Интегратор проверяют двулучевым осциллографом. Для этого общий провод осциллографа соединяют с нулевым проводом электросети (N), провод первого канала подсоединяют к точке соединения резисторов Rl. 1 и R1.3, а провод второго канала — к точке соединения R1.2 и R1.4. На экране должны быть видны две синусоиды частотой 50 Гц и амплитудой около 150 В каждая, смещенные между собой по оси времени на угол φ/2. Далее проверяют наличие сигналов на выходах С1 и С2. Для этого общий провод осциллографа соединяют с точкой GND устройства. Сигналы должны иметь правильную прямоугольную форму, частоту также 50 Гц, амплитуду около 5 В и также должны быть смещены между собой на угол П/2 по оси времени. Если фазосмещение сигналов отличается от φ/2, то его корректируют подбирая конденсатор C1.1.
Настройка ключевых элементов рекуператора заключается в установке тока базы транзисторов Т3.2, Т3.4, Т3.6, ТЗ. 8 на уровне не менее 1.5–2 А. Это необходимо для насыщения этих транзисторов в открытом состоянии. Для настройки рекомендуется отключить рекуператор от системы управления (выходы U1-U4), и при настройке каждого каскада подавать напряжение +5 В на соответствующий вход рекуператора U1-U4 непосредственно с блока питания. Ток базы устанавливают поочередно для каждого каскада, подбирая сопротивление резисторов R3.19-R3.22 соответственно. Для этого может потребоваться еще подбор R3.4, R3.8, R3.12, R3.16 для соответствующего каскада. После отключения напряжения на входе ток базы ключевого транзистора должен уменьшаться почти до нуля (несколько мкА). Такая настройка обеспечивает наиболее благоприятный тепловой режим работы мощных ключевых транзисторов.
После настройки всех модулей восстанавливают все соединения в схеме и проверяют работы схемы в сборе. Первое включение рекомендуется выполнить с уменьшенными значениями емкости конденсаторов С3.1, С3.2 приблизительно до 1 мкФ. Конденсаторы лучше использовать неполярные. После включения устройства дайте ему поработать несколько минут, обращая особое внимание на температурный режим ключевых транзисторов. Если все в порядке — можете устанавливать электролитические конденсаторы. Увеличивать емкость конденсаторов до номинального значения рекомендуется в несколько этапов, каждый раз проверяя температурный режим.
Мощность отмотки непосредственно зависит от емкости конденсаторов С3.1 и С3.2. Для увеличения мощности нужны конденсаторы большей емкости. Предельное значение емкости определяется величиной импульсного тока заряда. О его величине можно судить, подключая осциллограф параллельно резисторам R3.17 и R3.18. Для транзисторов КТ848А он не должен превышать 20 А. Если требуется еще большая мощность отмотки, придется использовать более мощные транзисторы, а также диоды D3.1-D3.4.
Не рекомендуется использовать слишком большую мощность отмотки. Как правило, 1–2 кВт вполне достаточно. Если устройство работает совместно с другими потребителями, счетчик при этом вычитает из их мощности мощность устройства, но электропроводка будет загружена реактивной мощностью. Это нужно учитывать, чтобы не вывести из строя электропроводку.
Устройство предназначено для питания бытовых потребителей переменным током. Номинальное напряжение 220 В, мощность потребления 1 кВт. Применение других элементов позволяет использовать устройство для питания более мощных потребителей.
Устройство, собранное по предлагаемой схеме, просто вставляется в розетку и от него питается нагрузка. Вся электропроводка остается нетронутой. Заземление не нужно. Счетчик при этом учитывает примерно четверть потребленной электроэнергии.
Теоретические основы
Работа устройства основана на том, что нагрузка питается не непосредственно от сети переменного тока, а от конденсатора, заряд которого соответствует синусоиде сетевого напряжения, но сам процесс заряда происходит импульсами высокой частоты. Ток, потребляемый устройством из электрической сети, представляет собой импульсы высокой частоты. Счетчики электроэнергии, в том числе электронные, содержат входной индукционный преобразователь, который имеет низкую чувствительность к токам высокой частоты. Поэтому энергопотребление в виде импульсов учитывается счетчиком с большой отрицательной погрешностью.
Принципиальная схема устройства
Схема устройства приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема.
Основными элементами являются силовой выпрямитель Вг1, конденсатор С1 и транзисторный ключ Т1. Конденсатор С1 включен последовательно в цепь питания выпрямителя Вr1, поэтому в моменты времени, когда Вr1 нагружен на открытый транзистор Т1, заряжается до мгновенной величины сетевого напряжения, соответствующей данному моменту времени.
Заряд производится импульсами с частотой 2 кГц. Напряжение на С1, а также на подключенной параллельно ему нагрузке по форме близко к синусоидальному с действующим значением 220 В. Для ограничения импульсного тока через транзистор Т1 во время заряда конденсатора, служит резистор R6, включенный последовательно с ключевым каскадом.
На логических элементах DD1, DD2 собран задающий генератор. Он формирует импульсы частотой 2 кГц амплитудой 5 В. Частота сигнала на выходе генератора и скважность импульсов определяются параметрами времязадающих цепей C2-R7 и С3-R8. Эти параметры могут подбираться при настройке для обеспечения наибольшей погрешности учета электроэнергии. На транзисторах Т2 и Т3 построен формирователь импульсов, предназначенный для управления мощным ключевым транзистором Т1. Формирователь рассчитан таким образом, чтобы Т1 в открытом состоянии входил в режим насыщения и за счет этого на нем рассеивалась меньшая мощность. Естественно, Т1 также должен полностью закрываться.
Трансформатор Тг1, выпрямитель Вr2 и следующие за ними элементы представляют собой источник питания низковольтной части схемы. Этот источник обеспечивает питанием 36 В формирователь импульсов и 5 В для питания микросхемы генератора.
Детали устройства
Микросхема: DD1, DD2 — K155ЛA3.
Диоды: Вr1 — Д232А; Вr2 — Д242Б; D1 — Д226Б.
Стабилитрон: D2 — КС156А.
Транзисторы: Т1 — КТ848А, Т2 — КТ815В, ТЗ — КТ315. Т1 и Т2 устанавливаются на радиаторе площадью не менее 150 см2. Транзисторы устанавливаются на изолирующих прокладках.
Конденсаторы электролитические: С4 — 1000 мкФ х 50В; С5 — 1000 мкФ х 16В;
Конденсаторы высокочастотные: С1 — 1мкФх400В; С2, С3 — 0.1 мкФ (низковольтные).
Резисторы: R1, R2 — 27 кОм; R3 — 56 Ом; R4 — 3 кОм; R5 -22 кОм; R6 — 10 Ом; R7, R8 — 1.5 кОм; R9 — 560 Ом. Резисторы R3, R6 — проволочные мощностью не менее 10 Вт, R9 — типа МЛТ-2, остальные резисторы — MЛT-0.25.
Трансформатор Тr1 — любой маломощный 220/36 В.
Наладка
При наладке схемы соблюдайте осторожность! Помните, что низковольтная часть схемы не имеет гальванической развязки от электрической сети! Не рекомендуется в качестве радиатора для транзисторов использовать металлический корпус устройства. Применение плавких предохранителей — обязательно!
Вначале проверяют отдельно от схемы низковольтный блок питания. Он должен обеспечивать ток не менее 2 А на выходе 36 В, а также 5 В для питания маломощного генератора.
Затем налаживают генератор, отключив силовую часть схемы от электросети. Генератор должен формировать импульсы амплитудой 5 В и частотой около 2 кГц. Скважность импульсов приблизительно 1/1. При необходимости для этого подбирают конденсаторы С2, СЗ или резисторы R7, R8.
Формирователь импульсов на транзисторах Т2 и Т3, если правильно собран, обычно наладки не требует. Но желательно убедиться, что он способен обеспечить импульсный ток базы транзистора Т1 на уровне 1.5–2 А. Если такое значение тока не обеспечить, транзистор Т1 не будет в открытом состоянии входить в режим насыщения и сгорит за несколько секунд. Для проверки этого режима можно при отключенной силовой части схемы и отключенной базе транзистора Т1, вместо резистора R1 включить шунт сопротивлением в несколько Ом. Импульсное напряжение на шунте при включенном генераторе регистрируют осциллографом и пересчитывают на значение тока. При необходимости подбирают сопротивления резисторов R2, R3 и R4.