Пропонований цифровий вольтамперметр (далі прилад) розроблений для лабораторного блоку живлення (далі ЛБП) і призначений для вимірювання постійної напруги і струму в межах, що задаються користувачем, а також споживаної навантаженням потужності. Прилад забезпечує два види захисту: від перевищення напруги на виході ЛБП і від перевищення допустимого вихідного струму.
При спрацьовуванні захисту відключає прилад ЛБП від мережі і подає уривчасті звукові сигнали різної, в залежності від причини спрацювання, тональності. Він може бути відновлений в робочий стан двома способами: вручну — натисканням на кнопку або автоматично після усунення причини, що викликала спрацьовування захисту. Прилад побудований на базі мікроконтролера PIC16F876-20I/SP [1] і оснащений LCD, відображає на екрані два рядки по 16 символів.
Основні технічні характеристики
Межа вимірювання напруги Uмакс (c кроком 1 В), У...............5-61
Межа вимірювання струму Iмакс (з кроком 1 А), А..............................2-21
Пороги спрацьовування захисту по напрузі (з кроком 1 В), У .........1-Uмакс
по струму (з кроком 1 А), А................................................1 — Iмакс
Максимальна вимірювана потужність, Вт ...........................1280
Число градацій вимірюваної напруги або струму від 0 до встановленого межа вимірювання 1024...
Число десяткових цифр після коми в виводиться на індикатор значення напруги.........2
Число десяткових цифр після коми в виводиться на індикатор значення струму
<10 А................................................................................................. 2
≥10 А.................................................................................................. 1
Дискретність відображення потужності, Вт.................................................0,1
Значення потужності на екрані приладу, особливо при струмі понад 9,99 А, може незначно відрізнятися від твору виведених на нього значень струму і напруги. Справа в тому, що для обчислення потужності програма приладу використовують більш точні, не округлені перед виведенням на екран значення цих параметрів.
Схема з'єднань вузлів і блоків приладу зображена на рис. 1. ЛБП підключений до мережі ~230 В, 50 Гц через комутатор, керований сигналом, що надходять на його роз'єм ХР1 з роз'єму ХР3 блоку вимірювання і захисту (БІЗ). Напруга живлення БІЗ, що надходить на його контактну колодку ХТ4 від окремого, не показаного на схемі, джерела живлення може знаходитися в інтервалі від 10,5 до 30 Ст. Цей джерело повинен залишатися включеним незалежно від стану комутатора.
Рис. 1
До роз'єму ХР1 БІЗ підключена кнопка SB1, натисканням на яку повертають прилад в робочий стан після спрацювання захисту та усунення причин цього. Кнопка SB2, що служить для встановлення та зміни параметрів приладу, підключена до роз'єму ХР2. З роз'ємами XS1 і XS2 з'єднаний РКІ HG1, а з роз'ємом ХРЗ — згаданий вище комутатор і сигналізатори спрацьовування захисту: звуковий НА1 і світлові — світлодіоди HL1 і HL2.
Поки значення вимірюваних величин знаходяться в допустимих межах, БІЗ працює в режимі вимірювання. Екран LCD при цьому виглядає, як показано на рис. 2. Вся сигналізація в цьому режимі вимкнена, а на комутатор надходить сигнал, який дозволяє подачу напруги на ЛБП.
Рис. 2
БІЗ безперервно вимірює напругу, що надходить на колодку ХТ1, і пропорційний струму навантаження падіння напруги на резисторі RS1. Як тільки будь-яка з цих величин перевищить допустиме значення, БІЗ переходить в режим захисту і знімає сигнал, що дозволяє включення комутатора. ЛБП, позбавлений мережевого живлення, припиняє працювати.
Повернутися з режиму захисту в робочий режим, як вже сказано вище, можна вручну, натисканням на кнопку SB1, чи автоматично, після усунення причини перевантаження. Користувач повинен заздалегідь вибрати один з цих варіантів. Кнопка SB2 призначена для установки параметрів, які будуть описані нижче.
Залежно від причини спрацьовування захисту по-різному поводяться РКІ, звуковий сигналізатор НА1 і світлодіоди HL1, HL2. При перевищенні допустимого напруги буде включений світлодіод HL1, а в лівій половині верхньої рядки на екрані РКІ з'явиться блимаюча напис із зазначенням перевищеного значення. В нижньому рядку буде виведена (як 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 перевантаженні по струму буде включений світлодіод HL2, а на індикаторі з'явиться блимаюча напис з перевищеним значенням струму. В нижньому рядку екрана, як 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
Можливості приладу дещо ширше описаних. Наприклад, сигнали керування світлодіодами HL1 і HL2, що формуються БІЗ, можна використовувати для організації захисту роздільно по струму і по напрузі. Якщо додати в прилад комутатор ланцюзі навантаження ЛБП, керований сигналом, призначеним для світлодіода HL2, навантаження буде відключена при перевантаженні по струму, але ЛБП продовжить працювати. Однак при раптовому підвищенні напруги на виході ЛБП (зазвичай внаслідок його несправності) цей блок необхідно повністю вимикати наявними комутатором, підключивши його ланцюг управління до роз'єму ХР3 замість світлодіода НL1. Можна і взагалі не встановлювати ніяких комутаторів, обмежившись лише індикацією перевантаження, хоча БІЗ все одно буде входити в режим захисту, з якого його доведеться виводити.
Принципова схема зображена на БІЗ 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
Харчування на сайт підсвічування екрану РКІ надходить через гасить резистор R10. Підбираючи його, можна встановити бажану яскравість підсвічування. Підлаштування резистором R11 домагаються найкращої контрастності символів на екрані РКІ. Резистори R12 і R13 задають струм через світлодіоди НL1 і НL2 (див. рис. 1) і можуть бути замінені перемичками у разі використання сигналів, призначених для світлодіодів, для управління комутаторами. Конденсатор С6 — розділовий в ланцюзі звуковипромінювача НА1 (див. рис. 1).
Вимірювана напруга з роз'єму ХТ1 надходить на підлаштування резистор R1, за допомогою якого при налагодженні приладу домагаються рівності значення напруги, виведеного на його РКІ, показаннями зразкового вольтметра. З його движка через резистор R5 напруга надходить на вхід ANO внутрішнього АЦП мікроконтролера DD1.
Резистор R5 обмежує до безпечного значення струм через наявний на вході ANO мікроконтролера вбудований захисний діод, якщо напруга на движку перевищить напругу живлення мікроконтролера. Особливо, якщо движок випадково або навмисно встановлено в крайнє верхнє (за схемою) положення.
Зняте з резистора RS1 (див. рис. 1) напруга, пропорційне току навантаження ЛБП, через контактні колодки ХТ2, ХТЗ і резистор R2 надходить на неінвертуючий вхід ОП DA2.1, що посилює його. Вихід ОУ з'єднаний з входом AN1 мікроконтролера через резистор R8, роль якого така ж, як і резистора R5. Без нього напруга на вході AN1 мікроконтролера може перевищити його напруга живлення, коли струм через резистор RS1 занадто великий або цей резистор взагалі не приєднаний до колодок ХТ2 і ХТ3, а також при випадковому переміщенні движків підстроювальних резисторів R3 і R4 в неприпустимі положення. Цими резисторами встановлюють коефіцієнт посилення ОУ, потрібний для забезпечення заданого в програмі межі вимірювання струму. Резистор R7 оберігає вихід ОУ від замикання із загальним проводом при установці движка підлаштування резистора R3 в крайнє ліве по схемі положення.
Для того щоб прилад показував напруга на навантаженні, фактично вимірюючи його на виході ЛБП, введена корекція, суть якої в наступному. Знімається з RS1 напруга надходить не тільки на вхід ОП DA2.1, але і через резистор R6 на вхід AN2 АЦП мікроконтролера. Програма віднімає це напруга з того, що виміряна на виході ЛБП, і саме це значення, що представляє собою напруга на навантаженні, виводить на екран РКІ.
Рівні сигналів на виходах RC1 — RC3 мікроконтролера, в залежності від напруги на входах AN0 і AN1 і положення перемичок S1 і S2, вказані в таблиці. Маніпуляції перемичками S1 і S2 дозволяють задати потрібні активні логічні рівні сигналів, керуючих комутаторами. Це дає користувачеві свободу у виборі комутуючих елементів. Наприклад, можна використовувати нормально замкнуті або нормально розімкнуті контакти реле, не вдаючись до застосування додаткових елементів, інвертуючих керуючі сигнали.
Струм, споживаний БУЗ при не підключених до роз'єму ХР3 комутаторі, випромінювачів звуку і світлодіодах, не перевищує 32 мА. Якщо ці елементи підключені, струм залежить від їх стану, збільшуючись на суму значень споживається кожним з них струму. Максимальне значення споживаного струму — 60 мА.
| Лог. рівень на виході Радіокерований1 | ||
| Положення S1 | УAN0 | |
| Нижче порогу | Вище порогу | |
| 1-2 | Високий | Низький |
| 2-3 | Низький | Високий |
| Лог. рівень на виході RС2 | ||
| Положення S2 | УAN1 | |
| Нижче порогу | Вище порогу | |
| 1-2 | Високий | Низький |
| 2-3 | Низький | Високий |
| Лог. рівень на виході RЗ3 | ||
| УAN0 | УAN1 | |
| Нижче порогу | Вище порогу | |
| Нижче порогу | Низький | Високий |
| Вище порогу | Високий | Високий |
Принципова схема комутатора зображена на рис. 6. Керуюча напруга близько 5 В, що надійшов на його роз'єм ХР1, через світлодіод HL1, службовець індикатором команди відкривання комутатора, і резистор подано на випромінюючий діод симисторного оптрон U1. Це відкриває фотосимистор оптрона, а слідом за ним відкривається і симистор VS1. Він з'єднує контакти колодок ХТ1 і ХТ2, подаючи цим живляча напруга -230 на ЛБП.
Рис. 6
Конструкція і деталі
У приладі застосований РКІ QAPASS1602A з білими символами і синім підсвічуванням екрану. Годиться і будь-який інший буквено-цифровий РКІ на основі контролера HD44780, має два рядки по 16 символів. Такі індикатори можуть мати різні розміри і інше розташування висновків, орієнтуватися потрібно по нанесеній на плату індикатора буквеної маркуванні. Виведені на екран російські літери згенеровані програмою, тому можна застосовувати і ті РКІ, в знакогенераторах яких відсутні символи кирилиці.
Кнопки SB1 і SB2 (див. рис. 1) — будь-які, придатні для установки на передній панелі приладу. Звукоизлучатель НА1 — динамічна головка з активним опором не менше 8 Ом від телефонного апарату. Підійде і електромагнітний випромінювач від електромеханічного будильника або телефонний капсуль.
Датчик струму RS1 — саморобний. Це відрізок ніхромового дроту діаметром 1,2 мм і довжиною 20 мм. Його розрахунковий опір — 0,02 Ом. Особлива точність не потрібна, оскільки прилад все одно доведеться калібрувати. Не варто застосовувати дріт меншого діаметра, так як при великому струмі вона буде сильно нагріватися. Слід мати на увазі, що довжина відрізка дроту повинна бути трохи більше зазначеної, щоб його кінці можна було вставити гнізда контактних колодок ХТ2 і ХТ3 і затиснути там гвинтами. Діючу вимірюють довжину відрізка між точками затиску.
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.
Після переробки зарядного пристрою його вихідна напруга збільшилася до 12,7, при цьому в високоомних головних телефонах, підключених до виходу, ледь чути низькочастотний гуркіт. При підключенні до БІЗ напруга падає до 10,5 В, а трансформатор злегка гріється.
Всі деталі БІЗ розміщені на друкованій платі з фольгованого з одного боку склотекстоліти товщиною 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 мікроконтролера DD1 на платі повинна бути передбачена панель, куди його вставляють вже запрограмованим. Число 20 після дефіса в назві мікроконтролера PIC16F876-20I/SP означає його граничну тактову частоту в мегагерцах. Оскільки в БІЗ застосований кварцовий резонатор ZQ1 на частоту 4 МГц, придатні варіанти мікроконтролера і на більш низьку частоту, аж до 4 МГц. Можна без змін у схемі, програмі та друкованій платі використовувати мікроконтроллер PIC16F876A-I/SP. Оскільки всі його варіанти здатні працювати з тактовою частотою до 20 МГц, в назві вона не вказана.
Можлива заміна будь-якого зі згаданих вище мікроконтролерів на аналогічний у корпусі для поверхневого монтажу (з індексом ЕО після дробової риси в назві). Але це потребує застосування спеціального адаптера для його установки на друковану плату або її повної переробки.
Інтегральний стабілізатор КР142ЕН8А можна замінити на 7809 або подібний на +9 В, а КР142ЕН5А — на 7805 або інший з напругою стабілізації +5 Ст. Щоб не переробляти плату, стабілізатори, які визначаються як замін, повинні бути в корпусах ТО-220.
Конденсатори С1 і С6 — оксидні ниобиевые К53-19, інші конденсатори — керамічні. Підстроювальні резистори R1, R3 і R4 - багатооборотні серії 3296W, а R11 — RM065. Постійні резистори — МЛТ або подібні зазначеної на схемі потужності. Всі вітчизняні резистори і конденсатори можна замінити імпортними.
Колодки ХТ1—ХТ4 — двоконтактні гвинтові DG301-5.0-02 з кроком висновків 5 мм і граничним струмом 16 А. Якщо прилад передбачається експлуатувати при більшому струмі, колодки слід замінити більш потужними.
Роз'єми ХР1 і ХР2 — PLS-2, а ХР3 — PLD-8. Як штирьовий колодки для установки перемичок S1 і S2 (джамперів MJ) використаний роз'єм PLD-6. Роз'єми XS1 і XS2 — PLD-6, а відповідні частини для них — PLX-6R (кутові для зменшення висоти монтажу).
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. Симісторний оптрон U1 МОС3063М [2] має вбудований вузол виявлення переходу миттєвого значення комутованого напруги через нуль. Це дозволяє відкривати симистор Х/Э1 саме в ці моменти, що значно знижує рівень комутаційних завад. Прямі заміни оптрона МОС3063М — МОС3043М і МОС3083М. У них струм випромінюючого діода IFT, необходимый для гарантированного открывания фотосимистора, лежит в интервале 3…5 мА.
Рис. 8
Схожим оптрони МОС3041М, МОС3061М і МОС3081М для відкривання необхідний струм 15 мА, а МОС3042М, МОС3062М і МОС3082М — 10 мА. Замінивши MOC3063M одним з них, потрібно підібрати резистор R1 таким, щоб струм через випромінюючий діод був не менш IFT застосованого оптрона.
Максимальна потужність, комутована сімістором BT136-600 без тепловідводу, — 150 Вт. Встановивши симистор на тепловідвід, місце для якого на платі передбачено, можна збільшити її до 800 Вт. При установці натомість АЛ307БМ іншого світлодіода потрібно підібрати резистор R1 таким, щоб струм в ланцюзі управління залишився тим самим. Контактні колодки ХТ1 і ХТ2 — гвинтові DG301-5,0-02, роз'єм ХР1 — PLS-2. Всі резистори — МЛТ.
При використанні комутатора іншої конструкції важливо, щоб його ланцюг управління була гальванічно не пов'язана з комутованій ланцюгом, а струм управління не перевищував 25 мА, допустимих для виходу мікроконтролера.
Налагодження приладу
При першому включенні живлення БІЗ будуть встановлені наступні параметри: межа вимірювання напруги Uмакс — 35, межа вимірювання струму Iмакс — 10 А, поріг спрацьовування захисту по напрузі дорівнює Uмакс, а по струму — Iмакс, способ сброса защиты — “АВТОМАТИЧЕСКИ”. Изменить их можно только в рабочем режиме, какие- либо изменения при сработавшей защите невозможны.
Щоб внести зміни, тривалим натисненням на кнопку SB2 добийтеся появи миготливого курсору в правому нижньому кутку екрану, після чого відпустіть кнопку. Екран придбає вигляд, показаний на рис. 9. Курсор у вигляді підкреслення буде встановлений під старшої цифрою значення межі вимірювання напруги Uмакс.
Рис. 9
Далі короткі натискання на кнопку SB2 збільшать Uмакс ступенями по 1 В до 61, після чого процес продовжиться, починаючи з 5 і далі по кільцю. Зупинившись на необхідному значенні Umax, тривалим натисненням на кнопку переведіть курсор під старшу цифру значення межі вимірювання струму Iмакс – короткими нажатиями на кнопку задайте Iмакс в інтервалі від 2 до 21 А.
Тепер довгим натисканням на кнопку SB2 до появи миготливого курсору виведіть на екран зображення, подібне показаному на рис. 10. Курсор у вигляді підкреслення буде перебувати під старшої цифрою значення порога спрацьовування захисту по напрузі. Короткими натисканнями на кнопку SB2 доведіть поріг кроками по 1 В до потрібного значення в інтервалі від 1 до раніше встановленого Uмакс.
Рис. 10
Чергове довге натискання на кнопку SB2 перемістить курсор під старшу цифру виведеного на екран значення порога спрацьовування струмового захисту. Короткими натисканнями встановіть цей поріг з кроком 1 в інтервалі від 1 А до чинного Imaх.
Далі після тривалого натискання і відпускання кнопки SB2 екран придбає вигляд, показаний на рис. 11 або 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
Після першого включення БІЗ, а також після будь-якої зміни значень параметрів Uмакс та Iмакс необхідно виконати калібрування приладу по напрузі і струму. Калібрування по напрузі проводите при відключеній навантаженні. Встановіть движок підлаштування резистора R1 в нижнє за схемою становище. Подайте на колодку
ХТ1 від ЛБП напруга, близьке до Uмакс, контролюючи його за зразковому вольтметру. Переміщаючи движок підлаштований резистора R1 вгору, добийтеся збігу показань РКІ приладу і еталонного вольтметра.
Перед калібруванням по струму встановіть движки підстроєних резисторів R3 і R4 відповідно в праве і ліве по схемі положення. З'єднайте ЛБП, БІЗ, датчик струму RS1 і навантаження згідно зі схемою, зображеною на рис. 1, причому послідовно з навантаженням увімкніть зразковий амперметр. Змінюючи опір навантаження або вихідна напруга ЛБП, встановіть показання зразкового амперметра приблизно рівними половині Iмакс. Далі з допомогою підлаштування резисторів R3 і R4 добийтеся однакових показань приладу і зразкового амперметра.
В якості навантаження можна використовувати лампу розжарювання, електронагрівальний прилад або резистор відповідної потужності з робочою напругою не менше встановленого Uмакс.
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.
Зверніть увагу, що якщо датчик струму RS1 не підключений до контактних колодок ХТ2 і ХТ3 або в місці підключення порушений контакт, відбудеться помилкове спрацьовування захисту по струму. А при обриві ланцюга резистора R6 можливо помилкове спрацьовування захисту по напрузі. Якщо вимірювання струму навантаження не вимагається, мінусовий висновок навантаження слід підключити до колодки ХТ3 разом з мінусовим висновком ЛБП. Датчик струму RS1 у цьому випадку замінюють перемичкою з мідного проводу. Після цього результати вимірювання струму та потужності на РКІ стануть нульовими.
ЛІТЕРАТУРА
- 28/40-Pin 8-BitCMOS FUSH Microcontrollers. — URL: https://lib.chipdip.ru/059/DOC000059963.pdf (14.03.17).
- 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).
Завантажити архів до проекту (файли друкованих плат у форматі Sprint Layout 6.0 і програма мікроконтролер)
Автор: Р. НЮХТИЛИН, р, Ковров Володимирської обл.
Джерело: Радіо №6/2017
WordPress database error: [Table './meandr_base/anzpz_usermeta' is marked as crashed and last (automatic?) repair failed]
SELECT user_id, meta_key, meta_value FROM anzpz_usermeta WHERE user_id IN (9173) ORDER BY umeta_id ASC