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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Spannungs- und Strommesser. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Eines der Hauptgeräte in einem Funkamateurlabor ist ein einstellbares Netzteil. Um die Effizienz und den Bedienkomfort zu erhöhen, ist es sinnvoll, es mit einem eingebauten Messgerät für Ausgangsspannung und Laststrom zu ergänzen. Beschreibungen solcher Messgeräte findet man häufig im Internet und in Amateurfunkzeitschriften. Es kommt jedoch vor, dass die gefundene Beschreibung nicht dazu geeignet ist, einen Zähler zu erstellen, der für die Integration in eine bestimmte Stromquelle geeignet ist. Schließlich müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, beispielsweise der verfügbare Platz für die Installation und die Verfügbarkeit der erforderlichen Teile. In diesem Artikel wird eine Version des Messgeräts vorgestellt, die sowohl für diejenigen nützlich sein kann, die ein Labornetzteil von Grund auf entwickeln, als auch für diejenigen, die beabsichtigen, es in ein fertiges Netzteil zu integrieren. Das Gerät misst Gleichspannung von 0 bis 51,1 V mit einer Auflösung von 0,1 V und Gleichstrom von 0 bis 5,11 A mit einer Auflösung von 0,01 A. Sein Prototyp war das in [1] beschriebene Messgerät, das recht einfach aufgebaut ist und verfügt gute Parameter. Die darin umgesetzte Grundidee, einen kostengünstigen Mikrocontroller zu verwenden, verdient Aufmerksamkeit. Die Notwendigkeit, einen Operationsverstärker zu verwenden, der mit einer einpoligen Versorgung bei einer Ausgangsspannung nahe Null betrieben werden kann, sowie das Vorhandensein einer zusätzlichen Stromquelle führen jedoch zu einigen Einschränkungen bei seiner Verwendung. Darüber hinaus sind die Indikatoren auf der Prototypenplatine ungünstig angeordnet; es ist besser, sie horizontal in einer Reihe zu installieren und die Abmessungen der Frontplatte des Messgeräts zu reduzieren, um sie näher an die Abmessungen der verwendeten Indikatoren heranzuführen. Das schematische Diagramm des Messgeräts ist in Abb. dargestellt. 1. Da die in [1] verwendeten 74HC595N-Chips (Schieberegister mit Speicherregister) nicht auffindbar waren, wurden 74HC164N-Chips verwendet, bei denen kein Speicherregister vorhanden ist. Es wurden auch Indikatoren mit deutlich höherer Helligkeit bei geringem Strom verwendet, was es ermöglichte, die Stromaufnahme des Messgeräts auf 20 mA zu reduzieren und die Notwendigkeit eines zusätzlichen +5-V-Spannungsreglers überflüssig zu machen.
Leider hat die Verwendung des 74NS164N einen Nachteil: das parasitäre Leuchten der Anzeigeelemente, wenn ihr Status aktualisiert wird. Da die durchschnittliche Helligkeit eines solchen Leuchtens jedoch unbedeutend ist und durch die üblicherweise zur Abdeckung der Indikatoren verwendeten Lichtfilter noch weiter abgeschwächt wird, kann dies nicht als gravierender Nachteil angesehen werden. Zudem wird einer der Mikrocontroller-Pins frei, der beispielsweise zum Anschluss eines Temperatursensors genutzt werden kann. In diesem Fall müssen Sie jedoch Änderungen am Mikrocontroller-Programm vornehmen. Die gemessene Spannung wird über einen Teiler aus den Widerständen R0 und R1 dem GP7-Eingang des DD9-Mikrocontrollers zugeführt. Der Kondensator C6 verbessert die Stabilität der Voltmeter-Messwerte [1]. Das Signal vom Stromsensor (Widerstand R1) wird dem GP1-Eingang des Mikrocontrollers über den invertierenden Verstärker zum Operationsverstärker DA1 zugeführt. Im Gegensatz zu [1] verwenden wir hier eine bipolare Operationsverstärkerversorgung mit einer Spannung von +/-8 V, da nicht alle Operationsverstärker über die „Rail-to-Rail“-Eigenschaft verfügen und mit einer einpoligen Versorgung und nahezu Null korrekt arbeiten Ausgangsspannung. Die bipolare Stromversorgung erleichtert die Lösung dieses Problems und ermöglicht den Einsatz vieler Arten von Operationsverstärkern. Da die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers im Bereich von -8 bis +8 V liegen kann, wird eine Begrenzungsschaltung R10VD9 verwendet, um den Eingang des Mikrocontrollers vor Überlastung zu schützen. Die Verstärkung wird mit dem Trimmwiderstand R8 eingestellt und die Nullspannung am Ausgang des Operationsverstärkers wird mit dem Trimmwiderstand R11 eingestellt. Die Dioden VD1 und VD2 schützen den Operationsverstärkereingang vor Überlastung im Falle einer Unterbrechung des Stromsensors. Aufgrund des relativ geringen Widerstands des Stromsensors beträgt die Abweichung des Spannungsmessergebnisses beim Wechsel des Laststroms von Null auf Maximum (5,11 A) nicht mehr als 0,06 V. Wenn das Messgerät in eine Spannungsquelle mit negativer Polarität eingebaut ist, Der Stromsensor kann vor dem Ausgangsspannungsteiler seines Stabilisators angeschlossen werden. In diesem Fall wird der Spannungsabfall am Stromsensor durch den Stabilisator-Rückkopplungskreis kompensiert. Da der Teilerstrom normalerweise klein ist, hat er fast keinen Einfluss auf die Messwerte des Amperemeters, außerdem kann dieser Einfluss durch den Teilstrangwiderstand R11 ausgeglichen werden. Das Messgerät wird über einen Wandler mit den Transistoren VT1 und VT2 mit der Ausgangsspannung des Stromversorgungsgleichrichters versorgt. Dies ist etwas komplizierter als in [1], da hierfür die Herstellung eines Impulstransformators erforderlich ist, es jedoch keine Probleme gibt, alle erforderlichen Spannungswerte zu erreichen. Der Spannungswandler ist der einfachste Push-Pull-Selbstoszillator, dessen Schaltung aus [2] entlehnt ist. Die Konvertierungsfrequenz beträgt etwa 80 kHz. Dank der galvanischen Trennung zwischen Eingang und Ausgang des Wandlers kann das Messgerät in einen Spannungsstabilisator beliebiger Polarität eingebaut werden. Mit den im Diagramm angegebenen Transistoren arbeitet es bei einer Eingangsspannung von 30 bis 44 V, während die Ausgangsspannungen zwischen etwa 8 und 12 V variieren. Dies liegt daran, dass die Widerstandswerte der Widerstände R5 und R6 recht groß gewählt sind groß, der Konverter hat keine Angst vor Ausgangskurzschlüssen. In solchen Fällen schlägt die Generierung einfach fehl. Die 5-V-Spannung zur Versorgung des digitalen Teils des Messgeräts wird mithilfe des integrierten Stabilisators DA2 erzeugt. Es besteht keine Notwendigkeit, die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers zu stabilisieren, da er selbst gegenüber seinen Änderungen recht resistent ist. Die Welligkeitsspannung mit der Wandlungsfrequenz wird durch RC-Filter an den Eingängen des Mikrocontrollers DD1 unterdrückt. Sollten die Pulsationen mit einer Frequenz von 100 Hz zu groß sein, empfiehlt es sich, die in [3] beschriebene Methode zur Reduzierung anzuwenden. An dieser Stelle lohnt es sich, ein paar Worte über die inhärente Instabilität der niedrigstwertigen Ziffer des Messergebnisses zu sagen, die allen digitalen Messgeräten innewohnt. Er ändert sich immer chaotisch um eins um den wahren Wert. Diese Schwankungen sind keine Folge einer Fehlfunktion des Gerätes, können aber nicht vollständig beseitigt werden, sondern nur durch Mittelung der Ergebnisse einer großen Anzahl von Messungen reduziert werden. Die Zählerteile sind auf drei Leiterplatten aus einseitig folienbeschichtetem Isolierstoff montiert. Sie sind für den Einbau von Mikroschaltungen in DIP-Gehäusen konzipiert. Auf einer Platine sind Indikatoren montiert (Abb. 2), auf der zweiten sind digitale Chips und ein Mikrocontroller montiert (Abb. 3). Auf der dritten Platine sind der Wandler, der Mikrocontroller-Versorgungsspannungsstabilisator und der Stromsensor-Signalverstärker installiert (Abb. 4).
Die Platzierung der Teile auf den Platinen und die Verbindungen zwischen den Platinen sind in Abb. dargestellt. 5. Rote Zahlen darauf geben die Nummern der Klemmen des Impulstransformators T1 an den Stellen an, an denen sie mit der Platine verbunden sind. Der Transformator selbst wird mit Klemmen aus isoliertem Montagedraht daran befestigt. Die Sperrkondensatoren C13 und C14 sind direkt an die Leistungspins der Mikroschaltungen DD2 und DD3 angelötet. Wie die Praxis gezeigt hat, funktioniert das Messgerät ohne diese Kondensatoren normal.
Die Mikrocontroller- und Anzeigeplatinen sind durch Halterungen aus verzinktem Stahl mit einer Dicke von 0,5 mm verbunden. Die Wandler- und Verstärkerplatine wird mit zwei M2-Schrauben befestigt. Der Abstand zwischen den Brettern beträgt ca. 11 mm. Diese Variante des Gerätedesigns (Abb. 6) nimmt weniger Platz auf der Frontplatte des Netzteils ein, in das dieses Gerät eingebaut werden soll.
Anstelle des Operationsverstärkers KR140UD708 können Sie beispielsweise den Operationsverstärker KR140UD1408 und viele andere Arten von Operationsverstärkern verwenden. Es ist zu beachten, dass sie möglicherweise andere Korrekturschaltungen erfordern als KR140UD708. Dies sollte beim Design einer Leiterplatte berücksichtigt werden. Anstelle der Schieberegister 74HC164 können Sie auch 74HC4015 verwenden, allerdings müssen Sie die Topologie der Leiterplattenleiter ändern. KD522B-Dioden können durch KD510A ersetzt werden. Trimmerwiderstände R8 und R11 – SP3-19, R9 – importiert. Es werden auch Permanentkondensatoren importiert. Der Widerstand R1 (Stromsensor) kann aus Nichromdraht hergestellt oder fertig verwendet werden, wie in [1] durchgeführt. Ich habe es aus einem Stück Nichromband mit einem Querschnitt von 2,5 x 0,8 mm und einer Länge (einschließlich verzinnter Enden) von etwa 25 mm hergestellt, das aus einem TRN-Thermorelais entnommen wurde. Der Transformator T1 ist auf einen Ferritring der Größe 10 x 6 x 3 mm gewickelt, der aus einer defekten Kompaktleuchtstofflampe entfernt wurde. Alle Wicklungen sind mit PEV-2-Draht mit einem Durchmesser von 0,18 mm gewickelt. Wicklung 2-3 enthält 83 Windungen, Wicklung 1-2 und 4-5 - jeweils 13 Windungen und Wicklung 6-7-8 - 80 Umdrehungen mit einem Tipp aus der Mitte. Wenn die Ausgangsspannung des Gleichrichters weniger als 30 V beträgt, muss die Anzahl der Windungen der Wicklung 2-3 um etwa 4 Windungen pro Volt reduziert werden. Die Wicklungen 1-2-3 und 4-5 sind untereinander mit einer Schicht Kondensatorpapier mit einer Dicke von 0,1 mm und von den Wicklungen 6-7-8 mit zwei Schichten solchen Papiers isoliert. Nach Überprüfung der Funktionsfähigkeit wird der Transformator mit XB-784-Lack imprägniert. Das Mikrocontroller-Programm ist in der MPLAB IDE v8.92-Umgebung in der MPASM-Assemblersprache geschrieben. Es werden zwei Optionen angeboten. Die Dateien der ersten Option befinden sich im Ordner „Common Cathode“ und sind für ein Gerät mit LED-Anzeigen mit gemeinsamen Entladungskathoden gedacht, einschließlich der im Diagramm in Abb. 1. Bei der Installation von LED-Anzeigen mit gemeinsamen Entladungsanoden im Gerät sollten die Dateien der zweiten Option aus dem Ordner „Common Anode“ verwendet werden. Diese Version des Programms wurde jedoch nicht in der Praxis getestet. Die Programmierung des Mikrocontrollers erfolgte mit dem Programm IC-prog und einem einfachen Gerät, das in [4] beschrieben ist. Das Einrichten des Messgeräts besteht darin, den Trimmerwiderstand R11 am Ausgang des Operationsverstärkers DA1 auf Null zu setzen, wenn im zu messenden Stromkreis kein Strom fließt. Dann wird diesem Stromkreis ein Strom zugeführt, der nahe an der Messgrenze liegt, aber kleiner als diese ist. Durch die Steuerung des Stroms mit einem Standard-Amperemeter und einem Trimmwiderstand R8 erreichen wir gleiche Messwerte der Standard- und eingestellten Geräte. Durch Anlegen und Überwachen der gemessenen Spannung mit einem handelsüblichen Voltmeter stellen Sie mit dem Trimmwiderstand R9 die entsprechenden Messwerte auf der Geräteanzeige ein. Weitere Details zur Einrichtung finden Sie in [1]. Beide Versionen des Mikrocontroller-Programms können von ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/05/av-meter.zip heruntergeladen werden. Literatur
Autor: E. Gerasimov
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