Измеритель напряжения и тока

Один из основных приборов в лаборатории радиолюбителя — регулируемый источник питания. Для повышения оперативности и удобства работы его полезно дополнить встроенным измери­телем выходного напряжения и тока нагрузки. Описания таких измерителей довольно часто встречаются в Интернете и радио­любительских журналах. Но бывает, что найденное описание не подходит для создания измерителя, подходящего для встраива­ния в конкретный источник питания. Ведь приходится учитывать много факторов, например, располагаемое место для его уста­новки, наличие необходимых деталей. В предлагаемой статье представлен вариант измерителя, который может пригодиться и тем, кто разрабатывает лабораторный блок питания «с нуля», и тем, кто предполагает встроить его в уже готовый блок питания.

Прибор измеряет постоянное на­пряжение от 0 до 51,1 В с дискрет­ностью 0,1 В и постоянный ток от 0 до 5,11 А с дискретностью 0,01 А. Его прототипом послужил измеритель, описанный в [1], довольно простой по схеме и имеющий неплохие парамет­ры. Основная реализованная в нём идея использовать недорогой микро­контроллер заслуживает внимания. Однако необходимость использовать ОУ, способный работать при однополярном питании при близком к нулю выходном напряжении, а также нали­чие дополнительного источника пита­ния накладывают некоторые ограниче­ния на его применение. К тому же индикаторы на плате прототипа расположены неудобно, лучше установить их в ряд по горизонтали и сократить раз­меры передней панели измерителя, приблизив их к габаритам использо­ванных индикаторов.

Принципиальная схема измерителя представлена на рис. 1. Поскольку най­ти применённые в [1] микросхемы 74HC595N (сдвиговые регистры с ре­гистром хранения) не удалось, исполь­зованы микросхемы 74HC164N, в кото­рых регистр хранения отсутствует. Так­же применены индикаторы, облада­ющие гораздо более высокой яркостью при малом токе, что позволило умень­шить потребляемый измерителем ток до 20 мА и отказаться от дополнитель­ного стабилизатора напряжения +5 в.

Рис. 1

К сожалению, использование 74HC164N имеет недостаток — пара­зитное свечение элементов индикатора в моменты обновления их состояния. Но поскольку средняя яркость такого све­чения незначительна и его дополни­тельно ослабляют светофильтры, кото­рыми обычно закрывают индикаторы, это нельзя считать серьёзным недо­статком. К тому же освобождается один из выводов микроконтроллера, который можно использовать, например, для подключения датчика температуры. При этом, правда, придётся внести измене­ния в программу микроконтроллера.

Измеряемое напряжение подают на вход GP0 микроконтроллера DD1 через делитель из резисторов R7 и R9. Кон­денсатор С6 улучшает стабильность по­казаний вольтметра [1]. Сигнал сдатчи­ка тока (резистора R1) поступает на вход GP1 микроконтроллера через ин­вертирующий усилитель на ОУ DA1. В отличие от [1], здесь используется двух­полярное питание ОУ напряжением +/-8 В, поскольку далеко не все ОУ обладают свойством «rail to rail» и кор­ректно работают при однополярном пи­тании и почти нулевом напряжении на выходе. Двухполярное же питание поз­воляет легко решить эту проблему, допускает применение ОУ очень многих типов.

Поскольку напряжение на выходе ОУ может находиться в интервале от -8 до +8 В, для зашиты входа микроконтрол­лера от перегрузки применена ограни­чительная цепь R10VD9. Подстроечным резистором R8 регулируют коэффициент усиления, а подстроечным резисто­ром R11 устанавливают нулевое напря­жение на выходе ОУ. Диоды VD1 и VD2 защищают вход ОУ от перегрузки в слу­чае обрыва датчика тока.

Благодаря сравнительно малому со­противлению датчика тока уход резуль­тата измерения напряжения при изме­нении тока нагрузки от нуля до максимального (5,11 А) не превышает 0,06 В. Если измеритель встраивают в источник напряжения отрицательной полярно­сти, датчик тока можно включить перед выходным делителем напряжения его стабилизатора. При этом падение на­пряжения на датчике тока будет компен­сировано цепью обратной связи стаби­лизатора. Поскольку ток делителя обычно невелик, на показания амперметра он влияния почти не окажет, к тому же это влияние можно скомпенсировать подстрочным резистором R11.

Питают измеритель выходным на­пряжением выпрямителя блока питания через преобразователь на транзисторах ѴТ1 и ѴТ2. Это несколько сложнее, чем в [1], так как требует изготовления им­пульсного трансформатора, зато нет проблем с получением всех требуемых номиналов напряжения. Преобразова­тель напряжения представляет собой простейший двухтактный автогенера­тор, схема которого позаимствована из [1]. Частота преобразования — около 80 кГц.

Благодаря гальванической развязке между входом и выходом преобразова­теля измеритель можно встроить в ста­билизатор напряжения любой поляр­ности. С указанными на схеме транзис­торами он работоспособен при входном напряжении от 30 до 44 В, при этом вы­ходные напряжения изменяются при­близительно от 8 до 12 В. Благодаря то­му что сопротивления резисторов R5 и R6 выбраны довольно большими, пре­образователь не боится замыканий вы­ходов. В таких случаях генерация прос­то срывается.

Напряжение 5 В для питания цифро­вой части измерителя получено с помо­щью интегрального стабилизатора DA2. Стабилизировать напряжения питания ОУ не требуется, поскольку сам он до­статочно устойчив к его изменениям. Напряжение пульсаций с частотой пре­образования подавляют RC-фильтры на входах микроконтроллера DD1. Если же слишком велики пульсации с частотой 100 Гц, рекомендуется воспользоваться способом их снижения, описанным в [1].

Здесь стоит сказать несколько слов о присущей всем цифровым измерите­лям нестабильности младшего разряда результата измерения. Он всегда хаоти­чески изменяется на единицу вокруг ис­тинного значения. Эти флюктуации не являются следствием неисправности прибора, но их нельзя устранить полно­стью, можно лишь уменьшить, усредняя результаты большого числа измерений.

Рис. 2

Рис. 3

Детали измерителя смонтированы на трёх печатных платах из фольгированного с одной стороны изоляционно­го материала. Рассчитаны они на уста­новку микросхем в корпусах DIP. На одной плате (рис. 2) смонтированы индикаторы, на второй (рис. 3) — циф­ровые микросхемы и микроконтроллер. Преобразователь, стабилизатор напря­жения питания микроконтроллера и усилитель сигнала датчика тока уста­новлены на третьей плате (рис. 4).

Рис. 4

Размещение деталей на платах и межплатные соединения показаны на рис. 5. Красными цифрами на нём обо­значены номера выводов импульсного трансформатора Т1 у мест их подключе­ния к плате. Сам трансформатор за­креплён на ней хомутами из изолиро­ванного монтажного провода. Блокиро­вочные конденсаторы С13 и С14 при­паяны непосредственно к выводам пи­тания микросхем DD2 и DD3. Как пока­зала практика, измеритель нормально работает и без этих конденсаторов.

Рис. 5

Платы микроконтроллера и индика­торов соединены кронштейнами из оцинкованной стали толщиной 0,5 мм. Плата преобразователя и усилителя за­креплена двумя винтами М2. Расстоя­ние между платами — около 11 мм. Такой вариант конструкции прибора (рис. 6) занимает меньше места на лицевой панели блока пита­ния, в которую этот прибор должен быть встроен.

Рис. 6

Вместо ОУ КР140УД708 можно применить, напри­мер, КР140УД1408 и мно­жество ОУ других типов. Следует отметить, что они могут требовать иных цепей коррекции, чем КР140УД708. Это следует учесть при про­ектировании печатной платы. Вместо сдвиговых регистров 74НС164 можно использо­вать 74НС4015, но придётся изменить топологию печатных провод­ников платы. Диоды КД522Б можно заменить на КД510А. Подстроенные ре­зисторы R8 и R11 — СП3-19, R9 — им­портный. Постоянные конденсаторы также импортные.

Резистор R1 (датчик тока) можно изготовить из нихромового провода или применить готовый, как это сделано в [1]. Я сделал его из отрезка нихромовой ленты сечением 2,5×0,8 мм и дли­ной (с учётом залуженных концов) около 25 мм, извлечённой из теплового реле ТРН. Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце типоразмера 10x6x3 мм, извлечённом из неисправ­ной КЛЛ. Все обмотки намотаны прово­дом ПЭВ-2 диаметром 0,18 мм. Обмот­ка 2-3 содержит 83 витка, обмотки 1-2 и 4-5 — по 13 витков, а обмотка 6-7-8-80 витков с отводом от середины. Если выходное напряжение выпрямителя меньше 30 В, число витков обмотки 2-3 придётся уменьшить из расчёта при­близительно 4 витка на вольт.

Между собой обмотки 1-2-3 и 4-5 изолированы одним слоем конденса­торной бумаги толщиной 0,1 мм, а от обмотки 6-7-8 — двумя слоями такой бумаги. После проверки работоспособ­ности трансформатор пропитан лаком ХВ-784.

Программа микроконтроллера напи­сана в среде MPLAB IDE ѵ8.92 на языке ассемблера MPASM. Предлагаются два её варианта. Файлы первого варианта находятся в папке «Общ. катод» и пред­назначены для прибора со светодиод­ными индикаторами с общими катода­ми разрядов, в том числе теми, что ука­заны на схеме рис. 1. Файлы второго варианта из папки «Общ. анод» следует использовать при установке в прибор светодиодных индикаторов с общими анодами разрядов. Однако на практике этот вариант программы не испытан. Программирование микроконтроллера было выполнено с помощью программы IC-prog и простого устройства, описан­ного в [4].

Налаживание измерителя заключа­ется в установке подстроечным резис­тором R11 нуля на выходе ОУ DA1 при отсутствии тока в измеряемой цепи. Затем в эту цепь подают ток, близкий к пределу измерения, но меньше его.

Контролируя ток образцовым амперметром, подстроенным резистором R8 добиваются равенства показаний образцо­вого и налаживаемого прибо­ров.

Подав и контролируя об­разцовым вольтметром изме­ряемое напряжение, устанав­ливают соответствующие пока­зания на индикаторе прибора подстроечным резистором R9. Подробнее о налаживании написано в [1].

ЛИТЕРАТУРА

1. Балаев Б. Встраиваемый измеритель тока и напряжения на PIC12F — Радио, 2014, № 12, с. 18-20.
2. Янгалиев Н. Блок питания на основе преобразователя напряжения для питания галогенных ламп. — Радио, 2005, № 5, с. 36, 37.
3. Лоскутов И. Как уменьшить пульсации блока питания. — Радио, 1996, N5 4, с. 54
4. Сизов А. Программирование совре­менных PIC16, PIC12 на PonyProg. — Радио, 2004, №2, с. 31,32.

Скачать оба варианта программы микроконтроллера.

Автор: Е. ГЕРАСИМОВ, станица Выселки Краснодарского края
Источник: Радио №5/2016