Преобразователь напряжения на микроконтроллере для питания измерительного прибора

Н. Салимов, г. Ревда Свердловской обл.
Предлагаемое устройство представляет собой преобразователь постоянного напряжения 3 В в постоянное 9 В. Он выполнен в габаритах девятивольтной батареи "Крона " и предназначен для её замены в измерительных приборах с автономным питанием. Первичный источник напряжения — два солевых или щелочных гальванических элемента типоразмера ААА. Возможно использование Ni-MH аккумуляторов того же типоразмера. КПД преобразователя — 66... 81 %.


Схема преобразователя изображена на рис. 1. Его основной компонент — микроконтроллер ATtiny13A-SU (DD1), тактируемый от внутреннего RC-генератора. Повышающий преобразователь напряжения реализован на транзисторе VT1, дросселе L1, диоде Шотки VD1 и конденсаторе С4. Транзистор VT2 отключает нагрузку от преобразователя в "спящем" режиме работы микроконтроллера. Стабилитрон VD2 и резистор R5 защищают элементы преобразователя при обрыве (отключении) нагрузки. В нормальном режиме работы ток через защитную цепь отсутствует.
Преобразователь предназначен для работы на постоянную нагрузку. Его выходное напряжение не стабилизировано и зависит от питающего напряжения. Например, оно снижается до 7,6 В при падении питающего до 2,5 В.
Для более полного использования энергии первичного источника питания и сохранения выходного напряжения на
заданном уровне микроконтроллер DD1 при запуске преобразователя проверяет напряжение на его выходе. Для этого часть выходного напряжения с движка подстроечного резистора R4 поступает на вход РВ4 микроконтроллера, работающий в режиме входа встроенного компаратора напряжения.
Все компоненты преобразователя размещены на плате размерами 48x26 мм из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1 мм. Её чертёж и расположение деталей показаны на рис. 2.

На стороне платы, свободной от деталей, в предназначенные для них отверстия впаяны четыре контакта для подключения элементов питания. Контакты вырезаны из листовой латуни толщиной 0,3 мм. Высота контакта — 10 мм, ширина — 5...8 мм, длина лепестка для пайки в отверстие — 2 мм, ширина — 1,5 мм.
Оксидные конденсаторы — ТЕСАР типоразмера D, остальные конденсаторы и резисторы — типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Подстроечный резистор R4 — СПЗ-19а-0,5 Вт, дроссель L1 — LQH43CN101K. Выбор дросселя заметно влияет на КПД преобразователя. Например, замена упомянутого выше дросселя на RLB0712 несколько больших размеров увеличивает КПД на 3...5 %, но выводит, к сожалению, габариты преобразователя за пределы габаритов батареи "Крона". Для монтажа этого дросселя на плате предусмотрены контактные площадки с отверстиями, обозначенные L1'. Его монтируют в "лежачем" положении. Замена первоначально применённого в одном из вариантов преобразователя в качестве VD1 диода ВАТ41 на MBR0540 позволила поднять КПД на 2 %.
Вид на собранный преобразователь со стороны деталей показан на рис. 3, а со стороны установки элементов питания — на рис. 4.


Программа микроконтроллера использует его восьмиразрядный таймер, работающий в режиме "быстрая ШИМ", и аналоговый компаратор. Частота повторения импульсов с ШИМ выбрана равной 37500 Гц — максимально возможной при тактовой частоте микроконтроллера 9,6 МГц. К не инвертирующему входу AINO аналогового компаратора подключён внутренний источник образцового напряжения.
Поданное на вывод РВ4 микроконтроллера контролируемое выходное напряжение поступает на инвертирующий вход компаратора AIN1 через мультиплексор АЦП. Состояние выхода компаратора АСО проверяет подпрограмма обработки прерывания по переполнению таймера ТО. Когда АСО=1, происходит инкремент значения в регистре сравнения таймера, что увеличивает коэффициент заполнения импульсов, управляющих транзистором VT1 преобразователя. При АСО=0 это значение остаётся неизменным, поскольку выходное напряжение уже достигло заданных 9 В.
Таймер отключения преобразователя реализован программно и представляет собой счётчик, декрементируемый по прерываниям от таймера Т0. Исходное значение, записываемое в регистры этого счётчика, программа вычисляет по формуле N=Toff37500, где Тoff — требуемая продолжительность работы преобразователя до отключения, с; 37500 — частота повторения управляющих импульсов, Гц. В программе задано Тoff=900 с (15 мин). По истечении этого времени микроконтроллер "засыпает", переходя в режим микропотребления энергии POWER DOWN.
Предусмотрена возможность управлять преобразователем с помощью необязательной кнопки SB1, подключение которой показано на схеме рис. 1 штриховыми линиями. Внешний запрос прерывания, генерируемый при нажатии на эту кнопку, возвращает "спящий" микроконтроллер в рабочий режим. А если нажать на неё при работающем преобразователе, микроконтроллер перейдёт из рабочего в "спящий" режим, выключив преобразователь. Для обслуживания кнопки в различных режимах программа формирует задержки длительностью 0,5 с. В "спящем" режиме микроконтроллера преобразователь потребляет всего 6... 10 мкА, поэтому при наличии кнопки в выключателе SA1 нет необходимости и его можно не устанавливать, заменив перемычкой.
Если кнопка SB1 отсутствует, то повторное после срабатывания таймера отключения включение преобразователя выключателем SA1 возможно лишь через две минуты. В течение этого времени при разомкнутом выключателе микроконтроллер потребляет энергию, запасённую в конденсаторе С2, и находится в "спящем" режиме.
Преобразователь разработан без привязки к конкретному типу измерительного прибора, требующего напряжения питания 9 В. Доработка такого прибора сводится к установке в нём выключателя SA1 или кнопки SB1. Для удобства их можно подключить к преобразователю с помощью миниатюрных разъёмов. Обратная замена преобразователя на батарею "Крона" сложностей не вызывает.
После монтажа на плату всех деталей, кроме дросселя L1 и проверки её на обрывы и замыкания, установите движок резистора R4 в среднее положение и переходите к программированию микроконтроллера. Коды из приложенного к статье файла CONVERTER-DC2.hex должны быть загружены в память программ микроконтроллера. Его конфигурацию следует запрограммировать в соответствии с таблицей.

Разряд

Сост.

Разряд

Сост.

SELFPREGEN

1

WDTON

1

DWEN

1

CKDIV8

1

BODLEVEL1

1

SUT1

1

BODLEVELO

1

SUT0

0

RSTDISBL

1

CKSEL1

1

SPIEN

0

CKSEL0

0

EESAVE

1

 

 

1 —не запрограммировано;
0 — запрограммировано
Обратите внимание, что разряд CKDIV8, запрограммированный изготовителем микроконтроллера, нужно распрограммировать.
Все необходимые для соединения с программатором контактные площадки на плате имеются. Если программатор работает лишь при напряжении питания 5 В, подайте это же напряжение и в цепь питания микроконтроллера. Напряжением 3 В нужно будет запитать плату после успешного программирования.
Измерьте ток, потребляемый измерительным прибором, с которым предполагается использовать преобразователь, и нагрузите преобразовать резистором соответствующего сопротивления. Установив на место дроссель L1, подайте на преобразователь питание и подстроечным резистором R4 отрегулируйте выходное напряжение, сделав его равным 9 В. Перемещение движка подстроечного резистора к его нижнему по схеме выводу увеличивает выходное напряжение, а в обратную сторону — уменьшает. Учтите, что программа изменяет выходное напряжение лишь при включении питания или при выходе микроконтроллера из "спящего" режима.
Выключите преобразователь, подключите к нему реальную нагрузку и вновь включите. Если напряжение отличается от необходимого, откорректируйте его подстроечным резистором R4. Затем измерьте ток, потребляемый от элементов G1 и G2, и рассчитайте КПД преобразователя. У одного из изготовленных мной образцов он получился равным 74 % при напряжении питания 3 В и 64 % при 2 В. С преобразователем, в котором установлен дроссель RLB0712, получен КПД соответственно 78 % и 66 %.
Если при входном напряжении 3 В и токе нагрузки 6 мА выходное напряжение установить равным 9,2 В, то при входном напряжении 2 В оно уменьшится до 8,5 В. При дальнейшей разрядке питающей батареи, когда выходное напряжение снижается до 6,5 В, на индикаторе измерительного прибора появляется символ разряженности батареи питания.
Я изготовил два экземпляра преобразователя: один — для питания мультиметра DT930F+, а второй — для измерителя ёмкости и индуктивности MY6243. Эти приборы не имеют таймера отключения, поэтому полная разрядка их батарей питания по забывчивости была вполне обычна. После установки в них преобразователей такие неприятности прекратились.
Программа микроконтроллера CONVERTER- DC2.hex в zip архиве.
Также программа микроконтроллера имеется по адресу ftp://ttp.radio.m/pub/2017/01/conv.zip на FTP - сервере журнала радио.
Радио №1, 2017

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR