QCX-CurrentLimiter door Willy ON5KN

INTRO

Deze schakeling is bedoeld als veiligheid bij gebruik van een qrp TRX zoals de QCX van QRP-Labs .

De opzet van het PCB laat toe stroombeperking op te leggen aan het verbruikstoestel van 50mA tot iets minder dan 5A , en spanningen vanaf 5V tot 20V .

Bijkomend is de schakeling zodanig dat omgekeerde polarisatie aan de ingang , geen output geeft of indicatie op de LED’s .

De maximale stroominstelling is continu instelbaar door een potentiometer in stappen van 20 mA.

Het overschrijden van de maximale stroominstelling heeft als gevolg dat de uitgang uitgeschakeld wordt in een tijd van 30 µS , zodat dit een minimum aan schade kan berokkenen aan de verbruiksschakeling .

Nochtans wil ik er op wijzen dat het ten zeerste raadzaam is een zekering te plaatsen van 10A in de toevoerleiding afkomstig van de voeding .

Zeker bij gebruik van Li-Ion of LiPo batterijen als voedingsbron .

Bij het aanzetten van een verbruikstoestel , moeten meestal elektrolytische condensatoren vanaf nul opgeladen worden , dit noodzaakt een speciale opstartroutine (zie verder in softwarebeschrijving hoe hiermee omgesprongen wordt) .

Het principe van werking is vrij eenvoudig:

Een P-Mosfet werkt als schakelaar aan/uit in de schakeling .

De stroomwaarde wordt gemeten door het spanningsverschil te meten over een kleine serieweerstand van 0,05 Ohm  door een microcontroller .

Indien deze stroomwaarde groter wordt dan de maximaal ingestelde stroomwaarde dan spert de P-Mosfet de uitgang .

Om het verbruik en het correct functioneren alsook de uitschakeling weer te geven staan 2 LED’s( een groene en een rode) op het frontpaneel .

Zie de wijze van instelling bij “GEBRUIK” .

Het schema

SCHEMABESCHRIJVING

De voeding wordt aangesloten op de ingang als J1 .

De IRF9540 dient als schakelaar ON/OFF van de voedingsspanning naar de uitgang J2 .

De microcontroller U2 wordt gevoed uit de voedingsspanning via 5V regulator U1 .

In de plus-leiding zit R7 een serieweerstand van 0,05 Ohm als sensor van de stroom .

De spanning over R7 wordt 20 maal versterkt door de differentiaalversterker INA193 .

Van bij de start worden 2 metingen gedaan door 2 A/D converters in de microcontroller .

Deze van RV1-loper via GP1-poort , bepaalt de maximum toegelaten stroom afgenomen op J2 .

De spanning over R7 , de stroomsensor , wordt gemeten door de GP0-poort .

Wanneer GP0 kleiner is dan  GP1 , wordt de groene led D2 aan gezet , en wordt de schakelaar Q1 geleidend door GP5 hoog te zetten .

Alles is dan normaal en deze lus wordt dan verder herhaald .

Wanneer echter GP0 groter is dan GP1, wordt GP5 laag en wordt de voedingsspanning onderbroken, de groene led D2 dooft en de rode led D1wordt aan gezet ,waarna een oneindige lus ontstaat op nietsdoen .

Alleen het ontkoppelen van de voeding op J1 zal de microcontroller doen stoppen of een eventuele RESET-druk indien de oorzaak gevonden werd of na hoger ingestelde maximum stroom door RV1 .

Het vermogenverlies in deze schakeling en tevens het spanningsverlies zijn zeer gering .

Serieweerstand van IFR9540(Rds-on )  0,117 Ohm , (bij een FQP2706 slechts 0,055 Ohm) .

Meetweerstand 0,05 Ohm

Bij 1 A is dus 0,167volt te verliezen en 0,167 W (of 0,105 mW bij een FQP2706) .

De resolutie van de A/D-omzetters in deze microcontroller is ingesteld op ca. 20mV per stap

De nominale uitschakeltijd bedraagt 31 µS .

HET PCB

Het PCB werd als enkelzijdig ontworpen met 2 straps .

Alhoewel niet op de 3D-afbeelding getoond , moet de µP op een 8DIP300 voetje staan om updates van de software te kunnen maken .

Ook het trimpotje als RV1 is mogelijk , maar praktischer is dat dit een potentiometer is op het voorpaneel vooral bij gebruik van verschillende verbruikstoestellen .

De afdruk van het PCB


Stuklijst



SOFTWAREBESCHRIJVING

De software is te downloaden op onze WLD-site

Op deze site kies je “Workshop” in de hoofding

Daarna typ je “current limiter”  in Search en druk op GO

Het artikel “QCX-CurrentLimiter …” komt te voorschijn

Ga met de muis op de titel staan en geef een muisklik

Het volledig artikel wordt nu getoond

Scrol met de muis tot bijSOFTWAREBESCHRIJVING” en op het einde van deze paragraaf zie je “Download QCX current limiter software” staan

Klik rechts met de muis om de optie “Doel opslaan als “ te kiezen en plaats het in een map kenmerkend voor dit project .

Indien je geen ervaring hebt met het vastleggen van programma’s in PIC’s , zoek dan iemand uit jouw sectie die dit graag zal doen .

Bij dit ontwerp werd een microcontroller gebruikt met één poort van 6 bits , namelijk de 12F683 .

Hierdoor moest de keuze gemaakt worden van zijn interne oscillator die we op 8Mhz instellen .

GPO , wordt als 8 bits A/D omzetter gebruikt en meet de verschilspanning over R7 versterkt met een factor 20 .

GP1 , wordt als 8 bits A/D omzetter gebruikt en meet een referentiespanning tussen 0V en 5V op de loper van RV1 .

GP2 , is de stuurpoort van de groene LED die de OK-status weergeeft , en die gaat knipperen wanneer V-GP0 50% van V-GP1 bereikt tot 100% .

GP4 , is de stuurpoort van de rode LED  , normaal uit ,maar die gaat knipperen vanaf dat V-GP0 75% van V-GP1 bereikt tot 100% . Beide LED’s zullen in deze zone nu knipperen .

Zodra V-GP0 groter wordt dan V-GP1 , dooft de groene LED en gaat de rode LED continu branden.Tevens wordt door GP5 de P-Mosfet afgesloten en valt de uitgangsspanning op 0V .

GP3 laat ons toe een reset te forceren van de µP , die indien de overstroom oorzaak weg genomen is een herstel kan betekenen .

Deze operaties van meten en beslissingen nemen worden in een lus continu herhaald .

Echter wordt de meetlus van GP1 (RV1= maximaal ingestelde stroombeperking) , pas doorlopen op het ritme van 1 maal per 30mS .De herhalingsfrequentie van deze lus wordt bepaald door de interrupt van timer T0 bij overflow . De uit-schakeltijd is dus  ca. 60 µS ,1 maal op duizend  .

De meetlus van GP0(stroomverbruik doorheen R7) , wordt echter doorlopen op het ritme van 30 µS

De duur van deze lus bepaalt haar frequentie  en is dus 999 maal op 1000 , 30µS .

“Download QCX current limiter software”

Procedure bij onder spanning zetten

Echter bij de start of een reset van de µP , moet er omgesprongen worden met de laadstromen op de elco’s van de verbruiksschakeling , en deze zijn veel groter dan zijn normaal verbruik .

Aangezien de te laden elco-waarden meestal evenredig zijn met het maximale verbruik ,zullen we bij de start de tijdsduur van niet controle afleiden van de maximum stroominstelling en gaat van 0,1 tot 12,9 mS .

Daarna wordt de eerste seconde alleen gecontroleerd op maximum stroominstelling , met groen en rode LED’s aan . Bij gebeurlijke kortsluiting schakelt de OUTPUT binnen de 36 µS uit en brandt alleen de rode LED , zo niet zal de toestand afhankelijk zijn van het verbruik t.o.v. de instelwaarde van RV1 .

Vervolgens gaan we de normale procedure in met interpretatie van RV1 .

Omdat de INA193 gevoed wordt uit dezelfde 5V dan de µP , zou het kunnen dat deze 5V ingesteld staat als maximum , terwijl de INA193 deze 5V niet op zijn output kan leveren . Gevolg hiervan zou zijn dat in deze omstandigheden de schakeling nooit in veiligheid komt te staan .

Daarom is softwarematig een limiet ingesteld op de uitgelezen waarde van RV1 .

Hierdoor zal in de praktijk nooit 5A kunnen gehaald worden . Een beveiliging voor het aangesloten toestel en de schakeling zelf .

De maximum stroombeperking zal beperkt blijven tot ca. 4,7 A .

DE BOUW

Belangrijk is dat de SMD INA193 gesoldeerd wordt door iemand met ervaring in dit domein .

Ook de aanwezigheid van een 8DIL300 voetstuk voor de µP is een verplichting .

Vergeet niet dat van de INPUT tot de OUTPUT 5A kan vloeien . Gebruik dus geen te dunne draden en bevestig mechanisch en elektrisch .

Bij gebruik van bananen-vrouwelijke stekkers, gebruik veerringen tussen elke bevestiging of gekartelde rondellen .

Span moeren en vijzen niet overmatig en liefst met aangepast gereedschap aan(geen tang) .

De uitwendige aansluitingen LED’s , Potentiometer , RST-schakelaar , en INPUT-OUTPUT , moeten gemaakt worden alvorens ze in de doos te plaatsen , en moeten vastgemaakt worden aan de doos alvorens het PCB er in te plaatsen .

De overige bedrading kan best gebeuren tussen mannelijke headers op het PCB en aansluiting met vrouwelijke stekkers naar de externe componenten .

ALVORENS DE MICROCONTROLLER IN TE PLUGGEN:  zet even onder spanning en meet tussen pen 8 (massa) en pen 1 VDD of je wel 5V hebt , dit zonder verbruikstoestel .

Bij RV1 kloksgewijs draaien moet de spanning op de loper ervan stijgen , indien niet verwissel  de aansluitingen op de header van het PCB .

De goede aansluiting van de LED’s kan getest worden door pen 3 ( rode LED) , en pen 5 (groene LED) , van de µP aan massa te leggen zonder dat deze laatste in het voetstuk zit .

Schakel de voeding uit .

Indien alles OK is , plaats dan de µP en zet de voeding weer aan .

Zicht op de bekabeling

GEBRUIK

Bij het bepalen van de instelling voor een verbruiksschakeling doe als volgt:

Zet de stroombeperking op maximum , dus 5A .

Sluit eerst de INPUT aan op de voedingsbron .

Indien geen grotere opname dan 5A en indien correcte polarisatie ,zal de groene LED continu branden .

Zet uw toestel in maximum verbruik (QCX in TX met aangepaste antenne) .

Draai nu de maximumstroombeperking tot de groene LED gaat knipperen .

Draai verder terug tot ook de rode LED gaat knipperen .

In deze instelling is het verbruikstoestel 75% van de maximale stroominstelling aan het verbruiken en staat dus veilig .

Je kan echter nog even verder gaan indien je marginaal wil werken , door nog even verder terug te draaien . Indien je echter boven de 100% gaat zal de output uitschakelen en gaat alleen de rode LED continu branden . In dat geval draai je even meer open en druk je op de RST (reset) .

Het is echter wel zo dat indien de belasting 2,5A overschrijdt , je een groene knipper LED zult zien zelfs bij maximaal stroominstelling , evenzeer dat bij belastingen groter dan 3,75 A je beide LED’s zult zien knipperen .

DANKWOORD

Dit project kon gerealiseerd worden dankzij de hulp , de ideeën en het enthousiasme van een groep OM’s .

Aan al deze mensen een dank :

in willekeurige volgorde

Eddy ON5JK , Jos ON6WJ , Francois ON4AUB , Marcel ON5MDM , Eddy ON6HE , Guido ON6RL , Jaak Bartok ON3JAB , Erich ON4PYL , Dirk ON4DNR , Jean-Marie ON7EN  , Erik ON7CH

Nog veel genot van deze schakeling en vergeet niet dat de QCX meer stroom gaat trekken bij een hoger dan 50 Ohm belasting , zelfs tot het dubbele bij niet aangesloten antenne .

Indien vragen : hion5kn@gmail.com

73 Willy ON5KN

One thought on “QCX-CurrentLimiter door Willy ON5KN

  1. Beste OM’s ,

    Hier de laatste stand van zaken i.v.m. ons bouwproject .

    De laatste bouwonderdelen stromen binnen , dankzij Francois ON4AUB, Jos ON6WJ en uw dienaar . De kits worden actueel samengesteld .

    De aangevraagde doosjes zijn geprint met deksel en dial-schijf .

    Jos ON6WJ zal komende dagen de SMD component INA193 op de bordjes solderen .

    Het zal dus lukken om bij volgende vergadering in Sinaai de verdeling te laten gebeuren . De prijs zal rond de 20 a 25 Euro/kit zijn afhankelijk van de opties (met of zonder doos , met of zonder aansluitbornen).
    Hierbij wil ik opmerken dat de factor prijs van de componenten op de Europese markt vrij hoog ligt en dat we er best aan doen voor komende projecten , iemand met ervaring aan te stellen om de goedkoopste verkoopplaatsen te vinden en de bestellingen door hem te laten gebeuren .
    Kan er in clubverband misschien ook budget vrij gemaakt worden als terugbetaalbare lening voor goedgekeurde projecten ?
    Het gaat hem snel over een paar honderden euro’s , zodat niet een paar individu’s , of “de koper” , dit dienen voor te schieten .
    Met dank aan het bestuurscomité om dit te evalueren .

    Hierbij nog een kleine uitleg van het voordeel van dit bouwproject:

    De Joule of WattSeconde …
    Waarom dit thema ?
    Simpel , om het nut van de QCX-CurrentLimiter even te verduidelijken .
    Veronderstel dat je een voeding van 13 Volt en maximaal 5 Ampere ,die geen stroombeveiging heeft aansluit op een schakeling.
    Bij gebeurlijke kortsluiting , veronderstel dat je dit uitzonderlijk snel merkt na 1 seconde …
    Dan gaat er warmte geproduceerd worden gelijk aan 13×5 x1= 65 Joule of Wattseconde .
    Bij de QCX-CurrentLimiter zal dit in het minst gunstige geval ( 1 kans op 1000) 13 x 5 x 0,00006 = 0,0039 Joule of 3,9 milliJoule warmte ontwikkeld worden en in 999 kansen op 1000 , slechts 2 milliJoule .
    Deze voorstelling is nog optimistisch daar bij de niet beveiligde voeding de condensatoren het proces nog kunnen verlengen .
    Bij de QCX-CurrentLimiter is de onderbreking na de condensatoren en kan vandaar geen ontlading meer komen .
    Joule betekent warmte en dus destructie in deze gevallen .
    Uw dienaar
    73 Willy ON5KN

Leave a Reply

Your e-mail address will not be published. Required fields are marked *