Универсальный модуль разрядной моргалки для Ардуино и не только

[Паяка]

Существуют спецмикроконтроллеры со средствами построения ШИМ-регуляторов, (встроенные ОУ, компенсации наклона, расширенные модули захвата-сравнения-ШИМ), и ШИМ-контроллеры со встроенным процессорным ядром, (отличие вторых от первых - в наличии мощных драйверов ключей на борту). С помощью такого, возможна одночиповая реализация модуля, с цифровым управлением, и, при желании, входами управляющих напряжений. Но их на Алиэкспрессе за копейки не заказать, и в местном радиомагазинчике они не завалялись. А мы создаём форумное решение, для предложенной ув. [user]Kass[/user] форумной платформы, необходимость в которой, по моему скромному мнению, назрела. Оно обязано быть предельно доступным для применения, повторения и понимания.

[Alex_Soroka]

Александр Васильевич, я же не собираюсь ограничить функционал модуля "тупыми" качелями! Зато их модуль сможет осуществлять сам, без всякого управления с процессора. Добавление которого позволит реализовать адаптивный разряд с определёнными целями, зарядно-разрядный комбайн

...у меня есть друг, он последние 30 лет занимается проектированием и изготовлением единичных экз звуковых усилителей (УМЗЧ) с малыми гармониками. Все эти "трахи" с транзисторами, с цепями коррекции, ООС , операционниками, шумами...

вы идете в область, в которой любой сбой, наводки, приведут к увеличению деталей, увеличение сложности, увеличение количества деталей и снова по кругу...
Ваше право.
но это путь в никуда...

[Паяка]

[user]Alex_Soroka[/user], в хорошем УМЗЧ LMx24 и LMx58 могут применяться только в басовых трактах и прочих медленных цепях, (и то стараются не применять, либо сточить маркировку, дабы не обругали), из-за низкого slew rate и узкой полосы пропускания. А сто́ит взять более высокочастотный ОУ с высокой скоростью нарастания, да ещё и обеспечить её возможность высоким напряжением питания, появляется склонность к приёмопередаче и генерации помех. Потому в культуре hi-fi идут на разные умные ухищрения, а в hi-end и инструментальных усилителях (музыкальных, не путать с дифусилителями повышенной точности в технике) просто формируют намеренные благозвучные искажения ("кабинет", "присутствие", эксайтинг "тёплыми ламповыми" чётными гармониками), зачастую простейшей схемотехникой, зато на дорогих громоздких деталях.

Для трактов измерения напряжения и тока при эксплуатации/обслуживании СА, если только не нужно улавливать отклик на запредельно высокие составляющие спектра, (для чего нужен дорогущий инструментальный АЦП с прямым доступом к памяти или хотя бы стробоскопирование), старые добрые друзья Хоровица, Хилла и многих тысяч электронщиков LM386 и 324 подходят прекрасно, при этом не склонны к болезням более высокочастотных, быстрых, точных и дорогих ОУ, как раз в силу своей простоты и относительной медлительности.

вы идете в область, в которой любой сбой, наводки, приведут к увеличению деталей, увеличение сложности, увеличение количества деталей и снова по кругу...

Нет, не иду ни в область получения премий и карьерного роста за рацпредложения, которая породила намеренное закладывание недостатков с припасанием на потом решений для их устранения, ни в область "гонки вооружений", когда потребителей-контрагентов мытьём-катаньем заставляют приобретать новые гаджеты и прибамбасы. А в области гибридной аналогово-дискретно-процессорной схемотехники и микропрограммирования тружусь не первый год.

Спойлер

В СССР бытовая и предназначенная для любителей электроника неспроста подразделялась на классы не качества, а сложности. В числе приоритетных задач гражданского проектирования и производства были поиск и обкатка новых компонентов и решений, для стратегических отраслей (обороны, здравоохранения, науки, промышленности). Потому наблюдалась такая странная гонка рацпредложений, "даёшь однопереходный транзистор в каждое изделие", и т.д. Это было нужно, и принесло свою пользу, в развитии отечественной схемотехники, медицинских, космических приборов, высоконадёжных устройств для тяжёлых условий эксплуатации... Сейчас то же самое: покупая очередной айфон или Core i100500, люди делают вклад в развитие хайтека и его приложений. Нормальные макроявления, благодаря которым мы сейчас, в частности, пользуемся шедеврами элементной базы и схемотехники, ставшими для нас доступными.

[Паяка]

Этот бистабильный узел - схемотехнический шедевр, который пригодится, когда нужен триггер, а есть ОУ. Как и подобает триггеру, он весьма напоминает одновибратор и мультивибратор на соответствующей элементной базе.

Номиналы резисторов равны. Положительная обратная связь через R5 поддерживает выход компаратора в состоянии высокого уровня, т.к. напряжение на неинвертирующем входе (+) превышает напряжение на инвертирующем (-). Если закоротить на землю SET, триггер перебросится в логический 0, RESET - в логическую единицу.

Отключить ШИМ-контроллер UC3843, переведя в состояние закрытого силового ключа, можно несколькими способами. В нашей моргалке мы не будем использовать отслеживание тока ключа, т.к. он нормирован сопротивлением нагрузки (лампочки) и диапазоном ЭДС АКБ. Потому вывод 3, предназначенный для этого отслеживания, мы и применим в качестве выключателя разряда. Чтобы отключить ШИМ, на него следует подать с триггера высокий логический уровень. Соответственно, низкий уровень будет включать ШИМ.

[Паяка]

Достоинство данной схемы - минимальная номенклатура общедоступных компонентов. Если напряжение растянутой шкалы Ubat-10V выше порога возобновления разряда HIGH_CV, компаратор U4A просаживает до двойной величины прямого падения на диоде среднюю точку звездообразного делителя R10R11R12, и триггер перекидывается в низкий уровень, разрешая ШИМ-контроллеру работать.

Если Ubat-10V ниже порога окончания разряда LOW_CV, просаживается средняя точка R8R9, на выходе триггера устанавливается высокий уровень, ШИМ отключается. То же самое можно сделать принудительно, замкнув вход Enable на землю, механическим выключателем или электронным ключом, что пригодится, например, для безыскрового подключения разрядного устройства к АКБ.
Добавлено 18 Сен 2018 в 21:19
Напоминаю, HIGH_CV и LOW_CV, как и напряжение управления уставкой тока, можно подавать просто с переменных резисторов с градуированными ручками! И мы уже получим работоспособную разрядную моргалку!

[serggio]

Напомню - эта тема называется
Универсальный модуль разрядной моргалки для Ардуино и не только

Вы-же занимаетесь (прямо и нагло) рекламой вашего ЗУ в этой теме, хотя тут явно написано про Ардуино.

За каждый подобный "непроизвольный рекламный случай зУС" в непрофильных темах тоже буду драть Сороку.

[Кass]

А мы создаём форумное решение, для предложенной ув.  Kass форумной платформы, необходимость в которой, по моему скромному мнению, назрела. Оно обязано быть предельно доступным для применения, повторения и понимания.

Тогда реализуйте унифицированные в АСУ сигналы управления, к примеру 0-10В для задания тока, дискретные выходы для смены диапазонов. Но думаю, что измерительную часть лучше делать внутри ярда системы. Есть же в системе датчик тока, им замеряем что ток заряда, что ток разряда. ИМХО это проще.

[Паяка]

[user]Кass[/user], с 0-10В всё будет прекрасно управляться через аттенюатор 2:1 или 3:1. Дискретные выходы - без проблем, например, с открытым коллектором, входы - инверсные подтянутые к 3.3В, либо прямые подтянутые к земле, т.е. будут работать с любой логикой.

Моя задумка, чтобы этот модуль можно было собрать и настроить, имея лишь паяльник и мультиметр. А потом наращивать систему, добавляя что угодно. В рабочей версии вместо ДТЛ-входа Enablе будет Disable с транзисторным инвертором (логическим), могущий работать с 3.3, 5, 10-вольтовой логикой.

Продвинутое ядро со встроенными масштабирующими усилителями на входе АЦП обойдётся без схемы растянутой шкалы, зато она весьма полезна для Ардуино и автономной работы.

[SapienzSPB]

У меня в заряднике на ARDUINO (Atmega328) уже есть блок разрядки. Только без шим. Прикрутить не проблема-надо драйвер к ключу добавить, но лень плату переразводить.  Ток задается лампочками. Токовым датчиком служит ACS712-20A (точность подсчета меня вполне устраивает). Есть софтстарт и защита от КЗ. Выборка для подсчетов емкости - раз в секунду.  Можно задать до десяти автоматически повторяющихся друг за другом циклов разряд/заряд. На экране LCD1602 - 4 результата последних прогонов КТЦ. Начал пилить расширенную статистику для каждого из последних четырех прогонов(время заряда/время разряда/емкость/КПД цикла). Разряд идет до порогового значения (устанавливается произвольно). С выкачкой или без нее.  Вся статистика и настройки ессно сохраняется в епром при выключении.  Ктц продолжается если внезапно прервался из-за того что отключили аккумулятор.
Это я к чему - построить такую станцию на ардуине не составляет труда. И ее возможностей для оценки количества остаточной емкости - более чем достаточно. Если будут вопросы - задавайте.
Вот схема кому интересно https://drive.google.com/open?id=1182zFCENW-6pJ9Fyvkd0MlVdnAlsZC3A

[WERAS]

Что так Слабо! Мог бы полностью в архив(с прошивой,печаткой,Фьюз бит, подробным описанием,что дакак. Краткое описание по аргоритму,что понять что да как,схему хорошим разрешением,а то ни чего не понятно) вполне кто то соберет,форум большой желающих то же может быть.

[SapienzSPB]

Так я уже много раз на этот зарядник ссылку давал. Схема в пдф - увеличивать можно до бесконечности)))),  печатка в LAY, прошивка тут:  https://drive.google.com/open?id=1l2OXcAGFWDcSrzNQQgNkmjjBZ_Fsy9jQ
Инструкция(в процессе написания) тут: https://drive.google.com/open?id=1521mrPFWkiBNLVJkJ0y4v_D_bbS0BGf9uXEYDKJLrVk
Видео с описанием режимов работы тут (КТЦ режим на 4й минуте): https://www.youtube.com/watch?v=GX01CTYjNo8
Это видео самого первого прототипа. Он был на 10А. Сейчас доделываю уже 30амперный зарядник. В последнем видео можно посмотреть на корпус - https://www.youtube.com/edit?o=U&video_id=5gNAFUbi590.
Скоро (после настройки и теста термоконтроля) выложу свежую печатку схему и прошивку. Шьется тупо через ардуину.

[Паяка]

Схема классическая, комментировать особенно нечего, за исключением того, что падение на защитном ключе Q2 и токоизмерительном шунте необходимо учитывать при измерении напряжения на клеммах батареи. Как это делается, расскажу чуть позже.

На скриншот попала часть схемы измерения тока. Шунт включен между входной землёй GNDPWR и землёй прибора GND, чтобы учитывать ток потребления прибора при питании от АКБ. Потому минус питания ОУ, работающего с падением на шунте, подключается к входной земле, в отличие от остальных микросхем и цепей, использующих землю прибора.

Темы "чистых", "грязных", аналоговых, цифровых и силовых земель мы в нашем проекте тоже немного коснёмся. На принципиальной схеме эти тонкости указываются далеко не всегда, их необходимо учитывать при трассировке платы.
Добавлено 19 Сен 2018 в 18:51
Батарея оксидных электролитических конденсаторов предусмотрена для минимизации помех от ШИМ в работу прибора и внешнюю среду. В непосредственной близости от них не поленимся разместить "лишний" керамический конденсатор, (на схеме ещё не показан). Приятно удивимся тому, насколько меньше будут греться и изнашиваться электролиты благодаря такой "мелочи".

[Паяка]

Итак, эта схема вычитает из напряжения на плюсовой клемме батареи 10 вольт, точнее, удвоенные 5 вольт. Но минусовая клемма АКБ подключена у нас к земле схемы не напрямую, а через защитный ключ и токоизмерительный шунт.

Даже при сопротивлении открытого канала 2мОм, при 10 амперах на нём будет падать 20 милливольт, а на шунте 15 мОм - целых 150 мВ. Разумеется, это исказит и отработку порогов, и подсчёт ватт-часов. А если входной тракт будет использоваться и для зарядного модуля, (хотя, учитывая незначительную стоимость и габариты этих цепей, представляется наилучшим сделать каждый модуль самодостаточным, снабдив всем необходимым), алгоритм ЗУ тоже придётся усложнять компенсацией. Что можно избежать, добавив в схему всего один резистор и дорожку к нему!


По сравнению с первой версией, к делителю на инвертирующий вход добавляется ещё одно плечо, с минусовой клеммы АКБ через резистор R?. Его сопротивление равно R5, потому напряжение на его входе вычтется из выходного с коэффициентом 1, в отличие от вдвое меньшего плеча R4, вычитаемого с коэффициентом 2.

Количество членов в уравнении Кирхгофа для инвертирующего входа увеличивается на 1. Было:
Uвых = 3Uвх - 10В. Стало:
Uвых = 4Uвх - 10В - Uминус.
Потому на неинвертирующий вход нужно теперь подавать не треть, а четверть напряжения плюсовой клеммы, чего достигаем, изменив сопротивления R1 и R2.

[Паяка]

Мы добавили в схему довольно значительную батарею электролитических конденсаторов с достаточно низким ESR, соединённую с клеммами для АКБ через ключ защиты от переполюсовки и токоизмерительный шунт, т.е. низкоомные цепи. При подключении клемм произойдёт бросок тока заряда конденсаторов килоамперной амплитуды, что наверняка вызовет искру, (точнее, кратковременную дугу). А это и вредный для глаз ультрафиолет излучает, и вообще широкий спектр помех, (вплоть до микроволн и рентгена, привет балующимися с искровыми катушками Теслы ), и вблизи СА, где неровен час водород выделится, совсем нежелательно.



Добавим к и без того немалой (единицы нанофарад) ёмкости затвора защитного ключа многослойный керамический конденсатор С18. Когда-то они были дорогими, с палладием, (КМ-ки), а теперь прекрасную, (для соответствующих применений), многослойную керамику можно приобрести за копейки, хоть с проволочными выводами, хоть для поверхностного монтажа. Увеличим R20 и, соответственно, R17. Теперь постоянная времени R20С18 - почти полсекунды, а R17С18 - почти 5 секунд.

Это значит, что при подключении к клеммам АКБ защитный ключ откроется не сразу, причём при постепенном росте напряжения на затворе относительно истока пройдёт через зону высокого внутреннего сопротивления, и батарея накопительных конденсаторов зарядится постепенно, без искры на клеммах. Правда, закроется защитный ключ при снятии клемм теперь тоже не "сразу", а секунды через 4, но не думаю, что аккумуляторщик успеет пересоединить обе клеммы, да ещё и в неверной полярности, к другой батарее за это время.

Но мы, как всегда, забыли "паразитный" диод Шоттки в составе мосфета. Он-то откроется прямым смещением сразу при касании терминалов разрядного устройства и батареи, не дожидаясь задержки подачи отпирающего напряжения на затвор. Придётся добавить к защитному ключу ещё один, встречно включенный, такой же полевик. Удовольствие, может быть, и дороговатое, (50-150 рублей), зато предотвращение искрообразования на клеммах. Лучше сразу разработаем и воплотим наш модуль по уму, чем потом кусать локти, бежать за недостающими компонентами и уродовать красивую плату.



При питании схемы управления не от разряжаемой батареи, придётся добавить параллельно накопительным конденсаторам резистор утечки, иначе закрываться защитный ключ после отключения от АКБ может очень и очень долго.

Если разрядный модуль будет использоваться в комбайне с зарядным, выдающим импульсы амплитудой свыше 18В, защитный супрессор D6 надо ставить на повышенное напряжение, например, 24 вольта. В таком случае, он не выгорит и при ошибочном подключении 24-вольтовой батареи.

[Паяка]

Выключатель разрядной нагрузки - важная вещь, причём нужно, чтобы при включении питания прибора разряд был отключен. При старте МК его выводы находятся в высокоимпедансном Z-состоянии, режиме входа. Будет нежелательно, если нагрузка будет из-за этого кратковременно включаться, пока микропрограмма не переключит ножки на выход и не установит на них нужные логические уровни.

Инвертор на транзисторе Q4 по умолчанию просаживает неинвертирующий вход 2 U5A, поддерживая высокий уровень на выходе компаратора, отключающий ШИМ. Чтобы разрешить включение разрядной нагрузки, базу Q4, подтянутую через R30 к +9V, необходимо просадить на землю до величины ниже падения на эмиттерном переходе. Это осуществляется с выхода МК или механического выключателя с фиксацией.

[Паяка]

Падение напряжения на шунте R18R19 усиливается U6A в (RV1+R15+R16)/R16 раз. RV1 подстраиваем так, чтобы получить "виртуальный шунт 0.5 Ом", т.е. 500 мВ на выходе I*0.5R_buf при протекании через шунт тока 1А. C9R15 дополняет усилитель сигнала шунта функцией активного фильтра-интегратора.

Если в качестве шунтов поставим специализированные резисторы типоразмера 2512 для датчиков тока с ТКС 100 ppm/K, уход сопротивления при нагреве на 100 градусов Цельсия составит всего 1%. Если возьмём дешёвые резисторы с ТКС 1500 ppm/K, показания тока будут плавать на 1,5% каждые 10 градусов. В любом случае, не помешает предусмотреть адекватные радиаторные полигоны для охлаждения шунтов.

UC3843 поддерживает коэффициент заполнения ШИМ таким, чтобы напряжение на входе обратной связи FB (нога 2) равнялось 2.5В. Делитель R21R23 действует следующим образом.

(I*0.5 Ом) - 2.5В = 2.5В - CUR_CV
CUR_CV + (I*0.5 Ом) = 5В. Разделим на 0.5 Ом, получим
I = 10А - 2CUR_CV/Ом.

Таким образом, при 5 вольтах на CUR_CV ток поддерживается равным нулю, при 0В - 10 амперам. Такая обратная шкала не совсем удобна, но у нас как раз есть свободный ОУ, с помощью которого можно сделать вход прямым, а не инверсным.

Буферный повторитель на U6B нужен затем, чтобы не допустить помех, например с АЦП, в цепи обратной связи регулятора разрядного тока.

R31R32C20 - обычная цепочка частотной компенсации с выхода усилителя ошибки COMP (нога 1) на его инвертирующий вход (FB). Это обычный операционный усилитель, подобный тем, которые мы уже широко используем в нашем проекте.

R22C10 - частотнозадающая цепочка с постоянной времени 1 мс, настраивающая задающий генератор UC3843 на частоту 1.8 кГц. При такой частоте переключательные потери и помехи в нашем приборе будут минимальны.

Наконец, делитель R24R25 нужен затем, чтобы подавать на вход CS (нога 3) треть напряжения на времязадающем конденсаторе. Это необходимо, потому что UC3843 предназначена для преобразователей с быстрой ОС по амплитуде тока ключа, а у нас реализована медленная ОС по интегралу выходного тока.

Итак, мы почти завершили создание принципиальной схемы, осталось добавить инвертирующий буфер для напряжения управления током, и можно будет всё перепроверить, а затем трассировать плату! 

[serggio]

[user]Паяка[/user], давно уже созданы датчики тока в корпусе MSOP-8 и в других типоразмерах с разрешающей способностью, стабильностью и частотой на пару порядков выше чем ты тут ваяете на дискретных компонентах. 35 конденсаторов, шунт из правильного сплава, малошумяшие усилители, источник опорного напряжения.... Возьмите готовую микросхему от LEM

[Паяка]

[user]serggio[/user], задача видится мне в создании "народного" модуля, предельно простого для повторения и достаточного для практики КТЦ, на самых широкодоступных и дешёвых компонентах.