А. Євсєєв, г. Тула

Випускається вітчизняною промисловістю мікросхема КР1095ПП1 рбеспечівает перетворення потужності електричної енергії змінного струму промислової частоти (50 або 60 Гц) в частоту імпульсів. Мікросхема, виготовляється за технологією КМДП-транзисторів з полікремнієвих затворами. Виробник рекомендує використовувати дану мікросхему перетворювача потужності в частоту (ПМЧ) для виготовлення на її основі лічильників активної та реактивної електричної енергії промислової частоти класу точності 0,1 … 1%. Однак ця мікросхема може бути використана і в інших пристроях, про що піде мова в даній статті.

Основні технічні характеристики мікросхеми:

діапазон зміни вхідних сигналів змінної напруги (амплітудне значення) 1 … 4000 мВ

діапазон лінійного зміни частоти вихідних імпульсів …. 2 … 8000 Гц напруга живлення ± 6 В ± 5%

струм споживання, не більше ……………………………………… ……………………………………. 10 мА

діапазон робочих температур ……………………………………….. …………. від -60 * С до + 60 ° С

У мікросхемі використовується принцип імпульсного перемноження двох сигналів на основі широтно-імпульсної і амплітудно-імпульсної модуляції вхідних сигналів, пропорційних миттєвим значенням напруги та струму.

Як відомо з фізики, потужність Р дорівнює енергії W, витраченої за одиницю часу t, т. Е.

Значення спожитої енергії W виражається формулою:

де p (t) -: миттєве значення активної потужності в момент часу t, Т – період вимірювання.

Згідно з останньою написаної формулою, значення активної потужності Р може бути отримано як середньоарифметичне творів дискретних значень напруги Ц і струму I; в послідовній вибірці по періоду вимірюваного сигналу:

де N – кількість дискретних інтервалів, на яких проводиться вимірювання і перемножування миттєвих значень напруги та струму.

Чим більше Ν, тим вище точність вимірювання.

Слід особливо відмітити, що такий метод вимірювання і обчислення дозволяє визначити значення активної потужності, споживаної навантаженням. Нагадаємо, що активна потужність Р визначається за формулою Р = UI cos

Умовне графічне позначення мікросхеми КР1095ПП1 і типова схема включення представлені на рис. S.6, а призначення висновків і їх буквено-цифрові позначення – в табл. 5.1.

Мікросхема виконана в DIP-корпусі, відстань між рядами висновків становить 10 мм.

Отже, розглянемо роботу мікросхеми в режимі її типового включення для вимірювання потужності змінного струму (рис. 5.6). Резистори R1 і R2 утворюють дільник напруги, з виходу якого сигнал, пропорційний величиною напруги, надходить на вхід Ш мікросхеми (другий вхід U2 з’єднаний із загальним проводом). Напруга на резисторі R3, що є датчиком струму, пропорційно величині струму навантаження, і сигнал з датчика струму надходить на вхід II (другий вхід 12 з’єднаний із загальним проводом). На входи + U0 і -U0 подається зразкове напруга (близько 9 В) з параметричного стабілізатора напруги, виконаного на резисторах R4, R5 і стабілітрон VD1.

При подачі напруги живлення і підключенні навантаження на висновках мікросхеми є наступні сигнали:

• на виході FT – імпульси тактової частоти 1 МГц (частота основної гармоніки кварцового резонатора Z1);

• на виході FOP – імпульси з частотою, пропорційною потужності, споживаної навантаженням;

• на виході FON – постійна напруга –6 В;

• на виході FOC – імпульси з частотою, в 16 разів більшої частоти імпульсів на виході позитивної потужності FOP;

Таблиця 5.1

• на виході FO – імпульси з частотою, в 218 разів менше тактової частоти (т. е. близько 3,81 Гц).

Коефіцієнт Кімс перетворення добутку сигналів напруги та струму в частоту становить приблизно 1700 Гц / В2 і залежить від частоти тактового генератора і напруги стабілізації стабілітрона VD1 (із зменшенням величини опорного напруги Κ “Μ(; зменшується).

Знаючи номінали елементів R1R2 і датчика струму R3, нескладно вирахувати коефіцієнт перетворення потужності Кр в частоту FBblx:

Рис. 5.6. Схема типового включення мікросхеми КР1095ПП1

Для зазначених на схемі рис. S.6. параметрів він становить близько 2,2 Гц / Вт. По виходу FOC коефіцієнт перетворення в 16 разів більше, ніж за вихід FOP і FON.

Терміни «позитивна потужність» і «негативна потужність» є умовними. Вони введені для того, щоб мікросхема «відчувала» напрямок потоку електричної енергії: від мережі живлення до навантаження або навпаки. Як було зазначено вище, для схеми живлення навантаження, показаної на рис. 1.1, імпульси знімаються з виходу позитивної потужності FOP. Якщо висновки підключення навантаження і живлячої мережі поміняти місцями, то імпульси, пропорційні величині потужності, з’являться на виході негативною потужності FON (на виході FOP при цьому встановиться напруга –6 В). Такого ж ефекту можна досягти, якщо поміняти місцями підключення висновків Ш і U2 (яких висновків II і 12) мікросхеми. Можна також сказати, що «знак» потужності визначається знаком падіння напруги на датчику струму резисторі R1, визначається, в свою чергу, напрямком протікання струму через цей резистор. ‘

‘При побудові пристроїв на базі даної мікросхеми частотну послідовність імпульсів можна знімати з виходів FOP і FON. Якщо зручніше працювати з більшою частотою, то вихідний сигнал знімають з виходу FOC. Сигнал на цьому виході не залежить від «знака» потужності.

Як вже було зазначено вище, стабільність коефіцієнта перетворення потужності в частоту залежить від стабільності опорного напруги і стабільності частоти кварцового генератора. Висока температурна стабільність опорного напруги забезпечується застосуванням прецизійного стабілітрона з термокомпенсацією Д818Е або аналогічного (КС 191 та ін.). Для додаткового Повій стабільності опорного напруги харчування ± 6 В слід здійснювати від стабілізованого джерела. Стабільність частоти генератора забезпечується стабільністю параметрів кварцового резонатора Ζ1. Для підвищення стабільності частоти резонатор може бути поміщений в термостабілізованого камеру, проте в більшості випадків в цьому немає необхідності.

Переконатися в тому, що мікросхема враховує тільки активну потужність змінного струму, можна наступним чином. Як навантаження підключають паперовий конденсатор, наприклад, типу К73-17 ємністю 1 мкФ і напругою не менше 400 В. При цьому імпульси на виході FOP мікросхеми повинні бути відсутніми. При використанні конденсаторів з великими втратами (наприклад, МБГО-400 В – 10 мкФ) на виході FOP можуть бути присутніми імпульси низької частоти (порядку 20 … 30 Гц). При проведенні експериментів з конденсаторами слід пам’ятати, що у момент включення конденсатора через нього протікає значний струм, що викликає сплеск напруги у кілька десятків вольт на датчику струму. Якщо не вжити заходів до захисту входу мікросхеми, вона вийде з ладу. Напруга на вході ПМЧ можна обмежити двома послідовно-зустрічно включеними стабілітронами КС133 або КС 139 або за допомогою діодних обмежувачів, як це буде показано нижче.

На входи U або I може бути також подано постійна напруга позитивної чи негативної полярності величиною не більше 4 В. Це дозволяє застосовувати мікросхему для стабілізації напруги або струму (Нижче це буде розглянуто більш докладно). Мікросхема може також працювати і з пульсуючим однополярним напругою, що виходять в результаті однлі двухполупердного випрямлення.

Розглянемо застосування мікросхеми КР1093ПП1 в лічильнику електричної енергії. Необхідність у такому лічильнику може виникати в радіоаматорського практиці, коли потрібно виміряти кількість електрики, переносний потужністю в одиниці ватів або десяті частки ват. У практиці автора така потреба виникала, наприклад, при вимірюванні потужності холостого ходу малопотужних трансформаторів. Здавалося б, таку потужність можна обчислити, заміривши напруга і струм (їх можна заміряти з достатньою точністю). Але струм холостого ходу містить активну і реактивну складові, а потужність потрібно виміряти тільки активну. Розділити активну і реактивну складові струму непросто, і тут дуже зручний лічильник електроенергії, що враховує тільки активну складову потужності. Побутові електролічильники враховують активну потужність, але їх роздільна здатність становить десятки ват. Так, наприклад, широко поширені лічильники СО-І446, СО-І449, СО-505 мають передавальне число, тобто кількість обертів диска (позначимо його Ν), що відповідає кількості електроенергії 1 кВт-год, порядку 1000 (може знаходитися в діапазоні від 500 до 1300 оборотів). Нескладно вивести, що швидкість обертання диска лічильника ω [об / с] при потужності електроенергії Р [кВт] може бути обчислена за формулою

Джерело: За редакцією А. Я. Гріфа, Оригінальні схеми і конструкції. Творити разом! – М .: СОЛОН-Пресс, 2004. – 200 с .: іл. – (Серія «СОЛОН – радіоаматори», вип. 23)