49_52.pdf

P R O J E K T Y

Licznik amperogodzin

kit AVT−818

Przyrz¹dy do mierzenia

wartoúci elektrycznych naleø¹

do øelaznego repertuaru pism

przeznaczonych dla

elektronikÛw. Opisywaliúmy

juø wiele takich uk³adÛw.

By³y to przede wszystkim

najrÛøniejsze woltomierze,

amperomierze, mierniki RLC

i†czÍstotliwoúci.

Teraz chcia³bym

zaproponowaÊ budowÍ

przyrz¹du umoøliwiaj¹cego

pomiar ³adunku, ktÛry zosta³

dostarczony do lub pobrany

z†jakiegoú urz¹dzenia.

Podstawowe zastosowanie pro-

ponowanego uk³adu narzuca siÍ

samo: moøe on s³uøyÊ do precy-

zyjnego monitorowania procesu

³adowania i†roz³adowywania aku-

mulatorÛw. Podczas normalnej

eksploatacji akumulatorÛw, stan-

dardowe urz¹dzenia s³uø¹ce do

ich obs³ugi okazuj¹ siÍ zwykle

zupe³nie wystarczaj¹ce. Typowe

³adowarki spe³niaj¹ swoje zada-

nie, poniewaø zwykle nie intere-

suje nas ìwyciúniÍcieî z†akumu-

latorÛw maksimum ich moøliwoú-

ci. Jednak w†zastosowaniach bar-

dziej profesjonalnych moøliwoúÊ

ci¹g³ego monitorowania pracy aku-

mulatora moøe okazaÊ siÍ nie-

zwykle cenna. Obserwacja bilansu

energetycznego ogniw jest bardzo

uøyteczna podczas procesu formo-

wania akumulatorÛw, ktÛre maj¹

byÊ zastosowane jako ürÛd³o ener-

gii w†modelach samolotÛw z†na-

pÍdem elektrycznym, a†takøe pod-

czas kontroli akumulatorkÛw za-

silaj¹cych aparaturÍ zdalnego ste-

rowania. Informacja o†tym, ile

w†rzeczywistoúci moøemy pobraÊ

pr¹du z†akumulatora moøe mieÊ

decyduj¹ce znaczenie dla bezpie-

czeÒstwa lotu miniaturowego, ale

bardzo kosztownego samolotu. Po-

s³uøy³em siÍ tu przyk³adem wziÍ-

tym ìz mojego podwÛrkaî, ale

s¹dzÍ, øe zaprojektowany przeze

mnie uk³ad znajdzie zastosowanie

takøe podczas innych operacji

zwi¹zanych z†eksploatacj¹ i†kon-

serwacj¹ akumulatorÛw

Podstawowe parametry licznika:

Opis dzia³ania uk³adu

Schemat elektryczny propono-

wanego przyrz¹du zosta³ pokaza-

ny na rys. 1 , a†na rys. 2 przed-

stawiono jego schemat blokowy.

Jak widaÊ, uk³ad jest niezwykle

prosty, a†pozorne skomplikowanie

schematu spowodowane zosta³o

jedynie umieszczeniem na nim

powtarzaj¹cych siÍ czterokrotnie

blokÛw funkcjonalnych: licznik +

dekoder BCD na kod wyúwietla-

cza siedmiosegmentowego + wy-

úwietlacz. Najwaøniejszym w uk³a-

dzie jest jednak blok pomiarowy

zbudowany na uk³adach IC1 i†IC2

i†od niego w³aúnie rozpoczniemy

omawianie schematu.

Zbudowanie przetwornika pr¹d

- napiÍcie jest w†zasadzie spraw¹

prost¹ i†taki uk³ad moøna skon-

struowaÊ z†wykorzystaniem tylko

jednego wzmacniacza operacyjne-

Zakres napięć wejściowych: 3..36VDC;

Zakres pomiaru prądu: ±3A;

Prądowy współczynnik przetwarzania: 500A/A;

Wyjściowy współczynnik przetwarzania: 1V/

A (przy wartości R1 +PR1=2k Ω

);

Wartość rezystancji rezystora pomiarowego

(wewnątrz struktury układu): 35m Ω

;

Pobór prądu: maks. 100 µ

Sygnalizacja kierunku przepływu prądu.

Elektronika Praktyczna 6/99

Licznik amperogodzin

Licznik amperogodzin

Rys. 1. Schemat elektryczny miernika.

go. Podczas praktycznej realizacji

uk³adu pojawiaj¹ siÍ jednak dwa

problemy. Po pierwsze, trudno

jest zdobyÊ rezystor pomiarowy

o†odpowiedniej klasie dok³adnoú-

ci. Rezystory takie s¹ wprawdzie

produkowane, lecz s¹ to elementy

relatywnie drogie i†trudne do na-

bycia w pojedynczych egzempla-

rzach. Pozostaje zatem stosowanie

typowych rezystorÛw i†koniecz-

noúÊ wykonywania ømudnej ka-

libracji wykonanego przyrz¹du.

Drugi problem, specyficzny dla

uk³adu, ktÛry zamierzamy zbudo-

waÊ, jest znacznie powaøniejszy.

Jeøeli bowiem mamy zamiar do-

konywaÊ pomiarÛw pr¹du zarÛ-

wno wp³ywaj¹cego do nadzorowa-

nego urz¹dzenia jak i†z†niego wy-

p³ywaj¹cego, to konieczny bÍdzie

specjalny uk³ad wykrywaj¹cy kie-

runek przep³ywu pr¹du. Takøe

taki uk³ad moøna wykonaÊ z†wy-

korzystaniem wzmacniaczy opera-

cyjnych, ale by³oby to rozwi¹za-

nie ma³o eleganckie i†skompliko-

wane.

Obydwa problemy konstrukcyj-

ne zosta³y przezwyciÍøone przez

zastosowanie scalonego przetwor-

nika pr¹d - napiÍcie wyposaøone-

go takøe w†uk³ad wykrywaj¹cy

kierunek przep³ywu pr¹du. Uk³a-

dem tym jest znany juø Czytel-

nikom Elektroniki Praktycznej

MAX471, opisany w†numerze

5/96. W†najwiÍkszym wiÍc skrÛcie

podamy podstawowe parametry

tego interesuj¹cego i†nies³ychanie

uøytecznego dla konstruktorÛw

uk³adu.

A†zatem, jeden oúmiokoÒcÛw-

kowy uk³ad scalony zawiera

w†swojej strukturze wszystkie po-

trzebne nam elementy, ³¹cznie

z†precyzyjnym rezystorem pomia-

rowym i†uk³adem detekcji kierun-

ku przep³ywu pr¹du! Z†jego wyjúÊ

otrzymujemy wszystkie potrzebne

nam informacje: napiÍcie na wyj-

Elektronika Praktyczna 6/99

Licznik amperogodzin

Rys. 2. Schemat blokowy toru pomiarowego.

dekoderÛw jest prezentacja wyni-

kÛw zliczania na czterech wy-

úwietlaczach siedmiosegmento-

wych DP1..DP4. Zastosowanie

w†uk³adzie tych czterech wyúwiet-

laczy spowodowa³o znaczne

zwiÍkszenie poboru pr¹du, co

w†przypadku monitorowania po-

boru pr¹du i†zasilania uk³adu

z†akumulatora mog³oby okazaÊ siÍ

bardzo niekorzystne. Dlatego teø

wszystkie wejúcia wygaszania BI

dekoderÛw IC3..IC6 zosta³y po³¹-

czone ze sob¹ i†do³¹czone do

masy zasilania za poúrednictwem

rezystora R12, co powoduje sta³e

wyúwietlanie wynikÛw pomiaru.

Jeøeli jednak zewrzemy za pomo-

c¹ prze³¹cznika S2 wejúcia wyga-

szania dekoderÛw do plusa zasi-

lania, to wyúwietlacze zgasn¹ i†po-

bÛr pr¹du przez uk³ad stanie siÍ

pomijalnie ma³y. Jeøeli czÍsto bÍ-

dziemy korzystaÊ z†takiego trybu

pracy, to jako S2 moøna zastoso-

waÊ prze³¹cznik z†jednym tylko

po³oøeniem stabilnym, w†ktÛrym

wejúcia BI dekoderÛw bÍd¹ zwarte

do plusa zasilania. NaciúniÍcie

przycisku umoøliwi szybkie od-

czytanie wynikÛw i†natychmiasto-

wy powrÛt do pracy ze zmniej-

szonym poborem mocy.

Zadaniem diody LED D3 jest

wskazywanie aktualnego kierunku

przep³ywu pr¹du. Dioda ta úwieci

w†momencie powstania na wej-

úciach U/D licznikÛw stanu nis-

kiego, co odpowiada zliczaniu

w†dÛ³.

úciu OUT jest wprost proporcjo-

nalne do wartoúci pr¹du p³yn¹-

cego pomiÍdzy wejúciami +RS

i†-RS, a†stan wyjúcia SIGN wska-

zuje na kierunek przep³ywaj¹cego

pr¹du. Jest to wyjúcie typu OPEN

COLLECTOR, co umoøliwia zasto-

sowanie kostki MAX471 zarÛwno

w†uk³adach TTL jak i†CMOS za-

silanych w†ca³ym zakresie stoso-

wanych dla nich napiÍÊ. Umiesz-

czenie rezystora pomiarowego we-

wn¹trz uk³adu scalonego rozwi¹-

za³o wszelkie problemy zwi¹zane

ze ìzdobyciemî dyskretnego re-

zystora o†dobrych parametrach.

Zastosowanie tego uk³adu scalo-

nego nasuwa jednak dwa ograni-

czenia, przed ktÛrymi naleøy

ostrzec CzytelnikÛw. Pierwszym

jest ograniczenie maksymalnej

wartoúci mierzonego pr¹du do 3A.

Jeøeli ta wartoúÊ okaøe siÍ niewy-

starczaj¹ca, to wracamy do pun-

ktu wyjúcia i†do poszukiwaÒ od-

powiedniego rezystora, ktÛrym

moglibyúmy zbocznikowaÊ wejúcia

naszego przyrz¹du i†rozszerzyÊ

jego zakres pomiarowy.

Drugie ograniczenie wynika ze

specyficznego sposobu zasilania

uk³adu MAX471. Pr¹d zasilania

tego uk³adu pobierany jest z†jego

wejúÊ pomiarowych +RS i†-RS, co

uniemoøliwia monitorowanie uk³a-

dÛw, w†ktÛrych napiÍcie jest

mniejsze niø 3VDC. Nie bÍdziemy

wiÍc mogli bez rozbudowania

uk³adu nadzorowaÊ procesu ³ado-

wania akumulatorÛw sk³adaj¹cych

siÍ z†mniej niø trzech ogniw.

Kolejnym zadaniem, przed ja-

kim stan¹³em podczas projekto-

wania proponowanego uk³adu, by-

³o przetworzenie uzyskanej

z†MAX471 wartoúci napiÍcia na

czÍstotliwoúÊ. Na szczÍúcie ten

problem okaza³ siÍ banalny, pro-

dukowana jest bowiem ogromna

liczba scalonych przetwornikÛw

napiÍcie-czÍstotliwoúÊ. MÛj wybÛr

pad³ na popularny uk³ad RC4151,

a†podyktowany by³ g³Ûwnie prost¹

aplikacj¹ i†nisk¹ cen¹ tego uk³a-

du. CzÍstotliwoúÊ przebiegu pros-

tok¹tnego na wyjúciu OC tego

uk³adu jest wprost proporcjonalna

do napiÍcia podanego na wejúcie

N_INV, a†zakres jej zmian okreú-

lony jest wartoúciami R3 i†C2.

Generowany przez IC2 ci¹g im-

pulsÛw prostok¹tnych kierowany

jest do dzielnika czÍstotliwoúci

zrealizowanego na uk³adzie IC12

- 4040, a†nastÍpnie do bloku

kaskadowo po³¹czonych liczni-

kÛw.

Pozosta³a czÍúÊ uk³adu jest

typowym licznikiem impulsÛw,

wyposaøonym w†moøliwoúÊ zli-

czania zarÛwno ìw dÛ³î jak i†ìw

gÛrÍî. Wejúcia wyboru kierunku

zliczania U/D licznikÛw IC7..IC10

zosta³y po³¹czone ze sob¹ i†dopro-

wadzone do wyjúcia SIGN prze-

twornika pr¹d - czÍstotliwoúÊ IC1.

Jeøeli wyjúcie to jest zwarte po-

przez wewnÍtrzny tranzystor do

masy, to liczniki odejmuj¹ od

swojej zawartoúci kaødy kolejny

impuls dostarczany

na wejúcie CLK IC7.

WystÍpowanie na

tych wejúciach sta-

nu wysokiego powo-

duje dodawanie im-

pulsÛw do zawar-

toúci licznikÛw.

Wszystkie liczniki

moøemy w†dowol-

nym momencie, naj-

czÍúciej na pocz¹tku

cyklu ³adowania -

roz³adowywania

akumulatorÛw, wy-

zerowaÊ za pomoc¹

przycisku S1.

Wyjúcia liczni-

kÛw po³¹czone s¹

z†wejúciami dekode-

rÛw BCD - kod wy-

úwietlacza siedmio-

segmentowego

IC3..IC6. Zadaniem

Rys. 3. Rozmieszczenie elementów na płytce

drukowanej.

Elektronika Praktyczna 6/99

Licznik amperogodzin

od razu i bÍdzie wymaga³

jedynie doúÊ pracoch³on-

nej regulacji. Aby wykonaÊ

regulacjÍ naszego przyrz¹-

du musimy zmontowaÊ

prosty uk³ad przedstawio-

ny na rys. 4 . Moøemy

wykorzystaÊ dowolny zasilacz sta-

bilizowany o†napiÍciu wyjúcio-

wym 4..30VDC, natomiast jako

obci¹øenie najlepiej uøyÊ uk³adu

w†rodzaju aktywnego obci¹øenia

(np. AVT-318). Jeøeli takiego nie

posiadamy, to moøemy zastoso-

waÊ inne obci¹øenie, staraj¹c siÍ

uzyskaÊ ìokr¹g³¹î wartoúÊ natÍøe-

nia pr¹du, co u³atwi obliczenie

liczby impulsÛw zliczonych

w okreúlonym czasie.

Zasada regulacji jest bardzo

prosta. Przy pr¹dzie o†wartoúci

1A, po pomiarze trwaj¹cym godzi-

nÍ na wyúwietlaczu powinna uka-

zaÊ siÍ liczba 1000 úwiadcz¹ca

o pobraniu przez obci¹øenie ³a-

dunku 1000mAh. Podczas pierw-

szej, zgrubnej regulacji nie bÍ-

dziemy czekaÊ na wynik pomiaru

ca³ej godziny, wystarczy nam czas

6 min. Po w³¹czeniu zasiania

i†do³¹czeniu obci¹øenia naciska-

my przycisk RESET i†mamy 6

minut na zrobienie sobie kawy.

Po tym czasie sprawdzamy stan

wyúwietlacza, na ktÛrym z†pew-

noúci¹ pojawi³a siÍ jakaú liczba,

na razie rÛøni¹ca siÍ od 100.

Jeøeli by³a ona wiÍksza od 100,

to zmniejszamy rezystancjÍ poten-

cjometru montaøowego PR1, a†je-

øeli mniejsza to wartoúÊ PR1

naleøy zwiÍkszyÊ. Po kilku takich

regulacjach osi¹gniemy z†pewnoú-

ci¹ wystarczaj¹c¹ dok³adnoúÊ

przyrz¹du. Jeøeli jednak zaleøy

nam na osi¹gniÍciu wiÍkszej do-

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

PR1: potencjometr montażowy

HELLITRIM 1k

R1: 1,5k

R2: 82k

Ω

R4, R6, R9, R10: 10k

Rys. 4. Proponowany układ testowy.

Ω

R7, R12: 100k

Montaø

i†uruchomienie

Na rys. 3 pokazano rozmiesz-

czenie elementÛw na p³ytce dru-

kowanej wykonanej z laminatu

dwustronnego z†metalizacj¹ otwo-

rÛw. Montaø wykonujemy w†typo-

wy sposÛb, rozpoczynaj¹c od ele-

mentÛw o†najmniejszych gabary-

tach, a†koÒcz¹c na wlutowaniu

w†p³ytkÍ stabilizatora napiÍcia

i†kondensatorÛw elektrolitycznych.

Pod uk³ady scalone jak zwykle

zalecam zastosowaÊ podstawki, ale

z†jednym wyj¹tkiem.

Uk³ad zmontowany ze spraw-

dzonych elementÛw nie wymaga

uruchamiania. Miejmy nadziejÍ,

øe podobnie jak prototyp ìodpaliî

Ω

R11: 470

Ω

Kondensatory

C1: 10

C2, C4, C6: 100nF

C3: 220

F/10V

F/16V

Półprzewodniki

DP1, DP2, DP3, DP4: wyświetlacz

siedmiosegmentowy LED wsp.

anoda

D2, D1: 1N4001

D3: LED

IC1: MAX471

IC2: RC4151

IC3, IC4, IC5, IC6: 4543

IC7, IC8, IC9, IC10: 4510

IC11: 7805

IC12: 4040

T1: BC557

Różne

CON1: ARK3

CON2: ARK2 (3,5mm)

S1: przycisk RESET

k³adnoúci przyrz¹du, to moøemy

powtÛrzyÊ regulacjÍ z†wykorzysta-

niem d³uøszego czasu pomiaru,

np. 1†godziny. Uk³ad powinien

byÊ zasilany napiÍciem sta³ym,

niekoniecznie stabilizowanym,

o†wartoúci 7..16VDC.

Zbigiew Raabe, AVT

Elektronika Praktyczna 6/99

R3: 33k

R5: 15k

R8: 330

C5: 470

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: