chciałbym przedstawić moją konstrukcję, którą wykonałem w ramach pracy inżynierskiej.
Jednym z założeń były wartości napięcia zasilania i natężenia prądu obciążenia.
Zgodnie z normą PN-EN 60038:2011 w Polsce są to sieci o napięciu nominalnym 230 V i częstotliwości 50 Hz. Norma dotycząca jakości energii elektrycznej PN-EN 50160:2010 dopuszcza odchylenie napięcia o ±10% wartości znamionowej. Aby istniała możliwość zarejestrowania napięcia wykraczającego poza omówiony zakres, urządzenie zaprojektowano do pracy przy zasilaniu o wartości od 195 V do 265 V (230 V ±15%). Wartość skuteczna natężenia prądu obciążenia nie powinna przekraczać 16 A.
Kolejnymi założeniami były:
- Rejestracja następujących wielkości: wartości skuteczne napięcia i natężenia prądu, częstotliwość napięcia zasilania, moc czynną, moc bierną, moc pozorną, współczynnik mocy oraz pobór energii czynnej i biernej.
- Interwał rejestracji nastawny od 1 sekundy do 1 godziny z skokiem nastawy jednej sekundy.
- Dodatkowe zasilanie bateryjne.
- Bezpieczeństwo użytkowania.
- Podział urządzenia na układy: układ pomiarowy oraz układ agregacji wyników pomiarów.
Na poniższym rysunku przedstawiono schemat blokowy zbudowanego rejestratora.
Sercem układu pomiarowego jest układ scalony MCP39F511, jako przetwornik do pomiaru napięcia wykorzystano dzielnik napięcia z współczynnikiem podziału 999, natomiast przetwornik do pomiaru prądu to rezystor pomiarowy o wartości 2 mΩ. Komunikacja z zastosowanym układem odbywa się przy pomocy interfejsu UART, a informacje przesyłane pomiędzy układem pomiarowym i układem agregacji pomiarów są poprzez izolator cyfrowy ADUM1401.
Sercem układu agregacji wyników pomiarów jest mikrokontroler ATSAM4S8BA. Głównym powodem wyboru tego układu była chęć poznania obsługi karty pamięci SD z wykorzystaniem magistrali SDbus oraz fakt, że już wcześniej posiadałem programator do produktów Atmela.
Interfejs użytkownika wykonano przy pomocy wyświetlacza alfanumerycznego OLED 2x12 i membranowej klawiatury. Membranową klawiaturę wykonano na laminacie o PCB o grubości 0,08 mm. Na poniższym rysunku przedstawiono laminat przed procesem trawienia.
Klawiatura składa się z 3 warstw:
- Obwodu drukowanego, z polami przycisków których dotknięcie elementem przewodzącym powoduje zwarcie do masy.
- Warstwy dystansowej wykonanej z folii o grubości 0,4 mm z wyciętymi otworami na przyciski.
- Oraz warstwy opisowej, zrobionej z zwykłej kartki papieru zalaminowanej od strony widocznej dla użytkownika.
Do warstwy opisowej od dołu, nad polami przycisków przyklejone są fragmenty samoprzylepnej taśmy miedzianej, które zwierają pola przycisków.
Podsumowując budowę klawiatury posiada ona ułożone warstwy zgodnie z poniższym rysunkiem, gdzie 1 - obwód drukowany, 2 - warstwa dystansowa, 3 - warstwa opisowa.
Zdaję sobie sprawę że samodzielne wykonanie klawiatury membranowej nie jest idealnym rozwiązaniem i nie gwarantuje niezawodnej pracy na długie lata, ale na ten moment spełnia swoje zadanie jednocześnie idealnie pasując do zastosowanej obudowy.
Sposób zasilania poszczególnych układów przedstawiono na poniższym schemacie blokowym.
Główną przetwornicę obniżającą napięcie 230 VAC/ 12 VDC zbudowano w oparciu o układ VIPER16HD. Poszczególne elementy aplikacyjne dobrano w aplikacji eDesignSuite udostępnianej przez producenta.
Do obniżenia napięcia dla układów scalonych w układzie pomiarowym zastosowano liniowy stabilizator napięcia o napięciu wyjściowym 3,3 V. Z napięcia 3,3 V wydzielono zasilanie dla elementów analogowych i zasilanie dla elementów cyfrowych łącząc ich masy w jednym punkcie.
Do przeniesienia zasilania z części pomiarowej do części agregującej wyniki pomiarów zastosowano gotową izolowaną przetwornicę 12 VDC/12 VDC. Celowo wybrano napięcie wyjściowe przetwornicy 12 V, aby umożliwić w prosty sposób za pomocą diod Schottky’ego przełączanie pomiędzy zasilaniem podstawowym a awaryjnym zasilaniem składającym się z 6 ogniw (1,5 V) połączonych szeregowo.
W układzie agregacji wyników pomiarów do obniżenia napięcia do poziomu akceptowalnego dla układów scalonych wykorzystano nieizolowaną przetwornicę DC/DC obniżającą napięcie o napięciu wyjściowym 3,3 V i napięciu wejściowym 4,5 V - 28 V . Podczas doboru przetwornicy między między innymi zwracano uwagę na dolną granicę napięcia wejściowego, gdyż niższa wartość tego parametru pozwala na rozładowanie ogniw do niższego poziomu.
Na poniższych rysunkach przedstawiam schematy ideowe całego urządzenia.
Obwody drukowane zaprojektowano z myślą o umieszczeniu w obudowie KM-103B.
Podczas kalibracji i badania wykorzystano analizator jakości PQ-BOX 100. Przy założeniu że wartości wskazywane przez zastosowany analizator są wartościami prawdziwymi, dla następujących wielkości uzyskiwano wyniki:
- wartość skuteczna napięcia, wartość skuteczna prądu, częstotliwość, moc czynna, moc pozorna, współczynnik mocy oraz pobór energii czynnej - uzyskiwano błędy względne poniżej 2%.
- moc bierna - maksymalny błąd względny dla mocy biernej wyniósł 39,49%. Błąd rzędu przedstawionej wartości występował, gdy współczynnik mocy PF był bliski jedności (rezystancyjny charakter obciążenia). W momentach, gdy współczynnik mocy PF utrzymywał się w przedziale wartości od - 0,8 do 0,8 to maksymalny błąd względny dla mocy biernej wynosił poniżej 2%.
- przykładowe wyniki pomiarów energii wraz z wyliczonymi błędami przedstawiono w poniższej tabeli.
Tabela przedstawia wyniki po godzinnej rejestracji.
Do rejestratora napisano również aplikację do prezentacji oraz prostej analizy uzyskanych wyników pomiarów. Aplikacja została napisana w Javie FX. W aplikacji przepływ danych wykonywany jest zgodnie z schematem blokowym.
A okno z przykładowymi danymi prezentuje się w następujący sposób.
Poniżej przedstawiono przykładowe pomiary wykonane zbudowanym urządzeniem.
- cykl jednego prania, na wykresach szczególnie jest widoczny wpływ załączenia grzałki na napięcie zasilania
- doba pracy lodówki
- tygodniowa rejestracja napięcia i częstotliwości, rejestrator podłączony w punkcie jak najbliższym skrzynki rozdzielczej w obwodzie nieobciążonym odbiornikami (wartości 10-cio minutowe)
Podsumowując założenia projektowe zostały spełnione, projekt umożliwia dalszy rozwój. Konstrukcja sprzętowo pozwala na pracę przy wartościach skutecznych napięć zasilania w przedziale 85 - 265 V, natomiast by pracować przy innych częstotliwościach niż 50 Hz oprogramowanie mikrokontrolera wymagałoby lekkiego rozszerzenia. W układzie pomiarowym znalazł się czujnik temperatury, który jest nieużywany, a mógł posłużyć do kompensacji temperaturowej wyników pomiarów. W planach również jest rozszerzenie aplikacji do prostej analizy wyników pomiarów o takie funkcjonalności jak automatyczny dobór uśredniania na podstawie ilości danych do wyświetlenia oraz funkcjonalności umożliwiającej obliczenia kosztów energii.
Cool? Ranking DIY
Testowałem kiedyś układ MCP39F511 i układ ten dziwnie się zachowywał przy przeciążeniu (układ zmieniał wzmocnienie kanału prądowego przy przekroczeniu ok 90 % zakresu pomiaru prądu, powrót do poprzedniego wzmocnienia następował po zmniejszeniu prądu do ok 30% zakresu pomiarowego). Ostatecznie w podobnym mierniku zastosowałem układ ATM90E26. Proponuję również przemyśleć zastosowanie przekładnika prądowego zamiast rezystora pomiarowego.
