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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Medidor de tensão e corrente. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia de medição Um dos principais instrumentos no laboratório de rádio amador é uma fonte de alimentação regulada. Para aumentar a eficiência e a conveniência do trabalho, é útil complementá-lo com um medidor embutido da tensão de saída e da corrente de carga. As descrições desses medidores são bastante comuns na Internet e em revistas de rádio amador. Mas acontece que a descrição encontrada não é adequada para criar um medidor adequado para incorporação em uma fonte de energia específica. Afinal, muitos fatores devem ser levados em consideração, por exemplo, o local disponível para sua instalação, a disponibilidade das peças necessárias. Este artigo apresenta uma variante do medidor, que pode ser útil tanto para quem desenvolve uma fonte de alimentação de laboratório do zero, quanto para quem pretende incorporá-la em uma fonte de alimentação já pronta. O dispositivo mede tensão contínua de 0 a 51,1 V com resolução de 0,1 V e corrente contínua de 0 a 5,11 A com resolução de 0,01 A. Seu protótipo foi o medidor descrito em [1], que é bastante simples em design e com bons parâmetros. A principal ideia implementada nele para usar um microcontrolador barato merece atenção. No entanto, a necessidade de utilizar um amplificador operacional capaz de operar com alimentação unipolar com tensão de saída próxima de zero, bem como a presença de uma fonte de alimentação adicional, impõem algumas restrições ao seu uso. Além disso, os indicadores na placa do protótipo estão localizados de forma inconveniente, é melhor instalá-los em linha horizontalmente e reduzir as dimensões do painel frontal do medidor, aproximando-os das dimensões dos indicadores utilizados. O diagrama esquemático do medidor é mostrado na fig. 1. Como não foi possível encontrar os microcircuitos 1HC74N utilizados em [595] (registradores de deslocamento com registrador de armazenamento), foram utilizados microcircuitos 74HC164N, nos quais não há registrador de armazenamento. Além disso, foram utilizados indicadores com brilho muito maior em baixa corrente, o que permitiu reduzir a corrente consumida pelo medidor para 20 mA e abandonar o regulador de tensão adicional de +5 V.
Infelizmente, o uso de 74HC164N tem uma desvantagem - um brilho parasita dos elementos indicadores no momento da atualização de seu estado. Mas como o brilho médio desse brilho é insignificante e é ainda mais enfraquecido pelos filtros de luz que geralmente cobrem os indicadores, isso não pode ser considerado uma desvantagem séria. Além disso, é liberada uma das saídas do microcontrolador, que pode ser utilizada, por exemplo, para conectar um sensor de temperatura. Neste caso, porém, é necessário fazer alterações no programa do microcontrolador. A tensão medida é alimentada na entrada GP0 do microcontrolador DD1 através de um divisor de resistores R7 e R9. O capacitor C6 melhora a estabilidade das leituras do voltímetro [1]. O sinal do sensor de corrente (resistor R1) é alimentado na entrada GP1 do microcontrolador através de um amplificador inversor no amplificador operacional DA1. Em contraste com [1], aqui é usada uma alimentação bipolar de +/-8 V, pois nem todos os amplificadores operacionais têm a propriedade "rail to rail" e funcionam corretamente com uma alimentação unipolar e tensão de saída quase zero. A fonte de alimentação bipolar facilita a resolução deste problema, permite o uso de muitos tipos de amplificadores operacionais. Como a tensão na saída do amplificador operacional pode estar na faixa de -8 a +8 V, um circuito restritivo R10VD9 é usado para proteger a entrada do microcontrolador contra sobrecarga. O resistor trimmer R8 ajusta o ganho e o resistor trimmer R11 define a tensão zero na saída do amplificador operacional. Os diodos VD1 e VD2 protegem a entrada do amplificador operacional contra sobrecarga em caso de interrupção do sensor de corrente. Devido à resistência relativamente baixa do sensor de corrente, o desvio do resultado da medição de tensão quando a corrente de carga muda de zero para o máximo (5,11 A) não excede 0,06 V. Se o medidor for embutido em uma fonte de tensão de polaridade negativa, o sensor de corrente pode ser conectado na frente do divisor de tensão de saída de seu estabilizador. Nesse caso, a queda de tensão no sensor de corrente será compensada pelo circuito de realimentação do estabilizador. Como a corrente do divisor geralmente é pequena, quase não terá efeito nas leituras do amperímetro; além disso, esse efeito pode ser compensado pelo resistor trimmer R11. O medidor é alimentado com a tensão de saída do retificador da fonte de alimentação através de um conversor nos transistores VT1 e VT2. Isso é um pouco mais complicado do que em [1], pois requer a fabricação de um transformador de pulso, mas não há problemas em obter todas as tensões nominais necessárias. O conversor de tensão é o oscilador push-pull mais simples, cujo circuito é emprestado de [2]. A frequência de conversão é de cerca de 80 kHz. Devido ao isolamento galvânico entre a entrada e a saída do conversor, o medidor pode ser integrado a um estabilizador de tensão de qualquer polaridade. Com os transistores indicados no diagrama, ele funciona com uma tensão de entrada de 30 a 44 V, enquanto as tensões de saída variam de aproximadamente 8 a 12 V. Devido ao fato de as resistências dos resistores R5 e R6 serem escolhidas bastante grandes , o conversor não tem medo de curtos-circuitos de saída. Nesses casos, a geração simplesmente se desfaz. A tensão de 5 V para alimentar a parte digital do medidor foi obtida usando um estabilizador integral DA2. Não é necessário estabilizar a tensão de alimentação do amplificador operacional, pois ele próprio é suficientemente resistente às suas mudanças. A tensão de ondulação com a frequência de conversão é suprimida por filtros RC nas entradas do microcontrolador DD1. Se as ondulações com frequência de 100 Hz forem muito altas, recomenda-se usar o método de redução das mesmas descrito em [3]. Aqui vale a pena dizer algumas palavras sobre a instabilidade do dígito menos significativo do resultado da medição inerente a todos os medidores digitais. Ele sempre muda aleatoriamente em um em torno do valor verdadeiro. Estas flutuações não se devem a um mau funcionamento do instrumento, mas não podem ser completamente eliminadas, apenas reduzidas pela média dos resultados de um grande número de medições. As partes do medidor são montadas em três placas de circuito impresso feitas de material isolante laminado em um dos lados. Eles são projetados para a instalação de microcircuitos em pacotes DIP. Os indicadores são montados em uma placa (Fig. 2), microcircuitos digitais e um microcontrolador são montados na segunda (Fig. 3). O conversor, o estabilizador de tensão de alimentação do microcontrolador e o amplificador de sinal do sensor de corrente estão instalados na terceira placa (Fig. 4).
A colocação das peças nas placas e as conexões placa a placa são mostradas na fig. 5. Os números vermelhos indicam os números das saídas do transformador de pulso T1 nos locais de sua conexão com a placa. O próprio transformador é fixado nele com braçadeiras de um fio de montagem isolado. Os capacitores de bloqueio C13 e C14 são soldados diretamente aos pinos de alimentação dos microcircuitos DD2 e DD3. Como a prática tem mostrado, o medidor funciona normalmente sem esses capacitores.
As placas do microcontrolador e dos indicadores são conectadas por suportes de aço galvanizado de 0,5 mm de espessura. A placa conversora e amplificadora é fixada com dois parafusos M2. A distância entre as placas é de cerca de 11 mm. Esta versão do design do dispositivo (Fig. 6) ocupa menos espaço no painel frontal da fonte de alimentação, no qual este dispositivo deve ser construído.
Em vez do OU KR140UD708, por exemplo, KR140UD1408 e muitos outros tipos de amplificadores operacionais podem ser usados. Deve-se notar que eles podem exigir outros circuitos de correção além do KR140UD708. Isso deve ser levado em consideração ao projetar uma placa de circuito impresso. Ao invés dos registradores de deslocamento 74HC164, você pode usar o 74HC4015, mas terá que mudar a topologia dos condutores do circuito impresso da placa. Os diodos KD522B podem ser substituídos por KD510A. Resistores trimmer R8 e R11 - SP3-19, R9 - importados. Capacitores permanentes também são importados. O resistor R1 (sensor de corrente) pode ser feito de fio de nicromo ou pronto, conforme feito em [1]. Fiz com um pedaço de fita de nicromo com seção transversal de 2,5x0,8 mm e comprimento (incluindo pontas estanhadas) de cerca de 25 mm, retirado do relé térmico do TRN. O transformador T1 é enrolado em um anel de ferrite de tamanho 10x6x3mm, removido de uma CFL com defeito. Todos os enrolamentos são enrolados com fio PEV-2 com diâmetro de 0,18 mm. O enrolamento 2-3 contém 83 voltas, os enrolamentos 1-2 e 4-5 - 13 voltas cada e o enrolamento 6-7-8 - 80 voltas com um toque do meio. Se a tensão de saída do retificador for inferior a 30 V, o número de voltas do enrolamento 2-3 terá que ser reduzido para aproximadamente 4 voltas por volt. Os enrolamentos 1-2-3 e 4-5 são isolados entre si com uma camada de papel capacitor de 0,1 mm de espessura e do enrolamento 6-7-8 - com duas camadas desse papel. Depois de verificar o desempenho, o transformador é impregnado com verniz XB-784. O programa do microcontrolador foi escrito no ambiente MPLAB IDE v8.92 na linguagem assembly MPASM. Duas opções são oferecidas. Os arquivos da primeira opção estão localizados na pasta "Catodo comum" e são destinados a um dispositivo com indicadores LED com cátodos de descarga comuns, incluindo os indicados no diagrama da fig. 1. Os arquivos da segunda opção da pasta "Ânodo comum" devem ser usados ao instalar indicadores LED com ânodos de descarga comum no dispositivo. No entanto, esta versão do programa não foi testada na prática. A programação do microcontrolador foi realizada utilizando o programa IC-prog e um dispositivo simples descrito em [4]. Estabelecer o medidor consiste em definir o resistor trimmer R11 para zero na saída do amplificador operacional DA1 na ausência de corrente no circuito medido. Então, uma corrente próxima ao limite de medição, mas menor que ele, é fornecida a este circuito. Ao controlar a corrente com um amperímetro exemplar, um resistor de ajuste R8 alcança a igualdade nas leituras dos dispositivos exemplares e ajustados. Depois de aplicar e controlar a tensão medida com um voltímetro exemplar, defina as leituras correspondentes no indicador do dispositivo com um resistor de ajuste R9. Mais detalhes sobre o ajuste estão escritos em [1]. Ambas as versões do programa do microcontrolador podem ser baixadas em ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/05/av-meter.zip. Literatura
Autor: E. Gerasimov
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