.
Таймер TMR0 настроен на время около 100 мксек и применяется только в режиме фазового управления.

Память EEPROM использована для сохранения всех режимов при отключении или внезапном пропадания питания. Запись в память происходит после пропадания импульсов внешнего прерывания. Восстановление данных из памяти происходит при включении регулятора в сеть. При таком использовании EEPROM резко уменьшается количество операций записи и время, которое она занимает.

Сборка и устройство прибора

Прибор собран на двух платах, соединенных между собой стойками.

Радиатор для симистора должен иметь достаточную площадь для отвода тепла.

Трансформатор и некоторые детали для источника питания +5 Вольт применены от старого телефонного зарядника. Оптосимистор U1 можно заменить аналогом, но следует учесть, что он должен быть без детектора нуля. Платы соединены между собой 4-х проводным шлейфом. Печатная плата для блока управления не создавалась, а была взята от предыдущей версии. С нее были удалены лишние детали и сделаны необходимые доработки. Обе платы и розетка для включения нагрузки заключены в корпус из металла и пластика.

Первое включение и проверка работы

Учитывая, что силовая часть устройства гальванически связана с сетью, желательно проявить максимум осторожности или использовать разделительный трансформатор при первом включении и проверке сигналов.
1. Включить силовую часть устройства.
2. Проверить напряжение источника +5 Вольт на выходе микросхемы 78L05.
3. Проверить наличие импульсов перехода через ноль – должны быть импульсы с периодом 10 мсек.
4. Соединить плату шлейфом, подключить в качестве нагрузки лампу накаливания 15 – 100вт и включить в сеть. При включении лампа загорится полным накалом и также загорится красный светодиод. После некоторого времени красный светодиод гаснет, и лампа начинает мигать в зависимости от установленной мощности. Если перейти в фазовый режим, то лампа будет гореть без миганий, а яркость будет изменяться в зависимости от установленной мощности. Желтый светодиод ШИМ практически полностью повторяет режим свечения лампы.
5. Проверить регулятор во всех режимах работы, согласно инструкции по управлению устройством.

Управление прибором

Режим управления мощностью – одно короткое нажатие кнопки «Выбор». На индикаторе отображается величина мощности в процентах.
Режим таймера отключения - два коротких нажатия кнопки «Выбор». На индикаторе отображается время, оставшееся до отключения нагрева в минутах. В этом режиме идет обратный отсчет времени в минутах. Можно установить время отключения таймера в минутах от 0 до 999. точка в последнем разряде мигает, если идет отсчет.
Режим установки времени быстрого разогрева - три коротких нажатия кнопки «Выбор». На индикаторе отображается время, подачи 100% мощности нагрева в минутах и секундах. При этом точка в первом разряде не мигает.
Режим изменения варианта регулировки с пропуском периода или фазовый – одно длинное нажатие кнопки. На индикаторе отображается режим PUL - с пропуском периода или F – фазовый.

В любом из режимов можно изменить значения кнопками «+» и «-». Нажатие кнопки кратковременно - добавление или уменьшение, удержание быстрый перебор. При этом кнопкой «Выбор» можно перейти в любой режим и просмотреть параметры любого режима, если не нажимать кнопки «+» и «-».

Если возникнет необходимость вернуться к начальным установкам, это можно сделать, удерживая кнопку «Выбор» около секунды при включении устройства в сеть.