22.02.2021 : Статья в процессе написания и будет дополняться по мере создания прошивки.
Общие принципы
Электропастух работает на микроконтроллере PIC от Microchip, семейство которых широко применяется в промышленных и бытовых устройствах из-за высокой надежности. Использование микроконтроллера позволяет значительно расширить функционал изделия, описание некоторых возможностей которого приведено ниже.
Питание от ~10 до ~14V, т.е. работа возможна как от аккумулятора, так и от сети 220V (с помощью блока питания).
Настройка частоты и мощности импульсов: импульсы могут следовать с частотой 0.8 – 1 – 1.2 – 1.5 – 2 раз в секунду. Мощность может быть установлена на 100, 80, 60, 40 и 20 процентов.
Мощность электропастуха прежде всего зависит от применяемого конденсатора. Максимальное напряжение на конденсаторе с которым работает схема составляет 600V, ёмкость 100uF. Энергия заряда такого конденсатора 18 Джоулей. Для примера, конденсатор 50uF при таком напряжении – 9 Джоулей, 30uF – 5.4.
При включении, устройство за несколько начальных импульсов само настроится на подключенный к нему конденсатор. Идея здесь состоит в следующем: мы можем заряжать конденсатор за 200mS разряжая его каждую секунду на трансформатор. Но! За эти 200mS схема будет потреблять довольно большой ток (зависит от ёмкости применяемого конденсатора). Гораздо лучше, если время заряда конденсатора будет растянуто на максимальное время, не превышающее при этом необходимую частоту следования импульсов.
Условно, для заряда конденсатора 100uF до 600V за 200mS ток потребления будет 8А, за 400mS – 4A, за 800ms – 2A. Поэтому нет никакого смысла насиловать детали схемы, аккумулятор или блок питания высокими токами, когда есть возможность автоматически установить наиболее оптимальный в текущих условиях режим работы.
Грубая автоподстройка при включении выглядит так:
На первой картинке конденсатор средней емкости. Как видно, первый импульс не достиг 600 вольт за заданное время, второй – зарядился быстрее чем нужно, третий совсем немного быстрее, четвертый – опять немного не хватает. С пятого импульса система определила оптимальную скорость заряда конденсатора. На второй картинке конденсатор большой емкости.
Помимо первоначальной настройки, в процессе работы напряжение питания может изменяться. Аккумулятор в процессе работы будет потихоньку садиться, или наоборот, просев за ночь до 11 вольт, начиная с утра, солнечная панель начнет его заряжать и напряжение повысится до 13 и более вольт. Поэтому, также была реализована точная автоподстройка постоянно регулирующая оптимальное время заряда в зависимости от напряжения на источнике питания. Грубая автоподстройка срабатывает при включении, точная – работает постоянно, отслеживая любые изменения.
Помимо оптимальной настройки времени заряда, регулировки мощности и частоты импульсов, будут реализованы следующие возможности:
- Защита от переплюсовки;
- Возможность отключения устройства при снижении напряжения на аккумуляторе ниже 10 вольт;
- Возможность снижения мощности импульсов при приближении порога отключения;
- Звуковая и световая индикация при приближении заряда аккумулятора к порогу отключения;
- Звуковая и световая индикация короткого замыкания изгороди (изгородь упала на землю, трава, кусты);
- Самодиагностика, звуковая и световая индикация ошибок;
Альфа релиз электропастуха
Написаны практически все заявленные функции. На данном этапе несколько экземпляров изделия будут тестироваться в реальных условиях.
Главное достоинство, пожалуй, состоит из высокой энергоэффективности обеспеченной низким потреблением схемы, высоким КПД преобразователя, широким пределом мощности выходного импульса (до ~18 джоулей) зависящей от основного конденсатора, под который прибор настроится самостоятельно и ремонтопригодностью (схема в открытом доступе + индикация ошибок на самом приборе). А также, возможностью настройки частоты следования импульсов и мощности устройства которые можно изменить в зависимости от текущих потребностей в работе устройства.
В результате консультаций с множеством людей получилось два противоположных мнения по оформлению устройства. Первый вариант включает в себя LCD экран на котором можно посмотреть и/или изменить параметры мощности, напряжение на аккумуляторе или питающей сети, паузу между импульсами и прочие параметры, что в принципе довольно наглядно. Управлять в этом случае проще и эффективнее всего с помощью энкодера.
Согласно второму варианту вся эта мишура не очень то и нужна так как снижает надежность изделия. Например, монтаж по умолчанию не герметичного экрана и энкодера на панель прибора при плохих погодных и эксплутационных условиях, вследствии конденсата из-за перепада суточных температур, коррозии и т.п. неизбежно приведет к более быстрому отказу в работе устройства.
Согласно второму варианту, был взят необходимый минимум. Три светодиода – индикатора, кнопка для программирования режимов работы и выключатель. Приведенную выше картинку для наглядности следует распечатать и разместить на лицевой панели прибора.
ИНСТРУКЦИЯ
Рабочий режим:
В рабочем режиме с каждым разрядом мигает светодиод “ИМПУЛЬС”. Если одновременно с ним мигают дополнительные светодиод(ы) это сигнализирует об ошибке: АКБ – низкий заряд аккумулятора, ИЗГОРОДЬ – короткое замыкание, повреждение изгороди когда провод упал на землю, на изгородь попала растительность. При возникновении любой ошибки для привлечения внимания каждые 10 секунд будет раздаваться короткий звук.
Режим программирования:
Для входа в режим программирования необходимо нажать и удерживать нажатой кнопку в течении одной секунды. Раздастся звук “пи-пи-пи”, все светодиоды мигнут три раза. Вход в режим программирования завершен.
После входа в режим программирования настраивается мощность импульса. Нажимая кнопку, установите необходимый режим в соответствии с таблицей настройки мощности на лицевой панели прибора. Каждое нажатие кнопки подтверждается звуковым сигналом.
Подождите три секунды. Раздастся звук “пи-пи-пи”, все светодиоды мигнут три раза. Осуществлен переход в режим настройки частоты импульсов.
Нажимая кнопку установите необходимый режим в соответствии с таблицей настройки частоты импульсов на лицевой панели прибора. Подождите три секунды. Раздастся звук “пи-пи-пи”, все светодиоды мигнут три раза.
Программирование завершено, настройки сохранены. Прибор начнет работу в соответствии с новыми настройками. При этом настройки сохраняются в энергонезависимой памяти и при следующем включении прибор будет работать с ними.
Режим критической ошибки:
Прибор контролирует состояние некоторых частей своей схемы. В случае поломки из-за которой работа прибора становится невозможной, каждые 10 секунд будет раздаваться звук “пи-пи-пи”. При этом постоянно горящий светодиод “ИМПУЛЬС” будет означать проблему в блоке высоковольтного преобразователя. Постоянно горящий светодиод “АКБ” – проблему с тиристором.
Было проверено ранее:
Несколько пояснений: как видно, в блоке повышающего преобразователя отсутствует контроль тока ключа, позволяя тем самым исключить бесполезно жрущий энергию шунт. Такой финт удался после небольшого исследования заряда конденсатора и выведения соответствующей функции учтённой в прошивке микроконтроллера, подробная статья о заряде конденсатора находится в соседнем разделе.
С помощью переферии независимой от ядра, ШИМ реализованный в микроконтроллере выглядит следующим образом:
Источник опорного напряжения FVR подключен к цифро аналоговому преобразователю DAC заведенному на компаратор. На второй вывод компаратора идет обратная связь от заряжаемого конденсатора. Выход компаратора и ШИМ сигнал заведены на CLC ячейку (конфигурируемая логическая ячейка) которая работает как элемент AND, аппаратно прерывая сигнал на выходе ШИМ контроллера при достижении конденсатором необходимого напряжения.
С помощью DAC можно задать необходимое напряжение (в соответствии с настройками мощности) на конденсаторе.
Также, соотношение витков трансформатора позволило исключить снаббер в первичной обмотке, при этом выбросы напряжения на ключе не превышают ~80 вольт. Двухканальный драйвер управляет транзистором преобразователя и затвором тиристора.
Дроссель для конденсаторов ~50uf следует мотать проводом с диаметром 1-1.3мм на воздушной оправке диаметром ~10мм, около 33 витков в 3 слоя. Для конденсаторов большей ёмкости следует использовать провод 1.3-2мм, дроссель при этом будет около 45 витков в 3 слоя.
Для разработки отсутствует выходной трансформатор, индуктивность и конденсатор на первичной обмотке, в качестве нагрузки подключены две лампы накаливания 220V 75W соединенные последовательно, прототип в сборе выглядит так:
Съёмка теплового режима при работе с конденсатором 50uF после ~10 минут работы:
Ожидаемо греется LDO около МК, трансформатор имеет температуру 34С°, транзистор (без радиатора!) 37С°. Напомню, если трогать рукой, тёплыми ощущаются предметы имеющие температуру выше 36.6С° (температура тела).
При работе на конденсатор 80uF транзистор нагрелся до 64 градусов, трансформатор выше 50. Абсолютно нормальный режим работы для этих элементов, но для подстраховки, в готовом устройстве транзистор будет установлен на небольшой радиатор.
На данн