Ampèremètre voltmètre pour alimentation de laboratoire. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Technique de mesure

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Cet appareil est conçu pour fonctionner avec une alimentation dont la description est publiée dans [1], cependant, il peut également être connecté à une autre unité similaire. Il affiche non seulement la tension de sortie et le courant de charge de l'unité, mais remplit également plusieurs fonctions supplémentaires qui rendent l'alimentation électrique du laboratoire plus fiable et facilitent le travail pratique avec celle-ci.

La fonction principale de l'ampervoltmètre proposé (ci-après AVM) - mesurer la tension de sortie et le courant de charge de l'alimentation - est complétée par la possibilité d'indiquer le seuil défini pour le fonctionnement de la protection actuelle de l'unité, assemblée selon la description en 1]. Cela élimine le besoin de charger l'unité avec un courant maximum donné pendant le processus de réglage de ce seuil, puis de « capturer » soigneusement la position souhaitée du bouton de commande. Le microcontrôleur disponible dans l'AVM calcule facilement la valeur seuil de courant à partir de la tension mesurée par celui-ci sur le moteur de la résistance variable R5 (voir Fig. 1 dans [1]) et de la résistance de la résistance du capteur de courant R13 (ibid.). La valeur calculée est affichée sur l'écran LCD.

Fig. 1

Sur la base des résultats de la mesure de la tension à l'entrée et à la sortie de l'unité et du courant de charge, les valeurs de la puissance de charge et de la puissance dissipée par le transistor de commande de l'unité sont calculées et affichées. De plus, la température du dissipateur thermique de ce transistor est contrôlée. Selon les résultats de sa mesure, le ventilateur soufflant sur le dissipateur thermique s'allume et s'éteint automatiquement. Et en cas de surchauffe importante, l'alimentation électrique est déconnectée du réseau.

Une fonction supplémentaire de l'AVM est de limiter l'augmentation du courant de charge des condensateurs de lissage du redresseur alimentant l'unité, qui se produit lors de sa connexion au réseau. De plus, l'AVM propose un mode d'auto-calibrage.

Les dimensions de l'appareil ne dépassent que légèrement les dimensions de l'écran LCD utilisé. En fonction du mode d'affichage sélectionné, la tension de sortie, V, et le courant de charge, A, sont affichés sur son écran (Fig. 1) ; puissance de charge, W (Fig. 2); seuil de protection actuel, A (Fig. 3) ; température du dissipateur thermique du transistor de régulation, ^оC, puissance dissipée par celui-ci, W (Fig. 4). Si pendant le fonctionnement l'un des paramètres qui ne sont pas actuellement affichés à l'écran a changé, sa valeur y apparaît et après un certain temps, le mode d'affichage précédent est restauré.

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

Le schéma AVM est illustré à la fig. 5. Ses principaux composants sont des diviseurs de tension d'entrée et des filtres de suppression de bruit, un microcontrôleur DD1 contenant un CAN et effectuant tous les calculs nécessaires, ainsi qu'un LCD HG1 à dix bits.

Riz. 5 (cliquez pour agrandir)

AVM est contrôlé à l'aide de deux boutons. Le bouton SB1 change les modes d'affichage autour de l'anneau dans celui illustré à la fig. 1 à 4 séquences. Le bouton SB2 est conçu pour allumer et éteindre l'alimentation avec laquelle l'AVM fonctionne.

Étant donné que l'ADC intégré au microcontrôleur est capable de mesurer uniquement une tension qui ne dépasse pas la tension de son alimentation, des diviseurs de tension sont installés sur deux entrées de l'ADC. La première, composée des résistances R1 et R3, réduit de dix fois la tension de sortie de l'alimentation. Le deuxième diviseur est constitué des résistances R2 et R10 et a un facteur de division de 20. Il réduit la tension fournie à l'alimentation depuis le redresseur à une valeur acceptable pour l'ADC. La mesure de cette tension est nécessaire pour calculer la puissance dissipée dans le transistor de commande.

Les diviseurs ne sont pas nécessaires dans les circuits de mesure du courant de charge et du seuil de protection de courant, car la tension au niveau du capteur de courant R13 [1] et de la résistance variable R5 [1] ne dépasse pas la valeur autorisée pour l'ADC.

Les tensions mesurées sont appliquées à toutes les entrées ADC utilisées du microcontrôleur via un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure d'environ 7 Hz. Il s'agit de R4C1 dans le canal de mesure de tension de sortie (U_O), R5C2 dans la voie de mesure du courant de charge (I_н), R6C3 dans la voie de mesure du seuil de protection en courant (I_max), R7C4 dans la voie de mesure de température et R9C5 dans la voie de mesure de tension redressée U_vypr nécessaire pour réduire l’erreur associée à l’ondulation de la tension mesurée.

Les résultats de l'opération ADC traitée par le programme sont affichés sur l'indicateur HG1, qui est connecté au microcontrôleur via l'interface I.²C. Puisque, selon la spécification I²C, les sorties de signal d'interface doivent être à collecteur ouvert (drain), le programme configure les lignes PB0 et PB2 du microcontrôleur en conséquence. La charge pour eux est constituée de deux ensembles de résistances DR1.

Deux autres résistances du même ensemble maintiennent un niveau haut aux entrées PB1 et PB3 lorsque les boutons SB1 et SB2 qui y sont connectés ne sont pas enfoncés. Appuyer sur l’un d’eux règle l’entrée correspondante à un niveau bas. La résistance R10 maintient un niveau haut à l'entrée de réinitialisation du microcontrôleur.

Les broches du microcontrôleur utilisées pour charger le programme dans sa mémoire sont acheminées vers le connecteur X3, qui, si nécessaire, est connecté au programmateur. Le transistor VT1, par les signaux du microcontrôleur, contrôle le rétroéclairage de l'écran LCD HG1.

Les signaux mesurés sont fournis par un câble flexible, sur lequel est installée la prise X1. Les signaux pour contrôler le ventilateur, allumer l'alimentation électrique, ainsi que contrôler le circuit de limitation de courant pour charger les condensateurs de lissage du redresseur sont émis vers le bloc de broches X2.

Une tension d'alimentation de 5 V est appliquée aux broches 5 et 15 du microcontrôleur. Étant donné que l'ADC intégré est alimenté par la broche 15, un filtre L1C9 est inclus dans le circuit de cette broche pour éliminer les interférences avec son fonctionnement. Grâce au condensateur C7, la composante impulsionnelle du courant consommé par le microcontrôleur est fermée.

AVM est monté sur un circuit imprimé double face (Fig. 6). Avant l'installation, vous devez le "faire sonner" et retirer les cavaliers non gravés détectés entre les conducteurs. Il est recommandé d'installer un panneau pour le microcontrôleur sur la carte, car en cas d'erreurs de programmation des microcontrôleurs de la famille AVR, il arrive souvent que leur connexion avec un programmateur série classique AVM soit interrompue.

Riz. 6 (cliquez pour agrandir)

Comme il est difficile de métalliser les trous de la carte à la maison, les fils des pièces doivent être soudés des deux côtés de celle-ci. Dans ce cas, le panneau du microcontrôleur doit être une pince, sinon il ne sera pas possible de souder ses conclusions du côté de l'installation de la pièce. À travers les trous indiqués sur la Fig. 6 rempli, en l'absence de métallisation, il faut insérer et souder de courts morceaux de fil nu des deux côtés.

La métallisation peut également être réalisée à l'aide de rivets creux en cuivre (capuchons à percussion), en les insérant dans les trous de la planche et en les élargissant des deux côtés. Des jeux de tels pistons sont vendus, par exemple, sous les marques LPKF EasyContac et BG9.S rivets, mais ils sont assez chers.

La carte comporte des trous pour son montage et des emplacements pour installer les boutons SB1 et SB2, ainsi qu'un autre bouton non représenté sur le schéma (il est désigné SB3 et peut être utilisé comme bouton SB1 dans [1] via un relais intermédiaire) et le LED HL1 [1]. Les contacts du bouton SB3 et les sorties de la LED sont connectés au connecteur X5, qui n'est pas non plus représenté sur le schéma.

Si nécessaire, les dimensions de la planche peuvent être réduites à 65x42 mm en la coupant selon celle de la fig. 6 lignes pointillées. Dans ce cas, les boutons SB1 et SB2 sont situés à n'importe quel endroit pratique et connectés au connecteur X4 avec un faisceau de câbles ou un morceau de câble plat.

Résistances diviseuses de tension (R1-R3, R10) - C2-23 avec une tolérance de ±1 %. Si la résistance R2 d'une valeur nominale de 191 kOhm est introuvable, elle peut être composée de deux valeurs de 180 et 10 kOhm. Les résistances restantes sont C1-4-0,125. Thermistance NTC RK1 - B57703. L'ensemble de résistances 5A332J peut être remplacé par le HP-1-4-4M domestique à partir de résistances d'une valeur nominale de 3,3 kOhm. Condensateurs - céramique K10-17 ou importés. Starter L1 - EC-24 100 uH.

L'AVM utilise les connecteurs BLD-6 (X1), PLD-6 (X2), PLD-10 (X3), PLS-4(X4, X5). Boutons - n'importe quelle horloge avec une longueur de poussoir appropriée, par exemple TS-A6PS.

Indicateur - MT-10T11 [2] avec tous indices alphabétiques et numériques, sauf 3V0. Les indicateurs avec cet indice sont conçus pour une tension d'alimentation de 3 V et ne fonctionneront pas à 5 V. L'indicateur MT-10T12 fonctionnera également, mais il est deux fois plus grand.

Le transistor à effet de champ 2N7000 peut être remplacé par n'importe quel autre transistor à grille isolée à canal N avec une tension de seuil ne dépassant pas 3 V. Même un transistor bipolaire npn peut être utilisé, mais cela entraînera une plus grande puissance dissipée et un rétroéclairage plus faible. luminosité.

Vous pouvez essayer de remplacer le microcontrôleur ATtiny26-16PU par l'ATtiny26L-PU, mais son fonctionnement est garanti à une fréquence de résonateur à quartz ne dépassant pas 8 MHz. Le programme du microcontrôleur a été développé dans l'environnement Atmel AVR Studio et écrit en langage assembleur. Vous pouvez le charger dans la mémoire du microcontrôleur à l'aide du programmeur propriétaire AVR ISP mk II directement depuis l'environnement de développement, ou utiliser le programme AVReAl [3] et l'adaptateur Altera ByteBlaster [4]. L'affectation des broches du connecteur X3 correspond à cet adaptateur particulier. Il n'est pas exclu l'utilisation d'autres programmateurs pour les microcontrôleurs de la famille AVR. Les codes du fichier avm.hex sont saisis dans la mémoire FLASH du microcontrôleur, et du fichier avm.eep dans son EEPROM. La configuration du microcontrôleur doit correspondre à la fig. 7.

Fig. 7

L'algorithme de fonctionnement du programme consiste en une interrogation cyclique de cinq canaux de mesure avec une fréquence de 50 Hz. Lors de la mesure dans les canaux de tension et de courant, la tension de référence de l'ADC est de 2,56 V et est fournie par une source intégrée au microcontrôleur. Lors de la mesure de la température, la tension d'alimentation du microcontrôleur (5 V) est exemplaire.

Les résultats de l'opération ADC sont ajoutés au tampon en anneau, qui contient 25 lectures, chacune occupant deux octets (l'ADC du microcontrôleur est de dix bits). En fait, un historique des cinq dernières lectures est stocké pour chaque canal. Pour réduire la fluctuation des lectures dans chaque canal, la moyenne des cinq dernières lectures est calculée [5]. Après traitement, les valeurs de courant et de tension sont représentées par des nombres entiers compris entre 0 et 255, et la valeur du chiffre le moins significatif de la tension est de 0,1 V et le courant est de 0,01 A. Par conséquent, les limites de mesure de la tension et le courant sont respectivement de 25,5 V et 2,55 A.

La valeur de la tension redressée à l'entrée de l'alimentation [1] n'est pas affichée sur l'indicateur, mais permet de calculer la puissance dissipée par cette alimentation.

Les coefficients de correction pour chaque canal (à l'exception du canal de température), prenant en compte l'étalement des paramètres ADC et des résistances diviseuses de tension, sont stockés dans l'EEPROM du microcontrôleur. Par défaut, ils sont tous égaux à 1, mais grâce à la procédure d'auto-calibrage, ils peuvent prendre des valeurs de 0 à 2-1/64 par incréments de 1/64.

La température peut prendre une valeur de -55 à +125°C et s'affiche sur l'écran LCD en degrés Celsius entiers. Pour le calculer, une transformation tabulaire du résultat de l'opération ADC est utilisée. Si la valeur de température mesurée est supérieure à 45 ^оC, une commande d'allumage du ventilateur est générée s'il est inférieur à 40 ^оC, le ventilateur est éteint. Si la température dépasse 90 ^оAvec l'arrêt d'urgence de l'alimentation électrique, l'écran LCD affiche l'inscription "Surchauffe".

Pour démarrer le mode d'auto-calibrage, il faut utiliser le bouton SB2 pour signaler la coupure d'alimentation (AVM reste allumé), puis appuyer sur le bouton SB1 et, tout en le maintenant enfoncé, appuyer à nouveau sur SB2. Après cela, les exemples de tensions suivants sont appliqués au connecteur X1 AVM : à l'entrée U_vypr (broche 6) - 40 V, entrée U_O (suite 1) - 20 V, aux entrées I_н(suite 2) et moi_max (broche 5) - 0,5 V, ce qui correspond à la chute de tension sur le capteur de courant (R13 en [1]) à In = 2 A. Tension 7 IN.

Lors de l'étalonnage, les canaux sont indiqués sur l'indicateur par des lettres à l'extrême gauche : U - tension de sortie, I - courant de charge, L - courant de fonctionnement de la protection, t - température, r - tension du redresseur. Par exemple, avant de calibrer le canal de tension de sortie, l'inscription représentée sur la fig. 8.

Fig. 8

Les canaux à calibrer sont sélectionnés un par un en appuyant sur le bouton SB1, et à l'aide de SB2, le processus de calibrage du canal sélectionné est lancé. L'inscription "Enregistré" vous informera de son achèvement et de l'écriture du résultat dans l'EEPROM, et après 2 s supplémentaires, vous pourrez voir la valeur du paramètre correspondant calculée à l'aide du coefficient sélectionné sur l'indicateur. Après cela, vous pouvez passer au canal suivant en appuyant sur le bouton SB1 ou répéter l'étalonnage du précédent en appuyant sur SB2.

En affichant la valeur de la tension de sortie sur l'indicateur, l'AVM prend en compte la chute de tension aux bornes du capteur de courant, en la soustrayant du résultat de la mesure. Ainsi, à la fin de l'étalonnage, alors que les tensions de référence des entrées AVM sont supprimées, 19,5 V (0,5 V de moins que la tension de référence de 20 V) et 2 A (correspondant à une chute de tension de 0,5 V sur le capteur de courant) .

L'AVM est connecté au bloc d'alimentation [1] selon le schéma illustré à la fig. 9. La résistance R13, selon la description du bloc, est composée de trois résistances d'un watt d'une valeur nominale de 1 ohm, connectées en parallèle et a une résistance de 0,33 ohm. Vous devez leur ajouter une résistance supplémentaire identique, réduisant la résistance totale à 0,25 ohms. Cela simplifie les calculs effectués par le microcontrôleur AVM.

Fig. 9

Le même schéma montre un redresseur servant de source de tension d'entrée de l'alimentation sur le transformateur T1 et les diodes VD1-VD4, équipé d'une unité de limitation de courant pour charger le condensateur de lissage après la mise sous tension. Pour son fonctionnement simultanément avec le signal qui ouvre le transistor VT1, qui conduit au fonctionnement du relais K1 et à l'alimentation en tension secteur de l'enroulement secteur du transformateur, le microcontrôleur envoie également un signal qui ouvre le phototransistor de l'optocoupleur U1. . De ce fait, le transistor VT2 reste fermé après la mise sous tension de l'appareil, et le courant de charge des condensateurs de lissage du redresseur traverse la résistance R5 qui le limite.

Le programme du microcontrôleur AVM surveille le taux de changement de tension aux bornes de ces condensateurs. Dès qu'il diminue suffisamment (cela signifie que les condensateurs sont presque complètement chargés), le signal qui ouvre le phototransistor de l'optocoupleur U1 sera supprimé. En conséquence, la tension grille-source du transistor VT2 va augmenter. Son canal drain-source s'ouvrira. Étant donné que la résistance du canal ouvert n'est que de 0,018 ohms, tout courant notable traversant la résistance R5 ne circule plus et n'affecte pas le fonctionnement ultérieur de l'appareil.

Transformateur T1 - TTP-60 2x12 V. Les diodes Schottky 90SQ045, à partir desquelles le pont redresseur est assemblé, peuvent être remplacées par 1N5822.

L'AVM lui-même est alimenté par une source U2 séparée avec une tension de 5 V, dont la principale exigence est un minimum d'ondulations. Le microcontrôleur ne consomme pas plus de 20 mA, le rétroéclairage de l'indicateur consomme environ 100 mA, 100 mA supplémentaires sont nécessaires pour le relais K1 (TRIL-5VDC-SD-2CM).

Le fichier de carte de circuit imprimé AVM au format Sprint Layout 5.0 et son programme de microcontrôleur peuvent être téléchargés depuis ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/02/avm.zip.

littérature

1. Vysochansky P. Alimentation de laboratoire simple 1...20V avec protection de courant réglable. - Radio, 2006, n°9, p. 37.
2. Module à cristaux liquides MT-10T11. - melt.com.ru/docs/MT-10T11.pdf.
3. AVReAl - Programmeur AVR ISP. - real.kiev.ua/avreal/.
4. Adaptateurs avec lesquels AVReAl peut fonctionner. - real.kiev.ua/old/avreal/ru/adapters.html.
5. AVR222 : filtre à moyenne mobile à 8 points. -atmel.com/Images/doc0940.pdf.

Auteur : V. Rybakov

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