Amperevoltmetro per alimentazione da laboratorio. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Questo dispositivo è progettato per funzionare insieme ad un alimentatore, la cui descrizione è pubblicata in [1], ma può anche essere collegato ad un'altra unità simile. Non solo mostra la tensione di uscita e la corrente di carico dell'unità, ma svolge anche diverse funzioni aggiuntive che rendono l'alimentatore da laboratorio più affidabile e facilitano il lavoro pratico con esso.

La funzione principale dell'ampervoltmetro proposto (di seguito denominato AVM) - misurazione della tensione di uscita e della corrente di carico dell'alimentatore - è completata dalla capacità di indicare la soglia impostata della protezione corrente dell'unità, assemblata come descritto in [1]. Ciò elimina la necessità di caricare l'unità con la corrente massima specificata durante l'impostazione di questa soglia, e quindi di "catturare" con attenzione la posizione desiderata della manopola di controllo. Il microcontrollore disponibile nell'AVM calcola facilmente il valore di soglia di corrente dalla tensione misurata sul motore del resistore variabile R5 (vedere Fig. 1 in [1]) e dalla resistenza del resistore del sensore di corrente R13 (ibid.). Il valore calcolato viene visualizzato sul display LCD.

Fig. 1

Sulla base dei risultati della misurazione della tensione all'ingresso e all'uscita del blocco e della corrente di carico, vengono calcolati e visualizzati i valori della potenza di carico e della potenza dissipata dal transistor di controllo del blocco. Inoltre, viene controllata la temperatura del dissipatore di calore di questo transistor. In base ai risultati della misurazione, la ventola che soffia sul dissipatore di calore si accende e si spegne automaticamente. E in caso di surriscaldamento significativo, l'alimentazione viene disconnessa dalla rete.

Un'ulteriore funzione dell'AVM è quella di limitare il picco di corrente di carica dei condensatori di livellamento del raddrizzatore che alimenta l'unità, che si verifica quando è collegata alla rete. Inoltre, l'AVM dispone di una modalità di autocalibrazione.

Le dimensioni del dispositivo sono solo leggermente più grandi delle dimensioni del display LCD utilizzato al suo interno. A seconda della modalità di visualizzazione selezionata, sul suo schermo vengono visualizzate la tensione di uscita, V e la corrente di carico, A (Fig. 1); potenza del carico, W (Fig. 2); soglia di protezione corrente, A (Fig. 3); temperatura del dissipatore di calore del transistor di controllo, ^оC, potenza da esso dissipata, W (Fig. 4). Se durante il funzionamento uno qualsiasi dei parametri che non sono attualmente visualizzati sullo schermo viene modificato, il suo valore appare su di esso e dopo un po' di tempo viene ripristinata la modalità di visualizzazione precedente.

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

Il diagramma AVM è mostrato in Fig. 5. I suoi componenti principali sono divisori di tensione in ingresso e filtri di soppressione del rumore, microcontrollore DD1, che contiene un ADC ed esegue tutti i calcoli necessari, nonché un LCD HG1 a dieci bit.

Riso. 5 (clicca per ingrandire)

L'AVM è controllato tramite due pulsanti. Il pulsante SB1 commuta le modalità di visualizzazione in un anello come mostrato in Fig. 1-4 sequenze. Il pulsante SB2 è progettato per accendere e spegnere l'alimentazione con cui funziona l'AVM.

Poiché l'ADC integrato nel microcontrollore è in grado di misurare solo una tensione non superiore alla tensione di alimentazione, i divisori di tensione sono installati su due ingressi dell'ADC. Il primo, costituito dai resistori R1 e R3, riduce di dieci volte la tensione di uscita dell'alimentatore. Il secondo divisore è costituito dai resistori R2 e R10 e ha un fattore di divisione pari a 20. Riduce la tensione fornita all'alimentatore dal raddrizzatore a un valore accettabile per l'ADC. La misurazione di questa tensione è necessaria per calcolare la potenza dissipata dal transistor di controllo.

Nei circuiti per la misurazione della corrente di carico e della soglia operativa della protezione di corrente, non sono necessari divisori, poiché la tensione sul sensore di corrente R13 [1] e sul motore a resistenza variabile R5 [1] non supera il valore consentito per il ADC.

Le tensioni misurate vengono fornite a tutti gli ingressi utilizzati dell'ADC del microcontrollore attraverso un filtro passa-basso con una frequenza di taglio di circa 7 Hz. Questo è R4C1 nel canale di misurazione della tensione di uscita (U_O), R5C2 nel canale di misurazione della corrente di carico (I_н), R6C3 nel canale di misurazione della soglia di protezione di corrente (I_max), R7C4 nel canale di misurazione della temperatura e R9C5 nel canale di misurazione della tensione raddrizzata U_vypr sono necessari per ridurre l'errore associato all'ondulazione della tensione misurata.

I risultati dell'operazione ADC elaborata dal programma vengono visualizzati sull'indicatore HG1, che è collegato al microcontrollore tramite l'interfaccia I²C. Perché secondo la specifica I²C, le uscite del segnale dell'interfaccia devono essere realizzate secondo un circuito open collector (drain), il programma configura di conseguenza le linee PB0 e PB2 del microcontrollore. Due resistori del gruppo DR1 fungono da carichi per loro.

Altri due resistori dello stesso gruppo mantengono un livello alto sugli ingressi PB1 e PB3 quando i pulsanti SB1 e SB2 ad essi collegati non vengono premuti. Premendo uno qualsiasi di essi si imposta l'ingresso corrispondente su un livello basso. Un livello alto all'ingresso dell'impostazione del microcontrollore al suo stato iniziale è mantenuto dal resistore R10.

I pin del microcontrollore, utilizzati per caricare il programma nella sua memoria, vengono inviati al connettore X3, che, se necessario, è collegato al programmatore. Il transistor VT1 controlla la retroilluminazione dello schermo LCD HG1 utilizzando i segnali del microcontrollore.

I segnali misurati vengono forniti da un cavo flessibile su cui è installata la presa X1. I segnali per il controllo della ventola, l'accensione dell'alimentazione, nonché il controllo del circuito di limitazione della corrente per caricare i condensatori di livellamento del raddrizzatore vengono emessi al blocco pin X2.

Ai pin 5 e 5 del microcontrollore viene fornita una tensione di alimentazione di 15 V. Poiché l'ADC integrato è alimentato dal pin 15, per evitare interferenze con il suo funzionamento, nel circuito di questo pin è incluso un filtro L1C9. La componente impulsiva della corrente consumata dal microcontrollore viene chiusa attraverso il condensatore C7.

L'AVM è montato su un circuito stampato a doppia faccia (Fig. 6). Prima dell'installazione, è necessario "suonarlo" e rimuovere i ponticelli non staccati rilevati tra i conduttori. Si consiglia di installare un pannello per il microcontrollore sulla scheda, poiché in caso di errori di programmazione dei microcontrollori della famiglia AVR si verificano spesso casi di interruzione della loro connessione con un programmatore seriale convenzionale. Può essere ripristinato solo utilizzando così -chiamato programmatore ad alta tensione, nel pannello del quale dovrai trasferire il microcontrollore rimosso dal pannello sulla scheda AVM.

Riso. 6 (clicca per ingrandire)

Poiché è difficile metallizzare i fori della scheda a casa, i conduttori delle parti devono essere saldati su entrambi i lati. In questo caso il pannello per il microcontrollore deve essere del tipo a pinza, altrimenti non sarà possibile saldare i suoi terminali dal lato dove sono installate le parti. Nei fori mostrati in Fig. 6 compilato, in assenza di metallizzazione è necessario inserire e saldare brevi spezzoni di filo nudo su entrambi i lati.

La metallizzazione può essere eseguita anche utilizzando rivetti cavi di rame (pistoni), inserendoli nei fori della tavola e svasandoli su entrambi i lati. I set di tali pistoni vengono venduti, ad esempio, con i marchi LPKF EasyContac e rivetti BG9.S, ma sono piuttosto costosi.

La scheda è dotata di fori per il fissaggio e di sedi per l'installazione dei pulsanti SB1 e SB2, nonché di un altro pulsante non mostrato nello schema (è denominato SB3 e, tramite un relè intermedio, può essere utilizzato come pulsante SB1 in [1]) e LED HL1 [1]. I contatti del pulsante SB3 e i pin del LED sono collegati al connettore X5, anch'esso non mostrato nello schema.

Se necessario è possibile ridurre le dimensioni della tavola a 65x42 mm tagliandola secondo quello mostrato in Fig. 6 linea tratteggiata. In questo caso, i pulsanti SB1 e SB2 si trovano in qualsiasi posto conveniente e collegati al connettore X4 con un cablaggio o un pezzo di cavo piatto.

Resistori divisori di tensione (R1-R3, R10) - C2-23 con una deviazione consentita dal valore nominale di ±1%. Se non è possibile trovare la resistenza R2 con un valore nominale di 191 kOhm, può essere composta da due valori nominali di 180 e 10 kOhm. I restanti resistori sono C1-4-0,125. Termistore RK1 con coefficiente di temperatura della resistenza negativo - B57703. Il gruppo resistore 5A332J può essere sostituito dai resistori domestici NR-1-4-4M con un valore nominale di 3,3 kOhm. Condensatori: ceramici K10-17 o importati. Induttanza L1 - EC-24 a 100 µH.

L'AVM utilizza connettori BLD-6 (X1), PLD-6 (X2), PLD-10 (X3), PLS-4 (X4, X5). Pulsanti: qualsiasi pulsante dell'orologio con una lunghezza adeguata del pulsante, ad esempio TS-A6PS.

Indicatore - MT-10T11 [2] con qualsiasi indice alfabetico e digitale, eccetto 3V0. Gli indicatori con questo indice sono progettati per una tensione di alimentazione di 3 V e non funzionano a 5 V. Funzionerà anche l'indicatore MT-10T12, ma è due volte più grande.

Il transistor ad effetto di campo 2N7000 può essere sostituito da qualsiasi altro canale n con gate isolato e tensione di soglia non superiore a 3 V. È anche possibile utilizzare un transistor bipolare con struttura npn, ma ciò comporterà una maggiore dissipazione di potenza su di esso e ridurre la luminosità della retroilluminazione.

Puoi provare a sostituire il microcontrollore ATtiny26-16PU con ATtiny26L-PU, ma il suo funzionamento è garantito con una frequenza del risonatore al quarzo non superiore a 8 MHz. Il programma del microcontrollore è stato sviluppato in ambiente Atmel AVR Studio e scritto in linguaggio assembly. È possibile caricarlo nella memoria del microcontrollore utilizzando il programmatore proprietario AVR ISP mk II direttamente dall'ambiente di sviluppo, oppure utilizzare il programma AVReAl [3] e l'adattatore Altera ByteBlaster [4]. La piedinatura del connettore X3 corrisponde a questo particolare adattatore. È possibile utilizzare altri programmatori per microcontrollori della famiglia AVR. I codici del file avm.hex vengono inseriti nella memoria FLASH del microcontrollore e dal file avm.eep nella sua EEPROM. La configurazione del microcontrollore deve corrispondere alla Fig. 7.

Fig. 7

L'algoritmo operativo del programma consiste nell'interrogazione ciclica di cinque canali di misurazione con una frequenza di 50 Hz. Quando si misura nei canali di tensione e corrente, la tensione ADC di riferimento è 2,56 V e viene fornita da una sorgente integrata nel microcontrollore. Quando si misura la temperatura, la tensione di alimentazione del microcontrollore (5 V) viene utilizzata come esempio.

I risultati dell'operazione ADC vengono aggiunti a un buffer ad anello, che contiene 25 campioni, ciascuno dei quali occupa due byte (l'ADC del microcontrollore è a dieci bit). Infatti per ogni canale viene memorizzato lo storico degli ultimi cinque campioni. Per ridurre le fluttuazioni nelle letture in ciascun canale, viene calcolata la media delle ultime cinque letture [5]. Dopo l'elaborazione, i valori di corrente e tensione sono rappresentati come numeri interi compresi tra 0 e 255, e il prezzo della cifra meno significativa della tensione è 0,1 V e quello della corrente è 0,01 A. Di conseguenza, i limiti per la tensione e la corrente misurate sono 25,5 V e 2,55 A.

Il valore della tensione raddrizzata all'ingresso dell'alimentatore [1] non viene visualizzato sull'indicatore, ma viene utilizzato per calcolare la potenza dissipata da questa unità.

I fattori di correzione per ciascun canale (ad eccezione del canale della temperatura), tenendo conto della diffusione dei parametri ADC e dei resistori del partitore di tensione, sono memorizzati nella EEPROM del microcontrollore. Di default sono tutti uguali a 1, ma per effetto della procedura di autocalibrazione possono assumere valori da 0 a 2-1/64 a passi di 1/64.

La temperatura può assumere un valore compreso tra -55 e +125 °C e viene visualizzata sul display LCD in gradi Celsius interi. Per calcolarlo viene utilizzata una trasformazione tabulare del risultato dell'operazione ADC. Se il valore della temperatura misurata è maggiore di 45 ^оC, viene generato un comando per accendere il ventilatore se inferiore a 40 ^оC, la ventola si spegne. Se la temperatura supera i 90 ^оSi verifica un arresto di emergenza dell'alimentazione e sul display LCD viene visualizzato il messaggio "Surriscaldamento".

Per avviare la modalità di autocalibrazione è necessario utilizzare il pulsante SB2 per segnalare lo spegnimento dell'alimentazione (l'AVM rimane acceso), quindi premere il pulsante SB1 e, tenendolo premuto, premere nuovamente SB2. Successivamente vengono fornite le seguenti tensioni di riferimento al connettore X1 dell'AVM: all'ingresso U_vypr (pin 6) - 40 V, all'ingresso U_O (continua 1) - 20 V, agli ingressi I_н(pin 2) e I_max (pin 5) - 0,5 V, che corrisponde alla caduta di tensione sul sensore di corrente (R13 in [1]) a In = 2 A. La tensione 7 viene applicata all'ingresso del controllo della temperatura (nel punto di connessione dei resistori R8, R1 e termistore RK4) IN.

Durante la calibrazione, i canali sono indicati sull'indicatore con lettere nella posizione più a sinistra: U - tensione di uscita, I - corrente di carico, L - corrente di risposta della protezione, t - temperatura, r - tensione del raddrizzatore. Ad esempio, prima di calibrare il canale della tensione di uscita, verrà visualizzato il messaggio mostrato in Fig. 8.

Fig. 8

Selezionare i canali per la calibrazione uno per uno premendo il pulsante SB1 e, utilizzando SB2, avviare il processo di calibrazione del canale selezionato. La scritta "Salvato" indicherà il suo completamento e la registrazione del risultato in EEPROM, e dopo altri 2 s l'indicatore mostrerà il valore del parametro corrispondente, calcolato utilizzando il coefficiente selezionato. Successivamente è possibile premere il pulsante SB1 per passare al canale successivo oppure ripetere la calibrazione di quello precedente premendo SB2.

Visualizzando il valore della tensione di uscita sull'indicatore, l'AVM tiene conto della caduta di tensione sul sensore di corrente, sottraendola dal risultato della misurazione. Pertanto, al termine della calibrazione, mentre le tensioni di riferimento vengono rimosse dagli ingressi AVM, l'indicatore che funziona in modalità di visualizzazione della tensione di uscita e della corrente di carico visualizzerà 19,5 V (0,5 V in meno rispetto alla tensione di riferimento di 20 V) e 2 A (corrispondente ad una caduta di tensione di 0,5 V sul sensore di corrente).

L'AVM è collegato all'alimentazione [1] secondo lo schema mostrato in Fig. 9. Il resistore R13, secondo la descrizione del blocco, è composto da tre resistori da un watt con un valore nominale di 1 Ohm, collegati in parallelo, e ha una resistenza di 0,33 Ohm. È necessario aggiungere loro un altro resistore identico, riducendo la resistenza totale a 0,25 Ohm. Ciò semplifica i calcoli eseguiti dal microcontrollore AVM.

Fig. 9

Lo stesso schema mostra un raddrizzatore che funge da sorgente di tensione di ingresso all'alimentatore sul trasformatore T1 e diodi VD1-VD4, dotato di un'unità per limitare la corrente di carica del condensatore di livellamento dopo l'accensione. Affinché possa funzionare contemporaneamente al segnale che apre il transistor VT1, che porta al funzionamento del relè K1 e all'alimentazione della tensione di rete all'avvolgimento di rete del trasformatore, il microcontrollore fornisce anche un segnale che apre il fototransistor del fotoaccoppiatore U1 . Di conseguenza, il transistor VT2 rimane chiuso dopo l'accensione dell'unità e la corrente di carica dei condensatori di livellamento del raddrizzatore scorre attraverso il resistore R5 limitandolo.

Il programma del microcontrollore AVM monitora la velocità di variazione della tensione attraverso questi condensatori. Non appena diminuisce sufficientemente (ciò significa che i condensatori sono quasi completamente carichi), il segnale che apre il fototransistor dell'accoppiatore ottico U1 verrà rimosso. Di conseguenza, la tensione gate-source del transistor VT2 aumenterà. Il suo canale drain-source si aprirà. Poiché la resistenza del canale aperto è di soli 0,018 Ohm, la corrente percepibile non scorre più attraverso la resistenza R5 e non influisce sull'ulteriore funzionamento del dispositivo.

Trasformatore T1 - TTP-60 2x12 V. I diodi Schottky 90SQ045, da cui è assemblato il raddrizzatore a ponte, possono essere sostituiti con 1N5822.

L'AVM stesso è alimentato da una fonte U2 separata con una tensione di 5 V, il cui requisito principale è un minimo di ondulazione. Il microcontrollore non consuma più di 20 mA, la retroilluminazione dell'indicatore consuma circa 100 mA, altri 100 mA sono necessari per il relè K1 (TRIL-5VDC-SD-2CM).

Il file del circuito stampato AVM in formato Sprint Layout 5.0 e il relativo programma del microcontrollore possono essere scaricati da ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/02/avm.zip.

Letteratura

1. Vysochansky P. Semplice alimentatore da laboratorio 1...20 V con protezione di corrente regolabile. - Radio, 2006, n. 9, pag. 37.
2. Modulo a cristalli liquidi MT-10T11. - melt.com.ru/docs/MT-10T11.pdf.
3. AVReAl - Programmatore AVR ISP. - real.kiev.ua/avreal/.
4. Adattatori con cui AVReAl può funzionare. - real.kiev.ua/old/avreal/ru/adapters.html.
5. AVR222: filtro media mobile a 8 punti. - atmel.com/Images/doc0940.pdf.

Autore: V. Rybakov

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