Módulo para medição e proteção da fonte de alimentação. Esquema, descrição

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O módulo proposto pode ser utilizado em conjunto com fontes de alimentação de laboratórios para proteger suas cargas de tensões e correntes que excedam os limites estabelecidos.

Descrições de tais dispositivos foram publicadas repetidamente, um exemplo é o artigo "Dispositivo de proteção digital avançado com função de medição" ("Radio", 2007, nº 7, pp. 26-28, autor N. Zaets), que descreve um dispositivo deste propósito em um microcontrolador PIC16F873 com indicador LED de sete elementos de dois dígitos. Em contraste, o módulo proposto é baseado em um microcontrolador ATmega8535L-8PU e um LCD contendo quatro linhas de 16 caracteres cada.

Inicialmente, pretendia usar a entrada diferencial do ADC do microcontrolador com um pré-amplificador embutido para medir a corrente. No entanto, o teste revelou a instabilidade de tal medida. O uso de um amplificador operacional na unidade de medida atual também foi considerado inadequado pelo mesmo motivo. Uma opção de compromisso foi escolhida para medir a corrente com dois canais ADC com uma resistência relativamente alta dos resistores do sensor de corrente.

O primeiro canal, usando um sensor de corrente com resistência de 0,5 Ohm, mede corrente de até 1 A com resolução de 10 mA. O segundo canal é capaz de medir corrente de até 5 A com resolução de 0,1 A usando um sensor de corrente com resistência de 0,05 Ohm. O dispositivo mede a tensão com uma resolução de 0,1 V.

O tempo de resposta da proteção depende principalmente da frequência do clock do ADC (125 kHz). Calculado e confirmado com a ajuda de um osciloscópio, a duração da conversão analógico-digital é de 110 µs. O microcontrolador gasta 220 μs mais a duração total da execução dos comandos de comutação para medir a tensão e a corrente. Com uma frequência de clock do microcontrolador de 8 MHz, eles são concluídos em 3,7 µs.

Os procedimentos de exibição das informações do indicador podem contribuir para aumentar o tempo de resposta da proteção. O programa o acessa a cada 0,28 segundos (especificado pela constante TimeDisp). Leva 4 ms para enviar informações (medidas por um osciloscópio). O tempo é contado por dois contadores, o primeiro deles é incrementado pelo programa a cada ciclo de medição, e o segundo conta os estouros do primeiro. Quando o conteúdo do segundo contador atinge o valor da constante acima, as informações são exibidas no indicador.

A probabilidade de ocorrer um evento de emergência durante o tempo de serviço do indicador diminui com o aumento do período de chamadas para o indicador. Se for necessário um atraso mínimo de resposta, o programa deve ser proibido de acessar o indicador. Tal modo é fornecido.

O dispositivo é controlado por sete botões, um interruptor e um codificador com um botão. O uso de um codificador simplifica a entrada de informações no microcontrolador. O indicador de familiaridade 64 aumenta significativamente a possibilidade de informar o usuário sobre o status do dispositivo.

O volume relativamente grande do programa se deve à presença de vários textos de mensagens exibidos no indicador. Além de exibir informações visuais, há também uma sinalização sonora de operação de proteção.

Duas versões do programa estão anexadas ao artigo. O primeiro (texto fonte Modul-P&M4.asm, arquivo de inicialização Modul-P&M4.hex) não permite salvar os valores definidos dos limites de operação de proteção na memória não volátil do microcontrolador. Depois que a energia é ligada ou o microcontrolador é forçado a reiniciar, este programa gravará os valores máximos permitidos nos registradores de comparação.

Na segunda variante do programa (código-fonte Modul-P&M-EP.asm, arquivo de inicialização Modul-P&M-EP.hex), os valores de limite definidos são armazenados na EEPROM quando a energia é desligada. Na próxima vez que você ligá-lo, o programa os restaura.

O diagrama do módulo é mostrado na fig. 1. O primeiro canal de medição de corrente é formado por resistores-sensores de corrente R12, R14, resistor trimmer R16 e entrada assimétrica de ADC ADC1, o segundo canal de medição de corrente é resistores R11, R13, resistor trimmer R15 e entrada assimétrica de ADC ADC3. A carga do primeiro canal é conectada entre o terminal positivo da fonte protegida e o terminal "-out", e a carga do segundo canal é conectada entre o mesmo terminal da fonte e o terminal "-out.2". Parte da tensão da fonte do terminal "+U" através de um divisor de tensão formado por um resistor constante R18 e um resistor trimmer R17 é alimentado para medição na entrada desbalanceada do ADC4 ADC.

Arroz. 1. Diagrama do módulo (clique para ampliar)

Os resistores trimmer R15-R17 são usados ao configurar para definir as leituras de tensão e corrente no indicador HG1 usando instrumentos padrão. Cada uma das chaves do transistor, que, se necessário, desconecta a carga e a fonte controlada, consiste em um poderoso transistor de efeito de campo e um transistor bipolar que o controla. Transistores de efeito de campo com uma tensão limite de 2 ... 5 V podem ser usados aqui.

O flash de curto prazo do LED HL1 quando a energia é ligada (colocando no estado inicial) é causado pelo fato de que depois disso as saídas do microcontrolador ficam em um estado de alta impedância por algum tempo. Como resultado, um pulso de corrente flui através do circuito de potência positiva - LED HL1 - resistores R2, R7 - junção do emissor VT4 - diodo VD3 - fio comum (para o canal 1). Por um motivo semelhante, o LED HL2 também pisca.

Quando o módulo está funcionando, o LED correspondente acende simultaneamente com o canal sendo ligado: canal 1 - HL1, canal 2 - HL2.

O encoder S1 é usado para definir os limites para proteção de corrente e tensão. É fornecida sinalização sonora de operação de proteção por tensão ou corrente. Para isso, serve um nó de um amplificador baseado em um transistor VT5 e um emissor de som eletromagnético HA1.

O LCD HG1 trabalha com um barramento de dados de oito bits formado pelas linhas da porta B do microcontrolador. Em sua tela, o programa exibe informações sobre os valores medidos de tensão e corrente, os modos de operação do aparelho.

Depois que a energia é ligada ou o microcontrolador é reinicializado, o módulo entra no modo de espera. Ambos os canais estão fechados, tensão e corrente não são medidas. Conecte a fonte de tensão regulada aos terminais "+U" e "-izh" e a carga - aos terminais "+U" e "-out1". Depois de selecionar o primeiro canal pressionando o botão SB3, use os resistores trimmer R16 e R17 para corresponder às leituras do módulo e ao amperímetro e voltímetro de referência. Ao pressionar o botão SB2, retorne ao modo de espera.

Em seguida, conecte a carga ao canal 2 (terminais "+U" e "-out.2"), selecione o segundo canal pressionando o botão SB4 e ajuste o resistor trimmer R15 para corresponder às leituras do LCD e do amperímetro de referência.

Ao pressionar o botão codificador, selecione-o para definir os limites de proteção de tensão e corrente. Defina o limite de corrente desejado em um dos canais girando o codificador e pressionando o botão SB6 (canal 1) ou SB7 (canal 2), escreva esse valor no registro de comparação do microcontrolador. O programa proíbe definir o limite de proteção acima de 1 A no canal 1 e, quando você tenta fazer isso, exibe um aviso correspondente no LCD. Pressionar o botão SB5 grava o limite de proteção de sobretensão no registro de comparação.

Depois de registrar todos os limites, pressionando o botão SB2, retorne o módulo ao modo de espera. Verifique a operação da proteção excedendo os limites definidos para tensão e corrente. Ao ser acionado, será emitido um sinal sonoro e as informações sobre o evento serão exibidas no LCD. Ao mesmo tempo, o LED do canal em que ocorreu o disparo se apagará.

Depois que a proteção é acionada, duas opções para outras ações são possíveis: pressionando o botão SB2, retorne ao modo de espera ou pressionando o botão do codificador, entre no modo de configuração de limite. No segundo caso, os valores atuais dos registradores de comparação serão copiados para os registradores utilizados na rotina de serviço do encoder, o que agilizará a instalação de novos valores.

No modo de operação do módulo, pressionando os botões SB5-SB7, você pode escrever nos registradores de comparação os valores atuais da tensão ou corrente do canal ligado, aumentados em duas unidades do dígito menos significativo.

Habilite a chave de proteção de alta velocidade SA1, pré-defina os valores necessários de tensão, corrente e limites. As informações relevantes são exibidas no LCD.

A placa de circuito impresso do módulo é mostrada na fig. 2, a disposição dos elementos nele - na fig. 3. Todos os pads para conectar botões, codificador, LEDs, LCD e fonte de alimentação estão localizados com um passo de 2,54 mm nas bordas da placa. Se desejar, você pode conectar componentes externos e alimentar através dos conectores multipinos machos. Devido ao grande consumo de corrente (até 220 mA), a luz de fundo do indicador é alimentada diretamente da fonte de alimentação através do interruptor SA2. É melhor colocar o resistor de ajuste de contraste R20 em uma das paredes do gabinete. As seções dos condutores impressos, por onde passa a corrente de carga do segundo canal, devem ser reforçadas por fios de solda com diâmetro de 1 mm sobre eles.

Módulo de medição e proteção da fonte de alimentação
Arroz. 2. Placa de circuito do módulo

Módulo de medição e proteção da fonte de alimentação
Arroz. 3. Localização dos elementos no quadro

Há espaço suficiente na placa para instalar, se necessário, dissipadores de calor para os transistores VT1 e VT2. O microcontrolador ATmega8535L-8PU pode ser substituído por um ATmega8535-16PU ou outro da mesma família com índices PI, e o LCD DV-16400S1F-BLY-H/R pode ser substituído por um WH-1604A-YGH-CT ou outro Russificado quatro linhas com um controlador compatível com KS0066U. Em vez do emissor de som eletromagnético HC0905F, o HCM1212A serve. Os diodos GS1A (VD2 e VD3) indicados no diagrama são análogos dos diodos 1N4001 na versão de montagem em superfície.

Resistores trimmer R15-R17 - importados de várias voltas 3266W com uma resistência de 100 a 500 ohms (R15, R16) e pelo menos 500 ohms (R17). É possível substituir os resistores de ajuste por divisores de dois resistores fixos, selecionados durante o comissionamento.

Resistores R12, R14 - MOH-0,5, que podem ser substituídos por CF-50 ou CF-100 importados. Resistores R11, R13 - SQP com potência de 3 watts. O limite de corrente de 5A é causado pelo aquecimento excessivo desses resistores em correntes mais altas. Ao substituí-los por outros mais potentes, como KNP-500 ou KNP-600 enrolados em fio, é possível medir correntes de até 9,9 A sem alterar o programa.

Para alimentar o módulo, o autor usou uma fonte de alimentação transformadora do reprodutor de vídeo. A tensão + 12 V é removida da entrada do regulador de tensão integral +5 V.

O módulo é montado em um gabinete de uma fonte de alimentação de computador de 300 W. Todo o conteúdo antigo do gabinete foi removido, a parede traseira foi cortada. Seus restos formam uma moldura na qual um novo painel frontal de plástico do módulo é fixado com parafusos M3. Sua visão deste painel é mostrada na Fig. 4.

Módulo de medição e proteção da fonte de alimentação
Arroz. 4. Aparência do módulo

O programa do microcontrolador foi criado no ambiente de desenvolvimento AVR Studio 4. A configuração do microcontrolador ATmega8535L para trabalhar com um gerador RC interno na frequência de 8 MHz deve corresponder à tabela.

mesa

Descarga	Comp.	Descarga	Comp.
S8535C	1	NÍVEL DO CORPO	1
WDTON	1	BODEN	1
SPIE	0	SUT1	1
ESCOPAR	1	SUT0	0
EESAVE	1	CKSEL3	0
BOTASZ1	0	CKSEL2	1
BOTASZQ	0	CKSEL1	0
BOOTRST	1	CKSEL0	0

Utilizo em meus trabalhos uma fonte regulável fabricada nos anos 80, e há casos de superaquecimento do transistor regulador P210, seguido de aumento da tensão de saída. Isso também aconteceu ao trabalhar em conjunto com o módulo de proteção descrito. O módulo funcionou conforme o esperado, desligou a tensão, emitiu sinais sonoros e luminosos, exibiu as informações relevantes no LCD.

Os programas do microcontrolador podem ser baixados em ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/10/modul.zip.

Autor: N. Salimov

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