Микроконтроллерный блок управления лабораторным трансформатором

Известно, что для регулирования переменного напряжения при различных экспериментах необходим лабораторный авто­трансформатор. Однако если его нет, можно использовать трансформатор, описанный в [1]. Для повышения оперативности и удобства работы с таким трансформатором в своё время был разработан и описан в [2] блок управления. К сожалению, он довольно сложен, поскольку построен на логических микросхе­мах малой и средней степени интеграции. Автор предлагает ана­логичный блок управления на микроконтроллере.

Принцип работы блока остался прежним — каждому из возможных значений выходного напряжения соот­ветствует двоичный код, коммутирую­щий нужным образом вторичные обмот­ки трансформатора. Так же, как в прото­типе, блок не измеряет выходное на­пряжение, а только показывает его рас­чётное значение. Благодаря микроконт­роллеру удалось значительно умень­шить число деталей в блоке, что резко упростило проектирование и изготовле­ние печатной платы, а также налажива­ние устройства.

На рис. 1 представлена схема блока управления, построенного на микро­контроллере PIC16F628A-1/P (DD1) и регистре хранения ЭКР1554ИР22 (DD2). Можно было бы реализовать его и на более дешёвом микроконтроллере PIC12F629 и двух сдвиговых регистрах- преобразователях последовательного кода в параллельный. Но такое устрой­ство получилось бы менее стойким к воздействию импульсных помех, неиз­бежных при коммутации обладающих большой индуктивностью обмоток элек­тромагнитных реле и трансформатора.

Рис. 1

Для узлов динамической индикации помехи не опасны, поскольку показания индикатора постоянно обновляются, и помеха приведёт, в худшем случае, к кратковременному искажению показа­ний. Однако искажённый код, поданный на ключи, управляющие переключаю­щими обмотки трансформатора реле, может привести к неожиданной подаче на нагрузку опасного для неё повышен­ного напряжения. Поэтому выбран мик­роконтроллер, число выводов которого достаточно для непосредственного формирования на них параллельного кода управления реле.

Поскольку в микроконтроллерах се­рии PIC16F628 внутренние резисторы, соединяющие входы с плюсом источ­ника питания, установлены только на линиях порта В, резисторы R1— R4 выполняют ту же функцию на линиях порта А. Транзисторы VТ1—VТ3 комму­тируют общие аноды разрядов свето­диодного индикатора Н01. На транзис­торные ключи, коммутирующие с помо­щью реле вторичные обмотки транс­форматора, сигналы управления по­ступают с выходов регистра хранения DD2.

После включения питания програм­ма микроконтроллера записывает нуле­вой код в один из его внутренних регистров и в регистр DD2. Это нужно для того, чтобы работа трансформатора всегда начиналась с нулевого напряже­ния на выходе, что предохранит от случайного повреждения подключённую к нему низковольтную нагрузку.

Далее программа переводит регистр DD2 в режим вывода записанного в него кода, установив на его входе ED низкий уровень. С выходов регистра двоичный код напряжения поступает на транзи­сторные ключи, управляющие реле, коммутирующими обмотки трансфор­матора. Эти ключи аналогичны обве­дённым штрихпунктирными линиями на схеме, изображённой на рис. 2 в [2]. Адреса подключения выходов регистра DD2 рассматриваемого устройства обозначены в соответствии с той же схемой.

Затем программа преобразует дво­ичный код напряжения в семиэлемент­ные коды цифр для трёх разрядов светодиодного индикатора HG1, гася при этом незначащие нули. Она поочерёдно выводит эти коды в порт В, одновремен­но включая нужный разряд индикатора установкой высокого уровня на линиях RA0, RA1 или RA7. Цикл вывода трёх цифр занимает около 360 мс. Такая дли­тельность цикла индикации, от которой зависит и скорость изменения напряже­ния на выходе трансформатора, выбра­на не случайно. С одной стороны, напряжение на выходе трансформатора изменяется достаточно быстро и плав­но, а с другой — интервалы времени между переключениями электромагнит­ных реле достаточны для завершения переходных процессов в трансформа­торе, что уменьшает искрение контак­тов реле.

По завершении каждого цикла инди­кации программа проверяет состояние кнопок SB1-SB4 и, если ни одна из них не нажата, снова записывает двоичное число из регистра памяти микроконт­роллера в регистр DD2, после чего про­цесс повторяется. Это основной режим работы, в котором устройство находит­ся до тех пор, пока не будет нажата какая-либо из кнопок SB1-SB4.

При нажатии на кнопку SB2 и её удержании двоичный код напряжения увеличивается на единицу с каждым циклом индикации, что соответствует увеличению напряжения на один вольт. Если при нажатой кнопке SB2 нажать и на кнопку SB3, то напряжение станет расти с шагом 10 В. По достижении мак­симума (255 В) дальнейшее увеличение напряжения прекращается независимо от состояния кнопок.

Следует заметить, что при нажатой кнопке SB3 рост напряжения может прекратиться раньше, чем будет дос­тигнуто значение 255 В. Дело в том, что попытка прибавить 10 к числу, превы­шающему 245, приведёт к переполне­нию восьмиразрядного регистра и уста­новке на выходе трансформатора на­пряжения в интервале от 0 до 9 В. По­этому такие действия программно запрещены. Достигнутое напряжение можно довести до максимума, оставив нажатой только кнопку SB2.

Аналогично кнопке SB2 работает и кнопка SB1, но она уменьшает напряже­ние. Если случайно нажать на кнопки SB1 и SB2 одновременно, то приоритет будет отдан кнопке SB1, и напряжение на выходе трансформатора станет уменьшаться.

Когда нужно установить требуемое напряжение, не расходуя напрасно ресурс реле на многочисленные переключения, можно воспользо­ваться режимом быстрой ус­тановки. Для входа в него нажмите на кнопку SBЗ и удер­живайте её, пока не будет включена десятичная запятая в младшем разряде индикато­ра HG1.

В этом режиме длитель­ность цикла индикации умень­шена приблизительно до 200 мс, а напряжение на выхо­де трансформатора остаётся неизменным и не зависящим от показаний индикатора, пока блок управления не будет возвращён в основной режим. Кнопками SB1 — SB3 следует установить на индикаторе требуемое напряжение, как было описано выше, а затем нажать или удерживать, если она была нажата, кнопку SB3, пока устройство не вернётся в основной режим и на выходе не будет установлено вновь заданное напряжение.

Если нужно возвратиться в основной режим, не принимая новое значение, следует удерживать нажатой кнопку SB4. То же самое произойдёт, если в течение приблизительно 5 с не будет нажата ни одна из кнопок. В основном режиме кнопка SB4 служит для выключения выходного напряже­ния. При нажатии на неё будут установ­лены нулевое значение на индикаторе и нулевое напряжение на выходе транс­форматора.

Поскольку опрос состояния кнопок происходит в конце каждого цикла индикации, устройство реагирует на нажатия кнопок не мгновенно, а с за­держкой не более одного цикла индика­ции. По этой причине нажатые кнопки следует удерживать до изменения показаний индикатора.

Рис. 2

Устройство смонтировано на двух печатных платах, показанных на рис. 2 и рис. 3. Такой вариант оказался проще, чем разводка печатных провод­ников на одной плате. Платы рассчита­ны на установку импортных постоянных резисторов мощностью 0,05 Вт. Сопро­тивление резисторов R5—R12 может находиться в пределах от 330 Ом до 3,3 кОм в зависимости от требуемой яркости свечения индикатора и его типа. Конденсаторы С3 и С4 припаяны непосредственно к выводам питания микросхем. Микросхему ЭКР1554ИР22 можно заменить на 74AC373N или 74HC373N.

Рис. 3

Платы механически соединены меж­ду собой сторонами печатных провод­ников внутрь с помощью четырёх резь­бовых стоек высотой 10 мм. К корпусу блока эта сборка прикреплена крон­штейнами из оцинкованной стали тол­щиной 0,6 мм. На фотоснимке рис. 4 показан внешний вид блока управления без корпуса. Контактные площадки обеих плат с одинаковыми номерами красного цвета соединены изолирован­ными проводами. Аналогичный приме­нённому в [2] узел электронных ключей может быть собран на печатной плате, изображённой в [2] на рис. 4.

Рис. 4

Питание описываемого блока управ­ления обеспечивает отдельный сетевой трансформатор с выходным напряже­нием 10 В и мощностью не менее 5 В-А. Этот вариант предпочтительнее пита­ния от дополнительной обмотки основ­ного трансформатора. Дело в том, что при замыканиях в нагрузке лаборатор­ного трансформатора, вполне веро­ятных в практике радиолюбителя, напряжение на его вторичных обмотках, в том числе на питающей узел управле­ния, падает. Это может вызвать само­произвольное переключение реле, и даже выгорание их контактов. При пита­нии от отдельного трансформатора такой проблемы не возникает. К тому же меньше наводок на микроконтроллер от силовых цепей.

Узел питания блока собран по схеме, изображённой на рис. 5. Нумерация элементов на ней продолжает начатую на рис. 1. По цепи +12 В этот узел дол­жен обеспечивать ток, больший сум­марного, протекающего через обмотки всех реле, в 1,2…1,5 раза.

Рис. 5

Напряжение +12 В поступает на обмотки реле К1—К8 [2] не сразу после подачи на трансформатор Т1 сетевого напряжения, а только после нажатия на кнопку SB5 и срабатывания дополни­тельного реле К1. До этого момента обмотки всех реле обесточены, поэто­му напряжение на выходе лабораторно­го трансформатора остаётся равным нулю независимо от состояния блока управления. Иначе случайный код, самопроизвольно устанавливающийся в регистре DD2 в момент подачи пита­ния и сохраняющийся до первой записи в него правильного кода микроконтрол­лером, будет приводить к кратковре­менному появлению на выходе транс­форматора произвольного напряже­ния, даже максимального. Нажимать на кнопку SB5 следует только после появ­ления нуля на индикаторе HG1.

Плата узла питания ис­пользована готовая от источ­ника питания антенного уси­лителя. Реле К1 — RAS-1215 с сопротивлением обмотки 400 Ом, аналогичное приме­нённым в [2].

Программа микроконт­роллера написана в среде MPLAB IDE v8.92 на языке ассемблера MPASM. Для по­лучения семиэлементных ко­дов цифр использована про­грамма, описанная в [3]. При правильном монтаже нала­живания устройство не тре­бует и начинает работать сразу.

ЛИТЕРАТУРА

1. Терсков В. С шагом в один вольт. — Радио, 1993, N° 9, с. 24, 25.
2. Герасимов Е. Блок управления лабора­торным трансформатором. — Радио, 2016, № 9, с. 27—29.
3. Кожухин П. Программа — справочник кодов для вывода на индикаторы. — Радио, 2010, № 6, с. 34..

Скачать архив к проекту

Автор: Е. ГЕРАСИМОВ, станица Выселки Краснодарского края
Источник: Радио №6/2017