用于测量和保护电源的模块。方案、说明

用于测量和保护电源的模块。无线电电子电气工程百科全书

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所提出的模块可以与实验室电源结合使用，以保护其负载免受超过既定限制的电压和电流的影响。

此类设备的描述已多次发表，一个例子是文章“具有测量功能的高级数字保护设备”（Radio，2007 年，第 7 期，第 26-28 页，作者 N. Zaets），该文描述了具有两位数七元件 LED 指示器的微控制器 PIC16F873 上具有类似用途的器件。相比之下，所提出的模块构建在 ATmega8535L-8PU 微控制器和包含 16 行 XNUMX 个字符的 LCD 上。

最初，我打算使用带有内置前置放大器的 ADC 微控制器的差分输入来测量电流。然而，测试揭示了这种测量的不稳定性。出于同样的原因，在电流测量单元中使用运算放大器也被认为是不合适的。选择了一种折衷方案，使用两个具有相对较高电阻的电流传感器电阻器的 ADC 通道来测量电流。

第一个通道使用电阻为 0,5 欧姆的电流传感器，可测量高达 1 A 的电流，分辨率为 10 mA。第二个通道能够使用电阻为 5 欧姆的电流传感器测量高达 0,1 A 的电流，分辨率为 0,05 A。该器件以 0,1 V 的增量测量电压。

保护响应时间主要取决于ADC的时钟频率（125 kHz）。使用示波器计算并确认的模数转换持续时间为 110 μs。微控制器花费 220 μs 加上执行开关命令的总持续时间来测量电压和电流。当微控制器时钟频率为 8 MHz 时，它们的执行时间为 3,7 μs。

在指示器上显示信息的程序有助于增加保护响应时间。程序每 0,28 秒访问一次（由 TimeDisp 常量设置）。它花费 4 ms 来输出信息（通过示波器测量）。时间由两个计数器进行计数，第一个计数器在每个测量周期由程序递增，第二个计数器对第一个计数器的溢出进行计数。当第二计数器的内容达到上述常数的值时，信息被输出到指示器。

随着指标调用周期的增加，指标维护期间发生紧急事件的概率会降低。如果需要最小响应延迟，则应禁止程序访问指示器。提供了这种模式。

该设备使用七个按钮、一个开关和一个带按钮的编码器进行控制。使用编码器可以简化将信息输入微控制器的过程。 64 位指示器显着增强了向用户通报设备状态的能力。

程序的体积相对较大是由于指示器上显示了大量的消息文本。除了显示视觉信息外，触发保护时还会发出声音警报。

文章中附有该程序的两个版本。第一个（源文本 Modul-P&M4.asm，引导文件 Modul-P&M4.hex）未提供将保护阈值的设置值保存在微控制器的非易失性存储器中的功能。打开电源或强制微控制器进入初始状态后，该程序会将最大允许值写入比较寄存器。

在程序的第二个版本中（源文本Modul-P&M-EP.asm，启动文件Modul-P&M-EP.hex），设置的阈值在电源关闭时保存在EEPROM中。下次打开它时，程序会恢复它们。

模块图如图所示。 1. 第一电流测量通道由电流传感器电阻 R12、R14、微调电阻 R16 和不对称 ADC 输入 ADC1 组成，第二电流测量通道由电阻 R11、R13、微调电阻 R15 和不对称 ADC 输入 ADC3 组成。第一个通道的负载连接在受保护源的正极端子和“-iv”端子之间，第二个通道的负载连接在同一源端子和“-iv.2”端子之间。来自“+U”端子的部分源电压，通过由恒定电阻器 R18 和微调电阻器 R17 形成的分压器，提供给 ADC4 ADC 的非对称输入进行测量。

米。 1.模块图（点击放大）

根据标准仪器设置 HG15 指示器上的电压和电流读数时，使用微调电阻器 R17-R1。每个晶体管开关在必要时断开负载和受控源，由一个强大的场效应晶体管和一个控制它的双极晶体管组成。这里可以使用阈值电压为 2...5 V 的场效应晶体管。

当电源打开（设置为初始状态）时，HL1 LED 会短暂闪烁，这是因为此后微控制器引脚处于高阻状态一段时间。结果，电流脉冲流过功率加电路 - LED HL1 - 电阻器 R2、R7 - 发射结 VT4 - 二极管 VD3 - 公共线（用于通道 1）。出于类似的原因，HL2 LED 会闪烁。

模块工作时，通道打开的同时，相应的 LED 灯亮起：通道 1 - HL1，通道 2 - HL2。

使用编码器 S1 设置电流和电压保护阈值。提供电压或电流保护的声音警报。为此，使用由晶体管VT5上的放大器和电磁发声器HA1组成的单元。

LCD HG1 采用由微控制器的 B 端口线路形成的 XNUMX 位数据总线。在其屏幕上，程序显示有关电压和电流测量值以及设备操作模式的信息。

打开电源或将微控制器设置为初始状态后，模块进入待机模式。两个通道均关闭，不执行电压和电流测量。将可调电压源连接到“+U”和“-ж”端子，将负载连接到“+U”和“-ж1”端子。按 SB3 按钮选择第一个通道后，使用微调电阻 R16 和 R17 以确保模块的读数与参考电流表和电压表的读数相匹配。按SB2按钮，返回待机模式。

然后将负载连接到通道 2（端子“+U”和“-iv.2”），通过按下 SB4 按钮并使用微调电阻 R15 选择第二个通道，直到 LCD 的读数与参考电流表的读数匹配。

通过按下编码器按钮，选择它来设置电压和电流保护阈值。通过旋转编码器，在其中一个通道中设置所需的电流阈值，然后按下 SB6（通道 1）或 SB7（通道 2）按钮，将该值写入微控制器比较寄存器。该程序禁止将通道 1 中的保护阈值设置为高于 1 A，如果您尝试这样做，则会在 LCD 上显示相应的警告。按 SB5 按钮将过压保护阈值写入比较寄存器。

记录所有阈值后，按 SB2 按钮使模块返回待机模式。通过超过既定的电压和电流阈值来检查保护装置的运行情况。当它被触发时，会发出声音信号，并且液晶显示屏上会显示发生的情况的信息。同时，发生触发的通道的 LED 将会熄灭。

保护触发后，可以选择两种进一步操作：按SB2按钮，返回待机模式，或按编码器按钮，进入阈值设置模式。在第二种情况下，比较寄存器中的当前值将被复制到编码器维护例程中使用的寄存器中，这将加快新值的设置速度。

在模块的工作模式下，通过按下SB5-SB7按钮，可以将已打开通道的电压或电流的当前值写入比较寄存器，并增加两个单位的最低有效位。

使用开关 SA1 打开高速保护，预先设置所需的电压、电流和阈值值。相关信息显示在液晶显示屏上。

该模块的印刷电路板如图2所示。 3、其元件排列如图所示。 2,54. 用于连接按钮、编码器、LED、LCD 和电源的所有接触焊盘均位于电路板边缘，间距为 220 mm。如果需要，您可以通过多针连接器连接外部组件和电源。由于电流消耗较大（高达 2 mA），指示灯背光直接由电源通过开关 SA20 供电。最好将对比度调节微调电阻R1放置在外壳的一侧壁上。第二通道负载电流流过的印制导线部分必须通过在其顶部焊上直径为 XNUMX mm 的焊线来加强。

电源测量与保护模块
米。 2.模块电路板

电源测量与保护模块
米。 3. 板上元素的位置

如有必要，电路板上有足够的空间安装晶体管 VT1 和 VT2 的散热器。 ATmega8535L-8PU 微控制器可以替换为 ATmega8535-16PU 或具有 PI 指数的同系列之一，以及带有 WH-16400A-YGH-CT 或其他俄罗斯四线的 DV-1S1604F-BLY-H/R LCD带有与 KS0066U 兼容的控制器。 HCM0905A 适合代替电磁发声器 HC1212F。图中所示的 GS1A 二极管（VD2 和 VD3）与表面贴装版本的 1N4001 二极管类似。

微调电阻R15-R17为多匝进口3266W，阻值100～500欧姆（R15、R16），至少500欧姆（R17）。可以用由调试期间选择的两个恒定电阻器组成的分压器代替微调电阻器。

电阻R12、R14——MOH-0,5，可用进口CF-50或CF-100替代。电阻R11、R13 - SQP，功率为3W。测量电流限制为 5 A 是因为这些电阻器在较高电流下升温过多。当更换为更强大的产品时，例如电线 KNP-500 或 KNP-600，您可以测量高达 9,9 A 的电流，而无需更改程序。

为了给模块供电，作者使用了视频播放器的变压器电源。 +12V 电压从+5V 集成稳压器的输入中去除。

该模块由 300 W 计算机电源组装在一个机箱中。机箱中的所有旧内容均已移除，后壁已被切除。它的剩余部分形成一个框架，模块的新塑料前面板用 M3 螺钉固定在框架上。从该面板侧面看的视图如图 4 所示。 XNUMX.

电源测量与保护模块
米。 4、模组外观

微控制器程序是在AVR Studio 4开发环境中创建的。ATmega8535L微控制器与内部RC振荡器一起工作，频率为8 MHz的配置必须与表相对应。

表

类别	比较。	类别	比较。
S8535C	1	水平	1
威登	1	博登	1
斯皮恩	0	被测单元1	1
斯科普特	1	被测单元0	0
欧洲储蓄银行	1	CKSEL3	0
靴子1	0	CKSEL2	1
靴子ZQ	0	CKSEL1	0
引导程序	1	CKSEL0	0

我使用的是80年代的稳压电源，出现P210稳压管过热的情况，随后输出电压升高。当与所描述的安全模块一起工作时也会发生这种情况。模块按预期工作，关闭电压，发出声光信号，并在液晶屏上显示相关信息。

微控制器程序可以从 ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/10/modul.zip 下载。

作者：N.萨利莫夫

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