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.

Рис. 1

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.

Рис. 2

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.

Рис. 3

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.

Рис. 4

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.

Рис. 5

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.

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.

Рис. 6

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.

Рис. 7

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.

Рис. 8

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.

Рис. 9

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.

Рис. 10

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.

Рис. 11

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.

Рис. 12

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