AC-AC自動電圧レギュレータを開発するためのより効果的なアプローチ
AVRの開発は、8ビットマイクロコントローラーで構築されたデジタル制御システムに移行しましたが、プログラム可能なミックスドシグナルASICは、コストとサイズを削減するという利点を提供します。これは、一部の地域で非常に人気のある小型のポータブルAVRにとって特に重要です。
自動電圧レギュレータ（AVR）は、入力電圧の変動を補償することにより、供給される電圧レベルを調整するために使用されます。 AVRは一般に電圧安定器としても知られており、多くの産業用および住宅用アプリケーションに適用されます。たとえば、AVRは、船舶の発電機セット、非常用電源、石油掘削装置で使用され、電力需要の変動時に電圧レベルを安定させます。
電力会社にとって、配電ネットワークの電圧調整は、エンドユーザーに提供される電力品質を決定する重要な責任です。この目的のために、公益事業会社は、適切な短期および長期の計画、電力設備の保守、および配電線への規制当局の配備を確保する必要があります。ただし、これは、特に世界の一部の地域では、困難な作業になる可能性があります。パキスタン、インド、バングラデシュを含む多くの南アジア諸国では、電力の盗難や発電量の不足の問題により配電システムが脆弱であり、負荷の軽減やその他の混乱につながる可能性があります。その結果、エンドユーザーは電力線の電圧変動の問題に直面する可能性があります。したがって、エアコン、冷蔵庫、テレビなどの高価なデバイスの安全性と適切な機能を確保するために、小型のポータブルAVRの使用が非常に人気があります。 AVRは、一般的に事前定義された範囲の電圧レベル（150 V – 240Vまたは90V – 280 Vなど）で動作する使いやすいデバイスです。
機能的には、AVRは通常、タップ付き単巻変圧器を使用してAC出力を許容範囲に維持します。フィードバック機構を採用し、適切なリレーを切り替えて出力電圧を調整することにより、タップの位置を制御します。これは通常、検知ユニットと調整ユニットの2つのユニットで構成されます。検知ユニットの役割は、スタビライザーの入力電圧レベルと出力電圧レベルを決定することですが、調整ユニットは、出力電圧を許容可能な所定の制限内に維持します。
従来、オペアンプICは、リレーベースのAVR設計で制御するためにアナログコンパレータと組み合わせて使用されていました。最近では、デジタル制御の市販のAVRで8ビットマイクロコントローラー（MCU）の使用が大幅に増加しています。ただし、同様の機能と機能は、Dialog Semiconductorの低コストのGreenPAK™プログラマブルミックスドシグナルASIC（特定用途向け集積回路）を使用して実現できます。この交換は、コストとスペースの要件を削減し、MCUを明示的にプログラムする必要がないという点で有利です。
この記事では、開発者がGreenPAK SLG46537VICなどのプログラム可能なASICを使用してAVRを開発する方法について説明します。全体的なシステム設計とGreenPAK設計について詳しく説明します。このAVRの実現可能性と操作性を検証するために、プロトタイプから得られた実験結果も提示します。
システムデザイン
図1：ブロック図。 （出典：BarqEE）
提案されたAVR設計の機能ブロック図を図1に示します。システムは基本的にフィードバックメカニズムに基づいています。 AVRの出力のAC電圧は、SLG46537VICの機能DC制限まで下げるように調整されます。検出された電圧に応じて、適切なリレーがICによって駆動され、単巻変圧器の適切なタップ巻線が選択されます。
AVRの仕様は、特定のアプリケーションによって異なります。この記事では、AVRの仕様は次のとおりです。
- 入力電圧の範囲は125V〜240Vです。
- 出力電圧は200V〜240Vに調整されます。
- 低電圧および過電圧保護機能が提供されます。 AVR出力電圧が180V（低電圧）を下回るか、255 V（過電圧）を超えると、出力電源が切断されます。
- AVR設計では4つの電気機械式リレーが使用されています。
- 単巻変圧器は、0 Vニュートラル接続と、135 V、174 V、196 V、および220Vで4つの追加タップを備えた電圧ステップアップに使用されます。
- 出力波形と周波数は入力から変更されていません。
- AVR（コントローラー）の設計は安価です。
- LEDインジケータは、通常、過電圧、または低電圧の状態を通知するために使用されます。
これらの仕様は任意であることに注意してください。与えられた仕様は、実際のアプリケーションに応じてGreenPAKICの構成で簡単に調整できます。
機能設計
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図2：提案されたAVR設計。 （出典：BarqEE）
図2は、SLG46537VICを使用したAVRの提案された機能設計を示しています。
パワーコンディショナー
パワーコンディショナーブロックは、GreenPAKICに電力を供給します。ライブACを入力として受け取り、12 Vに降圧し、適切な電圧レギュレータICを使用してさらに5VDCに変換します。
AC電圧検知
電圧検知の場合、出力AC電圧（ Live_out ）は、ダイオードと抵抗分割器ネットワークを使用して低電圧DCレベルを取得するために、降圧および整流されます。続いて、出力フィルタ（電解コンデンサ）を使用してリップルを最小限に抑え、一定の滑らかなDC電圧を取得します。過渡現象を除去するためにバイパスコンデンサも採用されています。したがって、フィルタリングされたDC電圧（ Vsense ）が取得されます。 DC電圧レベルがICと互換性があることを確認するために、（約）0.01の降圧係数が使用されました（つまり、200VAC→2VDC）。
GreenPAK
Vsense の使用 GreenPAKロジック（セクション2）に基づいて、ICは作動に必要なリレーを（BJTを介して）駆動します。 ICからのデジタル出力は、LEDインジケーターを切り替えて、AVRの通常および過/低電圧状態についてユーザーに通知するためにも使用されます。 IO接続を示すICの回路図は、参照用に提供されています。
アクチュエーション
3つの電気機械式リレー（RL1、RL2、およびRL3）を使用して、入力AC電圧（ Live_in ）を切り替えます。 ）単巻変圧器の135 V、174 V、196 V、および220Vタップ間の接続。 4番目の電気機械式リレー（RL4）は、低電圧または過電圧状態の場合にAVR出力を切断するために使用され、AVR出力に取り付けられた負荷への損傷を防ぎます。
GreenPAKロジック
GreenPAK Designerソフトウェア（無料で入手可能）で作成された完全な設計ファイルは、ここにあります。
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図3：GreenPAK設計の概略図。 （出典：BarqEE）
図3に、GreenPAK設計の概略図を示します。 Vsense ピン6を使用して異なるコンパレータに供給されます。アナログコンパレータACMP0およびACMP1は、AVRの通常の動作範囲でのレギュレーションに使用されますが、ACMP2およびACMP3は、過電圧および低電圧の検出に使用されます。コンパレータの最大内部リファレンスは1.2V以下に設定できるため、0.33のゲインを使用して、出力電圧を比較し、さまざまな範囲に正しく分類できるようにします。コンパレータのリファレンスは、セクション1.2で概説されている仕様を満たすように設定されています。非同期ステートマシン（ASM）ブロックは、電圧調整用の有限ステートマシンをセットアップするために使用されます。
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図4：有限状態マシン。 （出典：BarqEE）
図4は、使用される5つの状態を示しています。各状態で、リレー1、2、および3は、それぞれASM出力OUT3、OUT2、およびOUT1を使用して作動します。これにより、関連する単巻変圧器のタップを選択でき、その結果、単巻変圧器の巻数比を選択できます。状態0から4に移行すると、単巻変圧器の巻数比が段階的に減少します。表1に、各状態と巻数比の対応を示します。
表1：各状態に対応するAT回転率 （出典：BarqEE）
州 0 1 2 3 4 AT回転率 220 /135≈1.63 196 /135≈1.45 220 /174≈1.26 196 /174≈1.13 220/220 =1
電圧レギュレーションは、Live_outが上限（約240 VAC、ACMP1を参照して設定）よりも大きいか、下限（約200 VAC、ACMP0を参照して設定）よりも小さい場合に発生する状態遷移を使用して実現されます。いずれかの状態で目的の安定化出力電圧レベル（200 V
電気機械式リレーが適切に機能することを保証するために、ASMブロックのフィードバックの遅延を使用して突然の状態遷移を制御します。この目的のために、ASMブロックOUT3、OUT4、OUT5、OUT6、およびOUT7の出力は、それぞれ遅延ブロックDLY2、DLY3、DLY4、DLY5、およびDLY6に供給されます。図5は、ASMのRAMブロックの構成を示しており、バイナリ出力OUT0〜OUT7のそれぞれのステータスが示されています。
状態は、遅延で設定された事前定義された期間tp（約0.5秒）の間保持されます。状態遷移は、Live_outが少なくともtpの間、目的の範囲外にある場合にのみ発生します。図4に示すように、遅延の出力は、ACMP0およびACMP1の出力とともにさまざまなLUT（およびANDブロック）にフィードバックされます。これにより、tpが経過し、Live_outが目的の範囲外になった場合にのみ状態遷移が発生します。特定の状態遷移は、ACMP0およびACMP1の出力によって異なります。たとえば、状態1がtpの間保持されている場合、状態0および状態2に遷移することはできません。目的の電圧レベルに達した場合、状態1が維持されます。それ以外の場合、Live_outが上限よりも大きいか下限よりも小さいかどうかに応じて、状態0と状態2への遷移が発生します。
提案されたGreenPAK設計のもう1つの重要な機能は、過電圧および低電圧状態での保護です。コンパレータACMP2とACMP3は、それぞれ過電圧状態と低電圧状態に使用されます。 ACMP2の出力とACMP3の反転出力は、遅延ブロックDLY0とDLY1に渡され、過渡状態で過電圧と低電圧の状態が検出されないようにします。続いて、DLY0とDLY1の出力がLUTブロックに送られ、LUTブロックは、それが正常、過電圧、または低電圧のいずれの状態であるかを判断します。通常の状態では、RLY4は通電されたままで、AVRが電圧を調整します。それ以外の場合、規制は不可能であり、RLY4が作動します。通常、過電圧、および低電圧の状態の表示もユーザーに提供されます。 実験結果
実験用ハードウェア クリックしてフルサイズの画像を表示
図6は、プロトタイプの実験セットアップを示しています。 Variacは、AVRに供給される入力AC電圧を制御するために使用されます。 AVRには、単巻変圧器と制御回路を含むPCBが含まれています。 GreenPAK開発ボードがPCBに接続され、電気機械式リレーを制御します。オシロスコープは、入力電圧と出力電圧を記録するために使用されます。 クリックしてフルサイズの画像を表示
図7は、電気機械式リレー、BJT、およびその他の補助コンポーネントが取り付けられているPCB回路を示しています。
AVRパフォーマンスデータ
AVRのパフォーマンスデータは以下のように要約されます：
オシロスコープの結果
次の図は、実験用のオシロスコープのログを示しています。黄色と青色のマーカーは、それぞれ入力電圧と出力電圧を示しています。 クリックしてフルサイズの画像を表示
図8は、AVRの通常の機能に関する実験結果の定量的な要約を示しています。入力電圧は電圧範囲（低から高）で掃引され、対応する出力電圧が観察されます。 ICはリレーを正常に駆動して、単巻変圧器のタップを変更します。したがって、電圧調整のために巻数比を1.63から1に変更します。 クリックしてフルサイズの画像を表示
図9は、1.63の巻数比のタップが正常に決定および選択されたAVRの通常の機能を示しています。 クリックしてフルサイズの画像を表示 クリックしてフルサイズの画像を表示
図10は、過電圧状態に近づいたときの入力電圧と出力電圧の波形を示しています。巻数比のタップが1であるため、どちらも同様の波形を持っています。
図11に過電圧状態の場合を示します。 AVRが保護のためにRL4を正常にトリップしたため、出力電圧が低下したことがわかります。 クリックしてフルサイズの画像を表示 クリックしてフルサイズの画像を表示
図12は、低電圧状態に近づいたときの入力および出力電圧波形を示しています。 AVRは、この条件下で最大巻数比（1.63）のタップを選択します。
図13に、低電圧状態の場合を示します。 RL4が保護のためにトリップされると、出力電圧が低下することがわかります。
AVRが調整しているときは、入力電圧と出力電圧の周波数変化や位相シフトがないことに注意してください。 結論
この記事では、住宅用および産業用アプリケーションで人気のあるAVRのコントローラーとしてのGreenPAK SLG46537VICなどのプログラム可能なASICの使用について説明しました。 ASICは、これらのアプリケーションで現在使用されているディスクリートコンポーネントおよびMCUを置き換えることができます。提案されたAVRにおけるSLG46537Vの役割が示され、GreenPAKの設計が徹底的に説明されました。さらに、提案された設計を検証するために、プロトタイプAVRでの実験の詳細が提示されました。
この回路は、特に住宅用AVRで、コントローラーとして機能する十分な機能を提供すると結論付けています。したがって、AVRの制御ユニットは、安価でPCBフットプリントを削減するICを使用して設計できます。より高度なコントローラーは、より多くの状態のASMを提供する他のASICを使用して設計できます。
関連コンテンツ：
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図5：RAMブロック。 （出典：BarqEE）
図6：実験のセットアップ。 （出典：BarqEE）
図7：PCB回路。 （出典：BarqEE）
図8：定量的な実験の要約。 （出典：BarqEE）
図9：通常の機能。 （出典：BarqEE）
図10：過電圧に近づいています。 （出典：BarqEE）
図11：過電圧状態。 （出典：BarqEE）
図12：低電圧に近づいています。 （出典：BarqEE）
図13：低電圧状態。 （出典：BarqEE）
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Aamir Hussain Chughtai 現在、博士号の候補者です。ラホールのLUMSでの電気工学。彼の仕事の分野は、信号処理、機械学習、IoTに関連しています。彼はラホールを拠点とするITスタートアップBarqEEの共同創設者です。アーミールは[email protected]で連絡することができます。 
ムハンマドサキブ ラホールのNUCESで電気工学の修士号を取得しています。彼の主な仕事分野には、パワーエレクトロニクス、組み込みシステム、計装などがあります。彼はラホールを拠点とするITスタートアップBarqEEの共同創設者です。 M. Saqibは、saqib.awan @ barqee.comに連絡できます。
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