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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Misuratore di tensione e corrente. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Uno dei dispositivi principali in un laboratorio radioamatoriale è un alimentatore regolabile. Per aumentare l'efficienza e la comodità di funzionamento, è utile integrarlo con un misuratore integrato per la tensione di uscita e la corrente di carico. Le descrizioni di tali misuratori si trovano spesso su Internet e nelle riviste di radioamatori. Ma succede che la descrizione trovata non è adatta a creare un contatore adatto all'integrazione in una specifica fonte di alimentazione. Dopotutto, devi tenere conto di molti fattori, ad esempio lo spazio disponibile per la sua installazione, la disponibilità delle parti necessarie. In questo articolo viene presentata una versione del misuratore che può essere utile sia per chi sta sviluppando da zero un alimentatore da laboratorio, sia per chi intende integrarlo in un alimentatore già pronto. Il dispositivo misura la tensione continua da 0 a 51,1 V con una risoluzione di 0,1 V e la corrente continua da 0 a 5,11 A con una risoluzione di 0,01 A. Il suo prototipo era il contatore descritto in [1], che è abbastanza semplice nel design e ha buoni parametri. L'idea principale implementata in esso di utilizzare un microcontrollore economico merita attenzione. Tuttavia, la necessità di utilizzare un amplificatore operazionale in grado di funzionare con un'alimentazione unipolare con una tensione di uscita prossima allo zero, nonché la presenza di una fonte di alimentazione aggiuntiva, impongono alcune restrizioni al suo utilizzo. Inoltre, gli indicatori sulla scheda prototipo sono posizionati in modo scomodo, è meglio installarli in fila orizzontalmente e ridurre le dimensioni del pannello frontale del misuratore, avvicinandoli alle dimensioni degli indicatori utilizzati. Lo schema del contatore è mostrato in Fig. 1. Poiché non è stato possibile trovare i chip 1HC74N utilizzati in [595] (registri a scorrimento con registro di memorizzazione), sono stati utilizzati i chip 74HC164N, in cui non è presente alcun registro di memorizzazione. Sono stati utilizzati anche indicatori con luminosità molto più elevata a bassa corrente, che hanno consentito di ridurre la corrente consumata dal contatore a 20 mA ed eliminare la necessità di un ulteriore regolatore di tensione +5 V.
Sfortunatamente, l'utilizzo del 74NS164N presenta uno svantaggio: il bagliore parassita degli elementi indicatori quando il loro stato viene aggiornato. Ma poiché la luminosità media di tale bagliore è insignificante ed è ulteriormente indebolita dai filtri luminosi che solitamente vengono utilizzati per coprire gli indicatori, ciò non può essere considerato un grave inconveniente. Inoltre viene liberato uno dei pin del microcontrollore che può essere utilizzato, ad esempio, per collegare un sensore di temperatura. In questo caso però dovrai apportare delle modifiche al programma del microcontrollore. La tensione misurata viene fornita all'ingresso GP0 del microcontrollore DD1 attraverso un divisore di resistori R7 e R9. Il condensatore C6 migliora la stabilità delle letture del voltmetro [1]. Il segnale dal sensore di corrente (resistore R1) viene fornito all'ingresso GP1 del microcontrollore attraverso l'amplificatore invertente all'amplificatore operazionale DA1. A differenza di [1], qui utilizziamo un amplificatore operazionale bipolare con una tensione di +/-8 V, poiché non tutti gli amplificatori operazionali hanno la proprietà "rail to rail" e funzionano correttamente con un'alimentazione unipolare e quasi zero tensione di uscita. L'alimentazione bipolare semplifica la risoluzione di questo problema e consente l'uso di molti tipi di amplificatori operazionali. Poiché la tensione sull'uscita dell'amplificatore operazionale può essere compresa tra -8 e +8 V, viene utilizzato un circuito limitatore R10VD9 per proteggere l'ingresso del microcontrollore dal sovraccarico. Il guadagno viene regolato con il resistore di regolazione R8 e la tensione zero all'uscita dell'amplificatore operazionale viene impostata con il resistore di regolazione R11. I diodi VD1 e VD2 proteggono l'ingresso dell'amplificatore operazionale dal sovraccarico in caso di interruzione del sensore di corrente. A causa della resistenza relativamente bassa del sensore di corrente, la deviazione del risultato della misurazione della tensione quando la corrente di carico cambia da zero al massimo (5,11 A) non supera 0,06 V. Se lo strumento è integrato in una sorgente di tensione con polarità negativa, il sensore di corrente può essere collegato prima del partitore di tensione in uscita del suo stabilizzatore. In questo caso, la caduta di tensione sul sensore di corrente verrà compensata dal circuito di feedback dello stabilizzatore. Poiché la corrente del divisore è solitamente piccola, non avrà quasi alcun effetto sulle letture dell'amperometro, inoltre, questa influenza può essere compensata dal resistore di sottostringa R11. Il misuratore è alimentato con la tensione di uscita del raddrizzatore di alimentazione tramite un convertitore che utilizza i transistor VT1 e VT2. Ciò è un po' più complicato rispetto a [1], poiché richiede la produzione di un trasformatore di impulsi, ma non ci sono problemi nell'ottenere tutte le tensioni nominali richieste. Il convertitore di tensione è il più semplice auto-oscillatore push-pull, il cui circuito è preso in prestito da [2]. La frequenza di conversione è di circa 80 kHz. Grazie all'isolamento galvanico tra l'ingresso e l'uscita del convertitore, il misuratore può essere integrato in uno stabilizzatore di tensione di qualsiasi polarità. Con i transistor indicati nello schema, funziona con una tensione di ingresso compresa tra 30 e 44 V, mentre le tensioni di uscita variano da circa 8 a 12 V. Poiché le resistenze dei resistori R5 e R6 sono scelte in modo che siano abbastanza grande, il convertitore non ha paura dei cortocircuiti in uscita. In questi casi, la generazione semplicemente fallisce. La tensione di 5 V per alimentare la parte digitale del contatore è ottenuta utilizzando lo stabilizzatore integrato DA2. Non è necessario stabilizzare la tensione di alimentazione dell'amplificatore operazionale, poiché di per sé è abbastanza resistente ai suoi cambiamenti. L'ondulazione della tensione con la frequenza di conversione viene soppressa dai filtri RC sugli ingressi del microcontrollore DD1. Se le pulsazioni con una frequenza di 100 Hz sono troppo grandi, si consiglia di utilizzare il metodo per ridurle descritto in [3]. Qui vale la pena spendere qualche parola sull'instabilità intrinseca della cifra meno significativa del risultato della misurazione, caratteristica di tutti i misuratori digitali. Cambia sempre in modo caotico di uno attorno al valore reale. Queste fluttuazioni non sono una conseguenza di un malfunzionamento del dispositivo, ma non possono essere eliminate completamente; possono essere ridotte solo calcolando la media dei risultati di un gran numero di misurazioni. I componenti del contatore sono montati su tre circuiti stampati in materiale isolante rivestiti su un lato con pellicola. Sono progettati per l'installazione di microcircuiti in pacchetti DIP. Gli indicatori sono montati su una scheda (Fig. 2) e sulla seconda sono montati chip digitali e un microcontrollore (Fig. 3). Sulla terza scheda sono installati il convertitore, lo stabilizzatore di tensione di alimentazione del microcontrollore e l'amplificatore del segnale del sensore di corrente (Fig. 4).
Il posizionamento delle parti sulle schede e i collegamenti tra le schede sono mostrati in Fig. 5. I numeri rossi su di esso indicano i numeri dei terminali del trasformatore di impulsi T1 nei punti in cui sono collegati alla scheda. Il trasformatore stesso è fissato ad esso con morsetti costituiti da filo di montaggio isolato. I condensatori di blocco C13 e C14 sono saldati direttamente ai pin di alimentazione dei microcircuiti DD2 e DD3. Come ha dimostrato la pratica, il misuratore funziona normalmente senza questi condensatori.
Il microcontrollore e le schede indicatrici sono collegati tramite staffe in acciaio zincato di spessore 0,5 mm. La scheda del convertitore e dell'amplificatore è fissata con due viti M2. La distanza tra le tavole è di circa 11 mm. Questa versione del design del dispositivo (Fig. 6) occupa meno spazio sul pannello frontale dell'alimentatore in cui deve essere integrato questo dispositivo.
Al posto dell'amplificatore operazionale KR140UD708 è possibile utilizzare, ad esempio, il KR140UD1408 e molti altri tipi di amplificatori operazionali. Va notato che potrebbero richiedere circuiti di correzione diversi rispetto a KR140UD708. Questo dovrebbe essere preso in considerazione quando si progetta un circuito stampato. Invece dei registri a scorrimento 74HC164, è possibile utilizzare 74HC4015, ma sarà necessario modificare la topologia dei conduttori del circuito stampato. I diodi KD522B possono essere sostituiti con KD510A. Resistenze trimmer R8 e R11 - SP3-19, R9 - importate. Vengono importati anche condensatori permanenti. Il resistore R1 (sensore di corrente) può essere realizzato con filo di nicromo o utilizzato già pronto, come è stato fatto in [1]. L'ho ricavato da un pezzo di nastro di nicromo con una sezione di 2,5x0,8 mm e una lunghezza (comprese le estremità stagnate) di circa 25 mm, estratto da un relè termico TRN. Il trasformatore T1 è avvolto su un anello di ferrite di dimensioni 10x6x3 mm, rimosso da una CFL difettosa. Tutti gli avvolgimenti sono avvolti con filo PEV-2 con un diametro di 0,18 mm. L'avvolgimento 2-3 contiene 83 spire, gli avvolgimenti 1-2 e 4-5 - 13 spire ciascuno e l'avvolgimento 6-7-8 - 80 giri con un tocco dal centro. Se la tensione di uscita del raddrizzatore è inferiore a 30 V, il numero di spire dell'avvolgimento 2-3 dovrà essere ridotto in ragione di circa 4 spire per volt. Tra di loro, gli avvolgimenti 1 -2-3 e 4-5 sono isolati con uno strato di carta condensatore spesso 0,1 mm e dall'avvolgimento 6-7-8 con due strati di tale carta. Dopo aver verificato la funzionalità, il trasformatore viene impregnato con vernice XB-784. Il programma del microcontrollore è scritto nell'ambiente MPLAB IDE v8.92 nel linguaggio assembly MPASM. Vengono offerte due opzioni. I file della prima opzione si trovano nella cartella "Catodo comune" e sono destinati ad un dispositivo con indicatori LED con catodi a scarica comune, compresi quelli indicati nello schema di Fig. 1. I file della seconda opzione dalla cartella "Anodo comune" devono essere utilizzati quando si installano indicatori LED con anodi di scarica comuni nel dispositivo. Tuttavia, questa versione del programma non è stata testata nella pratica. La programmazione del microcontrollore è stata eseguita utilizzando il programma IC-prog e un semplice dispositivo descritto in [4]. L'impostazione del misuratore consiste nell'impostare il resistore trimmer R11 su zero all'uscita dell'amplificatore operazionale DA1 in assenza di corrente nel circuito da misurare. Quindi a questo circuito viene fornita una corrente che è vicina al limite di misurazione, ma inferiore ad esso. Controllando la corrente con un amperometro standard e un resistore di regolazione R8, otteniamo l'uguaglianza nelle letture dei dispositivi standard e regolati. Applicando e monitorando la tensione misurata con un voltmetro standard, impostare le letture corrispondenti sull'indicatore del dispositivo utilizzando il resistore di regolazione R9. Maggiori dettagli sulla configurazione sono scritti in [1]. Entrambe le versioni del programma del microcontrollore possono essere scaricate da ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/05/av-meter.zip. Letteratura
Autore: E. Gerasimov
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