Приборы и техника эксперимента, 2023, № 3, стр. 148-150

При проведении экспериментальных исследований довольно часто возникает необходимость плавной регулировки амплитуды сетевого напряжения. В частности, подобная задача возникает при определении тангенса угла диэлектрических потерь, при измерении которого необходимо равномерно увеличивать прикладываемое переменное напряжение от нуля до заданного значения [1, 2]. С этой задачей с успехом справляются лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР) с механической регулировкой. Однако использование такого устройства в составе автоматической установки представляет определенные трудности, среди которых: необходимость электропривода для подвижного контакта ЛАТР, значительная инерционность перестройки напряжения, а также существенные массогабаритные характеристики трансформатора. Помимо этого, ЛАТР является довольно дорогостоящим прибором и склонен к выходу из строя при интенсивном использовании из-за механического повреждения провода движущимся контактом ЛАТР. Также известны регуляторы переменного напряжения с переключаемыми обмотками [3], но подобные конструкции не могут обеспечить плавного изменения выходного напряжения. Электронные регуляторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) часто имеют высокое значение коэффициента гармоник [4] или недостаточный диапазон изменения выходного напряжения [5].

Разработанное нами устройство лишено вышеперечисленных недостатков и обеспечивает плавное изменение амплитуды выходного переменного напряжения от нуля до уровня входного напряжения. Управление устройством осуществляется внешним ШИМ-сигналом.

Принципиальная электрическая схема регулятора переменного напряжения приведена на рис. 1. Основой прибора является униполярный чопперный преобразователь, собранный на составных MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) транзисторах T₅−T₈. Для устранения проникновения высокочастотных помех во входную и выходную цепи используются LC-фильтры.

Рис. 1.

Принципиальная электрическая схема электронного регулятора. DA₁ и DA₂ – LM2903, DA₃ и DA₄ − HCPL-3120, DA₅ − ACS712; T₁ − BC847, T₂ − BC556, T₃ и T₄ − 2N7000, T₅–T₈ − BUZ90AF; D₁ и D₂ − 1N5395, D₃ и D₄ – GNL-3012ED, D₅ и D₆ − 1,5KE200CA; R₁, R₂ − B72220-S; U₁, U₂ – преобразователи напряжения 12−12.

Управление устройством осуществляется ШИМ-сигналом, имеющим частоту 30−50 кГц, который поступает на формирователь управляющих импульсов. Управляющий сигнал подается на вход компаратора DA_1.1, напряжение с выхода которого через эмиттерный повторитель T₁, T₂ поступает на вход линий задержки, собранных на RC-цепочках и компараторах DA_2.1, DA_2.2. Линия задержки обеспечивает формирование двух противофазных сигналов управления силовыми ключами, исключая появление сквозных токов. Полученные сигналы управления поступают на оптически развязанные драйверы ключей DA₃, DA₄, питание которых осуществляется модульными DC/DC конверторами U₁, U₂. Благодаря этому цепи управления и формирования не имеют гальванической связи с силовой частью схемы.

Для защиты регулятора напряжения от превышения выходным током заданного значения используется холловский измеритель тока (DA₅), включенный в выходную цепь. Напряжение с выхода измерителя после детектора поступает на вход компаратора DA_1.2, сравнивающего полученное напряжение с опорным, которое формируется резистивным делителем. Сигнал с выхода компаратора отключает управляющий ШИМ-сигнал и поступает на выход устройства для обработки внешним устройством. Информация о срабатывании защиты индицируется светодиодом D₄, подключенным к стоку транзистора T₃. Защита регулятора является триггерной, и ее сбросить можно выключением напряжения питания либо внешним управляющим сигналом, подаваемым на затвор транзистора T₄.

Светодиод D₃ предназначен для индикации подачи на устройство напряжения питания. Диоды D₅, D₆ являются защитными. Выходная мощность прибора определяется параметрами ключевых транзисторов и параметрами выходного фильтра (L₁, C₁).

На рис. 2 представлены осциллограммы фрагментов выходного сигнала, измеренных в точках до выходного фильтра (1) и на выходе устройства (2).

Рис. 2.

Осциллограммы напряжений до (1) и после (2) выходного фильтра.

Напряжение на выходе описываемого регулятора является гармоническим и может изменяться в диапазоне от нуля до уровня входного напряжения, при этом коэффициент гармоник выходного сигнала зависит от типа используемой нагрузки, уровня выходного напряжения и не превышает 2%, его типовое значение составляет 1%. Частота регулируемого напряжения лежит в диапазоне 0 – 600 Гц. Отклонение амплитуды выходного напряжения от заданного значения не выше 1%.