Voltímetro amperímetro para alimentação de laboratório. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Este dispositivo foi projetado para funcionar com uma fonte de alimentação, cuja descrição está publicada em [1], porém, também pode ser conectado a outra unidade similar. Ele não apenas mostra a tensão de saída e a corrente de carga da unidade, mas também executa várias funções adicionais que tornam a fonte de alimentação do laboratório mais confiável e facilitam o trabalho prático com ela.

A função principal do amperímetro proposto (doravante AVM) - medir a tensão de saída e a corrente de carga da fonte de alimentação - é complementada pela capacidade de indicar o limite definido para a operação da proteção de corrente da unidade, montada de acordo com a descrição em 1]. Isso elimina a necessidade de carregar a unidade com uma determinada corrente máxima durante o processo de configuração desse limite e, a seguir, "pegar" cuidadosamente a posição desejada do botão de controle. O microcontrolador disponível no AVM calcula facilmente o valor limite de corrente a partir da tensão medida por ele no motor do resistor variável R5 (ver Fig. 1 em [1]) e a resistência do resistor do sensor de corrente R13 (ibid.). O valor calculado é exibido no LCD.

Fig. 1

Com base nos resultados da medição da tensão na entrada e saída da unidade e na corrente de carga, os valores da potência da carga e da potência dissipada pelo transistor de controle da unidade são calculados e exibidos. Além disso, a temperatura do dissipador de calor deste transistor é controlada. De acordo com os resultados de sua medição, o ventilador que sopra o dissipador de calor liga e desliga automaticamente. E em caso de superaquecimento significativo, a fonte de alimentação é desconectada da rede.

Uma função adicional do AVM é limitar o surto de corrente de carga dos capacitores de suavização do retificador que alimenta a unidade, que ocorre quando ele está conectado à rede. Além disso, o AVM fornece um modo de autocalibração.

As dimensões do dispositivo excedem ligeiramente as dimensões do LCD usado nele. Dependendo do modo de exibição selecionado, a tensão de saída, V, e a corrente de carga, A, são exibidas em sua tela (Fig. 1); potência de carga, W (Fig. 2); limite de proteção atual, A (Fig. 3); temperatura do dissipador de calor do transistor regulador, ^оC, potência dissipada por ele, W (Fig. 4). Se durante a operação algum dos parâmetros que não são exibidos na tela for alterado, seu valor aparecerá nele e, após um tempo, o modo de exibição anterior será restaurado.

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

O esquema AVM é mostrado na fig. 5. Seus componentes principais são divisores de tensão de entrada e filtros de supressão de ruído, um microcontrolador DD1 contendo um ADC e realizando todos os cálculos necessários, além de um LCD HG1 de dez bits.

Arroz. 5 (clique para ampliar)

AVM é controlado usando dois botões. O botão SB1 alterna os modos de exibição em torno do anel mostrado na fig. 1-4 sequências. O botão SB2 foi projetado para ligar e desligar a fonte de alimentação com a qual o AVM funciona.

Como o ADC embutido no microcontrolador é capaz de medir apenas uma tensão que não exceda a tensão de sua fonte, divisores de tensão são instalados em duas entradas do ADC. O primeiro, composto pelos resistores R1 e R3, reduz em dez vezes a tensão de saída da fonte de alimentação. O segundo divisor consiste nos resistores R2 e R10 e tem um fator de divisão de 20. Ele reduz a tensão fornecida à fonte de alimentação do retificador para um valor aceitável para o ADC. A medição desta tensão é necessária para calcular a potência dissipada no transistor de controle.

Os divisores não são necessários nos circuitos para medir a corrente de carga e o limite de proteção de corrente, pois a tensão no sensor de corrente R13 [1] e no resistor variável R5 [1] não excede o valor permitido para o ADC.

As tensões medidas são aplicadas a todas as entradas ADC usadas do microcontrolador através de um filtro passa-baixa com uma frequência de corte de cerca de 7 Hz. Este é R4C1 no canal de medição de tensão de saída (U_O), R5C2 no canal de medição de corrente de carga (I_н), R6C3 no canal para medir o limite de proteção atual (I_max), R7C4 no canal de medição de temperatura e R9C5 no canal de medição de tensão retificada U_vypr necessários para reduzir o erro associado à ondulação da tensão medida.

Os resultados da operação ADC processada pelo programa são exibidos no indicador HG1, que está conectado ao microcontrolador através da interface I²C. Uma vez que, de acordo com a especificação I²C, as saídas de sinal da interface devem ser de coletor aberto (drenagem), o programa configura as linhas PB0 e PB2 do microcontrolador de acordo. Carga para eles são dois conjuntos de resistores DR1.

Mais dois resistores do mesmo conjunto mantêm um nível alto nas entradas PB1 e PB3 quando os botões SB1 e SB2 conectados a eles não são pressionados. Pressionar qualquer um deles define a entrada correspondente como baixa. Um nível alto na entrada da reinicialização do microcontrolador é suportado pelo resistor R10.

Os pinos do microcontrolador utilizados para carregar o programa em sua memória são roteados para o conector X3, que, se necessário, é conectado ao programador. O transistor VT1, por sinais do microcontrolador, controla a luz de fundo da tela LCD HG1.

Os sinais medidos são fornecidos por um cabo flexível, no qual está instalada a tomada X1. Os sinais para controlar o ventilador, ligar a fonte de alimentação, bem como controlar o circuito limitador de corrente para carregar os capacitores de suavização do retificador são emitidos para o bloco de pinos X2.

Uma tensão de alimentação de 5 V é aplicada aos pinos 5 e 15 do microcontrolador. Como o ADC integrado é alimentado pelo pino 15, um filtro L1C9 é incluído no circuito desse pino para eliminar interferências em sua operação. Através do capacitor C7, o componente de pulso da corrente consumida pelo microcontrolador é fechado.

O AVM é montado em uma placa de circuito impresso de dupla face (Fig. 6). Antes da instalação, você precisa "tocar" e remover os jumpers não gravados detectados entre os condutores. Recomenda-se a instalação de um painel para o microcontrolador na placa, pois em caso de erros de programação dos microcontroladores da família AVR, muitas vezes ocorrem casos de interrupção de sua conexão com um programador serial convencional.

Arroz. 6 (clique para ampliar)

Como é difícil metalizar os furos da placa em casa, os terminais das peças devem ser soldados dos dois lados dela. Nesse caso, o painel do microcontrolador deve ser uma pinça, caso contrário não será possível soldar suas conclusões do lado da instalação da peça. Através dos orifícios mostrados na Fig. 6 preenchido, na ausência de metalização, é necessário inserir e soldar pequenos pedaços de fio desencapado em ambos os lados.

A metalização também pode ser feita com rebites ocos de cobre (capas de percussão), inserindo-os nos orifícios da placa e expandindo-os em ambos os lados. Conjuntos desses pistões são vendidos, por exemplo, sob as marcas registradas LPKF EasyContac e rebites BG9.S, mas são bastante caros.

A placa possui furos para sua montagem e locais para instalação dos botões SB1 e SB2, além de um outro botão não mostrado no diagrama (é designado SB3 e pode ser usado como botão SB1 em [1] através de um relé intermediário) e o LED HL1 [1]. Os contatos do botão SB3 e as saídas do LED são conectados ao conector X5, que também não é mostrado no diagrama.

Se necessário, as dimensões da placa podem ser reduzidas para 65x42 mm cortando-a conforme a fig. 6 linhas tracejadas. Nesse caso, os botões SB1 e SB2 estão localizados em qualquer local conveniente e conectados ao conector X4 com um chicote de fios ou um pedaço de cabo plano.

Resistores divisores de tensão (R1-R3, R10) - C2-23 com tolerância de ±1%. Se o resistor R2 com valor nominal de 191 kOhm não puder ser encontrado, ele poderá ser composto por dois valores de 180 e 10 kOhm. Os resistores restantes são C1-4-0,125. Termistor NTC RK1 - B57703. O conjunto do resistor 5A332J pode ser substituído pelo HP-1-4-4M doméstico de resistores com valor nominal de 3,3 kOhm. Capacitores - cerâmicos K10-17 ou importados. Choke L1 - EC-24 100 uH.

O AVM usa conectores BLD-6 (X1), PLD-6 (X2), PLD-10 (X3), PLS-4(X4, X5). Botões - qualquer relógio com um comprimento de pusher adequado, por exemplo TS-A6PS.

Indicador - MT-10T11 [2] com quaisquer índices alfabéticos e digitais, exceto 3V0. Os indicadores com este índice são projetados para uma tensão de alimentação de 3 V e não funcionarão em 5 V. O indicador MT-10T12 também funcionará, mas tem o dobro do tamanho.

O transistor de efeito de campo 2N7000 pode ser substituído por qualquer outro transistor de porta isolado de canal n com uma tensão limite de não mais que 3 V. Mesmo um transistor bipolar npn pode ser usado, mas isso levará a mais energia dissipada nele e menor luz de fundo brilho.

Você pode tentar substituir o microcontrolador ATtiny26-16PU pelo ATtiny26L-PU, mas sua operação é garantida em uma frequência de ressonador de quartzo não superior a 8 MHz. O programa do microcontrolador foi desenvolvido no ambiente Atmel AVR Studio e escrito em linguagem assembly. Você pode carregá-lo na memória do microcontrolador usando o programador proprietário AVR ISP mk II diretamente do ambiente de desenvolvimento ou usar o programa AVReAl [3] e o adaptador Altera ByteBlaster [4]. A atribuição de pinos do conector X3 corresponde a este adaptador específico. Não está excluído o uso de outros programadores para microcontroladores da família AVR. Os códigos do arquivo avm.hex são inseridos na memória FLASH do microcontrolador e do arquivo avm.eep em sua EEPROM. A configuração do microcontrolador deve corresponder à fig. 7.

Fig. 7

O algoritmo de operação do programa consiste no polling cíclico de cinco canais de medição com uma frequência de 50 Hz. Ao medir nos canais de tensão e corrente, a tensão de referência do ADC é de 2,56 V e é fornecida por uma fonte embutida no microcontrolador. Ao medir a temperatura, a tensão de alimentação do microcontrolador (5 V) é exemplar.

Os resultados da operação do ADC são adicionados ao buffer de anel, que contém 25 leituras, cada uma ocupando dois bytes (o ADC do microcontrolador é de dez bits). Na verdade, um histórico das últimas cinco leituras é armazenado para cada canal. Para reduzir a flutuação das leituras em cada canal, é calculada a média das últimas cinco leituras [5]. Após o processamento, os valores de corrente e tensão são representados por números inteiros na faixa de 0 a 255, e o valor do dígito menos significativo da tensão é 0,1 V e a corrente é 0,01 A. Portanto, os limites de medição para tensão e a corrente são, respectivamente, 25,5 V e 2,55 A.

O valor da tensão retificada na entrada da fonte de alimentação [1] não é exibido no indicador, mas é utilizado para calcular a potência dissipada por esta fonte de alimentação.

Os coeficientes de correção para cada canal (exceto para o canal de temperatura), levando em consideração a dispersão dos parâmetros ADC e resistores divisores de tensão, são armazenados na EEPROM do microcontrolador. Por padrão, todos são iguais a 1, mas como resultado do procedimento de autocalibração, podem assumir valores de 0 a 2-1/64 em incrementos de 1/64.

A temperatura pode assumir um valor de -55 a +125 ° C e é exibida no LCD em graus Celsius inteiros. Para calculá-lo, é utilizada uma transformação de tabela do resultado da operação ADC. Se o valor da temperatura medida for superior a 45 ^оC, um comando para ligar o ventilador é gerado se for menor que 40 ^оC, o ventilador está desligado. Se a temperatura ultrapassar 90 ^оCom o desligamento de emergência da fonte de alimentação, o LCD exibe a inscrição "Superaquecimento".

Para iniciar o modo de autocalibração, é necessário usar o botão SB2 para sinalizar a alimentação desligada (AVM permanece ligado), em seguida pressionar o botão SB1 e, mantendo-o pressionado, pressionar novamente SB2. Depois disso, as seguintes tensões exemplares são aplicadas ao conector X1 AVM: à entrada U_vypr (pino 6) - 40 V, entrada U_O (cont. 1) - 20 V, para entradas I_н(cont. 2) e eu_max (pino 5) - 0,5 V, que corresponde à queda de tensão no sensor de corrente (R13 em [1]) em In = 2 A. Tensão 7 IN.

Durante a calibração, os canais são indicados no indicador por letras na familiaridade mais à esquerda: U - tensão de saída, I - corrente de carga, L - corrente de operação da proteção, t - temperatura, r - tensão do retificador. Por exemplo, antes de calibrar o canal de tensão de saída, a inscrição mostrada na fig. 8.

Fig. 8

Os canais para calibração são selecionados um a um pressionando o botão SB1 e com a ajuda do SB2 é iniciado o processo de calibração do canal selecionado. A inscrição "Saved" irá informá-lo sobre sua conclusão e gravação do resultado na EEPROM, e após outros 2 s você poderá ver o valor do parâmetro correspondente calculado usando o coeficiente selecionado no indicador. Depois disso, você pode ir para o próximo canal pressionando o botão SB1 ou repetir a calibração do canal anterior pressionando SB2.

Ao exibir o valor da tensão de saída no indicador, o AVM leva em consideração a queda de tensão no sensor de corrente, subtraindo-a do resultado da medição. Portanto, após a conclusão da calibração, enquanto as tensões de referência das entradas AVM são removidas, 19,5 V (0,5 V menor que a tensão de referência de 20 V) e 2 A (correspondente a uma queda de tensão de 0,5 V no sensor de corrente) .

O AVM é conectado à fonte de alimentação [1] de acordo com o esquema mostrado na fig. 9. O resistor R13, conforme descrição do bloco, é formado por três resistores de um watt com valor nominal de 1 ohm, ligados em paralelo, e possui resistência de 0,33 ohms. Você precisa adicionar mais um resistor do mesmo a eles, reduzindo a resistência total para 0,25 ohms. Isso simplifica os cálculos realizados pelo microcontrolador AVM.

Fig. 9

O mesmo diagrama mostra um retificador servindo como fonte de tensão de entrada da fonte de alimentação no transformador T1 e diodos VD1-VD4, equipado com uma unidade limitadora de corrente para carregar o capacitor de suavização após ligar. Por sua operação simultânea com o sinal que abre o transistor VT1, que leva à operação do relé K1 e ao fornecimento de tensão de rede ao enrolamento de rede do transformador, o microcontrolador também envia um sinal que abre o fototransistor do optoacoplador U1 . Como resultado, o transistor VT2 permanece fechado após a unidade ser ligada, e a corrente de carga dos capacitores de suavização do retificador flui através do resistor R5 que o limita.

O programa do microcontrolador AVM monitora a taxa de mudança de tensão nesses capacitores. Assim que diminuir o suficiente (isso significa que os capacitores estão quase totalmente carregados), o sinal que abre o fototransistor do optoacoplador U1 será removido. Como resultado, a tensão porta-fonte do transistor VT2 aumentará. Seu canal de fonte de drenagem será aberto. Como a resistência do canal aberto é de apenas 0,018 ohms, qualquer corrente perceptível através do resistor R5 não flui mais e não afeta a operação posterior do dispositivo.

Transformador T1 - TTP-60 2x12 V. Os diodos Schottky 90SQ045, dos quais a ponte retificadora é montada, podem ser substituídos por 1N5822.

O próprio AVM é alimentado por uma fonte separada U2 com tensão de 5 V, cujo principal requisito é um mínimo de ondulações. O microcontrolador não consome mais que 20 mA, a luz de fundo do indicador consome cerca de 100 mA, outros 100 mA são necessários para o relé K1 (TRIL-5VDC-SD-2CM).

O arquivo da placa de circuito impresso AVM no formato Sprint Layout 5.0 e seu programa de microcontrolador podem ser baixados em ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/02/avm.zip.

Literatura

1. Vysochansky P. Fonte de alimentação de laboratório simples 1...20V com proteção de corrente ajustável. - Rádio, 2006, n.º 9, p. 37.
2. Módulo de cristal líquido MT-10T11. -melt.com.ru/docs/MT-10T11.pdf.
3. AVReAl - programador AVR ISP. - real.kiev.ua/avreal/.
4. Adaptadores com os quais o AVReAl pode trabalhar. - real.kiev.ua/old/avreal/ru/adapters.html.
5. AVR222: Filtro de média móvel de 8 pontos. - atmel.com/Images/doc0940.pdf.

Autor: V. Rybakov

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