Analogový ovladač s měřením

24. 9. 2014

Další konstrukcí, o které bych chtěl poreferovat, je analogový ovladač s plynulou změnou napětí od nuly do maxima, doplněný o měření aktuálních hodnot napětí a odebíraného proudu. Vznikl na zakázku pro kolegu jako součást Výzkumného pracoviště kolejových vozidel v Trainmaniakovicích.

Kolega výzkumník se rozhodl postavit zkušební kolejiště, na kterém by mohl provádět testy a recenze vozidel. Je známý tím, že pracuje důsledně a přesně, při recenzích proto zjišťuje napětí, při kterém se vozidlo dá do pohybu, a jaký proud odebírá. Proto potřeboval ovladač, jehož napětí by bylo možno měřit klasickým voltmetrem (na pulsním zdroji toho moc nenaměříte), regulovatelný od nuly do maxima. Žádná automatizace, žádné složitosti, jen regulační knoflík a přepínač směru. Napájení z externího zdroje pro notebook, aby odpadla starost s nebezpečným napětím. Tedy požadavky celkem jednoduché.

Snadno se řekne, hůř udělá. Původní idea využít regulátor LM317 byla zavržena, tento obvod reguluje od 1,2 voltu. Jiná zapojení regulují od nuly jen tehdy, když je řídící obvod napájen i záporným napětím. Tím jsem to komplikovat nechtěl a nakonec jsem našel zapoje ní od klasika českých konstruktérů, pana Belzy. Jde o lineární regulátor celkem typického zapojení, ale s operačním zesilovačem LM358, který právě umí regulovat i v oblasti kolem nuly. Zapojení jsem doplnil elektronickou pojistkou, ale jen v PTC provedení, pro daný účel dostatečnou. Indikace zkratu (a tedy rozpojené pojistky) je řešena LED diodou, umístěnou na čelním panelu.

No ale nebyl bych to já, kdybych si to něčím "neopepřil". Požadavek byl na "knoflík a přepínač" s tím, že měření si už kolega zaobstará sám, mezi zdroj a kolejový ovál vloží měřící zdířky, do kterých připojí multimetr. Já jsem ale v té době náhodou u známého narazil na digitální panelová měřidla, která umí měřit jak napětí, tak proud a oboje současně zobrazovat na dvouřádkovém displeji. No a bylo rozhodnuto.

Historická vsuvka: Když si uvědomím, s jakým úsilím jsme v osmdesátých letech sháněli "enderácký" obvod C520D pro třímístná měřidla, nebo pokoutně dovezené "kapitalistické" ICL7106, které umožňovaly stavbu měřidla 3,5 místného, je to jako srovnání s výletem na Kokořín...

Celé měřidlo s rozsahem 0 - 99,9 V a 0 - 9,99 A se vejde do otvoru 46 x 26 mm.

Zapojení je u modulu přibaleno i s popisem (anglicky a čínsky), kromě toho jsou zapojení různých druhů těchto měřidel hezky  popsána na stránkách Jiřího Bartáčka . Jedinou nevýhodou je, že měřidlo neumí být samo napájeno z napětí, které současně měří. To dá rozum, ale člověk má tendenci to přehlédnout. Pomoc je ale snadná, stačí zakoupit DC/DC měnič, který nám z napájecího napětí regulátoru vyrobí galvanicky odizolované napájecí napětí pro měřidlo. Parametry zvolte dle měřidla a toho, co máte na vstupu regulátoru (ehm, co jsem to říkal na začátku - že nechci řešit druhé napájení?)...

Poznámka z konce roku 2015: vývoj jde vpřed a měřidla s napájením bez galvanické izolace jsou dostupná. Pak by stačilo měřidlo napájet ze vstupního napětí regulátoru (cca 15 V) bez potřeby oddělení. Hledejte na Aliexpress.com heslo "2in1 Digital Voltmeter Ammeter DC 0~33V/3A

Takže po vyhrabání součástek ze zásob a dokoupení potřebných zbytků to na stole vývojového oddělení vypadalo nějak takto:

Jak vidíte, měřidlo opravdu ukazuje napětí i proud (zátěží byl nějaký rezistor) a abyste se nespletli, je to i barevně odlišeno  a doplněno písmeny V/A. Rozlišení tohoto modelu měřidla je 0,1 V a 10 mA, přesnost výrobce taktně neudává, podle jiných pramenů by měla být asi ± 0,3 % + 2 čísla. No, měřidlo je to informativní, že ano...

Návrh plošného spoje byl úzce svázán s návrhem konstrukce - limitem byla požadovaná velikost, nutnost někam umístit rozměrné součástky (měřidlo, chladič tranzistoru, měnič) a současně dodržet ergonomicky vhodné rozložení ovládacích a indikačních prvků.

Po několika změnách jsem nakonec zvolil nosný čelní štítek, na kterém budou upevněny i všechny ovládací prvky, a k němu přes distanční sloupky připevněnou destičku se součástkami. Kovový štítek současně poslouží jako chladič tranzistoru, který bude "neviditelně" přimontován ze zadní strany.

Nemám rád konstrukce, které nelze v rozebraném stavu provozovat (a tedy ani zkoušet či opravovat), proto jsem všechno připevnil na delší "fousy", aby se čelní panel dal odklopit do boku a člověk se dostal k součástkám. Přívodní vodiče (napájení a výstup pro připojení kolejnic) budou upevněny do nástrčné svorkovnice (jiné, než je na obrázku nahoře), aby se dal ovladač snadno a bez demontování vodičů vložit do otvoru v kolejišti a zase vyjmout.

Druhou výzvou se stal čelní panel. Ve "výzkumáku" sice pravili, že jim je to jedno, že to stačí "nějak nastrkat" do panelu zespodu, ale tím se člověk nesmí řídit, to bychom ještě svítili petrolejkama. Ve shodě se rčením mého známého, zarytého audiofila, který pravil: "Základem zesilovače je knoflík!" jsem i já začal od knoflíku. Měl jsem pěkný, černý, velký, hliníkový, broušený, s vygravírovanou značkou. Radost pohledět! No jo, ale zbytek by měl nějak korespondovat!

Takže panel nebude z kusu plechu nebo cuprextitu s nalepenou samolepkou z laserovky, ale z eloxovaného duralu, vygravírovaný na CNC frézce. Pak už jen stačilo navrhnout rozložení prvků a jejich popisů, přesvědčit rytectví, že i jeden kus je vlastně výhodný kšeft (tímto jim děkuji za ochotu a precizní zpracování) a panel je na světě!

To, co jsem dostal, mi vyrazilo dech. Černý duralový plech je černý jak noc, popisy jsou tenké a naprosto dokonalé. Otvory stačilo zakótovat a jsou tam, v kvalitě, kterou ručně nikdy nedosáhnete. Pro představu - celý štítek má 60 x 140 mm. Logo "výzkumáku" na čestném místě na horní straně:

V tuto chvíli již nic nebránilo složení celé konstrukce dohromady. Pravda, těch drátů je potřeba našlapat na malý prostor celkem dost, ale vešly se. Pro příště by asi stálo za úvahu použít jinou konstrukci, s ovládacími a indikačními prvky uchycenými třeba na pomocné desce za čelním panelem.

Kvůli vodičům k měřidlu je tak jako tak nutná určitá hloubka, celek přesto působí kompaktně. Nezbývalo, než provést závěrečnou zkoušku funkce, ve které zařízení obstálo, takže mohlo být předáno zákazníkovi. 

Po vestavbě do panelu zkušebního okruhu ovladač skvěle ladí s ostatními obslužnými prvky výzkumného centra. A funguje!

Na základě praktických zkoušek a připomínek z provozu jsme vyměnili měřidlo za vylepšený model se čtyřmístným displejem - rozlišení tak je 10 mV (zobrazení ve tvaru 0.00 - 12.00 V, max. měřená hodnota 30 V) a 0,1 mA (zobrazený údaj 0.0 - 999.9 mA, max. měřený proud 3 A). Výzkumný ústav tím získá přístroj, který plně respektuje vysoko nastavenou laťku pro zpracování testů a recenzí kolejových vozidel a umožní ji posunout zas o kousek výš. Níže zobrazená hodnota 11,88 V/109,2 mA.

Další zprávy o životě ovladače pak hledejte v sekci testů na webu Výzkumného ústavu.

 

(c) 2014 Jiří Zlámal