Разработка устройства автоматического регулирования света на микроконтроллере (стр. 8 из 18)

- соединить вывод AGND с аналоговой землёй;

- использовать LC фильтр питания в цепи AVCC;

- при измерении не переключать выводы АЦП порта, если они настроены как цифровые выходы.

Поскольку высокая достоверность результата измерения не требуется, то с целью упрощения схемы, вышеуказанные меры не соблюдаются. Калибровка АЦП тоже не требуется, в том числе потому, что используется обычный канал, а не дифференциальный [12, раздел 2.3].

Несмотря на принятые упрощения, точность, т.е. повторяемость схемы, от этого не ухудшается. Благодаря внешнему ИОН, используемому также в роли стабилизатора питания МК, результаты измерений АЦП всегда остаются стабильными вплоть до младшего значащего разряда, даже при 10- битном разрешении АЦП.

По рекомендации ATMEL, для обеспечения надёжной работы МК, в непосредственной близости от его выводов питания установлены блокировочные конденсаторы С2 (керамический) и С3 (танталовый электролитический). В данной схеме это особенно актуально, т.к. при коммутации затворов транзисторов, обладающих довольно высокой ёмкостью, возникают значительные импульсные токи.

Для программирования МК предусмотрен разъём JS4 "ISP" (In-System Programming, внутрисхемное программирование). Также как и при программировании EEPROM самой программой во время работы, во время внутрисхемного программирования ток МК, согласно его описанию, составляет 6 мА (при 5 В и 25°С). По результатам измерений максимальный потребляемый ток находился в интервале от 4,3 мА до 5,8 мА. Из-за малой мощности блока питания напряжение во время программирования снижалось примерно до 3,3 В. Однако многократный опыт перепрограммирования МК показал что это безвредно. Более того, в Интернете встречаются сообщения о том, что МК нормально программируется при напряжении вплоть до 3 В.

При программировании МК в составе устройства важно обратить внимание на следующие моменты:

– требуется гальваническая развязка программатора, поскольку схема находится под потенциалом сети;

– может потребоваться внешний блок питания (тоже с гальванической развязкой), если программатору будет недостаточно тока, вырабатываемого блоком питания схемы;

– желательна установка высокоомных резисторов (порядка 100 кОм) между затворами и истоками транзисторов чтобы не допустить их возможного перегрева, а также выхода из строя из-за самопроизвольного открывания и увеличения сопротивления канала, вызванного тем, что во время программирования выводы МК находятся в высокоимпедансном состоянии.

Поэтому лучшим вариантом, возможно, окажется запрограммировать МК до установки в схему.

Состояние фьюзов МК соответствует значениям по умолчанию, за исключением запрограммированного фьюза BODEN, разрешающего использование встроенного супервизора питания (Рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Программирование фьюзов МК

Ранее отмечалось, что МК с незадействованным супервизором питания может не запуститься. Чтобы обойти это ограничение и иметь возможность запрограммировать фьюз, следует после появления напряжения питания кратковременно соединить вывод Reset МК с общим проводом.

Рекомендуется использовать программатор – avrdude . В частности, он входит в состав бесплатной среды разработки WinAVR.

Не показанные на схеме выводы МК никуда не подключены.

ж) Делитель напряжения

Резисторы R3 и R4 образуют делитель, необходимый МК для измерения напряжения сети и определения момента перехода фазы через нуль. Обычно резистор между выходом диодного моста и входом МК рекомендуется составлять из двух включенных последовательно (на случай пробоя одного из них), но поскольку перед диодным мостом установлен защитный диод, эта рекомендация не выполняется.

Делитель должен быть рассчитан таким образом, чтобы при максимальном входном напряжении Uвх выходное напряжение делителя Uвых не превышало напряжение питания МК. Эта величина определяется прямым напряжением внутреннего диода МК. В данной схеме важно чтобы входной сигнал не превышал минимальное напряжение питания МК, потому что это напряжение является опорным для АЦП. Иначе результатом АЦП будут коды соответствующие опорному напряжению, а не истинному значению входного сигнала.

Согласно описанию МК, АЦП рассчитан на обработку низкоомных сигналов (10 кОм и менее). Поэтому для нижнего плеча делителя напряжения выберем номинал равный 9,1 кОм, чтобы предусмотреть 5%-ный допуск сопротивления.

Для вычисления минимального сопротивления верхнего плеча делителя воспользуемся стандартной формулой:

Uвых = (Uвх • R2) / (R1 + R2). (2.6)

Отсюда: R1 = ((Uвх – Uвых) • R2) / Uвых (2.7)

Введём коэффициент Квх, определяющий максимальное отклонение сетевого напряжения:

R1 = ((Uвх•Квх – Uвых) • R2) / Uвых (2.7,а)

Поскольку нас интересует полный размах сетевого напряжения, перепишем формулу с учётом амплитудного значения:

R1 = ((Uвх•Квх•1,41 – Uвых) • R2) / Uвых. (2.7,б)

Учтём падение напряжения на двух диодах диодного моста:

R1 = ((Uвх•Квх•1,41 – 2•Uд – Uвых) • R2) / Uвых (2.7,в)

Падение напряжения на предохранителе не учитывается, т.к. оно составляет всего 0,2 В при максимальной нагрузке.

Осталось добавить коэффициенты Кr, определяющие отклонение резисторов от номинала:

R1 = ((Uвх•Квх•1,41 – 2•Uд – Uвых) • R2 • Кr2) • Кr1 / Uвых (2.7,г)

Переходим к подстановке численных значений.

Входное напряжение Uвх = 220 В, его отклонение Квх = 10%.

В качестве значения Uд берём минимальное падение напряжения, т.к. в этом случае сопротивление резистора R1 будет больше. Минимальное падение напряжения на диодах моста будет при минимальном токе, т.е. при отключенной нагрузке. Судя по графику из описания диодного моста, падение напряжения на одном элементе при токе нагрузки 10 мА равно примерно

Uд = 0,65 В

Благодаря использованию фильтрующего конденсатора большой ёмкости, пульсациями БП можно пренебречь. Поэтому минимальное напряжение питания МК определяется минимальным напряжением стабилизации ИОН, что, согласно описанию последнего, равно

Uвых = 5 – 1% = 4,95 В

Стандартный допуск на отклонение сопротивления резисторов равен

Кr = 5%. Нужно предусмотреть ситуацию, когда сопротивление R2 (R3 по схеме) будет больше, т.к. при этом Uвых тоже увеличится. Это, как было отмечено ранее, может привести к неверному результату измерения. Поэтому принимаем Кr2 = 0,95. С сопротивлением R1 (R4 по схеме) ситуация противоположная – важно учесть уменьшение сопротивления. Поэтому Кr1 = 1,05.

Подставляя численные значения в формулу, получаем:

R1 = ((220•1,1•1,41 – 2•0,65 – 4,95) • 9,1•103 • 0,95) • 1,05 / 4,95 = =(334,97 • 8,65•103) • 1,05 / 4,95 = 3042,37•103 / 4,95 = 614,6•103 (Ом).

Ближайшим сопротивлением из стандартного ряда, превышающим полученное значение, является номинал 620 кОм.

Поскольку падение напряжения на резисторе верхнего плеча делителя может достигать 242 • 1,41 = 341 (В), резистор должен иметь мощность 0,5 Вт. Как было показано при расчёте балластного резистора, на паспортную мощность можно ориентироваться только тогда, когда сопротивление резистора больше критического. Для резистора серии С2-23 мощностью 0,5 Вт критическое сопротивление Rк = 3502 / 0,5 = 245 (кОм), что почти в три раза меньше чем 620 кОм. Значит, мощность резистора 0,5 Вт в данном случае выбрана правильно.

к) Выходной каскад

Нагрузка коммутируется N-канальными MOSFET транзисторами VT1 и VT2. Особенностью схемы является отсутствие драйвера, что в соответствии с требованием проекта уменьшает количество используемых компонентов. Транзисторы управляются напрямую выходами МК.

Как выяснилось, при напряжении на затворе 5 В и мощности нагрузки 60 Вт канал транзистора почти полностью открывается, даже несмотря на довольно высокое сопротивление резистора в цепи затвора. Так происходит благодаря тому, что ток нагрузки (около 0,25 А) составляет величину примерно в 20 раз меньшую максимально допустимого тока стока транзистора. При таких условиях падение напряжения на переходе сток-исток транзистора составляет менее 1 В, что не приводит к заметному на глаз снижению максимальной яркости лампы.

Тока выхода МК оказывается достаточно для перезарядки ёмкости затвора благодаря невысокой частоте переключения (100 Гц). Это примерно на два порядка меньше частоты, на которой работают MOSFET транзисторы в традиционных переключательных схемах, например в импульсных источниках питания.

Отсутствие драйвера может привести к самопроизвольному включению транзистора в случае резкого всплеска напряжения на стоке. Этот эффект, известный под названием CdV\dt turn-on, вызван наличием ёмкости между затвором и стоком (ёмкость Миллера). Иногда вернуть транзистор в нормальный режим работы удаётся лишь после отключения схемы от сети на несколько минут (на время остывания транзистора). Одним из лучших способов предотвратить случайное включение является выбор транзистора, у которого соотношение Qgd / Qgs1 составляет величину менее 1,4 [7]. Здесь Qgd – это величина заряда затвор-сток, Qgs1 – это величина заряда, при котором напряжение на затворе достигает порогового значения (определяется по графику Total Gate Charge). К сожалению, транзисторы, соответствующие данному правилу, встречаются крайне редко. С другой стороны, случаи резких всплесков напряжения на стоке тоже крайне редки.

При резком спаде напряжения на стоке и отсутствии драйвера ёмкость Миллера не приводит к самопроизвольному включению транзистора, но на затворе может возникнуть отрицательный потенциал, превышающий допустимое напряжение затвор-исток [10, раздел 3]. Это может стать причиной выхода транзистора из строя. Поэтому одним из критериев при выборе транзистора стало наличие встроенного ограничителя напряжения на затворе. Такое решение позволило отказаться от дополнительных внешних компонентов. Кроме этого, встроенный ограничитель предохраняет затвор от воздействия статического электричества, к которому MOSFET транзисторы как класс приборов имеют высокую чувствительность.