Witam.
Ostatnio dużo czasu spędziłem nad projektem miernika panelowego, który prezentuję poniżej. Założeniem tego projektu było wykonanie taniego miernika, który jednocześnie pozwala określić napięcia i płynące prądy z możliwie wysoką dokładnością. Dodatkowo - wyświetlanie poboru mocy czy też rezystancji dołączonego odbiornika może być przydatne w wielu zastosowaniach. Układ zbudowany jest z wielu popularnych wzmacniaczy operacyjnych TL081, których offsety kalibrowane są za pomocą potencjometrów wieloobrotowych oraz sieci rezystorów. Do pomiaru napięcia wykorzystywane są przetworniki analogowo-cyfrowe dostępne wewnątrz mikrokontrolera ATMega8. Wyniki pomiarów dostępne są na wyświetlaczu LCD 16x2 znaki. Przyciski na panelu przednim pozwalają w wygodny sposób przełączać się między wskazaniami prądu, mocy i rezystancji obciążenia.
Schemat można podzielić na dwie prawie symetryczne części. Jedna odpowiada za pomiar prądu i napięcia w ujemnym kanale współpracującego zasilacza, a druga w dodatnim. Cały opis należy rozpocząć od rezystora R+* (0,2R), gdyż występujący na nim spadek napięcia jest proporcjonalny do płynącego prądu. Współczynnikiem proporcjonalności jest w tym wypadku wartość 1/R+*. Rezystor ten nie występuje fizycznie na płytce miernika, gdyż jest szeregowym rezystorem pomiarowym w układzie współpracującego z miernikiem zasilacza. Punkt A powinien zostać dołączony do wyższego potencjału (przed rezystorem w zasilaczu), natomiast punkt B do potencjału niższego (za rezystorem pomiarowym). Wzmacniacz operacyjny U3 (TL081) porównuje napięcie w punkcie B z napięciem panującym na rezystorach R1-R4 (200R) względem punktu A. Jego wyjście tak steruje tranzystorem T1 (BC857) aby spadek napięcia na równoległym połączeniu R1-R4 był równy spadkowi napięcia na rezystorze pomiarowym R+*. Równoległe połączenie R1-R4, zamiast pojedynczego rezystora zostało zastosowane w celu polepszenia tolerancji rezystancji, a co za tym idzie - poprawia dokładność pomiaru. Prąd płynący przez T1 i R1-R4 płynie także przez rezystory R5-R8 (9,1k), a ponieważ wartość tych rezystorów (9,1k /4 = 2,275k) jest 45,5 razy większa od równoległego połączenia R1-R4 (50R), napięcie na kondensatorze C8 (100nF) jest 45,5 razy większe niż na rezystorze pomiarowym R+*. Jak łatwo zauważyć - pomiar prądu może odbywać się w maksymalnie 4 zakresach pomiarowych realizowanych przez rezystory R9-R12 (2,4k), R13-R16 (750R) i tranzystory MOSFET-N z komplementarnych par T3-T4. (IRF7106/IRF7105). Elementy T3 i T4 w istocie zawierają dwa tranzystory o przeciwnych polaryzacjach w jednej obudowie. Jeśli dla przykładu tranzystory MOSFET-N z T3 i T4 będą przewodzić (wysoki stan na bramkach G1) to prąd płynący przez T1 będzie trafiał na równoległe połączenie wszystkich rezystorów R5-R16, realizując najmniejszy mnożnik napięcia i zarazem największy zakres pomiarowy.
Napięcie z dzielnika rezystancyjnego filtrowane przez C8 trafia na wejście bufora nieodwracającego U4 (TL081) i dalej przez rezystor R21 (9,1k) na wejście przetwornika analogowo cyfrowego za pośrednictwem złącza GP1 (goldpin). Tranzystory zmieniające zakres sterowane są z mikrokontrolera za pomocą złącza GP2 (goldpin). Napięcie na wyjściu bufora U4 nie powinno przekroczyć 2,56V, gdyż przetwornik ADC pracuje z takim napięciem referencyjnym. Gdy napięcie zbliża się do tej wartości, zakres prądowy zostaje zmieniony automatycznie na większy.
Rezystory R17-R20 (47k) oraz potencjometry wieloobrotowe P1-P2 (10k) pozwalają zniwelować offset wzmacniaczy U3 i U4. W pierwszej fazie uruchomienia układu nie należy ich montować. Kondensatory C7 (100nF), C9-C10 (100nF) filtrują napięcia zasilające wzmacniacze U3 i U4. Wzmacniacz U3 pracuje na zasilaniu dodatnim o wartości maksymalnej 36V, natomiast U4 działa na zasilaniu symetrycznym +/-5V, aby dobrze przenosić sygnały w pobliżu masy. Powyższy opis dotyczy układu pomiaru prądu dodatniej szyny zasilającej.
Pomiar prądu na ujemnej szynie zasilacza jest bardzo podobny. Rezystorem pomiarowym jest tutaj R-* (0,2R), punkt C należy dołączyć do niższego potencjału, a punkt D do wyższego. Dzięki wzmacniaczowi operacyjnemu U6 (TL081) i tranzystorowi T2 (BC847) spadek napięcia na równoległym połączeniu R41-R44 (200R) jest taki sam jak na rezystorze pomiarowym R-*. Prąd płynący przez R41-R44 i T2 płynie także przez równoległe połączenie R23-R25 (9,1k) i R34 (9,1k). Podczas działania układu na wejściu odwracającym wzmacniacza U5 (TL081) ustali się potencjał masy, a zatem rezystor R34 jest podłączony równolegle do R23-R25. Napięcie na kondensatorze filtrującym C13 (100nF) jest w efekcie 45,5 razy większe od napięcia na rezystorze pomiarowym R-*. Wzmacniacz U1 pracuje w konfiguracji odwracającej o wzmocnieniu -1, co jest konieczne w celu umożliwienia pracy przetwornika analogowo-cyfrowego w mikrokontrolerze, pracującego tylko na napięciach dodatnich. Podobnie jak w kanale dodatnim dzięki tranzystorom MOSFET-P z par T3 i T4 oraz rezystorom R26-R29 (2,4k) i R30-R33 (750R), możliwa jest zmiana zakresów pomiarowych miernika prądu. Bramki tranzystorów MOSFET-P wymagają sterowania ujemnego względem masy, więc zostały podłączone do mikrokontrolera poprzez transoptory OPT1-OPT2 (LTV357T) pozwalające sterować bramki tranzystorów napięciem dodatnim względem masy. Rezystory R80-R81 (10k) podciągają bramki do potencjału masy, gdy OPT1 i OPT2 są wyłączone, natomiast R45-R46 (1k) ograniczają prąd diod transoptorów. Wyjście bufora odwracającego U5 trafia na rezystor R38 (9,1k) i dalej na złącze GP1.
Rezystory R36-R37 (47k), R39-R40 (47k) oraz potencjometry P3 (10k) i P4 (10k) pozwalają zniwelować offset wzmacniaczy U5 i U6. Kondensatory C11-C12 (100nF) oraz C14 (100nF) filtrują napięcie zasilania wzmacniaczy operacyjnych.
Pomiar napięcia wykonany jest w mniej skomplikowany sposób i działa w oparciu o dzielnik napięcia. W dodatnim kanale pracuje dzielnik składający się z równoległego połączenia R58-R61 (560k) oraz R50-R53 (160k). Stopień podziału wyznaczony jest tutaj na 10/45. Napięcie z dzielnika filtrowane jest za pomocą pojemności C15 (100nF), po czym trafia na bufor U7 (TL081) i poprzez rezystor R49 (9,1k) na złącze wyjściowe GP1, zapewniające kontakt z mikrokontrolerem. Pomiar napięcia dokonywany jest w dwóch zakresach pomiarowych zmienianych dzięki tranzystorowi MOSFET-N z komplementarnej pary T5 (IRF7105/IRF7106). Gdy tranzystor przewodzi do rezystorów R50-R53, dołączają się równolegle R54-R57 (44,2k), zmieniając stopień podziału dzielnika.
Pomiar napięć ujemnych dokonywany jest w bardzo podobny sposób. Dzielnik składa się tym razem z rezystorów R70-R73 (560k) oraz R63-R65 (160k). Podobnie jak na ujemnym zakresie pomiarowym dla prądu, rezystor R74 (160k) dokłada się równolegle do rezystorów R63-R65, ze względu na warunki pracy w układzie. Kondensator C18 (100nF) filtruje napięcie z dzielnika, które jest odwracane za pomocą wzmacniacza U8 (TL081). Stosunek rezystorów R75 (160k) i R74 (160k) ustala wzmocnienie U8 na poziomie -1. Zmiana zakresu pomiaru napięcia po stronie ujemnej odbywa się dzięki tranzystorowi MOSFET-P z pary T5 i rezystorom R66-R69 (44,2k), identycznie jak po stronie dodatniej. Do sterowania tranzystora MOSFET-P wykorzystywany jest transoptor OPT3 (LTV357) oraz rezystory R82 (10k) i R79 (1k).
Rezystory R47-R48 (47k), R76-R77 (47k) oraz potencjometry P5-P6 (10k) pozwalają wyzerować offset wzmacniaczy U7 i U8, a kondensatory C16-C17 (100nF) i C19-C20 (100nF) filtrują napięcie zasilania tych wzmacniaczy. Diody D1-D4 (BAT85) zabezpieczają przed nadmiernym wzrostem napięcia na wejściach wzmacniaczy operacyjnych U4, U5, U7 i U8. W ich miejsce można też dać dowolną zwykłą diodę krzemową w obudowie SOD80, gdyby okazało się, że wzmacniacze operacyjne nie pracują stabilnie (testy wykazały, że zależy to w dużej mierze od producenta wzmacniaczy).
Sercem układu jest tutaj mikrokontroler U1 (ATMega8) wraz z rezonatorem kwarcowym X1 (16MHz) i kondensatorami C1 (22pF) i C2 (22pF). Pomiar dokonywany jest za pomocą przetworników analogowo-cyfrowych wbudowanych w mikrokontroler. Sam przetwornik ADC może pracować tutaj na wewnętrznym lub zewnętrznym napięciu referencyjnym 2,56V. W roli zewnętrznego układu referencyjnego wykorzystywana jest regulowana dioda Zenera U2 (TL431) wraz z elementami współpracującymi P2 (10k), R2 (470R) i C5 (100nF). Kondensatory C5 (100nF) i C15 (10uF) filtrują napięcie referencyjne, a potencjometr P2 pozwala dostroić poziom napięcia.
Wejścia przetworników są filtrowane przez kondensatory C6-C9 (100nF), które tworzą filtr RC razem z szeregowym rezystorem wyjściowym znajdującym się w części analogowej układu. Złącza GP1 oraz GP2 zapewniają kontakt między płytkami.
Kondensatory C4 (100nF) i C14 (10uF) oraz dławik L1 (10uH) filtrują napięcie zasilające przetwornik. Kondensator C3 (100nF) blisko mikrokontrolera zapewnia filtrację napięcia zasilającego część cyfrową mikrokontrolera. Ponieważ miernik będzie wykorzystywany w zasilaczu i zasilany przeważnie z pomocniczego uzwojenia transformatora, na płytce przewidziano zasilacz stabilizowany wraz z mostkiem prostowniczym Br1 (1A). Kondensatory C10 (220uF), C11 (100nF), C12 (100nF) i C13 (47uF) współpracują ze stabilizatorem U3 (7805).
Prezentacja wyniku pomiaru odbywa się za pomocą wyświetlacza W1 (16x2). Jego kontrast można dostroić za pomocą potencjometru P1 (10k). Prąd podświetlania wyświetlacza ograniczony jest przez rezystor R1 (47R). Przyciski S1-S2 (uSwitch) umożliwiają zmianę trybu pracy miernika, a diody D1 i D2 sygnalizują przekroczenie najwyższego zakresu pomiarowego prądu. Prądy diod ograniczane są poprzez rezystory R3-R4 (470R).
Podłączenie miernika do zasilacza symetrycznego:
Punkty wyróżnione w układzie - wstępne uruchomienie:
Gdy już część analogowa miernika jest podłączona do zasilacza, można przystąpić do pierwszego uruchomienia układu. Wszystkie wejścia sterujące G1-G6 powinny być zwarte do masy. Po włączeniu zasilania należy sprawdzić, czy stabilizatory U1 i U2 dają odpowiednie napięcia (+/-5V). Jeśli wszystko jest OK, można wykonać pomiar napięć w kilku kluczowych punktach układu. Napięcie między punktami A i B jest proporcjonalne do płynącego prądu i powinno ono być równe napięciu między punktami A i E. Świadczy to o poprawnym działaniu układu pomiarowego ze wzmacniaczem U3. Dopuszczalne są tutaj niewielkie różnice napięcia w granicach 1mV (offsety wzmacniaczy nie zostały jeszcze wyzerowane). Z kolei napięcie w punkcie F względem masy powinno być około 45,5 razy większe niż między punktami A i E (sygnały sterujące są zwarte do masy, więc układ pracuje z najwyższym wzmocnieniem). Podobny pomiar możemy wykonać po stronie ujemnej szyny zasilania. Napięcie między C i D powinno być równe napięciu między punktami C i G, a w punkcie H względem masy napięcie powinno być 45,5 razy większe (co do wartości bezwzględnej) niż między C i G.
W dalszej kolejności sprawdzamy działanie buforów napięciowych U4 i U5. Napięcie w punkcie Ucurr+ na złączu wyjściowym powinno być równe napięciu w punkcie F (względem masy), natomiast napięcie w punkcie Ucurr- powinno być równe napięciu w punkcie H (ze znakiem "-").
Można jeszcze sprawdzić jak zachowują się napięcia w punktach F i H dla innych stopni podziału dzielnika. Wyboru podziału dokonujemy poprzez zmianę poziomów logicznych sygnałów sterujących G1-G4.
Ostatnią częścią, jaką warto sprawdzić, są dzielniki do pomiaru napięć. Napięcie w punkcie I względem masy powinno być 4,5 razy mniejsze niż napięcie w punkcie B, natomiast na wyjściu U+ napięcie powinno być równe temu w punkcie I. Po stronie ujemnej szyny zasilania sytuacja jest podobna. Napięcie w punkcie J jest 4,5 razy mniejsze niż w punkcie D (wartości bezwzględne), a w punkcie U- napięcie jest takie samo jak w punkcie J, tylko ze znakiem przeciwnym.
Można jeszcze sprawdzić drugi stopień podziału podając stan wysoki (5V) na sygnały sterujące G5 i G6.
Foto:
W załącznikach znajdują się pliki do termotransferu i montażowe oraz plik hex do zaprogramowania M8. Czekam na uwagi i sugestie.
Strona domowa projektu: http://mirley.firlej.org/miernik_panelowy_zasilacza_symetrycznego
Cool? Ranking DIY
Sprawdzałem z dobrym miernikiem i na teoretycznych wartościach współczynników w programie mam kilka miliamperów stałego offsetu. Miernika jeszcze nie podłączałem do zasilacza w którym będzie pracował, więc ostateczne pomiary zrobię jak złoże całość. To narazie pierwsza wersja układu tego typu i przedstawię tabelkę z wynikami jak wszystko skończę.
