59_61.pdf

P R O J E K T Y

Modu³ pomiaru mocy

kit AVT-338

Zmierzenie mocy pobieranej

z sieci elektroenergetycznej

przez ró¿ne odbiorniki by³o

dotychczas zadaniem trudnym

do wykonania w sposób

elektroniczny. Popularne

mierniki magnetoelektryczne

z uzwojeniem iloczynowym

maj¹ du¿e rozmiary, s¹

trudne w obs³udze i nie

pozwalaj¹ na

zautomatyzowan¹ obróbkê

wyników pomiaru.

Lekarstwem na te problemy

jest prezentowany w artykule

prosty w wykonaniu modu³

elektroniczny, dziêki któremu

pomiar mocy sprowadza siê

do prostego pomiaru

czêstotliwoci sygna³u

w standardzie TTL lub

CMOS.

Sercem modu³u do pomiaru

mocy jest uk³ad scalony SA9102C

produkowany przez po³udniowoaf-

rykañsk¹ firmê Sames. Na rys.1

przedstawiono uproszczony sche-

mat blokowy tego uk³adu. Jak

widaæ, we wnêtrzu uk³adu zinteg-

rowany zosta³ prosty procesor

sygna³owy z przetwornikami A/C

dla czujników pr¹du i napiêcia,

uk³ad uredniaj¹cy wyniki pomia-

ru (likwiduje wp³yw zak³óceñ

szpilkowych na wynik), przetwor-

nik moc/czêstotliwoæ z dwoma

wyjciami o ró¿nych wspó³czyn-

nikach podzia³u, precyzyjne, pro-

gramowane ród³a napiêcia odnie-

sienia oraz oscylator i uk³ady cza-

sowe synchronizuj¹ce pracê

wszystkich modu³ów wewnêt-

rznych uk³adu SA9102C.

Konstrukcja uk³adu SA9102C

umo¿liwia pomiar mocy rzeczy-

wistej odbieranej przez odbiornik

w zakresie dynamicznym 1000:1.

Oznacza to, ¿e przy za³o¿onym

maksymalnym poborze pr¹du

100A mo¿liwy jest pomiar mocy

w zakresie 22..22000W. Zakres po-

miarowy mo¿na ³atwo dostosowaæ

do w³asnych potrzeb, co zostanie

przedstawione w dalszej czêci ar-

tyku³u.

W tab.1 znajduje siê zestawie-

Parametry uk³adu pomiarowego

3 napiêcie zasilania: 120..230VAC;

3 maksymalny pr¹d mierzony: 80A;

3 dynamika zakresu pomiarowego: 60dB

(1000:1);

3 zakres czêstotliwoci wyjciowej: 10..1160Hz

lub 0.035..4Hz;

3 pobór mocy z sieci energetycznej: 30mW.

Rys. 1. Schemat blokowy uk³adu SA9102C.

Elektronika Praktyczna 2/97

Modu³ pomiaru mocy

Modu³ pomiaru mocy

Tabela 1. Podstawowe parametry uk³adu SA9102C.

Parametr

Oznaczenie Wartoæ typowa

Producent uk³adu

zaleca stosowanie czuj-

nika pr¹dowego o mo¿-

liwie ma³ej rezystan-

cji, lecz nie mniejszej

ni¿ 200

przez uk³ad US1 (ograniczni-

kiem pr¹du jest kondensator C8,

którego impedancja dla pr¹du

o czêstotliwoci 50Hz wynosi

ok. 7k

Dodatnie napiêcie zasilania

Vdd

2.5V

Ujemne napiêcie zasilania

Vss

2.5V

, natomiast rezystor R7

ogranicza pr¹d ³adowania kon-

densatora C8);

- D1, D2 - spe³niaj¹ rolê dwóch

prostowników jednopo³ówko-

wych;

- C9, C10, R8, R9, C5, C6, C7 -

spe³niaj¹ rolê filtru napiêcia

wyprostowanego przez diody D1

i D2;

- D3, D4 - diody Zenera, stabi-

lizuj¹ce napiêcie zasilaj¹ce

uk³ad US1.

Uk³ad SA9102C ma dwa wyj-

cia o ró¿nych zakresach czêstot-

liwoci wyjciowej. Na wyprowa-

dzeniu OUT1 generowany jest

sygna³ o czêstotliwoci zale¿nej

liniowo od zmierzonej mocy, przy

czym czêstotliwoæ zmienia siê

w zakresie 10..1160Hz, natomiast

na wyjciu OUT2 sygna³ ten ma

czêstotliwoæ w zakresie

0.035..4Hz.

Wyjcie OUT1 mo¿na wyko-

rzystaæ do wspó³pracy z uk³adami

wyjciowymi mierz¹cymi czêstot-

liwoæ, a wyjcie OUT2 z uk³ada-

mi mierz¹cymi czas.

Podczas projektowania uk³adu

przewidziana zosta³a mo¿liwoæ

selekcji wyjcia, z którego chcemy

korzystaæ - s³u¿y do tego zworka

JP1. Wybrane przy jej pomocy

wyjcie steruje diod¹ LED trans-

optora To1. Transoptor ten za-

pewnia izolacjê galwaniczn¹ po-

miêdzy potencja³em sieci energe-

Dodatni pr¹d zasilania

Idd

. Podczas

dobierania tego rezys-

tora nale¿y pamiêtaæ,

¿e jego du¿a rezystan-

cja wp³ywa niekorzys-

tnie na dok³adnoæ po-

miaru i w przypadku

pomiaru wiêkszych

pr¹dów (do 80A) zale-

cane jest stosowanie rezystora

pomiarowego o rezystancji 200

Ujemny pr¹d zasilania

Iss

5mA

Maksymalny pr¹d

Iinp

±25

wejæ czujnikowych

Obci¹¿alnoæ wyjæ

Iout1/2

10mA

Napiêcie odniesienia

Uref

1.2V

(w odniesieniu do Vss)

Pr¹d odniesienia

Iref

50 m A

nie podstawowych parametrów

uk³adu SA9102C.

Poniewa¿ uk³ad pomiarowy jest

zasilany bezporednio z sieci ener-

getycznej, to wszystkie jego ele-

menty znajduj¹ siê na potencjale

sieci (z wyj¹tkiem obwodu wy-

jciowego transoptora To1), co

jest niebezpieczne dla ¿ycia

i zdrowia u¿ytkownika. Wymaga-

ne jest wiêc zachowanie du¿ej

ostro¿noci podczas uruchamiania

i testowania uk³adu.

Powinien to byæ rezystor o spe-

cjalnej konstrukcji, przystosowany

do przewodzenia tak du¿ych pr¹-

dów.

Wspó³czynnik przetwarzania

uk³adu US1 jest ustalany przy

pomocy pr¹du wp³ywaj¹cego do

wejcia oznaczonego VREF. Zale-

cana wartoæ rezystnacji rezystora

R4 wynosi 24k

. Powinien to byæ

rezystor wysokostabilny, ponie-

wa¿ zmiany jego rezystancji wp³y-

waj¹ bardzo niekorzystnie na sta-

bilnoæ i dok³adnoæ odczytywa-

nego wyniku.

Jak wspomniano na pocz¹tku

artyku³u, modu³ pomiarowy jest

zasilany bezporednio z sieci ener-

getycznej. Uzyskano dziêki temu

znaczne uproszczenie konstrukcji

i jednoczesne obni¿enie jego kosz-

tów. Rolê zasilacza stabilizowane-

go o napiêciu ±2.5V spe³niaj¹ ele-

menty:

- R7, C8 - ich zadaniem jest

ograniczenie pr¹du pobieranego

A, niezbêdne jest wiêc zasto-

sowanie dzielnika napiêcia sieci.

Jego rolê spe³niaj¹ rezystory R1

i R2, a rezystor R3 zapobiega

przekroczeniu dopuszczalne-

go pr¹du wejcia IVP.

Rezystory R5 i R6 ogra-

niczaj¹ pr¹d wp³ywaj¹cy do

wejæ IIN oraz IIP, które s¹

wejciami uk³adu mierz¹ce-

go pr¹d pobierany przez

obci¹¿enie. Wartoæ ich re-

zystancji zale¿y od wyma-

gañ stawianych uk³adowi.

Nale¿y wiêc dobraæ je sa-

modzielnie wed³ug wzoru

podanego poni¿ej:

R5=R6=I obc *R cz /32

gdzie:

I obc - maksymalny pr¹d

pobierany przez uk³ady ob-

ci¹¿aj¹ce [A];

R cz - rezystancja czujnika

pr¹dowego[

] (widoczny na

rys.3 ).

Rys. 2. Schemat elektryczny uk³adu.

Elektronika Praktyczna 2/97

5mA

Opis uk³adu

Na rys.2 przedstawiony zosta³

schemat elektryczny uk³adu po-

miarowego.

Czêstotliwoæ wzorcowa pracy

uk³adu US1 jest okrelona przez

oscylator kwarcowy X1 o czêstot-

liwoci 3.579MHz. Napiêcie sieci

jest mierzone na wejciu IVP

uk³adu US1. Maksymalny pr¹d

wejciowy tego wejcia wynosi

Modu³ pomiaru mocy

mieszczenie

elementów

przedstawia

rys.4 .

Monta¿

uk³adu nie

jest zbyt

skompliko-

wany,wyma-

ga jednak

sporo uwagi

od konstruk-

tora, ponie-

wa¿ urz¹dzenie jest zasilane bez-

porednio z sieci energetycznej.

Uk³ad scalony US1 oraz transop-

tor To1 mo¿na zamontowaæ

w podstawkach. Monta¿ pozosta-

³ych elementów nale¿y przepro-

wadziæ zgodnie ze standardowymi

zasadami - pocz¹wszy od elemen-

tów montowanych p³asko na po-

wierzchni p³ytki (rezystory, dio-

dy).

Uruchomienie uk³adu jest doæ

trudne, poniewa¿ ca³y czas ope-

rujemy na uk³adzie pod³¹czonym

do sieci. W uk³adzie przetwarza-

j¹cym nie wystêpuj¹ napiêcia nie-

bezpieczne - US1 jest zasilany

napiêciem o wartoci ok. 5V. Na-

le¿y jednak pamiêtaæ o tym, ¿e

wszystkie elementy mog¹ byæ na

potencjale sieci energetycznej, co

jest niebezpieczne dla ¿ycia ludz-

kiego!

Po zmontowaniu uk³adu na

p³ytce drukowanej do³¹czamy do

niej pozosta³e elementy zgodnie

z rys.3 i mo¿emy rozpocz¹æ pro-

ces wstêpnego uruchomienia.

Polega ono na sprawdzeniu

wartoci napiêæ zasilaj¹cych na

wyprowadzeniach Vss (pin 14)

oraz Vdd (pin 8) wzglêdem masy

zasilania (pin 20). Na p³ytce

drukowanej wyprowadzono po-

mocniczy punkt po³¹czony galwa-

nicznie z mas¹ zasilania i ozna-

czony GND, wzglêdem którego

mo¿emy dokonaæ pomiarów.

Zmierzone napiêcia powinny

mieæ wartoæ +2.5V (pin 8)

i -2.5V (pin 14). Je¿eli napiê-

cia te bêd¹ zbli¿one do po-

danych wartoci, to nale¿y

sprawdziæ, czy na wyjciach

OUT1 i OUT2 jest generowa-

ny sygna³ prostok¹tny - przy

czym nie wolno robiæ tego

oscyloskopem bezporednio

na wyjciach uk³adu US1!

Badania przy pomocy oscy-

loskopu lub miernika czês-

totliwoci mo¿na przeprowadziæ

tylko na wyjciu transoptora To1,

zgodnie z rys.3.

Rys. 3. Sposób pod³¹czenia uk³adu pomiarowego

do miernika czêstotliwoci.

Uwagi koñcowe

Poniewa¿ uk³ad jest zasilany

bezporednio z sieci energetycz-

nej, to nie wolno po w³¹czeniu

go do sieci dotykaæ rêk¹ ¿adnego

elementu znajduj¹cego siê na p³yt-

ce drukowanej. Podobne zastrze-

¿enie dotyczy punktów lutowni-

czych, z³¹cz rubowych i rezysto-

ra pomiarowego. Przestrzeganie

tych uwag jest bardzo istotne

z punktu widzenia bezpieczeñstwa

konstruktora.

Niedopuszczalne s¹ tak¿e zmia-

ny po³o¿enia zworki JP1 podczas

pracy uk³adu - wyjcie uk³adu

US1 tak¿e znajduje siê na poten-

cjale sieci! Zmiana po³o¿enia

zworki wymaga wy³¹czenia uk³a-

du z sieci.

Piotr Zbysiñski, AVT

Uk³ad opracowano na podsta-

wie materia³ów firmy Sames.

tycznej (na którym znajduje siê

ca³y uk³ad pomiarowy), a uk³a-

dem wykorzystywanym do wizu-

alizacji wyniku pomiaru. Rolê

takiego uk³adu mo¿e spe³niæ

w najprostszym wypadku zwyk³y

czêstociomierz z wejciem TTL

lub CMOS, lecz w takim przypad-

ku konieczne bêdzie przeliczenie

wywietlanego wyniku pomiaru.

Wynika to z faktu, ¿e czêstotli-

woæ wyjciowa generowana przez

uk³ad SA9102C wynosi:

f=(11,16*k*I i *I v *10 12 )/2.5, gdzie:

k - zale¿nie od wybranego wyj-

cia uk³adu, dla OUT1 k=1160,

dla OUT2 k=4Hz;

I i - pr¹d wejcia pomiarowego

pr¹du (max. 16 mA dla mak-

symalnego pr¹du mierzonego);

I v - pr¹d wejcia pomiarowego

napiêcia (max. 14mA dla na-

piêcia nominalnego sieci).

Na rys.3 przedstawiono sposób

pod³¹czenia rezystora pomiarowe-

go Rcz do p³ytki przetwornika,

a tak¿e sposób pod³¹czenia mier-

nika czêstotliwoci wykorzystywa-

nego do wywietlania wyniku

pomiaru.

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1: 390k

R2: 24k

R4: 24k

R5: RI1*(1,6k

)

R6: RI2*(1,6k

)

/1W

R8, R9: 680

Rcz: *200

(80A)

Kondensatory

C1, C2: 560pF

C3, C4: 3,3nF

C5, C6: 100nF

C7: 820nF

C8: 470nF/400VAC

C9, C10: 100

Monta¿ i uruchomienie

uk³adu

Uk³ad zmontowano na jedno-

stronnej p³ytce drukowanej, której

widok przedstawia rysunek na

wk³adce wewn¹trz numeru. Roz-

F/16V

Pó³przewodniki

D1, D2: 1N4148

D3, D4: 2,4V min. 150mW

To1: 4N35

US1: SA9102C Sames

Ró¿ne

JP1: jumper 1x3 ze zwork¹

X1: kwarc 3.579MHz

Uwaga! Elementy oznaczone *

nie wchodz¹ w sk³ad kitu. Ich

wartoci nale¿y dobraæ zgodnie

ze wzorami podanymi w artykule.

Wartoci elementów podane

w nawiasach dotycz¹

egzemplarza modelowego.

Rys. 4. Rozmieszczenie elementów na

p³ytce drukowanej.

Elektronika Praktyczna 2/97

R3: 1M

R7: 470

R10: 620

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: