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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Amperímetro voltímetro para fuente de alimentación de laboratorio. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Tecnología de medición Este dispositivo está diseñado para funcionar con una fuente de alimentación, cuya descripción se encuentra publicada en [1], sin embargo, también se puede conectar a otra unidad similar. No solo muestra el voltaje de salida y la corriente de carga de la unidad, sino que también realiza varias funciones adicionales que hacen que la fuente de alimentación del laboratorio sea más confiable y facilita el trabajo práctico con ella. La función principal del ampervoltímetro propuesto (en adelante AVM), que mide el voltaje de salida y la corriente de carga de la fuente de alimentación, se complementa con la capacidad de indicar el umbral establecido para el funcionamiento de la protección de corriente de la unidad, ensamblada de acuerdo con la descripción. En 1]. Esto elimina la necesidad de cargar la unidad con una corriente máxima determinada durante el proceso de configuración de este umbral y luego "atrapar" con cuidado la posición deseada de la perilla de control. El microcontrolador disponible en el AVM calcula fácilmente el valor umbral de corriente a partir del voltaje medido por él en el motor de la resistencia variable R5 (ver Fig. 1 en [1]) y la resistencia de la resistencia del sensor de corriente R13 (ibid.). El valor calculado se muestra en la pantalla LCD.
Según los resultados de medir el voltaje en la entrada y salida de la unidad y la corriente de carga, se calculan y muestran los valores de la potencia de carga y la potencia disipada por el transistor de control de la unidad. Además, se controla la temperatura del disipador de calor de este transistor. De acuerdo con los resultados de su medición, el ventilador que sopla el disipador de calor se enciende y apaga automáticamente. Y en caso de sobrecalentamiento significativo, la fuente de alimentación se desconecta de la red. Una función adicional del AVM es limitar la sobretensión de la corriente de carga de los condensadores de filtrado del rectificador que alimenta la unidad, que se produce cuando está conectada a la red. Además, el AVM proporciona un modo de autocalibración. Las dimensiones del dispositivo solo superan ligeramente las dimensiones de la pantalla LCD utilizada en él. Dependiendo del modo de visualización seleccionado, la tensión de salida, V, y la corriente de carga, A, se muestran en su pantalla (Fig. 1); potencia de carga, W (Fig. 2); umbral de protección actual, A (Fig. 3); temperatura del disipador de calor del transistor de regulación, оC, potencia disipada por él, W (Fig. 4). Si durante el funcionamiento alguno de los parámetros que no se muestran actualmente en la pantalla ha cambiado, su valor aparece en él y después de un tiempo se restablece el modo de visualización anterior.
El esquema AVM se muestra en la fig. 5. Sus componentes principales son divisores de voltaje de entrada y filtros de supresión de ruido, un microcontrolador DD1 que contiene un ADC y realiza todos los cálculos necesarios, así como un LCD HG1 de diez bits.
AVM se controla mediante dos botones. El botón SB1 cambia los modos de visualización alrededor del anillo en el que se muestra en la fig. 1-4 secuencias. El botón SB2 está diseñado para encender y apagar la fuente de alimentación con la que funciona el AVM. Dado que el ADC integrado en el microcontrolador es capaz de medir solo un voltaje que no exceda el voltaje de su suministro, se instalan divisores de voltaje en dos entradas de ADC. El primero, que consta de las resistencias R1 y R3, reduce diez veces el voltaje de salida de la fuente de alimentación. El segundo divisor consta de las resistencias R2 y R10 y tiene un factor de división de 20. Reduce el voltaje suministrado a la fuente de alimentación desde el rectificador a un valor aceptable para el ADC. La medida de esta tensión es necesaria para calcular la potencia disipada en el transistor de control. No se necesitan divisores en los circuitos para medir la corriente de carga y el umbral de protección de corriente, ya que el voltaje en el sensor de corriente R13 [1] y la resistencia variable R5 [1] no excede el valor permitido para el ADC. Los voltajes medidos se aplican a todas las entradas ADC utilizadas del microcontrolador a través de un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte de aproximadamente 7 Hz. Este es R4C1 en el canal de medición de voltaje de salida (UO), R5C2 en el canal de medida de corriente de carga (Iн), R6C3 en el canal de medida del umbral de protección de corriente (Imax), R7C4 en el canal de medida de temperatura y R9C5 en el canal de medida de tensión rectificada Uvypr necesario para reducir el error asociado con la ondulación del voltaje medido. Los resultados de la operación ADC procesada por el programa se muestran en el indicador HG1, que está conectado al microcontrolador a través de la interfaz I.2C. Dado que, de acuerdo con la especificación I2C, las salidas de señal de interfaz deben ser de colector abierto (drenaje), el programa configura las líneas PB0 y PB2 del microcontrolador en consecuencia. La carga para ellos son dos conjuntos de resistencias DR1. Dos resistencias más del mismo conjunto mantienen un nivel alto en las entradas PB1 y PB3 cuando no se presionan los botones SB1 y SB2 conectados a ellas. Al presionar cualquiera de ellos, la entrada correspondiente se establece en nivel bajo. Un nivel alto en la entrada del reinicio del microcontrolador es compatible con la resistencia R10. Los pines del microcontrolador utilizados para cargar el programa en su memoria se enrutan al conector X3, que, si es necesario, se conecta al programador. El transistor VT1, mediante señales del microcontrolador, controla la retroiluminación de la pantalla LCD HG1. Las señales medidas son suministradas por un cable flexible, en el que está instalado el zócalo X1. Las señales para controlar el ventilador, encender la fuente de alimentación y controlar el circuito limitador de corriente para cargar los condensadores de suavizado del rectificador se envían al bloque de pines X2. Se aplica una tensión de alimentación de 5 V a los pines 5 y 15 del microcontrolador. Dado que el ADC incorporado se alimenta desde el pin 15, se incluye un filtro L1C9 en el circuito de este pin para eliminar la interferencia con su funcionamiento. A través del condensador C7, se cierra el componente de pulso de la corriente consumida por el microcontrolador. AVM está montado en una placa de circuito impreso de doble cara (Fig. 6). Antes de la instalación, debe "hacer sonar" y quitar los puentes no grabados detectados entre los conductores. Se recomienda instalar un panel para el microcontrolador en la placa, ya que en caso de errores de programación de los microcontroladores de la familia AVR, a menudo se presentan casos de interrupción de su conexión con un programador serial convencional AVM.
Dado que es difícil metalizar los orificios de la placa en casa, los cables de las piezas deben soldarse en ambos lados de la misma. En este caso, el panel para el microcontrolador debe ser un collar, de lo contrario no será posible soldar sus conclusiones desde el lado de la instalación de la pieza. A través de los orificios que se muestran en la Fig. 6 lleno, en ausencia de metalización, es necesario insertar y soldar piezas cortas de alambre desnudo en ambos lados. La metalización también se puede realizar mediante remaches huecos de cobre (tapones de percusión), introduciéndolos en los agujeros del tablero y expandiéndolos por ambos lados. Los juegos de tales pistones se venden, por ejemplo, bajo las marcas registradas LPKF EasyContac y remaches BG9.S, pero son bastante caros. La placa tiene orificios para montarla y lugares para instalar los botones SB1 y SB2, así como otro botón que no se muestra en el diagrama (se designa como SB3 y puede usarse como botón SB1 en [1] a través de un relé intermedio) y un LED HL1 [1]. Los contactos del botón SB3 y las salidas del LED están conectados al conector X5, que tampoco se muestra en el diagrama. Si es necesario, se pueden reducir las dimensiones del tablero a 65x42 mm cortándolo según lo indicado en la fig. 6 línea discontinua. En este caso, los botones SB1 y SB2 están ubicados en cualquier lugar conveniente y conectados al conector X4 con un arnés de cables o un trozo de cable plano. Resistencias divisoras de tensión (R1-R3, R10) - C2-23 con una tolerancia de ±1% del valor nominal. Si no se encuentra la resistencia R2 con un valor nominal de 191 kOhm, puede estar compuesta por dos valores de 180 y 10 kOhm. Las resistencias restantes son C1-4-0,125. Termistor NTC RK1 - B57703. El conjunto de resistencias 5A332J se puede reemplazar por el HP-1-4-4M doméstico de resistencias con un valor nominal de 3,3 kOhm. Condensadores - cerámicos K10-17 o importados. Estrangulador L1 - EC-24 100 uH. El AVM utiliza conectores BLD-6 (X1), PLD-6 (X2), PLD-10 (X3), PLS-4(X4, X5). Botones: cualquier reloj con una longitud de pulsador adecuada, por ejemplo, TS-A6PS. Indicador - MT-10T11 [2] con cualquier índice alfabético y digital, excepto 3V0. Los indicadores con este índice están diseñados para una tensión de alimentación de 3 V y no funcionarán a 5 V. El indicador MT-10T12 también funcionará, pero tiene el doble de tamaño. El transistor de efecto de campo 2N7000 se puede reemplazar con cualquier otro transistor de compuerta aislada de canal n con un voltaje de umbral de no más de 3 V. Incluso se puede usar un transistor bipolar npn, pero esto hará que se disipe más energía y se reduzca la retroiluminación. brillo. Puede intentar reemplazar el microcontrolador ATtiny26-16PU con el ATtiny26L-PU, pero su funcionamiento está garantizado a una frecuencia de resonador de cuarzo de no más de 8 MHz. El programa del microcontrolador se desarrolló en el entorno Atmel AVR Studio y se escribió en lenguaje ensamblador. Puede cargarlo en la memoria del microcontrolador utilizando el programador patentado AVR ISP mk II directamente desde el entorno de desarrollo, o utilizar el programa AVReAl [3] y el adaptador Altera ByteBlaster [4]. La asignación de pines del conector X3 corresponde a este adaptador en particular. No se excluye el uso de otros programadores para microcontroladores de la familia AVR. Los códigos del archivo avm.hex se ingresan en la memoria FLASH del microcontrolador y del archivo avm.eep en su EEPROM. La configuración del microcontrolador debe corresponder a la fig. 7.
El algoritmo de funcionamiento del programa consiste en un sondeo cíclico de cinco canales de medida con una frecuencia de 50 Hz. Al medir en los canales de tensión y corriente, la tensión de referencia del ADC es de 2,56 V y se suministra desde una fuente integrada en el microcontrolador. Al medir la temperatura, el voltaje de suministro del microcontrolador (5 V) es ejemplar. Los resultados de la operación ADC se agregan al búfer circular, que contiene 25 lecturas, cada una de las cuales ocupa dos bytes (el ADC del microcontrolador es de diez bits). De hecho, se almacena un historial de las últimas cinco lecturas para cada canal. Para reducir la fluctuación de lecturas en cada canal, se calcula el promedio de las últimas cinco lecturas [5]. Después del procesamiento, los valores de corriente y voltaje están representados por números enteros que se encuentran en el rango de 0 a 255, y el valor del dígito de voltaje menos significativo es 0,1 V, y la corriente es 0,01 A. Por lo tanto, los límites de medición de voltaje y la corriente son, respectivamente, 25,5 V y 2,55 A. El valor de la tensión rectificada a la entrada de la fuente de alimentación [1] no se muestra en el indicador, pero se utiliza para calcular la potencia disipada por esta fuente de alimentación. Los coeficientes de corrección para cada canal (excepto para el canal de temperatura), teniendo en cuenta la dispersión de los parámetros ADC y las resistencias divisoras de voltaje, se almacenan en la EEPROM del microcontrolador. Por defecto, todos son iguales a 1, pero como resultado del procedimiento de autocalibración, pueden tomar valores de 0 a 2-1/64 en incrementos de 1/64. La temperatura puede tomar un valor de -55 a +125 °C y se muestra en la pantalla LCD en grados Celsius enteros. Para calcularlo se utiliza una transformación de tabla del resultado de la operación ADC. Si el valor de temperatura medido es superior a 45 оC, se genera un comando para encender el ventilador si es inferior a 40 оC, el ventilador está apagado. Si la temperatura supera los 90 оCon el apagado de emergencia de la fuente de alimentación, y la pantalla LCD muestra la inscripción "Sobrecalentamiento". Para iniciar el modo de autocalibración, es necesario usar el botón SB2 para señalar el apagado de la fuente de alimentación (AVM permanece encendido), luego presione el botón SB1 y, mientras lo mantiene presionado, presione nuevamente SB2. Después de eso, se aplican los siguientes voltajes de ejemplo al conector X1 AVM: a la entrada Uvypr (pin 6) - 40 V, entrada UO (continuación 1) - 20 V, a las entradas Iн(continuación 2) y yomax (pin 5) - 0,5 V, que corresponde a la caída de tensión en el sensor de corriente (R13 en [1]) en In = 2 A. La tensión 7 se aplica a la entrada de control de temperatura (en el punto de conexión de las resistencias R8, R1 y termistor RK4) IN. Durante la calibración, los canales se indican en el indicador con letras en la familiaridad más a la izquierda: U - voltaje de salida, I - corriente de carga, L - corriente de operación de protección, t - temperatura, r - voltaje del rectificador. Por ejemplo, antes de calibrar el canal de voltaje de salida, la inscripción que se muestra en la fig. 8.
Los canales para la calibración se seleccionan uno por uno presionando el botón SB1, y con la ayuda de SB2 se inicia el proceso de calibración del canal seleccionado. La inscripción "Guardado" le informará sobre su finalización y escribirá el resultado en la EEPROM, y después de otros 2 s podrá ver el valor del parámetro correspondiente calculado utilizando el coeficiente seleccionado en el indicador. Después de eso, puede pasar al siguiente canal presionando el botón SB1 o repetir la calibración del anterior presionando SB2. Al mostrar el valor del voltaje de salida en el indicador, el AVM tiene en cuenta la caída de voltaje en el sensor de corriente, restándola del resultado de la medición. Por lo tanto, al finalizar la calibración, mientras se eliminan los voltajes de referencia de las entradas AVM, 19,5 V (0,5 V menos que el voltaje de referencia de 20 V) y 2 A (correspondiente a una caída de voltaje de 0,5 V en el sensor de corriente) . AVM está conectado a la fuente de alimentación [1] según el esquema que se muestra en la fig. 9. La resistencia R13, de acuerdo con la descripción del bloque, está compuesta por tres resistencias de un vatio con un valor nominal de 1 ohmio, conectadas en paralelo, y tiene una resistencia de 0,33 ohmios. Debe agregarles una resistencia más de la misma, reduciendo la resistencia total a 0,25 ohmios. Esto simplifica los cálculos realizados por el microcontrolador AVM.
El mismo diagrama muestra un rectificador que sirve como fuente de voltaje de entrada de la fuente de alimentación en el transformador T1 y los diodos VD1-VD4, equipado con una unidad de limitación de corriente para cargar el condensador de filtrado después del encendido. Para su funcionamiento simultáneo con la señal que abre el transistor VT1, que conduce a la operación del relé K1 y al suministro de tensión de red al devanado de red del transformador, el microcontrolador también envía una señal que abre el fototransistor del optoacoplador U1 . Como resultado, el transistor VT2 permanece cerrado después de encender la unidad, y la corriente de carga de los condensadores de filtrado del rectificador fluye a través de la resistencia R5 que lo limita. El programa del microcontrolador AVM monitorea la tasa de cambio de voltaje a través de estos capacitores. Tan pronto como disminuya lo suficiente (esto significa que los condensadores están casi completamente cargados), se eliminará la señal que abre el fototransistor del optoacoplador U1. Como resultado, aumentará el voltaje de la fuente de la puerta del transistor VT2. Su canal de fuente de drenaje se abrirá. Dado que la resistencia del canal abierto es de solo 0,018 ohmios, cualquier corriente perceptible a través de la resistencia R5 ya no fluye y no afecta el funcionamiento posterior del dispositivo. Transformador T1 - TTP-60 2x12 V. Los diodos Schottky 90SQ045, a partir de los cuales se ensambla el puente rectificador, se pueden reemplazar por 1N5822. El AVM en sí está alimentado por una fuente separada U2 con un voltaje de 5 V, cuyo requisito principal es un mínimo de ondas. El microcontrolador no consume más de 20 mA, la retroiluminación del indicador consume unos 100 mA, se necesitan otros 100 mA para el relé K1 (TRIL-5VDC-SD-2CM). El archivo de la placa de circuito impreso AVM en formato Sprint Layout 5.0 y su programa de microcontrolador se pueden descargar desde ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/02/avm.zip. Literatura
Autor: V.Rybakov
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