OK2PPK » Texty » Technika a provoz » Omezovač zapínacího proudu | ---

Softstart 1

Omezovač zapínacího proudu

Zařízení je určeno k omezení velkého zapínacího proudu v obvodu AC 230V při připojení některých spotřebičů, typicky u zdrojů s výkonnějším transformátorem a velkou filtrační kapacitou za usměrňovačem. Omezovač byl cíleně vyvíjen pro použití se zdrojem DC 13.8V/20A pro napájení vysílací techniky a pro současné příležitostné použití s jinými zařízeními. Z tohoto důvodu umožňuje současně i rozpojení napájení v obvodu DC 13,8V a je zhotoven jako samostatný celek použitelný s více zařízeními bez nutnosti do nich zasahovat.

 

Omezovač vzniknul jako důsledek havárie transvertoru 23cm na UHF contestu 2015, kdy jsem se následně rozhodl konečně zprovoznit pro transvertor již dříve pořízený lineární napájecí zdroj, který měl tendenci při zapínání vyhazovat 16A jistič.

Technické parametry:

Okruh AC 230V
Funkce:	připojení napájení 230V
	omezení protékajícího proudu po nastavitelnou dobu
Omezovací prvek:	drátový rezistor 50Ω/40W
Spínací prvky:	relé 250VAC/16A
Jištění obvodu:	tavná pojistka T 10A přístupná zvenku
Předpokládaný trvale přenášený výkon:	do 500W
Vstupní připojení:	flexošňůra 3x1,5mm2
Výstupní připojení:	panelová zásuvka 230V/16A

Okruh DC 13,8V
Funkce:	připojení napájení 13,8V
Spínací prvek:	relé 14VDC/30A
Jištění obvodu:	bez jištění
Předpokládané proudové zatížení:	do 20A
Vstupní připojení:	šroubovací zdířka
Výstupní připojení:	šroubovací zdířka

Řídicí obvody
Napájení:	AC 230V 4/5/6VA (rozepnuto/omezování/sepnuto), vnitřní lineární zdroj s transformátorem
Jištění napájení:	tavná pojistka T 32mA přístupná zevnitř
Interní napájecí napětí:	nestabilizovaných 12V/0,5A + stabilizovaných 5V
Řízení časování:	programem, jednočipový procesor Atmel ATtiny13a
Funkce:	řízená sekvence sepnutí 230V, 13,8V a omezení proudu
	řízená sekvence vypnutí 13,8V a 230V
	hlídání výpadku napájení s řízeným vypnutím, nastavitelná úroveň napětí i doba poklesu
	manuální zapnutí a vypnutí výstupu
	automatické zapnutí s volitelným časovým zpožděním na ochranu proti přehřátí a zákmitům
	časování nastavitelné změnou dat v EEPROM

Zařízení umožňuje dva základní režimy činnosti podle stavu ovládacího spínače v době zapnutí řídicích obvodů. Je-li při zapnutí napájení tento spínač rozepnutý, tak se přejde do manuálně ovládaného režimu, ve kterém se zapínací sekvence provede až po sepnutí tohoto spínače. Pokud je při zapnutí napájení ovládací spínač v poloze sepnuto, tak se přejde do automatického režimu, kdy se počká nastavitelný časový interval (12s) a po něm se rovnou spustí zapínací sekvence. Časový interval slouží ke snížení tepelného namáhání omezovacích rezistorů v případě, že by došlo k sérii výpadků napájení.

Při zapnutí se dále vyhodnocuje, z jakých důvodů byly řídicí obvody restartovány. Pokud je důvodem prostý náběh napájení, tak se do incializace zařízení zařadí krátký časový interval (0,5s) pro ustálení napájení. Pokud jsou obvody restartovány kvůli poklesu napájení CPU pod napětí 4,3V, kvůli provedení vypínací sekvence v důsledku poklesu napájení 230V pod nastavenou mez nebo kvůli ručně aktivované vypínací sekvenci, tak je zařazen prodloužený zpožďovací interval (2s) pro zamezení zákmitů relé, pokud by při spínaní zátěže docházelo k opakovanému poklesu napájení 230V.

Při zapínací sekvenci je nejprve do okruhu 230V zapojen omezovací rezistor, následně se připojí napájení, počká se nastavitelný časový interval (2,5s), vypojí se omezovací odpor a sepne se okruh 13,8V.

Po provedení zapínací sekvence se přejde v manuálním i automatickém režimu do fáze čekání na vypnutí. Během ní je možné sepnutím ovládacího spínače následovaným do 2s jeho rozepnutím aktivovat vypínací sekvenci. Pokud je interval mezi sepnutím a rozepnutím spínače delší, tak se vypnutí neprovede a čeká se dále.

 

Jak během čekání na vypnutí, tak i během většiny zpožďovacích intervalů se vyhodnocuje nastavitelná úroveň podpětí v okruhu 230V. Pokud podpětí trvá déle než je nastaveno, tak se přechází na zrychlenou rozepínací sekvenci.

Rozepínací sekvence provede rozpojení okruhu 230V i 13,8V. Je-li prováděna v důsledku detekovaného podpětí, tak se intervaly mezi změnou stavu relé zkrátí na nejkratší možné minimum. Rozepínání je časováno tak, aby při nuceném vypnutí v době omezování proudu nedošlo k vyřazení omezovacího odporu dříve, než bude rozpojeno napájení 230V.

Jednočipový procesor má aktivované obvody brown-out resetu, které při poklesu jeho napájení pod 4,3V restartují procesor. V tomto případě sice není možné provést vypnutí relé řízeně, nicméně po resetu všechna relé odpadnou a rozpojí tak okruhy 230 i 13,8V.

Popis zapojení

Schema softstartu včetně výkresů plošného spoje je uvedeno na konci článku. Hlavní 230V spínací okruh omezovače je tvořen kontakty relé Re1, Re2 a omezovacími rezistory R1 a R2. Re1 při sepnutí zajišťuje připojení síťového napájení 230V k okruhu. Re2 v klidovém stavu přemosťuje omezovací rezistor - je to z důvodu, aby v případě, že relé kvůli poruše nesepne, nebyl v obvodu zařazen trvale omezovací odpor. Okruh 13,8V je spínán kontakty relé Re3. Signalizace stavu relé je provedena nízkopříkonovými LED diodami zapojenými paralelně k vinutí relé.

 

Snímání stavu ovládacího spínače, detekci podpětí a ovládání relé zajišťuje jednočipový procesor ATtiny13a. Ovládání relé je prováděno vzhledem k větším proudům přes externí spínací tranzistory, u Re3 výkonnějšího typu. Detekce podpětí je realizována pomocí interního komparátoru s porovnávací úrovní 1,1V, napětí pro detekci je odebíráno ze sekundárního vynutí přes diody D3 a D4. Požadovaná úroveň podpětí se nastavuje trimrem P1. Jako ovládací prvek slouží spínač S2. Prvky R11, R12, J4 a J5 v obvodu nemají nyní žádnou funkci a je zbytečné je osazovat, je to pozůstatek původně uvažované funkcionality, která nakonec nebyla realizována.

Programování mikrokontroléru se provádí "v obvodu" přes konektor J1. Během programování je možné obvod napájet externě z programátoru, z tohoto důvodu je možné jumperem J2 odpojit napájení CPU od zbytku softstartu a dále pomocí J3 je možné odpojit linku MISO od obvodů detekce podpětí. J3 je možné současně využít při nastavování detekce podpětí pro měření napětí.

K napájení slouží běžný lineární zdroj s transformátorem a s dvoucestným usměrňovačem. Kondenzátor C1 musí při výpadku udržet napájení včetně relé déle, než je námi požadovaná maximální délka poklesu včetně doby potřebné na regulérní rozpojení relé. Pro napájení IO1 je napětí dále sníženo na hodnotu 5V. Vzhledem k dostatku místa byl pro stabilizaci použit běžný obvod z řady 7805 v pouzdru TO220, které umožnilo oproti menším pouzdrům i lepší chlazení.

Konstrukce

Zapojení je postaveno na jednostranném plošném spoji (138,0 x 88,5 mm), většina menších součástek je v provedení SMD a je zapájena ze strany spojů, shora jsou osazeny pouze větší prvky jako relé, omezovací odpory, trafo atd.

Celá konstrukce je zabudována do běžně prodávané kovové krabičky. Vývody okruhu 13,8V jsou řešeny pomocí šroubovacích zdířek na zadním panelu, vývody okruhu 230V jsou realizovány přímo zapojenou flexošňůrou a standardní síťovou zásuvkou taktéž na zadním panelu. Okruh 230V je mimo plošný spoj propojen vodiči s průřezem 1,5mm² a okruh 13,8V vodiči o průřezu 2,5mm².

 

 

Ovládací program

Zdrojový kód řídícího programu pro IO1 s podrobným komentářem včetně přeloženého kódu je uveden na konci článku. Program je napsán v assembleru pro procesory AVR.

Procesor je taktován na kmitočtu 1,2MHz (ponechán defaultní RC oscilátor 9,6MHz a dělič osmi) a oproti výchozímu nastavení výrobce je konfiguračními propojkami povolena detekce BOD při napětí 4,3V.

Hlavní programová smyčka se ve velké míře opírá o přerušovací rutinu volanou každou 1ms, která pro hlavní program zajišťuje obsluhu časovače, vyhodnocení podpětí včetně měření jeho délky a snímání stavu ovládacího spínače s potlačením zákmitů na jeho kontaktech. Hlavní smyčka dále používá několik podprogramů, které slouží k inicializaci procesoru, provedení zpoždění s nebo bez detekce podpětí a pro vygenerování zapínací a vypínací sekvence relé. Více podrobností k programu najdete v komentáři v souboru se zdrojovým kódem.

Část hodnot zpožďovacích intervalů je uložena v paměti EEPROM a lze je tak měnit i bez nutnosti rekompilace programu, podrobný popis uspořádání těchto dat je opět uveden ve zdrojovém kódu. Program používá dva typy časovačů. Jeden má rozlišení 1ms a lze jej nastavit na hodnotu 1 až 255ms, druhý má rozlišení 0,1s a je nastavitelný v rozsahu 0,1 až 25,5s. Přesnost intervalů je limitována především použitým vnitřním RC oscilátorem a jeho stabilitou. V programu je zabudována možnost upravit kmitočet změnou hodnoty registru OSCCAL.

Nastavení

Po sestavení, kontrole napájecích napětí a naprogramování CPU je ještě nutné nastavit trimrem P1 úroveň vyhodnocovaného podpětí. Buď je možné si zhruba spočítat jaké napětí je potřeba na J3 nastavit v době, kdy je přitažené relé Re1 a Re3, aby při poklesu napájení 230V na požadovanou úroveň pokleslo napětí na J3 na 1,1V, a tuto úroveň nastavit, nebo jednodušší je připojit softstart na regulační transformátor a nastavit si detekci podpětí s ním. Pro cca 180V mi vycházelo nastavení zhruba kousek před polovinou odporové dráhy P1.

 

Podklady

Zde jsou základní podklady od zařízení. Nákresy a osazovací plány plošných spojů v GIF byly exportovány s rozlišením 600 DPI. Tisk předlohy spoje do PDF by měl být nejvíce shodný s podklady použitými přímo pro výrobu spoje, předloha v GIF získaná exportem se může v detailech lišit. Kromě zdrojového kódu je zde i přeložený program a obsah paměti EEPROM ve formátu Intel HEXa.

• schema zapojení - (gif, 32kB)
• předloha spoje - (gif, 99kB)
• předloha spoje - (pdf, 58kB)
• osazovací plán spodní strany - (gif, 112kB)
• osazovací plán horní strany - (gif, 150kB)
• zdojový kód - (asm, 29kB)
• přeložený program - (intel hex, 2kB)
• obsah paměti EEPROM - (intel hex, 1kB)
• definiční soubor pro ATtiny13a - (inc, 16kB)