Модуль измерения и защиты блока питания

Предлагаемый модуль можно использовать совместно с лабо раторными блоками питания для защиты их нагрузки от превы шения напряжения и тока сверх установленных пределов.

Описания подобных устройств неод­нократно публиковались, приме­ром может быть статья «Усовершенст­вованное цифровое устройство защи­ты с функцией измерения» («Радио», 2007, № 7, с. 26—28, автор Н. Заец), в которой рассказано о приборе подоб­ного назначения на микроконтроллере PIC16F873 с двухразрядным семиэле­ментным светодиодным индикатором. В отличие от него, предлагаемый модуль построен на микроконтроллере ATmega8535L-8PU и ЖКИ, содержащем четыре строки по 16 символов.

Первоначально я предполагал ис­пользовать для измерения тока диф­ференциальный вход АЦП микроконт­роллера с встроенным предваритель­ным усилителем. Однако проверка выявила нестабильность такого изме­рения. Применение ОУ в узле измере­ния тока также признано нецелесооб­разным по той же причине. Был выбран компромиссный вариант измерения тока двумя каналами АЦП при сравни­тельно большом сопротивлении резисторов-датчиков тока.

Первый канал, использующий дат­чик тока сопротивлением 0,5 Ом, измеряет ток до 1 А с дискретностью 10 мА. Второй канал способен измерять ток до 5 А с дискретностью 0,1 А с помощью датчика тока сопротивлени­ем 0,05 Ом. Напряжение прибор изме­ряет с дискретностью 0,1 В.

Время срабатывания защиты в ос­новном зависит от тактовой частоты АЦП (125 кГц). Расчётная и подтвер­ждённая с помощью осциллографа длительность аналого-цифрового пре­образования — 110 мкс. На измерение и напряжения, и тока микроконтроллер расходует 220 мкс плюс суммарная продолжительность выполнения ко­манд переключения. При тактовой час­тоте микроконтроллера 8 МГц они выполняются за 3,7 мкс.

Свою лепту в увеличение времени срабатывания защиты могут внести процедуры вывода информации на индикатор. Программа обращается к нему каждые 0,28 с (задано константой TimeDisp). На вывод информации она расходует 4 мс (измерено осциллогра­фом). Отсчёт времени ведут два счёт­чика, первый из них программа инкре­ментирует в каждом цикле измерения, а второй подсчитывает переполнения первого. По достижении содержимым второго счётчика значения указанной выше константы происходит вывод ин­формации на индикатор.

Вероятность, что аварийное собы­тие произойдёт в течение времени обслуживания индикатора, уменьшает­ся при увеличении периода обращений к индикатору. Если требуется мини­мальная задержка срабатывания, сле­дует запретить программе обращения к индикатору. Такой режим предусмот­рен.

Управляют устройством с помощью семи кнопок, выключателя и энкодера с кнопкой. Использование энкодера упрощает ввод информации в микро­контроллер. Индикатор на 64 знакоме­ста существенно повышает возможно­сти информирования пользователя о состоянии устройства.

Сравнительно большой объём про­граммы обусловлен наличием в ней многочисленных текстов сообщений, выводимых на индикатор. Кроме выво­да визуальной информации, преду­смотрена и звуковая сигнализация срабатывания защиты.

К статье прилагаются два варианта программы. Первый (исходный текст Modul-Р&М4.asm, загрузочный файл Modul-Р&М4.hex не предусматривает сохранения установленных значений порогов срабатывания защиты в энер­гонезависимой памяти микроконтрол­лера. После включения питания или принудительной установки микроконт­роллера в исходное состояние эта про­грамма запишет в регистры сравнения максимально допустимые значения.

Во втором варианте программы (исходный текст Modul-Р&М-EP.asp, загрузочный файл Modul-Р&М-EP.hex) установленные значения порогов при выключении питания сохраняются в EEPROM. При последующем включе­нии программа их восстанавливает.

Схема модуля показана на рис. 1. Первый канал измерения тока обра­зуют резисторы-датчики тока R12, R14, подстроечный резистор R16 и несимметричный вход АЦП ADC1, вто­рой канал измерения тока — это рези­сторы R11, R13, подстроечный рези­стор R15 и несимметричный вход АЦП ADC3. Нагрузку первого канала под­ключают между плюсовым зажимом защищаемого источника и зажимом «-U_вых1, а второго канала — между тем же зажимом источника и зажимом «-U_вых2. Часть напряжения источника с зажима «+U” через делитель напря­жения, образованный постоянным резистором R18 и подстроечным резистором R17, поступает для изме­рения на несимметричный вход АЦП ADC4.

Подстроечные резисторы R15-R17 используют при налаживании для установки на индикаторе HG1 показа­ний напряжения и тока по образцо­вым приборам. Каждый из транзис­торных ключей, разъединяющих при необходимости нагрузку и контроли­руемый источник, состоит из мощно­го полевого транзистора и управляю­щего им биполярного транзистора. Здесь могут быть применены полевые транзисторы с пороговым напряжени­ем 2…5 В.

Кратковременная вспышка свето­диода HL1 при включении питания (установке в исходное состояние) вы­звана тем, что после этого выводы микроконтроллера некоторое время находятся в высокоимпедансном со­стоянии. В результате по цепи плюс питания — светодиод HL1 — резисто­ры R2, R7 — эмиттерный переход VT4 — диод VD3 — общий провод (для кана­ла 1) протекает импульс тока. По ана­логичной причине вспыхивает и свето­диод HL2.

При работе модуля одновременно с включением канала загорается соот­ветствующий светодиод: канал 1 — НL1, канал 2— HL2.

Для установки порогов срабатыва­ния защиты по току и напряжению слу­жит энкодер S1. Предусмотрена звуко­вая сигнализация срабатывания защи­ты по напряжению или току. Для этого служит узел из усилителя на транзис­торе VT5 и электромагнитного излуча­теля звука НА1.

ЖКИ HG1 работает с восьмиразряд­ной шиной данных, образованной линиями порта В микроконтроллера. На его экран программа выводит ин­формацию об измеренных значениях напряжения и тока, режимах работы устройства.

После включения питания или уста­новки микроконтроллера в исходное состояние модуль переходит в режим ожидания. Оба канала закрыты, измере­ние напряжения и тока не производится. Подключите регулируемый источник напряжения к зажимам «+U» и «-U_BX«, а нагрузку — к зажимам «+U» и «-U_вых1«. Выбрав нажатием на кнопку SB3 первый канал, подстроечными резисторами R16 и R17 добейтесь совпадения пока­заний модуля и образцовых ампермет­ра и вольтметра. Нажав на кнопку SB2, возвратитесь в режим ожидания.

Затем подключите нагрузку к кана­лу 2 (зажимам «+U» и »-U_вых2”), выбери­те нажатием на кнопку SB4 второй канал и подстроечным резистором R15 добейтесь совпадения показаний ЖКИ и образцового амперметра.

Нажав на кнопку энкодера, выбери­те его для установки порогов срабаты­вания защиты по напряжению и току. Вращением энкодера задайте требуе­мый порог тока в одном из каналов и нажатием на кнопку SB6 (канал 1) или SB7 (канал 2) запишите это значение в регистр сравнения микроконтроллера. Устанавливать в канале 1 порог сраба­тывания защиты выше 1 А программа запрещает и при попытке сделать это выводит на ЖКИ соответствующее пре­дупреждение. Нажатие на кнопку SB5 записывает в регистр сравнения порог защиты от превышения напряжения.

После записи всех порогов, нажав на кнопку SВ2, возвратите модуль в режим ожидания. Проверьте работу защиты превышением установленных порогов по напряжению и току. При её срабатывании будет подан звуковой сигнал, а на ЖКИ выведена информа­ция о произошедшем. Одновременно погаснет светодиод канала, в котором произошло срабатывание.

После срабатывания защиты воз­можны два варианта дальнейших дей­ствий: нажатием на кнопку ЭВ2 вер­нуться в режим ожидания или, нажав на кнопку энкодера, войти в режим установки порогов. Во втором случае в регистры, используемые в подпро­грамме обслуживания энкодера, будут скопированы текущие значения из регистров сравнения, что ускорит установку новых значений.

В рабочем режиме модуля нажатия­ми на кнопки SB5—SB7 можно запи­сать в регистры сравнения текущие значения напряжения или тока вклю­чённого канала, увеличенные на две единицы младшего разряда.

Включают быстродействующую за­щиту выключателем SА1, предвари­тельно установив требуемые значения напряжения, тока и порогов. Соот­ветствующая информация выводится на ЖКИ.

Печатная плата модуля изображена на рис. 2, расположение элементов на ней — на рис. 3. Все контактные площадки для подключения кнопок, энкодера, светодиодов, ЖКИ и подачи питания расположены с шагом 2,54 мм на краях платы. При желании можно подключить внешние компоненты и питание через штыревые многоконтактные разъёмы. Подсветка индика­тора ввиду большого (до 220 мА) потребляемого тока запитана непо­средственно от блока питания через выключатель SА2. Подстроечный рези­стор регулировки контрастности R20 лучше вынести на одну из стенок кор­пуса. Участки печатных проводников, по которым протекает ток нагрузки второго канала, необходимо умощ- нить, напаяв поверх них провода диаметром 1 мм.

На плате достаточно места для установки, при необходимости, теплоотводов для транзисторов VT1 и VT2. Микроконтроллер ATmega8535L-8PU можно заменить на ATmega8535-16PU или один из того же семейства с индексами PI, а ЖКИ DV-16400S1F-BLY-H/R на WH-1604A-YGH-CT или другой русифицированный четырёхстрочный с контроллером, совмести­мым с KS0066U. Вместо электро­магнитного излучателя звука HC0905F подойдёт НСМ1212А. Указанные на схеме диоды GS1A (VD2 и VD3) — аналоги диодов 1N4001 в исполнении для поверх­ностного монтажа.

Подстроечные резисторы R15-R17 — многооборотные импортные 3266W сопротивлением от 100 до 500 Ом (R15, R16) и не менее 500 Ом (R17). Возможна замена подстроечных резисторов делите­лями из двух постоянных резис­торов, подбираемых при наладке.

Резисторы R12, R14 — МОН-0,5, которые можно заменить импорт­ными CF-50 или CF-100. Резисторы R11, R13 — SQP мощностью 3 Вт. Ограничение измеряемого тока значением 5 А вызвано слишком

сильным нагревом этих резисторов при большем токе. При замене их более мощными, например, проволоч­ными KNP-500 или KNP-600, можно измерять ток до 9,9 А без изменений в программе.

Для питания модуля автором при­менён трансформаторный блок пита­ния от видеоплейера. Напряжение +12 В снято с входа интегрального ста­билизатора напряжения +5 В.

Модуль собран в корпусе от ком­пьютерного блока питания мощностью 300 Вт. Всё старое содержимое корпу­са удалено, задняя стенка вырезана. Её остатки образуют рамку, к которой прикреплена винтами М3 новая пласт­массовая передняя панель модуля. Его вид со стороны этой панели показан на рис. 4.

Программа микроконтроллера со­здана в среде разработки AVR Studio 4. Конфигурация микроконтроллера ATmega8535L для работы с внутрен­ним RC-генератором на частоте 8 МГц должна соответствовать таблице.Я использую в работе регулируе­мый блок питания, изготовленный в 80-х годах, и бывают случаи перегрева регулирующего транзистора П210 с последующим ростом выходного на­пряжения. Это произошло и при со­вместной работе с описанным моду­лем защиты. Модуль сработал, как положено, отключил напряжение, по­дал звуковой и световой сигналы, вывел на ЖКИ соответствующую информацию.

Скачать программы микроконт­роллера

Автор: Н. САЛИМОВ, г. Ревда Свердловской обл.
Источник: Радио №10,2016