Effiziente AVR-Entwicklung mit programmierbaren GreenPAK ASICs

Moderne Automatische Spannungsregler (AVRs) setzen zunehmend auf digitale Steuerung, doch die kosteneffizienten, kompakten Lösungen, die programmierbare Mixed-Signal-ASICs bieten – wie Dialog Semiconductors GreenPAK SLG46537V – erweisen sich besonders wertvoll für tragbare AVR-Geräte.

AVRs, oft als Spannungsstabilisatoren bezeichnet, halten die Ausgangsspannung stabil, indem sie Schwankungen in der Versorgung kompensieren. Sie sind integraler Bestandteil von Generatoren auf Schiffen, Notstromsystemen und Ölbohrinseln und schützen Haushaltsgeräte wie Klimaanlagen und Kühlschränke vor Spannungsunregelmäßigkeiten.

Für Versorger ist präzise Spannungsregelung im Verteilnetz essenziell für die Stromqualität. In Regionen wie Südasien können Herausforderungen wie Stromdiebstahl und Erzeugungsengpässe Lastabwurf und Spannungsschwankungen auslösen, was tragbare AVRs zu einem beliebten Schutz macht.

Traditionelle AVR-Designs verwenden einen angezapften Autotransformator mit einer relaisgesteuerten Rückkopplungsschleife. Der Schaltkreis besteht typischerweise aus einer Sensoreinheit, die Ein- und Ausgangsspannungen überwacht, und einer Regeleinheit, die Relais ansteuert, um den richtigen Transformatoranzapfung auszuwählen. Historisch wurde diese Rückkopplung mit Op-Amp-ICs und analogen Komparatoren realisiert; neuere Designs nutzen 8-Bit-Mikrocontroller. Die GreenPAK-Plattform liefert jedoch äquivalente Funktionalität bei geringeren Kosten und Fußabdruck, ohne separaten MCU-Firmware-Bedarf.

In den folgenden Abschnitten beschreiben wir, wie der SLG46537V als AVR-Controller konfiguriert werden kann, präsentieren die vollständige Systemarchitektur und teilen experimentelle Ergebnisse eines Prototyps.

Systemarchitektur

Abbildung 1 zeigt das Blockdiagramm des AVR. Der AC-Ausgang wird auf einen für den GreenPAK geeigneten DC-Pegel konditioniert, der wiederum elektromechanische Relais ansteuert, um den passenden Autotransformator-Anzapfung auszuwählen. Der Controller versorgt auch die Relais-Ansteuerungsschaltung und bietet LED-Statusanzeigen.

Abbildung 1: Funktionales Blockdiagramm (Quelle: BarqEE)

Die wichtigsten Spezifikationen des AVR sind:

• Eingangsspannung: 125 V – 240 V
• Geregelter Ausgang: 200 V – 240 V
• Unterspannungsschutz (<180 V) und Überspannungsschutz (>255 V) trennen den Ausgang.
• Vier elektromechanische Relais steuern die Autotransformator-Anzapfungen (135 V, 174 V, 196 V, 220 V) und ein Sicherheitsrelais.
• Ausgangswellenform und Frequenz entsprechen dem Eingang.
• Kosteneffizientes Controller-Design.
• LED-Anzeigen für Normal-, Über- und Unterspannungszustände.

Diese Parameter können in der GreenPAK-Firmware an andere Anwendungen angepasst werden.

Funktionale Implementierung

Abbildung 2: Detaillierte AVR-Architektur (Quelle: BarqEE)

Leistungskonditionierung
Der Leiter-Wechselstrom wird auf 12 V heruntertransformiert und dann auf 5 VDC geregelt, um den GreenPAK zu versorgen.

Spannungserfassung
Der Ausgangs-Wechselstrom (Live_out) wird gedämpft, gleichgerichtet und gefiltert, um eine stabile DC-Referenz (Vsense) zu erzeugen. Ein Skalierungsfaktor von 0,01 wandelt 200 VAC in ~2 VDC um, passend zum Eingangsspannungsbereich des ICs.

GreenPAK-Steuerung
Vsense speist die Komparatoren und die Zustandsmaschine des GreenPAK. Digitale Ausgänge steuern Transistor-basierte Relais-Treiber und Status-LEDs. Das Schaltbild der GreenPAK-IO-Konfiguration ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: GreenPAK-Design-Schaltplan (Quelle: BarqEE)

Relais-Ansteuerung
Drei Relais (RL1–RL3) schalten den Transformatoreingang zwischen den vier Anzapfungen. Ein viertes Relais (RL4) trennt den Ausgang unter Schutzbedingungen.

GreenPAK-Logikdesign

Die GreenPAK-Designer-Datei ist hier verfügbar (kostenloser Download).

Abbildung 4: Fünf-Zustände-Endlicher Automat (Quelle: BarqEE)

Der FSM steuert die Relais-Auswahl: Jeder Zustand entspricht einem spezifischen Autotransformator-Umsetzungsverhältnis, zusammengefasst in Tabelle 1.

Tabelle 1: Autotransformator-Umsetzungsverhältnisse pro Zustand (Quelle: BarqEE)

Zustand	Umsetzungsverhältnis
0	220/135 ≈ 1,63
1	196/135 ≈ 1,45
2	220/174 ≈ 1,26
3	196/174 ≈ 1,13
4	220/220 = 1

Zustandsübergänge erfolgen, wenn die gemessene Ausgangsspannung den 200 V–240 V-Bereich verlässt. Verzögerungen von ≈ 0,5 s verhindern Relais-Prellen bei transienten Ausreißern.

Über- und Unterspannung werden durch die Komparatoren ACMP2 und ACMP3 erkannt. Nach einem 50 ms Entprellen deaktiviert die Logik RL4 und aktiviert die entsprechende LED.

Experimentelle Validierung

Hardware-Aufbau

Abbildung 6: Prototyp-Testaufbau (Quelle: BarqEE)

Der Testaufbau nutzt einen Variac zum Einstellen der Eingangsspannung, ein Oszilloskop zur Wellenformaufzeichnung und ein GreenPAK-Entwicklungsboard zum Ansteuern der Relais.

PCB und Relais-Schaltung

Abbildung 7: PCB-Layout (Quelle: BarqEE)

Die Platine beherbergt die Relais-Treiber, BJTs und Peripheriekomponenten.

Leistungsmetriken

• Last: 450 VA – 550 VA
• Eingangsspannung: 125 V – 240 V
• Ausgangsspannung: 200 V – 240 V
• Frequenz: 50 Hz – 60 Hz
• Isolationswiderstand: > 5 MΩ
• Ansprechzeit: 10 ms – 15 ms
• Transformator-Temperaturanstieg: 65 °C – 70 °C bei 1,2-facher Nennlast
• Wirkungsgrad: > 95 %
• Umgebungstemperaturbereich: –40 °C bis 0 °C

Wellenformanalyse

Abbildung 8: Quantitative Oszilloskop-Ergebnisse (Quelle: BarqEE)

Der AVR folgt der Eingangsspannung und hält den Ausgang im Zielband, indem er durch die Relais-Anzapfungen zykliert.

Abbildung 9: Normaler Regelbetrieb (Quelle: BarqEE)

Wenn die Eingangsspannung gegen die obere Grenze steigt, schaltet der AVR auf das niedrigste Umsetzungsverhältnis (1,00), um den Ausgang zurück in den 200 V–240 V-Bereich zu bringen.

Abbildung 10: Annäherung an Überspannung (Quelle: BarqEE)

Bei einem Überspannungsausreißer öffnet RL4 und der Ausgang bricht zusammen, was die Last schützt.

Abbildung 11: Überspannungsschutz (Quelle: BarqEE)

Analoger Schutz tritt bei Unterspannungsbedingungen auf, wie in Abbildungen 12 und 13 dargestellt.

Abbildung 12: Annäherung an Unterspannung (Quelle: BarqEE)

Abbildung 13: Unterspannungsschutz (Quelle: BarqEE)

Während der gesamten Regelung bleiben Ausgangsfrequenz und -phase identisch zum Eingang.

Fazit

Programmierbare ASICs wie der GreenPAK SLG46537V können diskrete AVR-Controller und Mikrocontroller ersetzen und liefern zuverlässige Spannungsregelung bei geringeren Kosten und PCB-Fläche. Der Prototyp demonstriert die Machbarkeit dieses Ansatzes für Wohn- und Industrieanwendungen, und die Architektur lässt sich durch Nutzung von ASICs mit zusätzlichen FSM-Zuständen auf komplexere Controller skalieren.

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Aamir Hussain Chughtai ist Promovend in Elektrotechnik an der LUMS, Lahore. Seine Forschungsschwerpunkte sind Signalverarbeitung, maschinelles Lernen und IoT. Er gründete BarqEE mit und ist unter chughtaiah@barqee.com erreichbar.

Muhammad Saqib hält einen M.S. in Elektrotechnik von der NUCES, Lahore. Seine Expertise umfasst Leistungselektronik, eingebettete Systeme und Instrumentierung. Er gründete BarqEE mit und ist unter saqib.awan@barqee.com erreichbar.

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