Sygnalizator poboru prądu

Układ może rozpoznać, czy dane urządzenie pobiera jeszcze prąd z sieci (o natężeniu wyższym od ustawionego progu), przez co mamy szansę dowiedzieć się, czy jeszcze pracuje, czy tez może zakończyło już realizację swojego zadania. Do czego to się może przydać? Przede wszystkim do integracji popularnych urządzeń AGD (ale nie tylko) z systemami smart home – układ wystawia na swoim wyjściu bardzo wygodną w dalszej obróbce, zero-jedynkową informację. Ale to nie wszystko, ponieważ sygnalizator dźwiękowy informuje, że nadzorowane urządzenie właśnie zaczęło pracę (jeden długi pisk) lub właśnie ją zakończyło (dwa krótsze piski). Ta sama informacja pojawia się również przez 2 s na jednym z dwóch wyjść, którymi można wysterować, na przykład, elektrozawór lub potężniejszy sygnalizator.

Budowa i działanie

Schemat ideowy omawianego układu znajduje się na rysunku 1. Napięcie sieciowe (z sieci elektroenergetycznej 230 V lub 115 V – bez znaczenia) należy podłączyć do zacisków złącza J3. Prąd płynący przez zaciski tego złącza dociera zarówno do nadzorowanego odbiornika, który należy podłączyć do zacisków złącza J4, jak i do przetwornicy impulsowej PSU1, która daje na swoim wyjściu stabilizowane napięcie stałe o wartości 5 V. Wejście przetwornicy zostało zabezpieczone bezpiecznikiem kubkowym F1, który ma odciąć jej zasilanie w przypadku znaczącego wzrostu poboru prądu – na przykład, wskutek wystąpienia w jej strukturze uszkodzenia.

Rysunek 1. Schemat ideowy sygnalizatora poboru prądu

Ale, ale! Złącze J4 nie jest jedynie zwykłym odgałęzieniem zasilania sieciowego, bowiem stanowi wyjście układu mierzącego natężenie pobieranego przez odbiornik prądu. Między polami lutowniczymi PAD1 i PAD2 został wlutowany kawałek grubego przewodu o długości kilku centymetrów, który uprzednio przewleczono przez otwór w przekładniku prądowym CT1. Tak skonstruowany układ jest bardzo prostym transformatorem, którego uzwojeniem pierwotnym jest ów przewód, zaś wtórne znajduje się wewnątrz przekładnika.

Przekładniki prądowe działają liniowo w bardzo szerokim zakresie prądów. W tym układzie nie jest to szczególnie istotne, gdyż chodzi jedynie o wykrycie poboru prądu, którego natężenie przekracza zadany próg. Kolejną istotną cechą jest izolacja galwaniczna, która umożliwia proste sprzęgnięcie obwodu mierzonego z innymi podzespołami bez obawy o porażenie – uzwojenie wtórne jest bardzo dobrze odizolowane od sieci elektroenergetycznej.

Prąd indukowany w uzwojeniu wtórnym powoduje odkładanie się napięcia na rezystorze R1. Wartość tego rezystora jest dwukrotnie większa od tej, którą zakłada producent przekładnika (50 Ω), aby uzyskać sygnał napięciowy o większej amplitudzie, lecz bez nieliniowej jego pracy. Ponieważ ma on postać sinusoidy o niewielkiej wartości szczytowej (kilka...kilkadziesiąt miliwoltów) i zerowej składowej stałej, jest on prostowany i wzmacniany jednocześnie. Wzmacniacz operacyjny US1A pracuje w układzie wzmacniacza odwracającego o wzmocnieniu –10 V/V, co wynika ze stosunku R4/R2.

Ponieważ układ ten jest zasilany niesymetrycznie, dodatnia połówka sygnału wejściowego nie jest przepuszczana, jedynie ujemna ulega wzmocnieniu. Kondensator C1 zawęża pasmo przenoszenia tego układu, co tłumi zakłócenia występujące w sieci.

Rola diody D1 może być zagadkowa, gdyż nie jest ona niezbędna do realizacji prostownika jednopołówkowego na wzmacniaczu operacyjnym zasilanym z pojedynczego napięcia. Znalazła się tam z prostego powodu: minimalne napięcie, jakie może pojawić się na wyjściu wzmacniacza typu LM358, może wynosić nawet 20 mV. Wstawiając w szereg z wyjściem zwykłą diodę krzemową mamy możliwość uzyskania na wyjściu tak zbudowanego stopnia wzmacniającego napięcia o wartości 0 V, gdyż wzmacniacz operacyjny musi podnieść potencjał swojego wyjścia do (przynajmniej) 0,6 V, by miało ono jakiekolwiek oddziaływanie na wyjście tego wzmacniacza odwracającego. Wprawdzie cierpi na tym szybkość układu, gdyż powstają zniekształcenia skrośne, lecz w tak mało wymagającym zastosowaniu nie mają one żadnego znaczenia.

Następny stopień, zawierający wzmacniacz operacyjny US1B, to zwykły komparator porównujący dwa napięcia. Jednym z nich jest wyprostowane jednopołówkowo i wzmocnione napięcie z przekładnika, zaś drugim napięcie ustalone przy użyciu potencjometru P1. Rezystor R6 ustala minimalny potencjał wejścia odwracającego tego wzmacniacza, natomiast R5 – maksymalny. Oznacza to, że użytkownik może ustawić próg przerzutu komparatora w przedziale od 10 mV do 464 mV. To zaś przekłada się na przedział wartości skutecznej pobieranego przez odbiornik prądu od około 0,1 A do 5 A.

Chwilowe przekroczenie progu przerzutu komparatora powoduje ustawienie jego wyjścia w stanie wysokim, który dla LM358 w tym układzie może wynosić 3,5 V lub więcej. R7 obciąża wyjście komparatora, by tranzystor obsługujący jego wyjście miał zapewniony prąd emitera do prawidłowej pracy. Przy przełączaniu mogą występować oscylacje, lecz nie mają one znaczenia dla pozostałych podzespołów.

Informację o impulsach zbiera i przetwarza mikrokontroler US2 – popularny, mały i tani ATtiny13 A. Czemu układ programowalny a nie kilka przerzutników monostabilnych? Odpowiedź jest prosta: takie rozwiązanie układowe jest pewniejsze w działaniu, mniejsze, tańsze, prostsze do uruchomienia oraz polutowania. Czy tego chcemy czy nie, ma ono (w tym konkretnym urządzeniu) same zalety. Odpowiednia sieć układów logicznych realizująca dokładnie te same funkcje byłaby znacznie bardziej złożona i zajmowała zdecydowanie więcej miejsca.

Wspomniany już US2 steruje czterema wyjściami. Jedno z nich załącza sygnalizator akustyczny BUZ1, który obwieszcza początek i koniec działania nadzorowanego obciążenia. Pozostałe trzy są do dyspozycji użytkownika i zostały zbuforowane kluczami nasyconymi na tranzystorach bipolarnych NPN, toteż na zaciski złącza J1 wyprowadzone zostały wyjścia typu otwarty kolektor. Rozwarcie zworki JP1 wyłącza dźwięk wbudowanego buzzera, jeżeli byłby on w danej aplikacji zbędny. Do dyspozycji użytkownika jest również napięcie stałe o wartości 5 V (złącze J2), którego można użyć do zasilania innych sygnalizatorów lub nawet bardziej rozbudowanych modułów komunikacyjnych – na przykład dla systemu smart home.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 90×50 mm, której schemat został pokazany na rysunku 2. W odległości 3 mm od krawędzi płytki znalazły się cztery otwory montażowe, każdy o średnicy 3,2 mm.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB

Montaż proponuję rozpocząć od elementów o najmniejszej wysokości obudowy, czyli rezystorów i diod. Pod układy US1 i US2 warto zastosować podstawki, aby ułatwić ich wymianę w razie uszkodzenia oraz programowanie mikrokontrolera. Na samym końcu trzeba wlutować przekładnik CT1, uprzednio przekładając przez otwór w jego rdzeniu przewód o przekroju 2,5 mm² z odizolowanymi i pobielonymi końcówkami. Ścieżki łączące zaciski złącz J3 i J4 oraz pola lutownicze przy przekładniku zostały odsłonięte spod maski lutowniczej, by możliwe było ich pogrubienie warstwą zwykłego spoiwa lutowniczego.

Na etapie uruchamiania konieczne jest zaprogramowanie pamięci Flash mikrokontrolera dostarczonym wsadem oraz zmiana jego bitów zabezpieczających na nowe wartości:

Low Fuse = 0×6 A
High Fuse = 0xF9

Szczegóły są widoczne na rysunku 3, który zawiera widok okna konfiguracji bitów z programu BitBurner. W ten sposób zostanie uruchomiony Brown-Out Detector, który wprowadzi mikrokontroler w stan zerowania, jeżeli jego napięcie zasilające spadnie poniżej 4,3 V. To znacznie zmniejsza ryzyko zawieszenia się układu podczas uruchamiania oraz przy krótkotrwałych zanikach napięcia sieciowego.

Rysunek 3. Szczegóły ustawienia bitów zabezpieczających

Poprawnie zaprogramowany układ jest gotowy do działania po podłączeniu zasilania sieciowego do zacisków złącza J3 (IN AC) oraz nadzorowanego urządzenia do zacisków złącza J4 (OUT AC). Dotyczy to przewodów: fazowego (L) i neutralnego (N). Przewód ochronny (PE) należy połączyć poza płytką.

Można w tym celu użyć gniazda natynkowego, na przykład A1397 z oferty Sklepu AVT. Maksymalny prąd, jaki może pobierać obciążenie wynosi 15 A i wynika z dopuszczalnego prądu przepływającego przez zaciski złącz J3 i J4 oraz z wytrzymałości użytego przekładnika.

Jedyną czynnością uruchomieniową, jaką należy wykonać w tym układzie, jest ustawienie progu zadziałania przy użyciu potencjometru P1. Skręcając jego ślizgacz w lewo obniżamy ten próg (prąd o mniejszym natężeniu wywoła reakcję układu), zaś w prawo – zwiększamy, czyli układ wykryje przepływ prądu o większym natężeniu. Można w ten sposób uczynić układ niewrażliwym na prąd pobierany stale, niezależnie od stanu pracy, na przykład przez zegar sterujący i oświetlenie wnętrza piekarnika.

Przy podłączaniu układu należy pamiętać, że dla wyjść ze złącz J1 istnieje wspólny zacisk masy w złączu J2 – nawet, jeżeli zasilanie dla elementów wykonawczych będzie brane z innego źródła niż wbudowany zasilacz 5 V. Dopuszczalny prąd pobierany z J2 to około 600 mA, co wynika z mocy wyjściowej użytej przetwornicy (3 W). Przez każdy z zacisków złącza J1 może płynąć prąd o natężeniu nie większym niż 200 mA, co wynika z konieczności utrzymania tranzystora obsługującego to wyjście w stanie nasycenia. Dopuszczalne napięcie utrzymujące się między rozwartym wyjściem a masa wynosi 45 V, co wynika z wytrzymałości użytych tranzystorów BC337. W przypadku sterowania z tych wyjść przekaźnikami lub innymi elementami o charakterze indukcyjnym należy pamiętać o dodaniu diody zabezpieczającej.

Rozpoczęcie poboru prądu o natężeniu większym niż zadany jest sygnalizowany na trzy sposoby:

• wyjście START jest zwierane na 2 s, po czym ulega rozwarciu,
• wyjście WORK jest zwierane i zostaje w tym stanie,
• sygnalizator BUZ1 daje ciągły dźwięk o czasie trwania 2 s.

Z kolei zakończenie pobierania prądu jest oznajmiane nieco inaczej:

• wyjście STOP jest zwierane na 2 s, po czym ulega rozwarciu,
• wyjście WORK jest rozwierane natychmiast po wykryciu zaprzestania poboru prądu,
• sygnalizator BUZ1 daje dwa krótkie dźwięki o czasie trwania 0,5 s z przerwą 0,5 s.

Układ podtrzymuje działanie wyjścia WORK, o ile następny impuls z obwodu obsługującego przekładnik nadejdzie w czasie nie dłuższym niż 170 ms. Jeżeli się to nie wydarzy, zaczyna sygnalizować koniec poboru prądu.

Michał Kurzela, EP