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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Ampere-Voltmeter für die Laborstromversorgung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Dieses Gerät ist für die Zusammenarbeit mit einem Netzteil konzipiert, dessen Beschreibung in [1] veröffentlicht ist, kann aber auch an ein anderes ähnliches Gerät angeschlossen werden. Es zeigt nicht nur die Ausgangsspannung und den Laststrom des Gerätes an, sondern übernimmt auch einige Zusatzfunktionen, die das Labornetzteil zuverlässiger machen und die praktische Arbeit damit erleichtern. Die Hauptfunktion des vorgeschlagenen Ampere-Voltmeters (im Folgenden als AVM bezeichnet) – die Messung der Ausgangsspannung und des Laststroms des Netzteils – wird durch die Möglichkeit ergänzt, den eingestellten Schwellenwert des Stromschutzes des Geräts anzuzeigen, der wie in beschrieben zusammengebaut ist [1]. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, das Gerät beim Einstellen dieses Schwellenwerts mit dem angegebenen Maximalstrom zu belasten und dann die gewünschte Position des Bedienknopfs sorgfältig „einzufangen“. Der im AVM vorhandene Mikrocontroller berechnet den Stromschwellenwert einfach aus der von ihm am Motor gemessenen Spannung des variablen Widerstands R5 (siehe Abb. 1 in [1]) und dem Widerstandswert des Stromsensorwiderstands R13 (ebd.). Der berechnete Wert wird auf dem LCD angezeigt.
Basierend auf den Ergebnissen der Messung der Spannung am Ein- und Ausgang des Blocks und des Laststroms werden die Werte der Lastleistung und der Verlustleistung des Steuertransistors des Blocks berechnet und angezeigt. Darüber hinaus wird die Temperatur des Kühlkörpers dieses Transistors gesteuert. Basierend auf den Ergebnissen seiner Messung wird der Lüfter, der den Kühlkörper anbläst, automatisch ein- und ausgeschaltet. Und bei starker Überhitzung wird die Stromversorgung vom Netz getrennt. Eine zusätzliche Funktion des AVM besteht darin, den Ladestromstoß der Glättungskondensatoren des das Gerät versorgenden Gleichrichters zu begrenzen, der beim Anschluss an das Netzwerk auftritt. Darüber hinaus verfügt der AVM über einen Selbstkalibrierungsmodus. Die Abmessungen des Geräts sind nur geringfügig größer als die Abmessungen des darin verwendeten LCD. Abhängig vom gewählten Anzeigemodus werden auf dem Bildschirm die Ausgangsspannung V und der Laststrom A angezeigt (Abb. 1); Lastleistung, W (Abb. 2); Stromschutzschwelle, A (Abb. 3); Temperatur des Kühlkörpers des Steuertransistors, оC, die von ihm abgegebene Leistung, W (Abb. 4). Wenn sich während des Betriebs einer der Parameter ändert, die derzeit nicht auf dem Bildschirm angezeigt werden, wird sein Wert darauf angezeigt und nach einiger Zeit wird der vorherige Anzeigemodus wiederhergestellt.
Das AVM-Diagramm ist in Abb. dargestellt. 5. Seine Hauptkomponenten sind Eingangsspannungsteiler und Rauschunterdrückungsfilter, der Mikrocontroller DD1, der einen ADC enthält und alle notwendigen Berechnungen durchführt, sowie ein Zehn-Bit-LCD HG1.
Die Steuerung des AVM erfolgt über zwei Tasten. Die SB1-Taste schaltet die Anzeigemodi ringförmig um, wie in Abb. 1-4 Sequenzen. Die Taste SB2 dient zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung, mit der der AVM betrieben wird. Da der im Mikrocontroller eingebaute ADC nur eine Spannung messen kann, die seine Versorgungsspannung nicht überschreitet, sind an zwei Eingängen des ADC Spannungsteiler installiert. Der erste, bestehend aus den Widerständen R1 und R3, reduziert die Ausgangsspannung des Netzteils um das Zehnfache. Der zweite Teiler besteht aus den Widerständen R2 und R10 und hat einen Teilungsfaktor von 20. Er reduziert die vom Gleichrichter an das Netzteil gelieferte Spannung auf einen für den ADC akzeptablen Wert. Die Messung dieser Spannung ist notwendig, um die Verlustleistung des Steuertransistors zu berechnen. In den Stromkreisen zur Messung des Laststroms und der Ansprechschwelle des Stromschutzes sind keine Teiler erforderlich, da die Spannung am Stromsensor R13 [1] und am Stellwiderstandsmotor R5 [1] den zulässigen Wert für den nicht überschreitet ADC. Die gemessenen Spannungen werden über einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von etwa 7 Hz allen verwendeten Eingängen des Mikrocontroller-ADC zugeführt. Dies ist R4C1 im Ausgangsspannungsmesskanal (UO), R5C2 im Laststrommesskanal (Iн), R6C3 im Stromschutzschwellenmesskanal (Imax), R7C4 im Temperaturmesskanal und R9C5 im gleichgerichteten Spannungsmesskanal Uvypr werden benötigt, um den mit der Welligkeit der gemessenen Spannung verbundenen Fehler zu reduzieren. Die Ergebnisse der vom Programm verarbeiteten ADC-Operation werden auf dem HG1-Indikator angezeigt, der über die Schnittstelle I mit dem Mikrocontroller verbunden ist2C. Weil gemäß Spezifikation I2C müssen die Schnittstellensignalausgänge gemäß einer Open-Collector-(Drain-)Schaltung erfolgen, das Programm konfiguriert die PB0- und PB2-Leitungen des Mikrocontrollers entsprechend. Als Lasten dienen ihnen zwei Widerstände der DR1-Baugruppe. Zwei weitere Widerstände derselben Baugruppe halten an den Eingängen PB1 und PB3 einen hohen Pegel aufrecht, wenn die mit ihnen verbundenen Tasten SB1 und SB2 nicht gedrückt werden. Durch Drücken einer dieser Tasten wird der entsprechende Eingang auf einen niedrigen Pegel gesetzt. Ein hoher Pegel am Eingang zum Versetzen des Mikrocontrollers in seinen Ausgangszustand wird durch den Widerstand R10 aufrechterhalten. Die Pins des Mikrocontrollers, mit denen das Programm in seinen Speicher geladen wird, werden an den Anschluss X3 ausgegeben, der bei Bedarf mit dem Programmierer verbunden wird. Der Transistor VT1 steuert die Hintergrundbeleuchtung des HG1-LCD-Bildschirms mithilfe von Mikrocontrollersignalen. Die Messsignale werden über ein flexibles Kabel geliefert, an dem die X1-Buchse angebracht ist. Signale zur Steuerung des Lüfters, zum Einschalten der Stromversorgung sowie zur Steuerung der Strombegrenzungsschaltung zum Laden der Glättungskondensatoren des Gleichrichters werden an Pinblock X2 ausgegeben. An die Pins 5 und 5 des Mikrocontrollers wird eine 15-V-Versorgungsspannung angelegt. Da der eingebaute ADC über Pin 15 mit Strom versorgt wird, ist im Schaltkreis dieses Pins ein Filter L1C9 enthalten, um Störungen seines Betriebs zu vermeiden. Der Impulsanteil des vom Mikrocontroller verbrauchten Stroms wird über den Kondensator C7 geschlossen. Das AVM ist auf einer doppelseitigen Leiterplatte montiert (Abb. 6). Vor der Installation müssen Sie es „klingeln“ und die erkannten ungeätzten Brücken zwischen den Leitern entfernen. Es wird empfohlen, auf der Platine ein Panel für den Mikrocontroller zu installieren, da es bei Programmierfehlern von Mikrocontrollern der AVR-Familie häufig zu Unterbrechungen der Verbindung mit einem herkömmlichen seriellen Programmiergerät kommt. Eine Wiederherstellung ist nur mit diesem möglich -genannt Hochspannungsprogrammierer, in dessen Panel Sie den aus dem Panel auf der Platine entfernten Mikrocontroller übertragen müssen AVM.
Da es schwierig ist, die Löcher der Platine zu Hause zu metallisieren, müssen die Anschlüsse der Teile beidseitig verlötet werden. In diesem Fall muss das Panel für den Mikrocontroller vom Typ Spannzange sein, da sonst die Anschlüsse von der Einbauseite der Teile her nicht verlötet werden können. In den in Abb. 6 ausgefüllt, bei fehlender Metallisierung ist es erforderlich, auf beiden Seiten kurze blanke Drahtstücke einzuführen und anzulöten. Die Metallisierung kann auch mithilfe hohler Kupfernieten (Kolben) erfolgen, die in die Löcher der Platine eingeführt und auf beiden Seiten aufgeweitet werden. Sätze solcher Kolben werden beispielsweise unter den Marken LPKF EasyContac und BG9.S-Nieten verkauft, sind aber recht teuer. Die Platine verfügt über Löcher für ihre Befestigung und Plätze für die Installation der Tasten SB1 und SB2 sowie einer weiteren Taste, die im Diagramm nicht dargestellt ist (sie wird mit SB3 bezeichnet und kann über ein Zwischenrelais als Taste SB1 in [1] verwendet werden) und LED HL1 [1]. Die Kontakte des SB3-Tasters und die LED-Pins sind mit dem Stecker X5 verbunden, der im Diagramm ebenfalls nicht dargestellt ist. Bei Bedarf können die Abmessungen der Platte auf 65 x 42 mm reduziert werden, indem man sie entsprechend der Abbildung in Abb. zuschneidet. 6 gestrichelte Linie. In diesem Fall werden die Tasten SB1 und SB2 an einer geeigneten Stelle platziert und über einen Kabelbaum oder ein Stück Flachkabel mit dem Anschluss X4 verbunden. Spannungsteilerwiderstände (R1-R3, R10) - C2-23 mit einer zulässigen Abweichung vom Nennwert von ±1 %. Sollte der Widerstand R2 mit einem Nennwert von 191 kOhm nicht zu finden sein, kann er aus zwei Nennwerten von 180 und 10 kOhm zusammengesetzt werden. Die restlichen Widerstände sind C1-4-0,125. Thermistor RK1 mit negativem Temperaturkoeffizienten des Widerstands – B57703. Die Widerstandsbaugruppe 5A332J kann durch die heimischen Widerstände NR-1-4-4M mit einem Nennwert von 3,3 kOhm ersetzt werden. Kondensatoren - Keramik K10-17 oder importiert. Drossel L1 - EC-24 bei 100 µH. Der AVM verwendet die Anschlüsse BLD-6 (X1), PLD-6 (X2), PLD-10 (X3), PLS-4 (X4, X5). Tasten – beliebige Uhrentasten mit geeigneter Drückerlänge, zum Beispiel TS-A6PS. Anzeiger – MT-10T11 [2] mit beliebigen alphabetischen und digitalen Indizes, außer 3V0. Indikatoren mit diesem Index sind für eine Versorgungsspannung von 3 V ausgelegt und funktionieren nicht bei 5 V. Der MT-10T12-Indikator funktioniert auch, ist aber doppelt so groß. Der Feldeffekttransistor 2N7000 kann durch jeden anderen n-Kanal mit isoliertem Gate und einer Schwellenspannung von nicht mehr als 3 V ersetzt werden. Sie können sogar einen Bipolartransistor mit NPN-Struktur verwenden, dies führt jedoch zu einer höheren Verlustleistung darauf und verringern Sie die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung. Sie können versuchen, den Mikrocontroller ATtiny26-16PU durch den ATtiny26L-PU zu ersetzen, sein Betrieb ist jedoch bei einer Quarzresonatorfrequenz von nicht mehr als 8 MHz garantiert. Das Mikrocontroller-Programm wurde in der Atmel AVR Studio-Umgebung entwickelt und in Assembler geschrieben. Sie können es mit dem proprietären AVR ISP mk II-Programmierer direkt aus der Entwicklungsumgebung in den Mikrocontroller-Speicher laden oder das AVReAl-Programm [3] und den Altera ByteBlaster-Adapter [4] verwenden. Die Pinbelegung des Steckers X3 entspricht diesem speziellen Adapter. Es ist möglich, andere Programmierer für Mikrocontroller der AVR-Familie zu verwenden. Codes aus der avm.hex-Datei werden in den FLASH-Speicher des Mikrocontrollers und aus der avm.eep-Datei in dessen EEPROM eingegeben. Die Konfiguration des Mikrocontrollers muss der Abb. entsprechen. 7.
Der Arbeitsalgorithmus des Programms besteht aus der zyklischen Abfrage von fünf Messkanälen mit einer Frequenz von 50 Hz. Bei der Messung in den Spannungs- und Stromkanälen beträgt die Referenz-ADC-Spannung 2,56 V und wird von einer im Mikrocontroller integrierten Quelle geliefert. Bei der Temperaturmessung wird beispielhaft die Versorgungsspannung des Mikrocontrollers (5 V) verwendet. Die Ergebnisse der ADC-Operation werden einem Ringpuffer hinzugefügt, der 25 Proben enthält, von denen jede zwei Bytes belegt (der Mikrocontroller-ADC ist zehn Bit). Tatsächlich wird für jeden Kanal eine Historie der letzten fünf Samples gespeichert. Um Schwankungen der Messwerte in jedem Kanal zu reduzieren, wird der Durchschnitt der letzten fünf Messwerte berechnet [5]. Nach der Verarbeitung werden die Werte von Strom und Spannung als ganze Zahlen im Bereich von 0 bis 255 dargestellt, und der Preis der niedrigstwertigen Ziffer der Spannung beträgt 0,1 V und der Strom 0,01 A. Folglich sind die Grenzwerte für Messspannung und -strom betragen 25,5 V und 2,55 A. Der Wert der gleichgerichteten Spannung am Eingang des Netzteils [1] wird nicht auf dem Anzeigegerät angezeigt, sondern zur Berechnung der Verlustleistung dieses Geräts verwendet. Korrekturfaktoren für jeden Kanal (außer dem Temperaturkanal) werden unter Berücksichtigung der Streuung der ADC-Parameter und Spannungsteilerwiderstände im EEPROM des Mikrocontrollers gespeichert. Standardmäßig sind sie alle gleich 1, können aber aufgrund des Selbstkalibrierungsverfahrens Werte von 0 bis 2-1/64 in Schritten von 1/64 annehmen. Die Temperatur kann einen Wert von -55 bis +125 °C annehmen und wird auf dem LCD in ganzen Grad Celsius angezeigt. Zur Berechnung wird eine tabellarische Transformation des Ergebnisses der ADC-Operation verwendet. Wenn der gemessene Temperaturwert größer als 45 ist оC wird ein Befehl zum Einschalten des Lüfters generiert, wenn dieser unter 40 liegt оC, der Lüfter schaltet sich aus. Wenn die Temperatur 90 übersteigt оEs erfolgt eine Notabschaltung der Stromversorgung und die Meldung „Überhitzung“ wird auf dem LCD angezeigt. Um den Selbstkalibrierungsmodus zu starten, müssen Sie mit der SB2-Taste das Ausschalten der Stromversorgung signalisieren (das AVM bleibt eingeschaltet), dann die SB1-Taste drücken und bei gedrückter Taste erneut SB2 drücken. Anschließend werden am Anschluss X1 des AVM folgende Referenzspannungen angelegt: am Eingang Uvypr (Pin 6) - 40 V, am Eingang UO (konst. 1) - 20 V, an Eingänge Iн(Pin 2) und Imax (Pin 5) - 0,5 V, was dem Spannungsabfall am Stromsensor (R13 in [1]) bei In = 2 A entspricht. Am Temperatursteuereingang (am Verbindungspunkt der Widerstände R7, R8) liegt Spannung 1 an und Thermistor RK4) IN. Während der Kalibrierung werden die Kanäle auf der Anzeige durch Buchstaben ganz links angezeigt: U – Ausgangsspannung, I – Laststrom, L – Schutzreaktionsstrom, t – Temperatur, r – Gleichrichterspannung. Vor der Kalibrierung des Ausgangsspannungskanals wird beispielsweise die in Abb. 8.
Wählen Sie die Kanäle nacheinander für die Kalibrierung aus, indem Sie die Taste SB1 drücken, und starten Sie mit SB2 den Kalibrierungsprozess des ausgewählten Kanals. Die Aufschrift „Gespeichert“ zeigt den Abschluss und die Speicherung des Ergebnisses im EEPROM an, und nach weiteren 2 Sekunden zeigt der Indikator den Wert des entsprechenden Parameters an, der anhand des ausgewählten Koeffizienten berechnet wird. Danach können Sie durch Drücken der Taste SB1 zum nächsten Kanal wechseln oder die Kalibrierung des vorherigen Kanals durch Drücken von SB2 wiederholen. Durch die Anzeige des Ausgangsspannungswerts auf der Anzeige berücksichtigt das AVM den Spannungsabfall am Stromsensor und subtrahiert ihn vom Messergebnis. Daher zeigt die Anzeige nach Abschluss der Kalibrierung, während die Referenzspannungen von den AVM-Eingängen entfernt werden, im Modus zur Anzeige der Ausgangsspannung und des Laststroms 19,5 V (0,5 V weniger als die Referenzspannung von 20 V) und 2 an A (entspricht einem Spannungsabfall von 0,5 V am Stromsensor). Der Anschluss des AVM an die Stromversorgung [1] erfolgt gemäß dem in Abb. dargestellten Schema. 9. Der Widerstand R13 besteht laut Beschreibung des Blocks aus drei parallel geschalteten Ein-Watt-Widerständen mit einem Nennwert von 1 Ohm und hat einen Widerstand von 0,33 Ohm. Sie müssen ihnen einen weiteren identischen Widerstand hinzufügen, wodurch der Gesamtwiderstand auf 0,25 Ohm reduziert wird. Dies vereinfacht die vom ABM-Mikrocontroller durchgeführten Berechnungen.
Das gleiche Diagramm zeigt einen Gleichrichter, der als Eingangsspannungsquelle für die Stromversorgung am Transformator T1 und den Dioden VD1-VD4 dient und mit einer Einheit zur Begrenzung des Ladestroms des Glättungskondensators nach dem Einschalten ausgestattet ist. Damit es gleichzeitig mit dem Signal arbeitet, das den Transistor VT1 öffnet, was zum Betrieb des Relais K1 und zur Versorgung der Netzwicklung des Transformators mit Netzspannung führt, liefert der Mikrocontroller auch ein Signal, das den Fototransistor des Optokopplers U1 öffnet . Dadurch bleibt der Transistor VT2 nach dem Einschalten des Geräts geschlossen und der Ladestrom der Glättungskondensatoren des Gleichrichters fließt durch den ihn begrenzenden Widerstand R5. Das AVM-Mikrocontrollerprogramm überwacht die Spannungsänderungsrate an diesen Kondensatoren. Sobald es ausreichend absinkt (das bedeutet, dass die Kondensatoren fast vollständig geladen sind), wird das Signal, das den Fototransistor des Optokopplers U1 öffnet, entfernt. Infolgedessen erhöht sich die Gate-Source-Spannung des Transistors VT2. Sein Drain-Source-Kanal wird geöffnet. Da der Widerstand des offenen Kanals nur 0,018 Ohm beträgt, fließt kein merklicher Strom mehr durch den Widerstand R5 und hat keinen Einfluss auf den weiteren Betrieb des Gerätes. Transformator T1 - TTP-60 2x12 V. Schottky-Dioden 90SQ045, aus denen der Brückengleichrichter zusammengesetzt ist, können durch 1N5822 ersetzt werden. Der AVM selbst wird von einer separaten Quelle U2 mit einer Spannung von 5 V gespeist, deren Hauptanforderung ein Minimum an Welligkeit ist. Der Mikrocontroller verbraucht nicht mehr als 20 mA, die Hintergrundbeleuchtung der Anzeige verbraucht etwa 100 mA, weitere 100 mA werden für Relais K1 (TRIL-5VDC-SD-2CM) benötigt. Die AVM-Leiterplattendatei im Sprint Layout 5.0-Format und das zugehörige Mikrocontrollerprogramm können von ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/02/avm.zip heruntergeladen werden. Literatur
Autor: V. Rybakov
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