Цифровой вольтамперметр с защитой для лабораторного блока питания

Предлагаемый цифровой вольтамперметр (далее прибор) разработан для лабораторного блока питания (далее ЛБП) и предназначен для измерения постоянного напряжения и тока в пределах, задаваемых пользователем, а также потребляемой нагрузкой мощности. Прибор обеспечивает два вида защиты: от превышения напряжения на выходе ЛБП и от превышения допус­тимого выходного тока.

При срабатывании защиты прибор отключает ЛБП от сети и подаёт отрывистые звуковые сигналы разной, в зависимости от причины срабатывания, тональности. Он может быть возвращён в рабочее состояние двумя способами: вручную — нажатием на кнопку или автоматически после устранения при­чины, вызвавшей срабатывание защи­ты. Прибор построен на базе микро­контроллера PIC16F876-20I/SP [1] и снабжён ЖКИ, отображающим на экра­не две строки по 16 символов.

Основные технические характеристики

Предел измерения напряже­ния U_max (c шагом 1 В), В……………5—61

Предел измерения тока I_max (с шагом 1 А), А…………………………2—21

Пороги срабатывания защиты по напряжению (с шагом 1 В), В ………1-U_max

по току (с шагом 1 А), А…………………………………………1 — I_max

Максимальная измеряемая мощность, Вт ………………………1280

Число градаций измеренно­го напряжения или тока от 0 до установленного пре­дел измерения…1024

Число десятичных цифр после запятой в выводи­мом на индикатор значе­нии напряжения………2

Число десятичных цифр после запятой в выводи­мом на индикатор значе­нии тока

<10 А…………………………………………………………………………………….         2

≥10 А……………………………………………………………………………………..         1

Дискретность отображения мощности, Вт………………………………………….0,1

Значение мощности на экране при­бора, особенно при токе более 9,99 А, может незначительно отличаться от произведения выведенных на него значений тока и напряжения. Дело в том, что для вычисления мощности про­грамма прибора использует более точ­ные, не округлённые перед выводом на экран значения этих параметров.

Схема соединений узлов и блоков прибора изображена на рис. 1. ЛБП подключён к сети ~230 В, 50 Гц через коммутатор, управляемый сигналом, поступающим на его разъём ХР1 с разъ­ёма ХР3 блока измерения и защиты (БИЗ). Напряжение питания БИЗ, поступающее на его контактную колодку ХТ4 от отдельного, не показанного на схеме, источника питания может находиться в интервале от 10,5 до 30 В. Этот источ­ник должен оставаться включённым независимо от состояния коммутатора.

К разъёму ХР1 БИЗ подключена кнопка SB1, нажатием на которую воз­вращают прибор в рабочее состояние после срабатывания защиты и устране­ния причин этого. Кнопка SB2, служа­щая для установки и изменения пара­метров прибора, подключена к разъёму ХР2. С разъёмами XS1 и XS2 соединён ЖКИ HG1, а с разъёмом ХРЗ — упомяну­тый выше коммутатор и сигнализаторы срабатывания защиты: звуковой НА1 и световые — светодиоды HL1 и HL2.

Пока значения измеряемых величин находятся в допустимых пределах, БИЗ работает в режиме измерения. Экран ЖКИ при этом выглядит, как показано на рис. 2. Вся сигнализация в этом режиме выключена, а на коммутатор посту­пает сигнал, разрешающий подачу се­тевого напряжения на ЛБП.

БИЗ непрерывно измеряет напряже­ние, поступающее на колодку ХТ1, и пропорциональное току нагрузки паде­ние напряжения на резисторе RS1. Как только любая из этих величин превысит допустимое значение, БИЗ переходит в режим защиты и снимает сигнал, разре­шающий включение коммутатора. ЛБП, лишённый сетевого питания, прекраща­ет работать.

Вернуться из режима защиты в рабо­чий режим, как уже сказано выше, можно вручную, нажатием на кнопку SB1, или автоматически, после устране­ния причины перегрузки. Пользователь должен заранее выбрать один из этих вариантов. Кнопка SB2 предназначена для установки параметров, которые будут описаны ниже.

В зависимости от причины срабаты­вания защиты по-разному себя ведут ЖКИ, звуковой сигнализатор НА1 и све­тодиоды HL1, HL2. При превышении допустимого напряжения будет включён светодиод HL1, а в левой половине верхней строки экрана ЖКИ появится мигающая надпись с указанием превы­шенного значения. В нижней строке будет выведена (как на рис. 3) надпись «ЗАЩИТА ПО НАПР.». Излучатель звука НА1 станет подавать короткие двухтональные сигналы (8267 и 8346 Гц), по­вторяющиеся каждую секунду.

При перегрузке по току будет вклю­чён светодиод HL2, а на индикаторе появится мигающая надпись с превы­шенным значением тока. В нижней строке экрана, как показано на рис. 4, будет выведено сообщение «ЗАЩИТА ПО ТОКУ». Звукоизлучатель НА1 станет подавать короткие двухтональные (8818 и 8661 Гц) сигналы, повторяющиеся каждую секунду.

Возможности прибора несколько шире описанных. Например, сигналы управления светодиодами HL1 и HL2, формируемые БИЗ, можно использо­вать для организации защиты раздель­но по току и по напряжению. Если доба­вить в прибор коммутатор цепи нагруз­ки ЛБП, управляемый сигналом, пред­назначенным для светодиода HL2, нагрузка будет отключена при пере­грузке по току, но ЛБП продолжит рабо­тать. Однако при неожиданном повы­шении напряжения на выходе ЛБП (обычно вследствие его неисправности) этот блок необходимо полностью выключать имеющимся коммутатором, подключив его цепь управления к разъ­ёму ХР3 вместо светодиода НL1. Можно и вообще не устанавливать никаких коммутаторов, ограничившись лишь индикацией перегрузки, хотя БИЗ всё равно будет входить в режим защиты, из которого его придётся выводить.

Принципиальная схема БИЗ изобра­жена на рис. 5. Напряжение питания блока 10,5…30 В, поданное от внешнего источника на контактную колодку ХТ4 и дополнительно сглаженное конденсато­ром С1, поступает на вход интегрально­го стабилизатора DА1. Его выходным стабилизированным напряжением 9 В питается сдвоенный ОУ DА2 (использо­ван только один ОУ этой микросхемы). Это же напряжение поступает на вход интегрального стабилизатора DА3. Его выходным напряжением 5 В питают микроконтроллер DD1 и ЖКИ HG1. Кварцевый резонатор ZQ1 и конденса­торы С3 и С5 — частотозадающая цепь тактового генератора микроконтролле­ра DD1. Резистор R9 поддерживает высокий логический уровень на входе сигнала установки микроконтроллера в исходное состояние.

Питание на узел подсветки экрана ЖКИ поступает через гасящий резистор R10. Подбирая его, можно установить желаемую яркость подсветки. Подстроечным резистором R11 добиваются наилучшей контрастности символов на экране ЖКИ. Резисторы R12 и R13 задают ток через светодиоды НL1 и НL2 (см. рис. 1) и могут быть заменены перемычками в случае использования сигналов, предназначенных для светодиодов, для управления коммутатора­ми. Конденсатор С6 — разделительный в цепи звукоизлучателя НА1 (см. рис. 1).

Измеряемое напряжение с разъёма ХТ1 поступает на подстроечный ре­зистор R1, с помощью которого при налаживании прибора добиваются ра­венства значения напряжения, выве­денного на его ЖКИ, показаниям образцового вольтметра. С его движка через резистор R5 напряжение посту­пает на вход ANO внутреннего АЦП микроконтроллера DD1.

Резистор R5 ограничивает до безо­пасного значения ток через имеющийся на входе ANO микроконтроллера встро­енный защитный диод, если напряже­ние на движке превысит напряжение питания микроконтроллера. Особенно, если движок случайно или преднаме­ренно установлен в крайнее верхнее (по схеме) положение.

Снятое с резистора RS1 (см. рис. 1) напряжение, пропорциональное току нагрузки ЛБП, через контактные колод­ки ХТ2, ХТЗ и резистор R2 поступает на неинвертирующий вход ОУ DA2.1, уси­ливающего его. Выход ОУ соединён с входом AN1 микроконтроллера через резистор R8, роль которого такая же, как и резистора R5. Без него напряже­ние на входе AN1 микроконтроллера может превысить его напряжение пита­ния, когда ток через резистор RS1 слишком велик или этот резистор вообще не присоединён к колодкам ХТ2 и ХТ3, а также при случайном переме­щении движков подстроечных резисто­ров R3 и R4 в недопустимые положения. Этими резисторами устанавливают коэффициент усиления ОУ, нужный для обеспечения заданного в программе предела измерения тока. Резистор R7 предохраняет выход ОУ от замыкания с общим проводом при установке движка подстроечного резистора R3 в крайнее левое по схеме положение.

Для того чтобы прибор показывал напряжение на нагрузке, фактически измеряя его на выходе ЛБП, введена коррекция, суть которой в следующем. Снимаемое с RS1 напряжение поступа­ет не только на вход ОУ DA2.1, но и через резистор R6 на вход AN2 АЦП микроконтроллера. Программа вычита­ет это напряжение из того, что измере­но на выходе ЛБП, и именно это значе­ние, представляющее собой напряже­ние на нагрузке, выводит на экран ЖКИ.

Уровни сигналов на выходах RC1 — RC3 микроконтроллера, в зависимости от напряжения на входах AN0 и AN1 и положения перемычек S1 и S2, указаны в таблице. Манипуляции перемычками S1 и S2 позволяют задать нужные актив­ные логические уровни сигналов, управ­ляющих коммутаторами. Это даёт поль­зователю свободу в выборе коммути­рующих элементов. Например, можно использовать нормально замкнутые или нормально разомкнутые контакты реле, не прибегая к применению дополни­тельных элементов, инвертирующих управляющие сигналы.

Ток, потребляемый БУЗ при не под­ключённых к разъёму ХР3 коммутаторе, излучателе звука и светодиодах, не пре­вышает 32 мА. Если эти элементы под­ключены, ток зависит от их состояния, увеличиваясь на сумму значений по­требляемого каждым из них тока. Мак­симальное значение потребляемого тока — 60 мА.

Лог. уровень на выходе RC1
Положение S1	UAN0
	Ниже порога	Выше порога
1-2	Высокий	Низкий
2-3	Низкий	Высокий
Лог. уровень на выходе RС2
Положение S2	UAN1
	Ниже порога	Выше порога
1-2	Высокий	Низкий
2-3	Низкий	Высокий
Лог. уровень на выходе RС3
UAN0	UAN1
	Ниже порога	Выше порога
Ниже порога	Низкий	Высокий
Выше порога	Высокий	Высокий

Принципиальная схема коммутатора изображена на рис. 6. Управляющее напряжение около 5 В, поступившее на его разъём ХР1, через светодиод HL1, служащий индикатором команды от­крывания коммутатора, и резистор подано на излучающий диод симисторного оптрона U1. Это открывает фотосимистор оптрона, а следом за ним открывается и симистор VS1. Он соеди­няет контакты колодок ХТ1 и ХТ2, пода­вая этим питающее напряжение -230 В на ЛБП.

Конструкция и детали

В приборе применён ЖКИ QAPASS1602A с белыми символами и синей подсветкой экрана. Годится и любой другой буквенно-цифровой ЖКИ на основе контроллера HD44780, имею­щий две строки по 16 символов. Такие индикаторы могут иметь разные разме­ры и другое расположение выводов, ориентироваться нужно по нанесённой на плату индикатора буквенной марки­ровке. Выводимые на экран русские буквы сгенерированы программой, поэтому можно применять и те ЖКИ, в знакогенераторах которых отсутствуют символы кириллицы.

Кнопки (SB1 и SB2 (см. рис. 1) — любые, пригодные для установки на пе­редней панели прибора. Звукоизлучатель НА1 — динамическая головка с активным сопротивлением не менее 8 Ом от телефонного аппарата. По­дойдёт и электромагнитный излучатель от электромеханического будильника или телефонный капсюль.

Датчик тока RS1 — самодельный. Это отрезок нихромовой проволоки диаметром 1,2 мм и длиной 20 мм. Его расчётное сопротивление — 0,02 Ом. Особая точность не требуется, посколь­ку прибор всё равно придётся калибро­вать. Не стоит применять проволоку меньшего диаметра, так как при боль­шом токе она будет сильно нагреваться. Следует иметь в виду, что длина отрезка проволоки должна быть немного боль­ше указанной, чтобы его концы можно было вставить в гнёзда контактных колодок ХТ2 и ХТ3 и зажать там винтами. Действующую длину отрезка измеряют между точками зажима.

Источник напряжения, подаваемого на колодку ХТ4 БИЗ, — доработанное зарядное устройство «Delta» 5 В, 0,4 А для сотового телефона. Все детали во вторичной цепи установленного в нём импульсного трансформатора и связан­ные с ними печатные проводники удале­ны. На освободившемся месте в новые отверстия вставлены выводы четырёх диодов КД212А, образующих выпрями­тельный мост, а вместо сглаживающего конденсатора 470 мкФ на 10 В установ­лен конденсатор такой же ёмкости с номинальным напряжением 16 В. Со­единения выполнены выводами дета­лей и отрезками монтажного провода. В сетевом выпрямителе зарядного устройства сглажи­вающий конден­сатор 3,3 мкФ на 400 В заменён конденсатором на такое же на­пряжение, но ём­костью 5,6 мкФ.

После пере­делки зарядного устройства его выходное напря­жение увеличи­лось до 12,7 В, при этом в высо­коомных голов­ных телефонах, подключённых к выходу, едва слы­шен низкочастотный рокот. При подключении к БИЗ напряжение падает до 10,5 В, а транс­форматор слегка греется.

Все детали БИЗ размещены на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита тол­щиной 1,5 мм (рис. 7) с такими же раз­мерами (80×36 мм) и расположением крепёжных отверстий, что и плата ЖКИ. Это даёт возможность установить эти платы одну над другой на пустотелых втулках высотой 10… 12 мм и соединить их четырьмя винтами М2,5 с гайками.

Для микроконтроллера DD1 на плате должна быть предусмотрена панель, куда его вставляют уже запро­граммированным. Число 20 после де­фиса в названии микроконтроллера PIC16F876-20I/SP означает его пре­дельную тактовую частоту в мегагерцах. Поскольку в БИЗ применён кварцевый резонатор ZQ1 на частоту 4 МГц, при­годны варианты микроконтроллера и на более низкую частоту, вплоть до 4 МГц. Можно без изменений в схеме, про­грамме и печатной плате использовать микроконтроллер PIC16F876A-I/SP. По­скольку все его варианты способны работать с тактовой частотой до 20 МГц, в названии она не указана.

Возможна замена любого из упомя­нутых выше микроконтроллеров на ана­логичный в корпусе для поверхностного монтажа (с индексом ЭО после дробной черты в названии). Но это потребует применения специального адаптера для его установки на печатную плату либо её полной переделки.

Интегральный стабилизатор КР142ЕН8А можно заменить на 7809 или подобный на +9 В, а КР142ЕН5А — на 7805 или другой с напряжением ста­билизации +5 В. Чтобы не переделы­вать плату, стабилизаторы, выбираемые в качестве замен, должны быть в корпу­сах ТО-220.

Конденсаторы С1 и С6 — оксидные ниобиевые К53-19, остальные конден­саторы — керамические. Подстроечные резисторы R1, R3 и R4 — много­оборотные серии 3296W, а R11 — RM065. Постоянные резисторы — МЛТ или подобные указанной на схеме мощности. Все отечественные рези­сторы и конденсаторы можно заменить импортными.

Колодки ХТ1—ХТ4 — двухконтакт­ные винтовые DG301-5.0-02 с шагом выводов 5 мм и предельным током 16 А. Если прибор предполагается экс­плуатировать при большем токе, ко­лодки следует заменить более мощны­ми.

Разъёмы ХР1 и ХР2 — PLS-2, а ХР3 — PLD-8. В качестве штыревой колодки для установки перемычек S1 и S2 (джамперов MJ) использован разъём PLD-6. Разъёмы XS1 и XS2 — PLD-6, а ответные части для них — PLX-6R (угловые для уменьшения высоты мон­тажа).

Коммутатор собран на отдельной печатной плате из фольгированного с одной стороны текстолита толщиной 1,5 мм и размерами 35×25 мм, изобра­жённой на рис. 8. Симисторный оптрон U1 МОС3063М [2] имеет встроенный узел обнаружения перехода мгновен­ного значения коммутируемого напря­жения через ноль. Это позволяет откры­вать симистор Х/Э1 именно в эти момен­ты, что значительно снижает уровень коммутационных помех. Прямые заме­ны оптрона МОС3063М — МОС3043М и МОС3083М. У них ток излучающего диода I_FT, необходимый для гарантиро­ванного открывания фотосимистора, лежит в интервале 3…5 мА.

Схожим оптронам МОС3041М, МОС3061M и МОС3081М для открыва­ния необходим ток 15 мА, а МОС3042М, МОС3062М и МОС3082М — 10 мА. Заменив MOC3063M одним из них, нужно подобрать резистор R1 таким, чтобы ток через излучающий диод был не менее I_FT применённого оптрона.

Максимальная мощность, коммути­руемая симистором BT136-600 без теп­лоотвода, — 150 Вт. Установив симистор на теплоотвод, место для которого на плате предусмотрено, можно увели­чить её до 800 Вт. При установке взамен АЛ307БМ другого светодиода нужно подобрать резистор R1 таким, чтобы ток в цепи управления остался прежним. Контактные колодки ХТ1 и ХТ2 — винто­вые DG301-5,0-02, разъём ХР1 — PLS-2. Все резисторы — МЛТ.

При использовании коммутатора другой конструкции важно, чтобы его цепь управления была гальванически не связана с коммутируемой цепью, а ток управления не превышал 25 мА, допус­тимых для выхода микроконтроллера.

Налаживание прибора

При первом включении питания БИЗ будут установлены следующие параметры: предел измерения напря­жения U_max — 35 В, предел измерения тока I_max — 10 А, порог срабатывания защиты по напряжению равен U_max, а по току — I_max, способ сброса защиты — «АВТОМАТИЧЕСКИ». Изменить их мож­но только в рабочем режиме, какие- либо изменения при сработавшей за­щите невозможны.

Чтобы внести изменения, продолжи­тельным нажатием на кнопку SB2 до­бейтесь появления мигающего курсора в правом нижнем углу экрана, после чего отпустите кнопку. Экран приобре­тёт вид, показанный на рис. 9. Курсор в виде подчёркивания будет установлен под старшей цифрой значения предела измерения напряжения U_max.

Далее короткие нажатия на кнопку SB2 увеличат U_max ступенями по 1 В до 61 В, после чего процесс продолжится, начиная с 5 В и далее по кольцу. Оста­новившись на требуемом значении Umax, продолжительным нажатием на кнопку переведите курсор под стар­шую цифру значения предела измере­ния тока I_max — короткими нажатиями на кнопку задайте I_max в интервале от 2 до 21 А.

Теперь длинным нажатием на кнопку SB2 до появления мигающего курсора выведите на экран изображение, по­добное показанному на рис. 10. Курсор в виде подчёркивания будет находиться под старшей цифрой значения порога срабатывания защиты по напряжению. Короткими нажатиями на кнопку SB2 доведите порог шагами по 1 В до нуж­ного значения в интервале от 1 В до ранее установленного U_max.

Очередное длинное нажатие на кнопку SB2 переместит курсор под старшую цифру выведенного на экран значения порога срабатывания токовой защиты. Короткими нажатиями устано­вите этот порог с шагом 1 А в интервале от 1 А до действующего I_maх.

Далее после продолжительного нажатия и отпускания кнопки SB2 экран приобретёт вид, показанный на рис. 11 или рис. 12. Курсор будет находиться в первой позиции нижней строки. Ко­роткими нажатиями на кнопку SB2 можно менять надписи «НАЖАТИЕМ КНОПКИ» и «АВТОМАТИЧЕСКИ» в беско­нечном цикле. Оставьте на экране нуж­ный способ сброса защиты и длинным нажатием на кнопку до появления мигающего курсора и последующим её отпусканием переведите прибор в рабочий режим. Если выбран способ сброса «НАЖАТИЕМ КНОПКИ», то в пер­вой позиции нижней строки экрана будет постоянно находиться «звёздоч­ка». При способе «АВТОМАТИЧЕСКИ» она отсутствует.

Все установленные параметры, чтобы не терять их при выключении питания, программа сохраняет в EEPROM микроконтроллера. Учтите, начав описанную выше процедуру их установки, нужно обязательно довести её до конца, поскольку запись в EEPROM происходит только в процессе возвращения в рабочий режим. Если процедура прервана, например, вы­ключением питания, то записи в EEPROM не произойдёт и установку параметров придётся повторить. Мож­но быстро «пробежать» по всем этапам установки одними длинными нажатиями на кнопку, изменяя только нужные пара­метры или просто просматривая их.

После первого включения БИЗ, а также после любого изменения значе­ний параметров U_max и I_max необходимо выполнить калибровку прибора по напряжению и току. Калибровку по напряжению проводите при отключён­ной нагрузке. Установите движок подстроечного резистора R1 в нижнее по схеме положение. Подайте на колодку

ХТ1 от ЛБП напряжение, близкое к U_max, контролируя его по образцовому вольт­метру. Перемещая движок подстроен­ного резистора R1 вверх, добейтесь совпадения показаний ЖКИ прибора и эталонного вольтметра.

Перед калибровкой по току устано­вите движки подстроенных резисторов R3 и R4 соответственно в правое и левое по схеме положения. Соедините ЛБП, БИЗ, датчик тока RS1 и нагрузку согласно схеме, изображённой на рис. 1, причём последовательно с нагрузкой включите образцовый ампер­метр. Изменяя сопротивление нагрузки или выходное напряжение ЛБП, устано­вите показания образцового ампермет­ра примерно равными половине I_max. Далее с помощью подстроечных резис­торов R3 и R4 добейтесь одинаковых показаний прибора и образцового амперметра.

В качестве нагрузки можно исполь­зовать лампу накаливания, электрона­гревательный прибор или резистор подходящей мощности с рабочим на­пряжением не менее установленного U_max.

Если выбран способ сброса защиты «АВТОМАТИЧЕСКИ», после срабатывания защиты прибор ждёт 4 с, отключив ЛБП от сети, в результате чего напря­жение на его выходе равно нулю. По истечении этого времени БИЗ возвра­тится в рабочий режим, измерит напряжение и ток и, поскольку они нулевые, подключит ЛБП к сети. Если теперь значения измеряемых величин превышают допустимые, БИЗ снова на 4 с перейдёт в режим защиты. Так будет продолжаться до устранения причины перегрузки.

При выборе способа «НАЖАТИЕМ КНОПКИ» БУЗ будет оставаться в ре­жиме защиты до нажатия на кнопку SB1. После этого он возвратится в рабочий режим, измерит напряжение и ток и, если они в норме, останется в этом режиме. В противном случае он вновь перейдёт в режим защиты до нажатия на кнопку.

Обратите внимание, что если дат­чик тока RS1 не подключён к контакт­ным колодкам ХТ2 и ХТ3 либо в месте подключения нарушен контакт, про­изойдёт ложное срабатывание защи­ты по току. А при обрыве в цепи рези­стора R6 возможно ложное срабаты­вание защиты по напряжению. Если измерение тока нагрузки не требу­ется, минусовый вывод нагрузки сле­дует подключить к колодке ХТ3 вместе с минусовым выводом ЛБП. Датчик тока RS1 в этом случае заменяют перемычкой из медного провода. После этого результаты измерения тока и мощности на ЖКИ станут нуле­выми.

ЛИТЕРАТУРА

1. 28/40-Pin 8-BitCMOS FU\SH Microcontrollers. — URL: https://lib.chipdip.ru/059/DOC000059963.pdf (14.03.17).
2. 6-Pin DIP Zero-Cross Triac Driver Optocoupler (600 Volt Peak) MOC3061M, MOC3062M, МОС3063М, MOC3162M, MOC3163M. — URL: https://www.fairchildsemi.соm/datasheets/MO/MОpdf (14.03.17).

Скачать архив к проекту (файлы печатных плат в формате Sprint Layout 6.0 и программа микроконтроллер)

Автор: Г. НЮХТИЛИН, г, Ковров Владимирской обл.
Источник: Радио №6/2017