Использование сети 220 В в микроконтроллерах

Сеть 220 В в большинстве случаев является основным источником питания для устройств, содержащих МК. Кроме того, она может служить информационным и управляющим каналом. Актуальными являются следующие задачи:

• измерение сетевой частоты и сетевого напряжения;
• проверка наличия сетевого питания при переходе на резервный источник;
• передача по сетевым проводам информационных сигналов;
• тактирование работы устройства от сетевой частоты;
• определение момента перехода переменного напряжения через нуль, чтобы коммутировать различные нагрузки с минимальным уровнем помех.

Стандартами стран СНГ допускается разброс сетевого напряжения в диапазоне 187...242 В и изменение частоты в пределах 49...51 Гц. Однако эти параметры варьируются в зависимости от страны и континента (Табл. 3.1), что надо учитывать при разработке продукции на экспорт.

Таблица 3.1. Стандарты электрических сетей в разных странах

Для адаптации напряжения сети 220 В к низковольтным входам МК используют резистивные делители (Рис. 3.1, а...з), оптическую (Рис. 3.2, а...ж) и трансформаторную (Рис. 3.3, а...з) развязку. В двух последних случаях гарантируется гальваническая изоляция первичных и вторичных цепей, что повышает безопасность.

ВНИМАНИЕ! Здесь и далее при настройке и эксплуатации устройств, которые не имеют гальванической развязки от промышленной сети переменного тока, следует соблюдать повышенную осторожность и правила электробезопасности.

Рис. 3.1. Схемы неизолированных датчиков сетевого напряжения 220 В {начало):

а) диод VD1 отсекает отрицательную полуволну напряжения, резистором R2 регулируется амплитуда сигнала на входе МК (частота 50 Гц), конденсатор С1 устраняет помехи;

б) на вход МК поступает сигнал удвоенной частоты 100 Гц от мостового выпрямителя;

в) провод питания МК +5 В гальванически связан с сетыо 220 В. Резистор R1 ограничивает ток через внутренние защитные диоды МК (0.1...0.3 мА). Частота сигнала 50 Гц;

г) транзисторы VTI, VT2 образуют двухсторонний ограничитель напряжения с нагрузкой в виде резистора R2. Транзистор VT3 — усилитель-инвертор. Конденсатор С1 защищает МК от коммутационных помех, которые могут возникать в сети 220 В при работе тиристоров;

д) МК проверяет исправность симистора VS1 и отсутствие обрыва в нагрузке Конденсатор С1 имеет большую ёмкость, поэтому на входе МК напряжение усредняется. Резистором R2 устанавливается порог напряжения, ниже которого считается, что произошла авария;

е) для устройств, которые критичны к полярности включения вилки в сетевую розетку, «нуль» (N) и «фазу» (L) определяют стандартным прибором электрика «светящаяся отвёртка»;

ж) двухстороннее ограничение сетевого напряжения внутренними диодами МК. Конденсатор С1 высоковольтный (250 В переменного напряжения) на случай обрыва резистора R3.

Рис. 3.2. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с оптической изоляцией (начало):

а) фототранзисторы оптопары VU1 закрываются на 0.1...0.2 мс в момент перехода сетевого напряжения через нуль. Точная длительность подбирается резистором R2, частота 100 Гц;

б) формирователь импульсов с частотой 50 Гц. Двойная гальваническая развязка: на оптопа-ре VU1 и на трансформаторе 77. Коллекторной нагрузкой оптопары служит внутренний резистор МК. Диод Шоттки VD1 защищает излучатель оптопары VU1 от обратного напряжения;

в) аналогично Рис. 3.2, а, но на двух отдельных оптопарах и без транзисторного ключа;

г) МК проверяет отсутствие обрыва в нагрузке по наличию импульсных сигналов с частотой 50 Гц. Диоды VD1... VD6 запараллелены (встречно) для максимальной симметрии схемы;

Рис. 3.2. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с оптической изоляцией (окончание)'.

д) двухкаскадный формирователь сетевых импульсов на транзисторах VTI, VT2. Частота сигнала на входе МК 100 Гц. Питание первичной стороны формирователя осуществляется от параметрического стабилизатора, собранного на элементах R3, VD2, VD3, С1. Диодный мост VD1 должен быть рассчитан на обратное напряжение не менее 400 В;

е) индикатор наличия сетевого напряжения с гальванической развязкой на оптопаре VU1. Элементы С1, R2 служат соответственно реактивным и активным балластом для стабилитрона VD5. При отключении сети 220 В конденсатор С1 быстро разряжается через резистор R1 (доли секунды). Это повышает безопасность, иначе конденсатор может разрядиться через тело человека, если случайно прикоснуться к обесточенной сетевой вилке руками;

ж) светодиод HL1 индицирует наличие сетевого питания и защищает излучатель оптопа-ры VU1 от обратного напряжения. Резистор RI при положительной полуволне задаёт ток через оптопару, а при отрицательной — через светодиод HL1. Частота импульсов на входе МК 50 Гц.

Рис. 3.3. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с трансформаторной развязкой {начало):

а) транзисторный формирователь импульсов с частотой 100 Гц. Конденсатор С2 подавляет импульсные помехи. Резистор RI подбирается так, чтобы транзистор VT1 был гарантированно открыт при самом низком сетевом напряжении. Оно, в свою очередь, определяется коэффициентом передачи трансформатора 77. Напряжение с диодного моста VD1...VD4 поступает также в систему основного питания, которая формирует напряжение +5 В для МК;

б) детектор перехода сетевого напряжения через нуль. Компаратор DA1 увеличивает крутизну фронтов сигнала и повышает помехоустойчивость. Выход компаратора (открытый коллектор) нагружен на «pull-up» резистор R3. Диоды VD5, VD6 ограничивают напряжение на входах компаратора на уровне 0.6...0.7 В при положительной полуволне сетевого напряжения, а диоды, входящие в мост VDI...VD4, — при отрицательной полуволне;

в) на резисторе R2 выделяется пульсирующее напряжение частотой 100 Гц. Конденсатор С1 подавляет ВЧ-помехи. Элементы VD3, R1 защищают МК от всплесков сетевого напряжения. Диоды VD1, VD2должны соединяться с адаптером А1 отдельными проводами;

г) с диодного моста VDI... VD4 пульсирующее напряжения частотой 100 Гц поступает на входы аналогового компаратора МК. Стабилитроны VD5, VD6 должны иметь пороговое напряжение ниже, чем напряжение питания М К (в данном случае это+5 В). Диоды VD7, VD8защищают М К от большого разбаланса напряжений на входах компаратора;

Рис. 3.3. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с трансформаторной развязкой (окончание):

д) формирователь прямоугольных импульсов ТТЛ-уровня из переменного сетевого напряжения 9... 12 В. Задействуется свободный канал микросхемы DA1 (драйвер интерфейса RS-232), имеющий на входе триггер Шмитта. Цепочка RI, С2служит фильтром ВЧ-помех;

е) резисторы R2, R3 образуют делитель с уровнем +2.5 В, чтобы АЦП МК работал в линейном режиме. Частота импульсов, снимаемых с диодного ограничителя VD3, VD4, — 50 Гц;

ж) аналогично Рис.3.3, г, но с двумя парами ограничительных диодов Шоттки VD2...VD5. Это, очевидно, перестраховка на случай выхода из строя диодов, находящихся в мосту VDI;

з) амплитуда входного напряжения МК с частотой пульсаций 100 Гц регулируется резистором R2. Конденсатор большой ёмкости С1 при отключении сети поддерживает некоторое время напряжение питания +5 В, чтобы МК успел корректно закончить программные процедуры.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. (Выпуск 1)