Modul zur Messung und Absicherung der Stromversorgung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Netzteile

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Das vorgeschlagene Modul kann in Verbindung mit Labornetzteilen verwendet werden, um deren Last vor Spannungen und Strömen zu schützen, die die festgelegten Grenzwerte überschreiten.

Beschreibungen solcher Geräte wurden mehrfach veröffentlicht, ein Beispiel wäre der Artikel „Advanced Digital Protection Device with a Measurement Function“ (Radio, 2007, Nr. 7, S. 26-28, Autor N. Zaets), der beschreibt a Gerät für einen ähnlichen Zweck auf einem Mikrocontroller PIC16F873 mit zweistelliger, siebenelementiger LED-Anzeige. Im Gegensatz dazu basiert das vorgeschlagene Modul auf einem ATmega8535L-8PU-Mikrocontroller und einem LCD mit vier Zeilen mit 16 Zeichen.

Ursprünglich hatte ich vor, den Differenzeingang eines ADC-Mikrocontrollers mit eingebautem Vorverstärker zur Strommessung zu verwenden. Tests zeigten jedoch die Instabilität einer solchen Messung. Aus dem gleichen Grund gilt auch die Verwendung eines Operationsverstärkers in einer Strommesseinheit als ungeeignet. Für die Strommessung wurde eine Kompromissoption mit zwei ADC-Kanälen mit relativ hohem Widerstand der Stromsensorwiderstände gewählt.

Der erste Kanal misst mithilfe eines Stromsensors mit einem Widerstand von 0,5 Ohm Ströme bis 1 A mit einer Auflösung von 10 mA. Der zweite Kanal ist in der Lage, mithilfe eines Stromsensors mit einem Widerstand von 5 Ohm Ströme bis zu 0,1 A mit einer Auflösung von 0,05 A zu messen. Das Gerät misst die Spannung in Schritten von 0,1 V.

Die Reaktionszeit des Schutzes hängt hauptsächlich von der Taktfrequenz des ADC (125 kHz) ab. Die mit einem Oszilloskop berechnete und bestätigte Dauer der Analog-Digital-Wandlung beträgt 110 μs. Der Mikrocontroller verbringt 220 μs plus die Gesamtdauer der Ausführung von Schaltbefehlen damit, sowohl Spannung als auch Strom zu messen. Bei einer Mikrocontroller-Taktfrequenz von 8 MHz werden sie in 3,7 μs ausgeführt.

Verfahren zur Anzeige von Informationen auf dem Indikator können dazu beitragen, die Reaktionszeit des Schutzes zu erhöhen. Das Programm greift alle 0,28 s darauf zu (festgelegt durch die TimeDisp-Konstante). Die Ausgabe von Informationen dauert 4 ms (gemessen mit einem Oszilloskop). Die Zeit wird von zwei Zählern gezählt, der erste wird vom Programm in jedem Messzyklus erhöht und der zweite zählt die Überläufe des ersten. Wenn der Inhalt des zweiten Zählers den Wert der oben genannten Konstante erreicht, werden Informationen an den Indikator ausgegeben.

Die Wahrscheinlichkeit, dass während der Wartungszeit des Indikators ein Notfallereignis eintritt, nimmt mit zunehmender Dauer der Aufrufe des Indikators ab. Wenn eine minimale Antwortverzögerung erforderlich ist, sollte dem Programm der Zugriff auf den Indikator untersagt werden. Dieser Modus ist verfügbar.

Die Steuerung des Geräts erfolgt über sieben Tasten, einen Schalter und einen Encoder mit Taste. Die Verwendung eines Encoders vereinfacht die Eingabe von Informationen in den Mikrocontroller. Die Anzeige mit 64 Positionen erhöht die Möglichkeit, den Benutzer über den Gerätestatus zu informieren, erheblich.

Der relativ große Umfang des Programms ist auf das Vorhandensein zahlreicher Meldungstexte zurückzuführen, die auf dem Indikator angezeigt werden. Neben der Anzeige optischer Informationen erfolgt bei Auslösung des Schutzes auch ein akustischer Alarm.

Dem Artikel sind zwei Versionen des Programms beigefügt. Die erste (Quelltext Modul-P&M4.asm, Bootdatei Modul-P&M4.hex) sieht keine Speicherung der eingestellten Werte der Schutzschwellen im nichtflüchtigen Speicher des Mikrocontrollers vor. Nach dem Einschalten oder Versetzen des Mikrocontrollers in den Ausgangszustand schreibt dieses Programm die maximal zulässigen Werte in die Vergleichsregister.

In der zweiten Version des Programms (Quelltext Modul-P&M-EP.asm, Bootdatei Modul-P&M-EP.hex) werden die eingestellten Schwellenwerte beim Ausschalten der Stromversorgung im EEPROM gespeichert. Beim nächsten Einschalten stellt das Programm sie wieder her.

Das Moduldiagramm ist in Abb. dargestellt. 1. Der erste Strommesskanal wird durch die Stromsensorwiderstände R12, R14, den Trimmwiderstand R16 und den asymmetrischen ADC-Eingang ADC1 gebildet, der zweite Strommesskanal wird durch die Widerstände R11, R13, den Trimmwiderstand R15 und den asymmetrischen ADC-Eingang ADC3 gebildet. Die Last des ersten Kanals wird zwischen dem Pluspol der geschützten Quelle und dem „-iv“-Anschluss angeschlossen, und der zweite Kanal wird zwischen dem gleichen Quellenanschluss und dem „-iv.2“-Anschluss angeschlossen. Ein Teil der Quellenspannung vom „+U“-Anschluss wird über einen Spannungsteiler, der aus einem Konstantwiderstand R18 und einem Trimmwiderstand R17 besteht, zur Messung dem asymmetrischen Eingang des ADC4 ADC zugeführt.

Reis. 1. Moduldiagramm (zum Vergrößern anklicken)

Die Trimmerwiderstände R15-R17 werden beim Einrichten von Spannungs- und Strommesswerten auf dem HG1-Indikator gemäß Standardinstrumenten verwendet. Jeder der Transistorschalter, der bei Bedarf die Last und die gesteuerte Quelle trennt, besteht aus einem leistungsstarken Feldeffekttransistor und einem Bipolartransistor, der ihn steuert. Hier können Feldeffekttransistoren mit einer Schwellenspannung von 2...5 V eingesetzt werden.

Ein kurzes Blinken der HL1-LED beim Einschalten (in den Ausgangszustand versetzt) ​​wird dadurch verursacht, dass sich die Mikrocontroller-Pins danach für einige Zeit in einem hochohmigen Zustand befinden. Dadurch fließt ein Stromimpuls durch den Power-Plus-Kreis – LED HL1 – Widerstände R2, R7 – Emitterverbindung VT4 – Diode VD3 – gemeinsame Leitung (für Kanal 1). Aus einem ähnlichen Grund blinkt die HL2-LED.

Wenn das Modul in Betrieb ist, leuchtet gleichzeitig mit dem Einschalten des Kanals die entsprechende LED auf: Kanal 1 - HL1, Kanal 2 - HL2.

Zur Einstellung der Strom- und Spannungsschutzschwellen wird der Encoder S1 verwendet. Für den Spannungs- oder Stromschutz ist ein akustischer Alarm vorhanden. Zu diesem Zweck wird eine Einheit bestehend aus einem Verstärker auf einem Transistor VT5 und einem elektromagnetischen Schallsender HA1 verwendet.

LCD HG1 arbeitet mit einem XNUMX-Bit-Datenbus, der aus den Leitungen von Port B des Mikrocontrollers besteht. Auf seinem Bildschirm zeigt das Programm Informationen über die gemessenen Spannungs- und Stromwerte sowie die Betriebsarten des Geräts an.

Nach dem Einschalten oder Versetzen des Mikrocontrollers in den Ausgangszustand geht das Modul in den Standby-Modus. Beide Kanäle sind geschlossen, Spannungs- und Strommessungen werden nicht durchgeführt. Schließen Sie die einstellbare Spannungsquelle an die Klemmen „+U“ und „-Ø“ und die Last an die Klemmen „+U“ und „-Ø1“ an. Nachdem Sie den ersten Kanal durch Drücken der Taste SB3 ausgewählt haben, verwenden Sie die Trimmwiderstände R16 und R17, um sicherzustellen, dass die Messwerte des Moduls mit denen des Referenzamperemeters und -voltmeters übereinstimmen. Durch Drücken der SB2-Taste kehren Sie in den Standby-Modus zurück.

Schließen Sie dann die Last an Kanal 2 an (Klemmen „+U“ und „-iv.2“), wählen Sie den zweiten Kanal aus, indem Sie die Taste SB4 drücken und den Trimmwiderstand R15 verwenden, bis die Messwerte des LCD und des Referenzamperemeters übereinstimmen.

Durch Drücken der Encoder-Taste wählen Sie diese aus, um die Spannungs- und Stromschutzschwellen einzustellen. Stellen Sie durch Drehen des Encoders die erforderliche Stromschwelle in einem der Kanäle ein und schreiben Sie diesen Wert durch Drücken der Taste SB6 (Kanal 1) oder SB7 (Kanal 2) in das Vergleichsregister des Mikrocontrollers. Das Programm verbietet die Einstellung der Schutzschwelle in Kanal 1 über 1 A und zeigt bei einem Versuch eine entsprechende Warnung auf dem LCD an. Durch Drücken der Taste SB5 wird die Überspannungsschutzschwelle in das Vergleichsregister geschrieben.

Nachdem Sie alle Schwellenwerte aufgezeichnet haben, drücken Sie die SB2-Taste, um das Modul wieder in den Standby-Modus zu versetzen. Überprüfen Sie die Funktion des Schutzes, indem Sie die eingestellten Schwellenwerte für Spannung und Strom überschreiten. Beim Auslösen ertönt ein Tonsignal und auf dem LCD werden Informationen über das Geschehen angezeigt. Gleichzeitig erlischt die LED des Kanals, in dem der Trigger aufgetreten ist.

Nachdem der Schutz ausgelöst wurde, sind zwei Optionen für weitere Aktionen möglich: Durch Drücken der SB2-Taste kehren Sie in den Standby-Modus zurück oder durch Drücken der Encoder-Taste gelangen Sie in den Schwellenwert-Einstellmodus. Im zweiten Fall werden die aktuellen Werte aus den Vergleichsregistern in die in der Encoder-Wartungsroutine verwendeten Register kopiert, was die Einstellung neuer Werte beschleunigt.

Im Betriebsmodus des Moduls können Sie durch Drücken der Tasten SB5-SB7 die aktuellen Werte der Spannung oder des Stroms des eingeschalteten Kanals, erhöht um zwei Einheiten der niederwertigsten Ziffer, in die Vergleichsregister schreiben.

Schalten Sie den Hochgeschwindigkeitsschutz mit dem Schalter SA1 ein, nachdem Sie zuvor die erforderlichen Werte für Spannung, Strom und Schwellenwerte eingestellt haben. Die relevanten Informationen werden auf dem LCD angezeigt.

Die Leiterplatte des Moduls ist in Abb. dargestellt. 2, die Anordnung der Elemente darauf ist in Abb. 3. Alle Kontaktpads zum Anschluss von Tasten, Encoder, LEDs, LCD und Stromversorgung befinden sich im Raster von 2,54 mm an den Rändern der Platine. Auf Wunsch können Sie über mehrpolige Anschlüsse externe Komponenten und Strom anschließen. Aufgrund des hohen Stromverbrauchs (bis zu 220 mA) wird die Hintergrundbeleuchtung der Anzeige direkt über den Schalter SA2 mit Strom versorgt. Es ist besser, den Trimmwiderstand R20 für die Kontrasteinstellung an einer der Gehäusewände anzubringen. Die Leiterbahnabschnitte, durch die der Laststrom des zweiten Kanals fließt, müssen durch Auflöten von Drähten mit einem Durchmesser von 1 mm verstärkt werden.

Reis. 2. Modulplatine

Reis. 3. Lage der Elemente auf dem Brett

Auf der Platine ist genügend Platz, um bei Bedarf Kühlkörper für die Transistoren VT1 und VT2 zu installieren. Der Mikrocontroller ATmega8535L-8PU kann durch einen ATmega8535-16PU oder einen derselben Familie mit PI-Indizes ersetzt werden, und das LCD DV-16400S1F-BLY-H/R durch einen WH-1604A-YGH-CT oder einen anderen russifizierten Vierzeiler mit einem mit KS0066U kompatiblen Controller. Anstelle des elektromagnetischen Schallsenders HC0905F eignet sich der HCM1212A. Die im Diagramm angegebenen GS1A-Dioden (VD2 und VD3) sind Analoga der 1N4001-Dioden in einer oberflächenmontierten Version.

Die Trimmerwiderstände R15-R17 sind importierte Multiturn-Widerstände mit 3266 W und einem Widerstand von 100 bis 500 Ohm (R15, R16) und mindestens 500 Ohm (R17). Es besteht die Möglichkeit, Trimmwiderstände durch Teiler zu ersetzen, die aus zwei Konstantwiderständen bestehen und bei der Inbetriebnahme ausgewählt werden.

Widerstände R12, R14 – MOH-0,5, die durch importiertes CF-50 oder CF-100 ersetzt werden können. Widerstände R11, R13 - SQP mit einer Leistung von 3 W. Die Begrenzung des gemessenen Stroms auf 5 A wird dadurch verursacht, dass sich diese Widerstände bei höheren Strömen zu stark erwärmen. Wenn Sie sie durch leistungsstärkere ersetzen, z. B. Kabel KNP-500 oder KNP-600, können Sie Ströme bis 9,9 A messen, ohne Änderungen im Programm vorzunehmen.

Um das Modul mit Strom zu versorgen, verwendete der Autor ein Transformator-Netzteil vom Videoplayer. Die +12-V-Spannung wird vom Eingang des integrierten +5-V-Spannungsstabilisators abgenommen.

Das Modul wird in einem Gehäuse aus einem 300-W-Computernetzteil zusammengebaut. Der gesamte alte Inhalt des Gehäuses wurde entfernt, die Rückwand wurde ausgeschnitten. Seine Überreste bilden einen Rahmen, an dem mit M3-Schrauben eine neue Kunststoff-Frontplatte des Moduls befestigt wird. Die Ansicht von der Seite dieser Tafel ist in Abb. dargestellt. 4.

Reis. 4. Aussehen des Moduls

Das Mikrocontroller-Programm wurde in der Entwicklungsumgebung AVR Studio 4 erstellt. Die Konfiguration des ATmega8535L-Mikrocontrollers für den Betrieb mit einem internen RC-Oszillator bei einer Frequenz von 8 MHz muss der Tabelle entsprechen.

Tabelle

Ich verwende ein geregeltes Netzteil aus den 80er Jahren und es kommt zu Überhitzungen des Regeltransistors P210 mit anschließender Erhöhung der Ausgangsspannung. Dies geschah auch im Zusammenspiel mit dem beschriebenen Sicherheitsmodul. Das Modul funktionierte wie erwartet, schaltete die Spannung ab, gab Ton- und Lichtsignale aus und zeigte die relevanten Informationen auf dem LCD an.

Die Mikrocontroller-Programme können von ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/10/modul.zip heruntergeladen werden.

Autor: N. Salimov

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