Spannungswandler am Mikrocontroller zur Versorgung des Messgerätes. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter

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Bei dem vorgeschlagenen Gerät handelt es sich um einen 3-V-DC-zu-9-V-DC-Wandler. Er hat die Abmessungen einer 66-Volt-Krona-Batterie und soll diese in autarken Messgeräten ersetzen. Die primäre Spannungsquelle sind zwei Salz- oder alkalische galvanische Zellen der Größe AAA. Es ist möglich, Ni-MH-Akkus gleicher Größe zu verwenden. Der Wirkungsgrad des Konverters beträgt 81...XNUMX %.

Die Wandlerschaltung ist in Abb. dargestellt. 1. Seine Hauptkomponente ist der Mikrocontroller ATtiny13A-SU (DD1), der von einem internen RC-Oszillator getaktet wird. Der Boost-Spannungswandler ist auf dem Transistor VT1, der Induktivität L1, der Schottky-Diode VD1 und dem Kondensator C4 implementiert. Der Transistor VT2 trennt die Last vom Wandler im „Schlaf“-Betriebsmodus des Mikrocontrollers. Die Zenerdiode VD2 und der Widerstand R5 schützen die Wandlerelemente im Falle einer Lastunterbrechung (Abschaltung). Im Normalbetrieb fließt kein Strom durch die Schutzschaltung.

Reis. 1. Stromrichterschaltung

Der Konverter ist für den Betrieb mit konstanter Last ausgelegt. Seine Ausgangsspannung ist nicht stabilisiert und hängt von der Versorgungsspannung ab. Sie sinkt beispielsweise auf 7,6 V, wenn die Versorgungsspannung auf 2,5 V sinkt.

Um die Energie der primären Stromquelle besser zu nutzen und die Ausgangsspannung auf einem bestimmten Niveau zu halten, prüft der DD1-Mikrocontroller die Spannung an seinem Ausgang, wenn der Wandler startet. Dazu wird ein Teil der Ausgangsspannung des Trimmerwiderstands R4 dem PB4-Eingang des Mikrocontrollers zugeführt, der als Eingangsmodus des eingebauten Spannungskomparators fungiert.

Alle Komponenten des Konverters sind auf einer 48x26 mm großen Platine aus beidseitiger Glasfaserfolie mit einer Stärke von 1 mm untergebracht. Die Zeichnung und Anordnung der Teile ist in Abb. dargestellt. 2. Auf der teilefreien Seite der Platine werden vier Kontakte zum Anschluss von Batterien in die dafür vorgesehenen Löcher eingelötet. Die Kontakte sind aus 0,3 mm dickem Messingblech geschnitten. Kontakthöhe – 10 mm, Breite – 5...8 mm, Länge des Blütenblatts zum Einlöten in das Loch – 2 mm, Breite – 1,5 mm.

Reis. 2. Konverterplatine und Platzierung der Elemente darauf

Die Oxidkondensatoren haben die Größe D von TECAP, die übrigen Kondensatoren und Widerstände haben die Größe 1206 für die Oberflächenmontage. Trimmerwiderstand R4 – SP3-19a-0,5 W, Induktivität L1 – LQH43CN101K. Die Wahl des Induktors beeinflusst maßgeblich den Wirkungsgrad des Wandlers. Wenn Sie beispielsweise den oben genannten Induktor durch einen etwas größeren RLB0712 ersetzen, erhöht sich der Wirkungsgrad um 3 bis 5 %, aber leider gehen die Abmessungen des Wandlers über die Abmessungen der Krona-Batterie hinaus. Um diesen Induktor auf der Platine zu montieren, gibt es Pads mit Löchern, die mit L1' gekennzeichnet sind. Die Montage erfolgt „liegend“. Durch den Austausch der BAT1-Diode, die ursprünglich in einer der Konverteroptionen als VD41 verwendet wurde, durch eine MBR0540 konnte der Wirkungsgrad um 2 % gesteigert werden.

Eine Ansicht des zusammengebauten Konverters von der Teileseite ist in Abb. dargestellt. 3 und von der Seite der Batterieinstallation - in Abb. 4.

Reis. 3. Ansicht des zusammengebauten Wandlers von der Teileseite

Reis. 4. Ansicht des zusammengebauten Konverters von der Batterieeinbauseite

Das Mikrocontroller-Programm nutzt seinen 37500-Bit-Timer, der im schnellen PWM-Modus arbeitet, und einen analogen Komparator. Die Pulswiederholrate bei PWM wird mit 9,6 Hz gewählt – das Maximum, das bei einer Mikrocontroller-Taktfrequenz von 0 MHz möglich ist. An den nichtinvertierenden Eingang AI NXNUMX des Analogkomparators ist eine interne Referenzspannungsquelle angeschlossen.

Tabelle

1 - nicht programmiert
0 - programmiert

Die an Pin PB4 des Mikrocontrollers angelegte gesteuerte Ausgangsspannung wird über den ADC-Multiplexer dem invertierenden Eingang des Komparators AIN1 zugeführt. Der Status des ACO-Komparatorausgangs wird von der Interrupt-Verarbeitungsroutine überprüft, wenn der Timer T0 überläuft. Wenn ACO=1, wird der Wert im Timer-Vergleichsregister erhöht, was das Tastverhältnis der Impulse erhöht, die den Transistor VT1 des Wandlers steuern. Bei ACO=0 bleibt dieser Wert unverändert, da die Ausgangsspannung bereits die vorgegebenen 9 V erreicht hat.

Der Timer zum Herunterfahren des Wandlers ist in Software implementiert und ein Zähler, der durch Interrupts vom Timer T0 dekrementiert wird. Das Programm berechnet den in die Register dieses Zählers geschriebenen Anfangswert anhand der Formel N=T_WOW!·37500, wobei T_WOW! - erforderliche Dauer des Konverterbetriebs vor der Abschaltung, s; 37500 – Wiederholungsfrequenz der Steuerimpulse, Hz. Das Programm gibt T an_WOW!=900 s (15 min). Nach dieser Zeit „schläft“ der Mikrocontroller ein und wechselt in den Mikroenergieverbrauchsmodus POWER DOWN.

Die Steuerung des Konverters ist über die optionale Taste SB1 möglich, deren Anschluss im Diagramm in Abb. dargestellt ist. 1 durch gestrichelte Linien. Eine externe Interrupt-Anfrage, die beim Drücken dieser Taste generiert wird, bringt den „schlafenden“ Mikrocontroller in den Betriebsmodus zurück. Und wenn Sie die Taste drücken, während der Konverter läuft, wechselt der Mikrocontroller vom Arbeitsmodus in den „Ruhemodus“ und schaltet den Konverter aus. Um die Taste in verschiedenen Modi zu betätigen, generiert das Programm Verzögerungen von 0,5 s. Im „Sleep“-Modus des Mikrocontrollers verbraucht der Wandler nur 6...10 μA, daher ist bei vorhandenem Taster der Schalter SA1 nicht notwendig und kann weggelassen und durch einen Jumper ersetzt werden.

Fehlt der SB1-Taster, ist ein erneutes Einschalten des Konverters mit dem SA1-Schalter nach Auslösen des Shutdown-Timers erst nach zwei Minuten möglich. Während dieser Zeit verbraucht der Mikrocontroller bei geöffnetem Schalter die im Kondensator C2 gespeicherte Energie und befindet sich im Schlafmodus.

Der Konverter ist ohne Bezug auf einen bestimmten Messgerätetyp konzipiert, der eine Versorgungsspannung von 9 V benötigt. Die Modifikation eines solchen Geräts besteht darin, den Schalter SA1 oder den Taster SB1 darin einzubauen. Sie können bequem über Miniaturstecker an den Konverter angeschlossen werden. Der Austausch des Konverters durch eine Krona-Batterie bereitet keine Schwierigkeiten.

Nachdem Sie alle Teile außer der Induktivität L1 auf der Platine installiert und auf Unterbrechungen und Kurzschlüsse überprüft haben, stellen Sie den Schieberegler des Widerstands R4 in die mittlere Position und fahren Sie mit der Programmierung des Mikrocontrollers fort. Die Codes aus der dem Artikel beigefügten Datei CONVERTER-DC2.hex müssen in den Programmspeicher des Mikrocontrollers geladen werden. Seine Konfiguration sollte gemäß der Tabelle programmiert werden. Beachten Sie, dass das vom Hersteller des Mikrocontrollers programmierte CKDIV8-Bit unprogrammiert sein muss.

Auf der Platine sind alle für den Anschluss an den Programmierer notwendigen Kontaktpads vorhanden. Wenn der Programmierer nur mit einer Versorgungsspannung von 5 V arbeitet, legen Sie die gleiche Spannung an den Stromkreis des Mikrocontrollers an. Nach erfolgreicher Programmierung muss die Platine mit 3 V versorgt werden.

Messen Sie die Stromaufnahme des Messgeräts, mit dem Sie den Konverter verwenden möchten, und belasten Sie den Konverter mit einem Widerstand mit geeignetem Wert. Nachdem Sie die Induktivität L1 installiert haben, versorgen Sie den Wandler mit Strom und stellen Sie die Ausgangsspannung mit dem Trimmwiderstand R4 ein

entspricht 9 V. Wenn Sie den Trimmerwiderstandsschieber entsprechend der Schaltung auf seinen unteren Anschluss bewegen, erhöht sich die Ausgangsspannung und in der entgegengesetzten Richtung verringert sie sich. Bitte beachten Sie, dass das Programm die Ausgangsspannung nur ändert, wenn der Strom eingeschaltet wird oder wenn der Mikrocontroller den Ruhemodus verlässt.

Schalten Sie den Konverter aus, schließen Sie eine echte Last daran an und schalten Sie ihn wieder ein. Wenn die Spannung von der erforderlichen abweicht, stellen Sie sie mit dem Trimmwiderstand R4 ein. Messen Sie dann den von den Elementen G1 und G2 entnommenen Strom und berechnen Sie den Wirkungsgrad des Wandlers. Bei einem der von mir hergestellten Muster betrug er 74 % bei einer Versorgungsspannung von 3 V und 64 % bei 2 V. Bei einem Konverter, in dem die Induktivität RLB0712 verbaut ist, betrug der Wirkungsgrad 78 % bzw. 66 % .

Wird bei einer Eingangsspannung von 3 V und einem Laststrom von 6 mA die Ausgangsspannung auf 9,2 V eingestellt, so sinkt sie bei einer Eingangsspannung von 2 V auf 8,5 V. Bei weiterer Entladung der Versorgungsbatterie, wenn Die Ausgangsspannung sinkt auf 6,5 V. Auf der Anzeige des Messgeräts erscheint ein Symbol für niedrigen Batteriestand.

Ich habe zwei Kopien des Konverters angefertigt: eine zur Stromversorgung des Multimeters DT930F+ und die zweite zur Stromversorgung des Kapazitäts- und Induktivitätsmessgeräts MY6243. Diese Geräte verfügen nicht über einen Abschalttimer, daher kam es häufig vor, dass die Batterien aus Vergesslichkeit vollständig entladen wurden. Nach der Installation von Konvertern hörten solche Probleme auf.

Das Mikrocontroller-Programm kann von ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/01/conv.zip heruntergeladen werden.

Autor: N. Salimov

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