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AC-AC 자동 전압 조정기 개발을 위한 보다 효과적인 접근 방식

AVR의 개발은 디지털 제어 시스템으로 이동했습니다. 8비트 마이크로컨트롤러로 제작되었지만 프로그래밍 가능한 혼합 신호 ASIC은 비용과 크기를 줄이는 이점을 제공합니다. 일부 지역에서 매우 인기 있는 소형 휴대용 AVR에 특히 중요합니다.

자동 전압 조정기(AVR)는 들어오는 전압의 변동을 보상하여 공급된 전압 수준을 조절하는 데 사용됩니다. AVR은 일반적으로 전압 안정기로도 알려져 있으며 많은 산업 및 주거 응용 분야에 응용되고 있습니다. 예를 들어 AVR은 선박의 발전기 세트, 비상 전원 공급 장치 및 석유 굴착 장치에 사용되어 전력 수요 변동 시 전압 수준을 안정화합니다.

전력 회사의 경우 배전 네트워크의 전압 조절은 최종 소비자에게 전달되는 전력 품질을 결정하는 핵심 책임입니다. 이를 위해 전력 회사는 적절한 장단기 계획, 전력 장비 유지 관리, 배전 라인에 대한 규제 장치 배치를 보장해야 합니다. 그러나 이것은 특히 세계의 일부 지역에서 어려운 작업일 수 있습니다. 파키스탄, 인도, 방글라데시를 비롯한 많은 남아시아 국가에서는 전력 절도 문제와 발전 부족 문제로 인해 배전 시스템이 취약하여 부하 분산 및 기타 중단 기간이 발생할 수 있습니다. 결과적으로 최종 사용자는 전력선 전압 변동 문제에 직면할 수 있습니다. 따라서 에어컨, 냉장고, 텔레비전과 같은 고가 기기의 안전과 적절한 기능을 보장하기 위해 소형 휴대용 AVR의 사용이 매우 일반적입니다. AVR은 일반적으로 사전 정의된 전압 수준 범위(예:150V – 240V 또는 90V – 280V)에서 작동하는 사용하기 쉬운 장치입니다.

기능적으로 AVR은 일반적으로 탭 자동 변압기를 사용하여 AC 출력을 허용 가능한 범위로 유지합니다. 피드백 메커니즘은 출력 전압을 조절하기 위해 적절한 릴레이를 전환하여 탭의 위치를 ​​제어하는 ​​데 사용됩니다. 이것은 일반적으로 감지 장치와 조절 장치의 두 가지 장치로 구성됩니다. 감지 장치의 역할은 안정기의 입력 및 출력 전압 레벨을 결정하는 반면 조절 장치는 출력 전압을 미리 결정된 허용 가능한 한도로 유지합니다.

전통적으로 연산 증폭기 IC는 릴레이 기반 AVR 설계에서 제어를 위해 아날로그 비교기와 함께 사용됩니다. 보다 최근에는 디지털로 제어되는 상용 AVR에서 8비트 마이크로컨트롤러(MCU)의 사용이 크게 증가했습니다. 그러나 Dialog Semiconductor의 저비용 GreenPAK™ 프로그래밍 가능 혼합 신호 ASIC(응용별 집적 회로)를 사용하여 유사한 기능과 특징을 얻을 수 있습니다. 이러한 교체는 비용 및 공간 요구 사항을 줄이고 MCU를 명시적으로 프로그래밍할 필요가 없다는 점에서 유리할 수 있습니다.

이 기사에서는 개발자가 GreenPAK SLG46537V IC와 같은 프로그래밍 가능 ASIC을 사용하여 AVR을 개발하는 방법을 설명합니다. 전체 시스템 설계와 GreenPAK 설계에 대해 자세히 설명합니다. 이 AVR의 실행 가능성과 작동 가능성을 검증하기 위해 프로토타입에서 얻은 실험 결과도 제시합니다.

시스템 디자인


그림 1:블록 다이어그램. (출처:BarqEE)

제안된 AVR 설계의 기능 블록 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 시스템은 기본적으로 피드백 메커니즘을 기반으로 합니다. AVR 출력의 AC 전압은 SLG46537V IC의 기능적 DC 제한으로 감소하도록 조절됩니다. 감지된 전압에 따라 IC에 의해 적절한 릴레이가 구동되어 자동 변압기에서 적절한 탭 권선을 선택합니다.

AVR의 사양은 특정 애플리케이션에 따라 다릅니다. 이 기사에서 AVR의 사양은 다음과 같습니다.

이러한 사양은 임의적입니다. 주어진 사양은 실제 애플리케이션에 따라 GreenPAK IC의 구성에서 쉽게 조정할 수 있습니다.

기능적 디자인

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그림 2:제안된 AVR 디자인. (출처:BarqEE)

그림 2는 SLG46537V IC를 사용하여 제안된 AVR의 기능 설계를 보여줍니다.

전력 조절

전원 조절 블록은 GreenPAK IC에 전원을 공급합니다. 라이브 AC를 입력으로 받아 12V로 낮추고 적절한 전압 조정기 IC를 사용하여 5VDC로 추가 변환합니다.

AC 전압 감지

전압 감지의 경우 출력 AC 전압(Live_out )은 다이오드와 저항성 분배기 네트워크를 사용하여 저전압 DC 레벨을 얻기 위해 강압 및 정류됩니다. 그 후 출력 필터(전해 커패시터)를 사용하여 리플을 최소화하고 일정하고 부드러운 DC 전압을 얻습니다. 과도 현상을 필터링하기 위해 바이패스 커패시터도 사용됩니다. 따라서 필터링된 DC 전압(Vsense )를 얻는다. DC 전압 레벨이 IC와 호환되도록 하기 위해 (약) 0.01의 강압 계수가 사용되었습니다(즉, 200VAC ~ 2VDC).

그린팩

Vsense 사용 GreenPAK 로직(섹션 2)을 기반으로 IC는 작동에 필요한 릴레이(BJT를 통해)를 구동합니다. IC의 디지털 출력은 LED 표시기를 토글하여 AVR의 정상 및 과전압/저전압 상태를 사용자에게 알리는 데에도 사용됩니다. IO 연결을 보여주는 IC 개략도는 참조용으로 제공되었습니다.

작동

3개의 전기 기계 릴레이(RL1, RL2, RL3)가 입력 AC 전압(Live_in ) 자동 변압기의 135V, 174V, 196V 및 220V 탭 간 연결. 네 번째 전자 기계 릴레이(RL4)는 저전압 또는 과전압 조건의 경우 AVR 출력을 분리하는 데 사용되어 AVR 출력에 연결된 부하에 대한 손상을 방지합니다.

GreenPAK 로직

GreenPAK Designer 소프트웨어(무료)에서 생성된 전체 디자인 파일은 여기에서 찾을 수 있습니다.

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그림 3:GreenPAK 설계 개략도. (출처:BarqEE)

그림 3은 GreenPAK 설계의 개략도를 보여줍니다. 브이센스 핀 6을 사용하여 서로 다른 비교기에 공급됩니다. 아날로그 비교기 ACMP0 및 ACMP1은 AVR의 정상 작동 범위에서 조정에 사용되는 반면 ACMP2 및 ACMP3은 과전압 및 저전압 감지에 사용됩니다. 비교기의 최대 내부 기준은 1.2V 이하로 설정할 수 있으므로 0.33의 이득을 사용하여 다른 범위에서 출력 전압을 비교하고 올바르게 분류할 수 있습니다. 비교기의 참조는 섹션 1.2에 설명된 사양을 충족하도록 설정됩니다. ASM(비동기 상태 기계) 블록은 전압 조정을 위한 유한 상태 기계를 설정하는 데 사용됩니다.

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그림 4:유한 상태 기계. (출처:BarqEE)

그림 4는 사용되는 5가지 상태를 보여줍니다. 각 상태에서 릴레이 1, 2 및 3은 ASM 출력 OUT3, OUT2 및 OUT1을 각각 사용하여 작동됩니다. 이를 통해 관련 자동 변압기 탭과 결과적으로 자동 변압기 권선비를 선택할 수 있습니다. 상태 0에서 4로 이동하면 자동 변압기 권선비가 단계적으로 감소합니다. 표 1은 권선비에 대한 각 상태의 대응을 보여줍니다.

표 1:각 상태에 해당하는 AT 회전율 (출처:BarqEE)

상태 0 1 2 3 4 AT 회전율 220/135 ≈ 1.63 196/135 ≈ 1.45 220/174 ≈ 1.26 196/174 ≈ 1.13 220/220 =1

전압 조정은 Live_out이 상한(≈ 240VAC, ACMP1 참조로 설정)보다 크거나 하한(≈ 200VAC, ACMP0 참조로 설정)보다 작은 경우 발생하는 상태 전환을 사용하여 달성됩니다. 상태가 원하는 조정된 출력 전압 레벨을 생성하지 않는 경우(200V

전기 기계 릴레이가 제대로 작동하도록 하기 위해 ASM 블록의 피드백에서 지연을 사용하여 급격한 상태 전환을 제어합니다. 이를 위해 ASM 블록 OUT3, OUT4, OUT5, OUT6, OUT7의 출력은 각각 지연 블록 DLY2, DLY3, DLY4, DLY5, DLY6에 공급된다. 그림 5는 ASM의 RAM 블록 구성을 보여주며, 여기서 각 바이너리 출력 OUT0 – OUT7의 상태가 표시됩니다.


그림 5:RAM 블록. (출처:BarqEE)

상태는 지연에 설정된 미리 정의된 시간 tp(≈ 0.5초) 동안 유지됩니다. 상태 전환은 Live_out이 최소한 tp 동안 원하는 범위를 벗어나는 경우에만 발생합니다. 지연의 출력은 그림 4와 같이 ACMP0 및 ACMP1의 출력과 함께 다른 LUT(및 AND 블록)로 피드백됩니다. 이렇게 하면 tp가 경과하고 Live_out이 원하는 범위를 벗어날 때만 상태 전환이 발생합니다. 특정 상태 전환은 ACMP0 및 ACMP1의 출력에 따라 다릅니다. 예를 들어, 상태 1이 tp에 대해 유지되면 상태 0과 상태 2로의 전환이 불가능합니다. 원하는 전압 레벨에 도달하면 상태 1이 유지됩니다. 그렇지 않으면 Live_out이 상한보다 크거나 하한보다 작은지 여부에 따라 State 0 및 State 2로의 전환이 발생합니다.

제안된 GreenPAK 설계의 또 다른 중요한 기능은 과전압 및 저전압 조건에서 보호하는 것입니다. 비교기 ACMP2 및 ACMP3은 각각 과전압 및 저전압 조건에 사용됩니다. ACMP2의 출력과 ACMP3의 반전된 출력은 지연 블록 DLY0 및 DLY1로 전달되어 과도 상태에 대해 과전압 및 저전압 상태가 감지되지 않도록 합니다. 그 후 DLY0 및 DLY1의 출력은 정상, 과전압 또는 저전압 상태인지를 결정하는 LUT 블록에 공급됩니다. 정상적인 조건에서 RLY4는 활성화된 상태를 유지하고 AVR은 전압을 조절합니다. 그렇지 않으면 규제가 불가능하고 RLY4가 트립됩니다. 정상, 과전압 및 저전압 상태에 대한 표시도 사용자에게 제공됩니다.

실험 결과

실험용 하드웨어

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그림 6:실험 설정. (출처:BarqEE)

그림 6은 프로토타입의 실험 설정을 보여줍니다. Variac은 AVR에 공급되는 입력 AC 전압을 제어하는 ​​데 사용됩니다. AVR에는 자동 변압기와 제어 회로가 포함된 PCB가 포함되어 있습니다. GreenPAK 개발 보드는 PCB에 연결되어 전기 기계 릴레이를 제어합니다. 오실로스코프는 입력 및 출력 전압을 기록하는 데 사용됩니다.

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그림 7:PCB 회로. (출처:BarqEE)

그림 7은 전기 기계 릴레이, BJT 및 기타 보조 부품이 장착된 PCB 회로를 보여줍니다.

AVR 성능 데이터

AVR의 성능 데이터는 다음과 같이 요약됩니다.

오실로스코프 결과

다음 그림은 실험에 대한 오실로스코프 로그를 보여줍니다. 노란색 및 파란색 마커는 각각 입력 및 출력 전압을 나타냅니다.

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그림 8:정량적 실험 요약. (출처:BarqEE)

그림 8은 AVR의 정상적인 기능에 대한 실험 결과를 정량적으로 요약한 것입니다. 입력 전압은 전압 범위(낮음에서 높음)에서 스위프되고 해당 출력 전압이 관찰됩니다. IC는 릴레이를 성공적으로 구동하여 자동 변압기 탭을 변경하므로 전압 조정을 위해 권선비가 1.63에서 1로 변경됩니다.

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그림 9:정상 기능. (출처:BarqEE)

그림 9는 1.63의 권선비에 대한 탭이 성공적으로 결정되고 선택된 AVR의 정상적인 기능을 보여줍니다.

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그림 10:과전압에 가까워짐. (출처:BarqEE)

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그림 11:과전압 상태. (출처:BarqEE)

그림 10은 과전압 조건이 가까워졌을 때의 입력 및 출력 전압 파형을 보여줍니다. 둘 다 회전 비율에 대한 탭이 1이므로 유사한 파형을 갖습니다.

그림 11은 과전압 상태의 경우를 보여줍니다. AVR이 보호를 위해 RL4를 성공적으로 트립했기 때문에 출력 전압이 무너진 것을 볼 수 있습니다.

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그림 12:저전압 접근. (출처:BarqEE)

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그림 13:저전압 상태. (출처:BarqEE)

그림 12는 저전압 조건이 가까워졌을 때의 입력 및 출력 전압 파형을 보여줍니다. 이 조건에서 AVR은 최대 회전율(1.63)에 대한 탭을 선택합니다.

그림 13은 저전압 상태의 경우를 보여줍니다. RL4가 보호를 위해 트립됨에 따라 출력 전압이 떨어지는 것을 관찰할 수 있습니다.

AVR이 조정 중일 때 입력 및 출력 전압의 주파수 변화 또는 위상 변이가 없습니다.

결론

이 기사에서는 주거 및 산업용 애플리케이션에서 널리 사용되는 AVR용 컨트롤러로 GreenPAK SLG46537V IC와 같은 프로그래밍 가능 ASIC을 사용하는 방법을 설명했습니다. ASIC은 이러한 애플리케이션에서 현재 사용되는 개별 부품 및 MCU를 대체할 수 있습니다. 제안된 AVR에서 SLG46537V의 역할을 설명하고 GreenPAK 설계를 철저히 설명했습니다. 또한 제안된 설계를 검증하기 위해 프로토타입 AVR에 대한 실험의 세부 사항을 제시했습니다.

우리는 회로가 특히 주거용 AVR에서 컨트롤러 역할을 할 수 있는 충분한 기능을 제공한다고 결론지었습니다. 따라서 저렴하고 PCB 풋프린트를 줄이는 IC를 사용하여 AVR용 제어 장치를 설계할 수 있습니다. 더 많은 상태의 ASM을 제공하는 다른 ASIC을 사용하여 더 정교한 컨트롤러를 설계할 수 있습니다.

아미르 후세인 추타이 현재 박사후보입니다. 라호르, LUMS에서 전기 공학. 그의 작업 영역은 신호 처리, 기계 학습 및 IoT와 관련이 있습니다. 그는 라호르에 기반을 둔 IT 스타트업 BarqEE의 공동 설립자입니다. Aamir는 [email protected]으로 연락할 수 있습니다. 무하마드 사킵 라호르의 NUCES에서 전기 공학 석사 학위를 받았습니다. 주요 업무 분야로는 전력 전자, 임베디드 시스템 및 계측이 있습니다. 그는 라호르에 기반을 둔 IT 스타트업 BarqEE의 공동 설립자입니다. M. Saqib은 [email protected]으로 연락할 수 있습니다.

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