Бытовой RMS вольтметр, с функцией защиты от опасных перепадов напряжения в электросети.

Как известно, номинальное значение напряжения в сети (действующее значение) — 220 В. Разумеется, оно не равно в точности 220 В,
Причины отклонений сетевого напряжения могут быть разными: включение и отключение мощной нагрузки, аварии в системе электроснабжения, перегрузка сети и т. д.
Межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97("……. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения")  допускает отклонение от номинального значения до 10%. 

Поэтому электроприборы с питанием от сети должны согласно стандартов нормально функционировать при напряжении 198...242В. Некоторые из них, в частности с импульсными блоками питания, допускают и больший разброс напряжения. Современное высокотехнологичное электрооборудование, как правило, содержащее в своём составе импульсные преобразователи напряжения, допускает широкий диапазон входных напряжений: от 100 до 240В при номинальной частоте от 50 до 60Гц, что позволяет использовать данные электроприборы без преобразователей практически в любой стране мира. 
Но не у всех, все высокотехнологичное  ... , у нас и в этих пределах (при ±10% электроприборы могут функционировать неустойчиво или вообще выйти из строя. 
Последнее происходит, к сожалению, довольно часто. К пониженному напряжению сети (160... 180В) чувствительны приборы, имеющие электродвигатели: холодильники, микроволновые печи, стиральные машины, а к повышенному — подавляющее большинство. Наиболее опасна ситуация, когда в сети присутствует межфазное напряжение 380 В и резко увеличиваются токи потребления всех электроприборов. В этом случае часть элементов выходит из строя по причине превышения предельно допустимого напряжения или тока. Так, например, из-за насыщения магнитопровода ток асинхронного двигателя увеличивается в несколько раз. Естественно, все это ведет к порче дорогостоящих приборов, а также увеличивает вероятность возникновения пожара. 
Описанное ниже устройство защищает приборы с потребляемой мощностью до 7 кВт, отключая их от электросети при снижении или превышении сетевым напряжением заранее установленных значений (по умолчанию 190 и 245 В). 
Сразу стоит оговорить: подобное реле только считывает данные о напряжении, но не влияет на его стабильность. 
И речь в этой статье, как по принципу одной схемы собрать сетевой вольтметр, с любым индикатором из рассмотренных ниже трех вариантов схем. 

По характеристикам , друг от друга отличий не имеют.

• Вольтметр RMS с цифровым табло (индикация действующего значения напряжения в диапазоне 85...265В.**³);

• Рассчитано на непрерывный режим работы**⁵;

• После обнаружения отклонения от заданных пределов, отключение фазы защитным реле для обесточивания нагрузки.

• Раздельная установка верхнего и нижнего порогов напряжений в диапазоне 120...280 В.;

• шаг установки порога отключения: 1Вольт;

• Устанавливаемое посредством системного меню время включения нагрузки по «возвращении» напряжений в заданные пределы в диапазоне : 5-240 сек.;

• Задержка на включение нагрузки 3 сек. после первого включения прибора в сеть ( если напряжение находится в заданных пределах);

• Настраиваемая задержка на отключение реле, при выходе напряжения за заданные пределы, в пределах от 0.2 ms**² до 2 секунд **¹

• Возможность монтажа на DIN-рейку во вводном электрическом щитке и защита всего электрооборудования дома или квартиры;

• Меню системных настроек, осуществляемых посредством трёх клавиш;

• Автоматический выход из системного меню через 20 секунд, при отсутствии нажатий на клавиши навигации;

• Прерывистый звуковой сигнал или мигающий светодиод "ALARM" при выходе напряжении за установленные пределы;

• Тип выходного устройства: реле;

• Коммутируемая способность: 30А/7кВт. (При токовых нагрузках более 32А (мощность более 7кВт), управление защиты осуществлять через магнитный пускатель).

• Питание от контролируемой сети;

• Потребляемая мощность устройства не более 1.5 ватт (с включенным (запитанным) реле защиты) **⁵.

• Настройки сохраняются в энергонезависимой памяти;

Поблочная схема RMS вольтметра, с функцией защиты изобразить так.

Блок питания-1-_ .
П-1-1 питается от сети по бестрансформаторной схеме, как вариант можно использовать П-1-2, вариант П-1-2 подойдет когда малогабаритность устройства не требуется и RMS вольтметр не нужно устанавливать на DIN рейку .
Входное сетевое напряжение поступает на контакты LI и N колодки X0-1, в защищаемую цепь напряжение подают с контактов LO и N этой колодки. При срабатывании защиты электромагнитное реле Р1 отключает выходное напряжение (силовые дорожки усиливаются слоем припоя).

В случае перегрузки по току, цепь LI должен размыкать, включённый в неё последовательно стандартный автоматический выключатель (механический) (МЭС 441-14-20) с номинальным током 32 А и характеристикой отключения класса С. (На схеме он не показан).

Блок контроллера-2-_ .
Собственно тут сам микроконтроллер DD1 и управление прибором с помощью трёх кнопок на его передней панели Кн3 (+ "Увеличение"), Кн2 (>"настройки") и Кн1-("Уменьшение").
Микроконтроллер DD1 постоянно следит за выпрямленным входным сетевым напряжением, после диодного моста оно поступает
через резистивный делитель на вход встроенного десятиразрядного АЦП (вывод 23 DD1(РС0)). Измерение этого напряжения основано на усреднении 200 отсчётов его мгновенного значения, взятых АЦП в течение 20 мс (одного периода сетевого напряжения частотой 50 Гц).
Таймером период сетевого напряжения (20 мс) режется на равномерные интервалы по количеству необходимых выборок, по каждому срабатыванию таймера опрашивается АЦП.
Urms= sqrt(1/T* S[u(t)*u(t)]dt,
где: sqrt - корень квадратный, S - интеграл за период времени от 0 до Т.
Для дискретного способа взятия интеграла формула упроститься до вида
Urms=K*sqrt(1/N*sum(Uadc*Uadc)),
Где: К - поправочный коэффициент, Uadc - значение на выходе АЦП, N - число выборок за время прохождения полуволны синусоиды.
На индикаторе прибора отображается действующее значение напряжения. Оно же используется при задании порогов срабатывания защиты.
 

Основные технические характеристики измерительной программы микроконтроллера

• Интервал измеряемых значений сетевого напряжения, В ...................0...500
• Верхний порог срабатывания, В ......................................................225...280**¹
• Нижний порог срабатывания, В ......................................................120...215**¹
• Настраиваемая задержка на отключение реле , с..........................до 0.5 **¹
• Наименьшее время срабатывания, с................................................0,2**⁴
• Задержка включения после нормализации напряжения, с.............2...240**¹

Блок индикации-3-_.
И-3-1 это ЖКИ 8х2 (WH0802A-TMI-CT) синий экран, инверсия с белой подсветкой, отличительная черта малое потребление энергии.
Если применять классические ЖКИ 8х2 (WH0802A-YGK-CT) черные символы с желто-зеленой подсветкой, нужно произвести замену в блоке П-1-1 LNK304 на LNK306**² или LNK305 тогда соответственно П-1-1 будет иметь выходной ток 225 mA**² или 175 mA. Так-же в этом случае можно задействовать вывод 5 DD1(порт РD3), для управления подсветкой при нажатии кнопок.
И-3-2 используем светодиодные 4-х разрядные семисегментные LED индикаторы ОА или ОК (печатная плата, под размер индикатора 0.56" (14,2мм)).

И вот что здесь получается, по индикации схемы практически разные , но имеют некоторую универсальность , на платку контроллера И-2-1, устанавливается на разъеме И-3-1 индикатор ЖКИ, и на эту же платку с МК, можно устанавливать платку И-3-2 с LED индикатором.
Такое схемное решение будет интересно тем кто желает опробовать этот RMS вольтметр "вживую" в варианте с LED индикатором и ЖКИ индикатором.
Если собирать по этой конструкции, при сборке И-3-2 нужно уделить чуть внимания пайке разъемов, так как разъемы нужно паять с двух сторон платы... в принципе ничего сложного , фото как это сделано имеется внизу этой статьи.

И-3-3 используем индикатор для Nokia5110. (Под каждый вариант схемы V_1,V_2 и V_3 в прикрепленном архиве к статье , соответствующая прошивка V_1,V_2 и V_3)

Схема вариант V_1 (индикатор ЖКИ).

Схема вариант V_2 (индикатор LED).

Схема вариант V_3 (дисплей Nokia5110).

Пару слов про схему с дисплеем Nokia5110. На экране , мы видим графическое отображение напряжения в виде шкалы, видимый диапазон 220V ±10% (от 198V до 242V в пределах нормы).

Довольно наглядно дает представление о состоянии сети в текущий момент, такая небольшая анимация легко воспринимается визуально ,

что даже не вдаваясь в арифметику цифр сразу можно иметь понятие о состояние сетевого напряжения.

Схема RMS вольтметра собрана на односторонних печатных платах.

Платы помещены в стандартный пластиковый корпус Z100 шириной четыре модуля (70 мм (65x90x70)), предназначенный для монтажа на DIN-рейку.
В передней панели корпуса сделан вырез под индикатор , отверстия под светодиод "ALARM" и для толкателей кнопок Кн1—Кн3.
При подключении автомата к сети, входящий фазный провод должен быть соединён с контактом LI колодки ХТ1, а нейтральный — с её контактом N. Все соединения с сетью и защищаемыми электроприборами должны быть выполнены одножильным медным проводом сечением не менее 4 мм². Если провода многожильные, на них необходимо надеть специальные наконечники с последующим обжимом.

После включения в сеть RMS вольтметр, выдержав паузу 2 с, подаст на выход (контакты LO и N колодки ХТ1) сетевое напряжение (если оно находится в допустимых пределах) и будет отображать его текущее действующее значение.

Если зафиксировано сетевое напряжение выше верхнего порога (ВП**¹ ) либо ниже нижнего порога (НП**¹ ), выход будет отключён, а индикатор начнёт мигать с частотой 0.5 Гц. Когда напряжение в сети вернётся в норму, светодиод погаснет. Мигание индикатора всегда означает, что напряжение находится за установленными пределами, и на выходе прибора сетевое напряжение выключено реле Р-1.
Каждый раз после выхода за установленные пределы**¹ сетевого напряжения до его возвращения в норму**¹ на выходе будет выдержан интервал времени от 2 до 240 сек**¹. Принудительно завершить отсчёт выдержки, можно нажатием на кнопку Кн1.
**¹ Значение устанавливается пользователем.
**² Зависит от быстродействия применяемого реле (Время отпускания JQX-15F(T90) макс. 10мсек);
**³ Гарантированный производителем диапазон работы ИС LNK30… см. даташит.
**⁴ Является минимальной продолжительностью выброса напряжения, вызывающего формирование сигнала отключения нагрузки.
**⁵ Для схем собранной в данной комплектации V_1,V_2 и V_3 (П-1-1, К-2-_, И-3-_ ( И-3-1 с ЖКИ WH0802A-TMI-CT)).

На этих фото можно посмотреть с какой стороны располагаются соединительные разъемы плат (следует принять во внимание, что используя разъемы (тип PBS-40 - PLS-40) , расстояние между платами составит 12мм, заменив разъемы на проволочные перемычки это расстояние можно уменьшить до минимально необходимого, что существенно уменьшит габариты собранных плат)

Фьюзы , для внешнего кварца 8 MHz.

AVRStudio, AVRDUDE; Low-0x8D High-0xDD

Если Вы решили собрать для собственного пользования этот  прибор,

то вы должны принять к сведению следующие  пункты .

а)

Распространение  материалов статьи (for free): ограничений нет. Срок эксплуатации программы (not Specified Local) : не ограничен. Авторское право (сopyright): на материалы этой статьи , того, кто  это читает.

б)

Описание и характеристики данных схем, могут быть не достоверны , так как не проходили никакую экспертизу не имеют подтверждения компетентных органов.... Все материалы ( программы, схемы, платы ) разработаны на любительском уровне (хоббийный интерес). Внимание! Устройство имеет гальваническую связь с питающей сетью.  Все подключения необходимо производить только при отключенном сетевом питании устройства.

 

^{На правах первого пользователя этой разработки, позволю себе тут-же, сделать кратко небольшую  оценку этих устройств на внешний вид. 
   V_1    Знаете есть такое выражение "Смотрится богато!", это выражение 100% соответствует исполнению прибора в версии V_1 
   V_2    Надежность этой конструкции "при любой погоде" не вызывает никаких сомнений, это про V_2.  
   V_3    Всего лишь несколько элементов графики на дисплее, делает отображение информации очень интересным.  "Глаз не оторвать"... так можно сказать про V_3} 
 

Файлы проекта; прошивки V_1, V_2, V_3, печатные платы, proteus.

Исходник проекта - версия V_2, среда разработки CodeVisionAVR.

Модернизация программы от пользователя vvsv  исходник, протеус RMS_led_V2_без_74hc595_3_разряда

 Полная версия сайта доступна

        http://sxem.org 

P.S. Статья RMS вольтметр, с функцией защиты от опасных перепадов напряжения в электросети., участник конкурса Поздравь Кота по-человечески 2013!

В номинации цифровая техника - выбор модераторов, присужден приз Паяльная станция Jovy Systems iSolder-40. 

Большое спасибо организаторам и спонсорам этого конкурса.

Приз был  получен в лучшем виде.

Как пользователь, высоко оценил удобство этого несомненно полезного  прибора, особенно радует скорость готовности к работе (после включения в сеть, чуть больше 5-ти секунд !!!).

невероятное количество необгораемых,  удобных сменных жал в комплекте  (общее число, аж семь штук!!) 

P.S.S. Добавилась одна из модификаций программы  Кухонный таймер с энкодером & RMS вольтметр.