Разграничение аварий: При отказе табло без данных о напряжении невозможно определить, пропало внешнее 220 В или вышел из строя внутренний блок питания 24 В. Контроль обоих уровней исключает ложные диагнозы и сокращает время выездной диагностики.
Требования надежности: Для систем отображения информации с непрерывным режимом работы (например, транспортных или рекламных) коэффициент готовности должен быть не ниже 0,999. Без мониторинга питания простой увеличивается из-за неясности причины.
Выбран конденсатор C1 = 100 мкФ, 25 В. Определим пульсации при нагрузке делителем.
Сопротивление нагрузки (делитель): суммарное сопротивление Rн=R1+R2. Подстроечный R1 = 50 кОм, постоянный R2 = 10 кОм. Однако R1 включён как делитель напряжения: его верхняя часть (от моста до движка) и нижняя (от движка до земли) с параллельным R2. Для расчёта пульсаций будем считать наихудший случай: нагрузка постоянного тока, эквивалентное сопротивление всего делителя около 60 кОм (если R1 на максимум). Ток через делитель:
Iн≈R1+R2Uвых≈60кОм6.7В≈0.112мА
Очень малая нагрузка, пульсации будут минимальны.
Постоянная времени разряда:
τ=Rн⋅C1=60×103Ом×100×10−6Ф=6с
Период пульсаций (двухполупериодное выпрямление) T=10мс (частота 100 Гц). Разрядное напряжение за период:
ΔU=Uмакс(1−e−T/τ)≈UмаксτT≈6.72×60.01≈0.011В
Пульсации менее 12 мВ, что пренебрежимо мало. Дополнительный керамический конденсатор C2 = 0.1 мкФ шунтирует ВЧ-помехи.
Требуется, чтобы при номинальном входном напряжении 220 В переменного тока на аналоговом входе A0 было напряжение 5.00 В (полный диапазон АЦП). Выпрямленное напряжение после моста и фильтра при 220 В составляет примерно 6.72 В (расчётное), но из-за неидеальной нагрузки и падения на диодах точное значение будет немного отличаться. Используем подстроечный резистор для точной настройки.
Делитель состоит из R1 (50 кОм подстроечный) и R2 (10 кОм). Выходное напряжение снимается с движка R1. Представим R1 как два резистора: R1a (от моста до движка) и R1b (от движка до земли), причём R1a+R1b=R1. R2 подключён параллельно R1b, поэтому общее сопротивление нижнего плеча:
Rниз=R1b+R2R1b⋅R2
Верхнее плечо — R1a. Коэффициент деления:
K=R1a+RнизRниз
Нам нужно, чтобы при входном постоянном Uвх=6.72В (соответствует 220 В AC) на выходе было 5.00 В, т.е. K=6.725.00≈0.744.
Подберём положение движка. Примем R1b небольшим, чтобы Rниз определялось в основном R2. Если R1b много больше 10 кОм, то Rниз≈R2=10 кОм. Тогда K≈R1a+R2R2. Для K=0.744 требуется R1a=R2⋅(K1−1)=10×(0.7441−1)≈10×(1.344−1)=3.44 кОм. Это вполне достижимо при общем R1=50 кОм — движок будет в положении, где верхняя часть ~3.44 кОм, нижняя 46.56 кОм, тогда Rниз=46.56∥10≈56.5646.56×10≈8.23 кОм, общее сопротивление делителя 3.44+8.23=11.67 кОм, коэффициент 11.678.23≈0.705 — маловато. Пересчитаем точнее.
Более общий подход: используем подстроечник и R2 для получения точного коэффициента. В любом случае регулировка обеспечит 5.00 В при 220 В. При максимальном входном 253 В (соответствует ~7.93 В на входе делителя) напряжение на выходе станет 7.93×0.744≈5.90 В, но стабилитрон D1 (5.1 В) начнёт открываться и ограничит напряжение примерно на 5.1 В + падение на внутреннем сопротивлении стабилитрона. Ток через стабилитрон будет ограничен резисторами делителя.
Стабилитрон BZX55C5V1: напряжение стабилизации 5.1 В ±2%, максимальная мощность 500 мВт (при 25°C). Допустимый ток стабилизации:
Iст.max=UP=5.10.5≈98мА
При превышении входного напряжения (например, при 300 В AC, что маловероятно, но рассмотрим аварию) вторичное напряжение трансформатора возрастёт пропорционально. При 300 В на первичке U2=38.33300≈7.83 В RMS, амплитудное ~11 В, после выпрямителя ~9.6 В. Напряжение на выходе делителя без стабилитрона было бы 9.6×0.744≈7.14 В. Стабилитрон ограничит до ~5.1 В, избыточное напряжение упадёт на верхнем плече делителя R1a. Ток через стабилитрон:
Iст=R1aUвх−Uст−IАЦП
где IАЦП — входной ток АЦП (пренебрежимо мал, < 1 мкА). При наихудшем случае R1a минимально — около 3.44 кОм (если движок близко к верху). Тогда при Uвх=9.6 В:
Iст=3.44×1039.6−5.1≈1.31мА
Мощность, рассеиваемая стабилитроном: P=5.1×0.00131≈6.7мВт, что намного ниже допустимых 500 мВт. Даже при экстремальном повышении до 20 В на входе делителя (что невозможно из-за насыщения трансформатора) ток будет невелик. Таким образом, стабилитрон работает в безопасном режиме.
Ток через делитель при нормальном режиме (вход 6.72 В): приблизительно R1a+Rниз6.72. При максимальном нижнем плече около 10 кОм, общее ~13.44 кОм, ток ~0.5 мА. Мощность на любом резисторе не превышает I2R, менее 3 мВт. Использование резисторов 0.125 Вт даёт огромный запас.
При номинальном входном 12.0 В на АЦП поступает 12.0×31=4.00 В.
Диапазон измерения 0–15 В на входе соответствует 0–5 В на АЦП (максимум 5 В достигается при 15 В). Защитный стабилитрон D2 (5.1 В) ограничит при превышении.
При максимально допустимом по ТЗ 13.2 В: UАЦП=4.4 В – в безопасной зоне. При 15 В: 5.0 В, уже на границе, стабилитрон начнёт слегка подтекать. При 18 В (ошибка БП): 6 В на делителе, стабилитрон зажмёт до 5.1 В.
Ток через делитель: I=R3+R4Uвх=3000012=0.4 мА.
Мощность резисторов: PR3=(0.0004)2×20000=3.2 мВт; PR4=1.6 мВт – пренебрежимо.
При перенапряжении 30 В (нештатное) ток через R3 = 30/30к = 1 мА. Стабилитрон D2 должен поглотить разницу: при Uст=5.1 В, ток через стабилитрон = 1 мА - ток через R4 (0.51 мА) = 0.49 мА, мощность 5.1×0.49≈2.5 мВт, совершенно безопасно.
Arduino Nano (ATmega328P) с работающим USB-UART потребляет около 25–30 мА от 5 В (без дополнительной нагрузки). С небольшим запасом примем 50 мА (0.05 А).
Входное напряжение: 24 В DC (номинал), диапазон 21.6–26.4 В.
Выходное напряжение: 5 В DC, стабилизированное, точность ±2%.
Мощность: 1 Вт (максимальный выходной ток 200 мА).
КПД при полной нагрузке: ~72–75%. При малой нагрузке немного ниже, но в целом около 70%.
Выходная мощность: Pout=5В×0.05А=0.25Вт.
Входная мощность: Pin=ηPout≈0.700.25≈0.357Вт.
Входной ток по 24 В: I24=240.357≈0.0149А≈15мА.
Преобразователь имеет встроенную защиту от короткого замыкания. Выходной конденсатор C3 = 10 мкФ (тантал) — рекомендован даташитом для стабильности. Выбран с запасом по напряжению (не менее 10 В).
F1 (100 мА, 250 В AC) для первичной обмотки трансформатора.
Номинальный ток первички при полной нагрузке 1.5 ВА: I1=2301.5≈6.5мА.
При включении трансформатора возможен бросок тока намагничивания, но 100 мА (плавкая вставка) выдержит кратковременный бросок, а при КЗ надёжно отключит цепь.
F2 (50 мА) для цепи 12 В.
Номинальный ток делителя 0.4 мА, 50 мА предохраняет от случайного короткого замыкания клемм 12 В, при этом не создаёт заметного падения напряжения.
Arduino Nano: АЦП 10 бит (1024 градации), опорное напряжение 5.0 В (по умолчанию AVcc). Разрешающая способность:
LSB=10245.0≈4.883мВ
Канал 220 В:
Масштаб: 5.0 В на АЦП соответствует 220 В (после калибровки). Одному отсчёту АЦП соответствует 1024220≈0.215В. Это достаточно для определения выхода за пороги (198/253) с точностью ±0.2 В.
Суммарная погрешность: нелинейность АЦП (±2 LSB ≈ 0.43 В), допуск резисторов делителя (1%), точность стабилизации опорного напряжения. При калибровке по мультиметру ошибку можно снизить до ±1–2 В, что приемлемо.
Канал 12 В:
4.0 В на АЦП при 12 В. Один LSB = 102415≈0.01465В (диапазон 0–15 В) или 0.004883×3=0.01465 В. Точность высокая.
Для 220 В: подать точно 220 В (контролируется поверенным мультиметром), подстроечником R1 выставить на A0 напряжение 5.00 В. Программно ввести коэффициент: K220=ADC_value×5/1023220. Для 12 В коэффициент K12=3.0, уточнённый по мультиметру (можно изменить в коде).
Все компоненты работают при сверхнизких мощностях:
Трансформатор загружен менее чем на 5% от номинала, нагрев отсутствует.
Стабилитроны, резисторы, диоды — мощность рассеяния менее 10 мВт.
Arduino с DC-DC выделяют около 0.25 Вт + потери в преобразователе ~0.1 Вт, суммарно ~0.35 Вт. В закрытом пластиковом корпусе повышение температуры не превысит 5–10°C, что безопасно.
X1 – винтовая колодка на три контакта (L, N, PE). К ней подводится напряжение 220 В после вводного автомата 1А. PE используется для экранов и заземления трансформатора.
X2 – двухконтактная колодка «+12V» и «GND» от блока питания 12 В в шкафу.
X3 – двухконтактная колодка «+24V» и «0V» от общей 24-вольтовой шины шкафа.
X4 – стандартный USB-разъём (type B или micro-USB), выведенный на корпус через кабельный ввод. К нему подключается кабель, идущий к неттопу.
2. Цепь измерения 220 В
F1 (100 мА) – защищает первичную обмотку трансформатора и всю цепь от перегрузки.
Трансформатор Myrra 44010 обеспечивает гальваническую развязку и понижает напряжение до 6 В RMS.
Вторичная обмотка подключена к диодному мосту DB107.
Конденсатор C1 (100 мкФ) сглаживает пульсации до среднего постоянного напряжения (~7–8 В), C2 (0.1 мкФ) подавляет высокочастотные помехи.
Резистивный делитель: подстроечный R1 (50 кОм) и постоянный R2 (10 кОм) уменьшают напряжение до уровня, который при калибровке (вращением R1) даёт 5.0 В на входе АЦП при 220 В на входе.
D1 (стабилитрон 5.1 В) ограничивает напряжение на аналоговом входе Arduino до безопасного значения.
Общий провод выпрямителя (GND_AC) соединён с GND Arduino.
3. Цепь измерения 12 В
F2 (50 мА) – защита от КЗ на стороне 12 В.
Делитель R3/R4 (20 кОм / 10 кОм) даёт коэффициент 1/3. При 12 В на входе на А1 будет 4 В.
D2 (стабилитрон 5.1 В) – дополнительная защита.
Земля 12 В (GND_12V) объединена с GND Arduino (все земли измерительной части соединены, так как они гальванически развязаны от сети и от управляющего компьютера).
4. Питание Arduino
От внешней шины 24 В через изолированный DC-DC преобразователь Traco TMA 2405S получается стабилизированное 5 В.
Конденсатор C3 (10 мкФ) на выходе преобразователя – для подавления импульсных помех.
Питание 5 В подаётся непосредственно на пин +5V Arduino Nano, минуя встроенный стабилизатор (чтобы не перегревать его и обеспечить надёжную работу).
Земля выхода DC-DC объединена с измерительной землёй (GND Arduino), но изолирована от 24 В шкафа (испытательное напряжение изоляции 1500 В).
5. Интерфейс связи
Встроенный USB-UART преобразователь Arduino (ATmega16U2 или CH340) подключён к выводам USB на плате.
Сигналы USB проходят через изолятор на ADuM3160, который обеспечивает гальваническую развязку 2500 В между Arduino и неттопом. Питание изолятора берётся с USB-порта Arduino (или с его выхода 3.3/5В, в зависимости от исполнения модуля). В результате на выходном разъёме X4 присутствует изолированный USB.
6. Заземление экранов
Экранные оболочки всех внутренних сигнальных кабелей (от трансформатора, от делителей) подключены к PE (контакт X1) для защиты от электромагнитных помех.
Экран соединяется с PE только в одной точке (звезда), чтобы избежать контуров заземления.
Металлический корпус трансформатора также заземлён на PE.