Цифровое устройство защиты с индикацией напряжения и тока

Предлагаемый прибор необходим при налаживании устройств, особенно с помощью лабораторных блоков питания. Прибор защищает налаживаемое устройство от перегрузки по току и от превышения напряжения питания. Он также обеспечивает удобную цифровую индикацию тока и напряжения, установку пределов срабатывания защиты и их сохранение в энергонезависимой памяти.

Предлагаемое устройство предназначено для использования с блоком питания. Оно обеспечивает цифровую индикацию напряжения и тока, потребляемого нагрузкой, раздельное включение и отключение защиты по току и напряжению, установку пределов срабатывания защиты. Результат измерений отображается двумя четырехразрядными индикаторами HG1 и HG2. На время отключения
прибора установки защиты сохраняются в энергонезависимой памяти. Прибор разработан на основе микроконтроллера PIC16F873, имеющего 10-разрядный АЦП.

Основные технические характеристики

Пределы измерения напряжения, В ...0...50
Пределы измерения тока, А ...0...9.99

Пороги срабатывания защиты:
по току, А ...от 0,01 до 9,99 с шагом 0,01
по напряжению, В ...от 0,1 до 50 с шагом 0,1

Время срабатывания защиты:
среднее  при  одной включенной защите, мс ...0,075 среднее,
при   двух включенных защитах, мс ...0,15
максимальное, мс ...1

Напряжение питания прибора, В ...9...40
Максимальный   потребляемый ток, мА ...50

Алгоритмы измерения тока и напряжения одинаковы и выполняются поочередно. После инициализации регистров микроконтроллера из памяти выбираются ранее установленные значения защиты по току и напряжению. Все операции по измерению входных величин и их перекодировку процессор выполняет в паузах между выводом информации на индикаторы. Период индикации одного разряда определяется временем, которое занимают 10 циклов измерения входного напряжения и тока. После индикации первого разряда программа выполняет 10 циклов измерения тока и напряжения. Цикл одного измерения занимает примерно 75 мкс, поэтому время срабатывания на превышение установленного значения, когда включены обе защиты, составляет 150 мкс. Во время вывода информации на индикаторы (с периодом 0,5 с) время срабатывания увеличивается до 1 мс.

После вывода на индикацию каждого разряда микроконтроллер устанавливает счетчик циклов измерения. Измерение входных величин начинается с выбора входа и включения АЦП. Программа считывает старший и младший регистры измерения с правым выравниванием (старшие 6 разрядов равны нулю). Считанные значения сравнивают на превышение установленных. Если измеренное значение больше установленного, отключается выход прибора и, соответственно, подключенная к нему нагрузка. Остальная часть программы продолжает выполняться, но повторно включить выход можно только после перезапуска микроконтроллера. Когда результат сравнения отрицательный, проверяют флаг прерывания. Если флаг прерывания установлен и истек очередной 0,5-секундный интервал, то измеренное значение перекодируется в двоично-десятичную систему и переписывается в регистры индикации. Следующий цикл индикации микроконтроллер выполняет с новыми значениями в этих регистрах.

Для исключения мигания индикаторов при граничных показаниях вывод на индикацию производится через 0,5 с. Счетчик 0,5 с организован с помощью восьмиразрядных таймера TMR0 и предделителя, включенного перед таймером. При переполнении таймера выполняется прерывание, заполняется счетчик прерываний и после восьмого прерывания устанавливается флаг 0,5 с.

Если 0,5 с не прошло, декрементируется счетчик циклов измерения и проверяется на ноль. Когда значение счетчика не равно нулю, цикл измерения повторяют. Если счетчик пуст, выполняется индикация следующего разряда.

После индикации последнего разряда микроконтроллер проверяет состояние кнопок "Установка"и "Разряд". Если производится установка, на единицу увеличивается число в выбранном разряде. После любого изменения значения защиты программа выполняет перекодировку двоично-десятичного числа в двоичную систему. Это необходимо для быстрого сравнения измеренного значения с установленным Установленные двоично-десятичное и двоичное числа микроконтроллер записывает в энергонезависимую память. Если нажата кнопка "Разряд", прибавляется единица в регистр запятой и программа переходит к выполнению циклов измерения. Во время индикации разряда с числом, равным числу, установленному в регистре запятой, в разряде включится запятая. Далее циклы индикации и измерения повторяются.

Напряжение питания прибора должно быть в пределах 9...40 В (предпочтительнее использовать интервал 9... 12 В). Нагрузку (налаживаемое устройство) подключают к выходу прибора. На вход прибора подают напряжение питания нагрузки, которое не должно превышать 50 В. Общие провода прибора и обоих источников питания соединены между собой и образуют единый общий провод. Однако с ним не должен быть соединен общий провод нагрузки, поскольку переключательный транзистор VT1 включен в разрыв минусового провода питания. Допустимо питать прибор от того же источника, что и нагрузку. При этом плюсовые провода входа и питания должны быть соединены. Однако нагрузка в этом случае защищена хуже. Предпочтительнее питать прибор от отдельного источника.

К портам В и С микроконтроллера DD1 подключены светодиодные индикаторы HG1, HG2 с общим катодом. Входы RA4, RA5 соединены с кнопками "Установка" и "Разряд". Источником образцового напряжения АЦП при измерении служит напряжение питания микроконтроллера. Линия порта RA2 запрограммирована как выход, управляющий полевым переключательным транзистором VT1. RA0 и RA1 — входы АЦП для измерения напряжения и тока соответственно. Стабилизатор на микросхеме DA1 вырабатывает напряжение питания 5,12 В для микроконтроллера DD1 и операционного усилителя DA2. В небольших пределах напряжение питания можно изменять подстроечным резистором R6, что используется при калибровке прибора.

Датчик напряжения — резистивный делитель R3R4, напряжение с которого подается непосредственно на вход RA0 микроконтроллера. Датчик тока — резистор R2. Напряжение на нем усиливает ОУ DA2.1 с коэффициентом, примерно равным 48. Далее оно через повторитель на ОУ DA2.2 поступает на вход RA1 микроконтроллера.

Резистор R2 можно изготовить из константанового или манганинового провода диаметром 1,5 мм, рассчитав его длину. Если прибор не предполагается использовать в условиях с большим перепадом температур (гараж — комната), то резистор можно сделать из нихрома (около 18 мм проволоки диаметром 1,5 мм). Добиваться точного значения сопротивления резистора R2 не нужно, так как проще подобрать сопротивление резистора R5 при калибровке измерителя тока.

Конструкция и детали.

Конденсатор С1 — любой оксидный, имеющий емкость и номинальное напряжение не ниже указанных на схеме. Его можно не устанавливать, если сглаживающий конденсатор блока питания прибора имеет емкость больше 10 мкФ и удален от микросхемы DA1 на расстояние не более 7 см. ОУ DA2 — LM358 с любым буквенным индексом или его аналог КР1040УД1. Семиэлементные светодиодные индикаторы могут быть любыми с общим катодом. Возможно, потребуется подбор резисторов R13-R20 для установки требуемой яркости свечения индикаторов. Подстроечный резистор R6 — СП5-16ВА-0.25. Этот резистор может быть также из другой серии с теми же установочными размерами и линейной функциональной характеристикой (А) Перед его установкой необходимо проверить, что при вращении движка не происходит разрыв электрической цепи в подвижной контактной системе.

Налаживание прибора начинают с установки напряжения питания на выводе 2 стабилизатора DA1 предварительно удалив микроконтроллер из панели, чтобы не повредить его избыточным напряжением питания. Вращением движка подстроечного резистора R6 устанавливают напряжение, равное 5,12 В. Затем возвращают микроконтроллер в панель и подключают цифровой измерительный прибор (например, мультиметр) на измерение напряжения с точностью не менее 0,1 В. Подают на вход напряжение и сравнивают показания измерительного прибора с информацией на индикаторе HG1. Совпадение показаний добиваются изменением в небольших пределах напряжения питания микроконтроллера резистором R6, не превышая максимально допустимого значения, равного 5,5 В. В случае необходимости подбирают резистор R3.

Налаживание измерителя тока начинают с замены постоянного резистора R5 переменным с сопротивлением 51 кОм. Последовательно с нагрузкой подключают цифровой амперметр, с точностью не менее 10 мА. Если без нагрузки индикатор HG2 показывает значение тока, не равное нулю, то это свидетельствует о наличии наводки, которую необходимо устранить подключением конденсатора емкостью 0,1...0,47 мкФ параллельно резистору R11. Включают нагрузку, потребляющую ток около 100 мА, и сравнивают показания цифрового амперметра с информацией на индикаторе HG2. Небольшую разницу в показаниях приборов устраняют вращением движка переменного резистора. После налаживания амперметра при малом токе желательно проверить точность показаний при токе нагрузки около 9 А. Естественно, для приборов такого класса точности при измерении больших значений тока возможно расхождение на 2—3 единицы младшего разряда. Измеряют сопротивление переменного резистора и устанавливают резистор R5 с таким же значением сопротивления.

Работа с прибором сводится к установке необходимых пределов срабатывания защиты. После включения прибора на индикаторах высвечивают: У000_У000. Нажимают кнопку "Установка" и вводят необходимое значение в том разряде, справа от которого светится запятая. Остальные запятые погашены, поэтому необходимо помнить вес устанавливаемых разрядов. При установке третьего разряда каждого индикатора может быть включена или погашена буква "У". В последнем случае защита отключена. Если это третий разряд индикатора HG1, то отключена защита по напряжению, а если HG2 — по току. Следует иметь в виду, что в режиме установки не выполняется сравнение измеренных значений с пределами срабатывания защиты, следовательно, защита нагрузки (налаживаемого устройства) в это время не осуществляется. Когда светящаяся запятая перемещается за пределы индикатора, прибор автоматически выходит из режима установки в режим измерения.

В режиме измерения в третьем разряде HG1 горит маленькая буква "и", а в третьем разряде HG2 — "Г. Если буквы расположены внизу (горят сегменты С и CDE), то защита измеряемой величины включена. Если буквы расположены сверху (горят сегменты В и BFG), то защита выключена. Из рабочего режима в режим установки можно перейти нажатием кнопки "Установка".

Как только измеренное значение превысит установленное, сработает защита: транзистор VT1 закроется и разомкнет цепь питания нагрузки. Потребляемый ею ток упадет до нуля, что и покажет индикатор HG2. Индикатор HG1 будет по-прежнему показывать напряжение. Для возврата прибора в исходное состояние после срабатывания защиты необходимо отключить нагрузку, выключить блок
питания прибора и снова его включить, чтобы перезапустить микроконтроллер.

Автор: Заец Н.