Недельный таймер, версия 2

Ранее я уже публиковал описание недельного таймера. Тот таймер был представлен в двух вариантах - в большом корпусе с вилкой и розеткой и в корпусе на DIN-рейку.

Как показал опыт его эксплуатации - половина функционала там не используется. И таймер может быть гораздо проще. Установить с интервалом в час периоды для каждого дня недели, настроить время и день недели - и ... всё... 

И решение в корпусе вилка-розетка не самое удобное. 

Соответственно, был разработан и изготовлен новый вариант таймера, на ATMEGA8, размещенный в корпусе двухрозеточной колодки. Вот такой:

В пространстве одной из розеток и места для кабельного ввода ставятся 2 платы - одна с дисплеем, МК и кнопками, вторая отдельно - силовая с реле, симистором и блоком питания.

Что таймер умеет:

• отсчет времени
• учет дней недели
• автоматическая коррекция точности хода часов
• встроенная литиевая батарейка (CR2032) для резервирования хода часов
• включение и отключение нагрузки по графику с дискретностью 1 час
• отключение нагрузки по сигналу от датчика внешней нагрузки (предусмотрена точка для подключения трансформатора тока)
• максимальный коммутируемый ток - 10А
• комбинированное управление нагрузкой - симистор + реле
• светодиодная индикация включенной нагрузки

В данной версии отключение нагрузки по приоритету было оставлено, поскольку оно мне будет нужно в одном из применений. Там у меня уже другая колодка, с большим числом розеток будет.

Схема.

Схема в PDF

Как и в предыдущем таймере, тут схема разделена на две части - силовая, где у нас коммутация нагрузки, а так же источник питания низковольтной части и низковольтная часть, там расположен управляющий контроллер, дисплей, органы управления, батарейка резервного питания.

ВНИМАНИЕ! Блок питания на LNK304 построен по бестрансформаторной схеме!
Все элементы блока питания и подключенного модуля управления находятся под сетевым напряжением!
Категорически запрещается касание частей включенной в электросеть схемы!
Попытка подключения программатора к МК при включенном в сеть таймере с высокой долей вероятности может привести к смерти устройства, программатора и даже ПК!
Дисплей должен быть за защитным стеклом!

Силовая часть

Силовой модуль взят из предыдущего таймера практически без изменений.

D1-D4, L1L2, C1C2C3C4C5, R2R5R6R8, IC1 - элементы блока питания. Включение и номиналы - согласно даташита* на IC1 LNK304.

LNK304G - микросхема в корпусе SO-8 для поверхностного монтажа

Про диоды D4 и D5. В даташите указано, что падение на них должно быть приблизительно одинаковое. D5 может быть любой выпрямительный. А вот D4 - нужен быстрый диод. С временем восстановления не более 75 нс. А лучше не более 35 нс. 

Прямо в даташите рекомендуется в качестве D4 использовать, как минимум, UF4005. И 1N4005 для D5. Но там же рекомендуется использовать для D4 диод пошустрее, например, BYV26E.

Для D5 его тоже можно применить, для соблюдения идентичности падения на этих диодах. Для SMD-решений в качестве быстрого диода можно применить ES2J.

Конденсатор C5 должен быть Low ESR.

*В даташите в типовой схеме включения сопротивление резистора R2 указано, как 8.2 Ом. И указано, что это защитный резистор. Он ограничивает бросок тока при заряде C1C2 и выполняет роль предохранителя, если с микросхемой что -либо случится. Так вот, у меня этот резистор в предыдущем таймере иногда вылетал без видимой причины в момент включения таймера в сеть. Скорее всего, зарядный ток конденсаторов успевал сжечь этот резистор. Необходимо было увеличить его сопротивление. В одном промышленном устройстве с таким же БП стоял резистор в 150 Ом. Соответственно, тут тоже применен выводной резистор сопротивлением 150 Ом.

Делитель R6R5 определяет выходное напряжение. Напряжение на конденсаторе C4 соответствует выходному. На входе FB пороговый уровень 1.65 вольта. Соответственно, элементы делителя при входных 12 вольтах должны обеспечить напряжение 1.65 В.

1.65В * (R6/R5+1) = 1.65 * (7.5/1.2+1) = 11.96 В.

Управление нагрузкой

Реле K1 и симистор T1 отвечают за включение нагрузки. Подводящие дорожки и провода должны быть рассчитаны на ток нагрузки. Дорожки очень желательно усилить, напаяв на них кусочки многожильного провода сечением 1-1.5-2 квадрата. Либо подводящие провода взять достаточной длины и припаять их по всей длине дорожек.
На схеме силовые дорожки нарисованы утолщенными линиями.

IC3 - оптопара с детектором нуля, это управление симистором.

D3 - диод защиты от тока самоиндукции реле.

Вход приоритетной нагрузки

К точкам XT4XT5 можно подключить трансформатор тока.
Например, вот такой, от товарищей китайцев - 5А/5мА

Резистор R7 подбирается (рассчитывается) по уровню порогового тока. Падение напряжения на этом резисторе должно составлять не менее 0.55-0.6 вольта для срабатывания отключения нагрузки. 

Пусть есть трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1000. И необходимо отключить нагрузку, если ток по приоритетному потребителю достигнет 2.5 А. При коэффициенте 1:1000 ток вторичной обмотки ТТ составит 2.5 мА. Для получения напряжения 0.6 В вторичку нужно зашунтировать резистором 0.6/0.0025 = 240 Ом.

Управляющий модуль

В отличие от предыдущей версии таймера здесь применен ЖК-дисплей чуть большего размера, нежели OLED. Требования к дисплею были простые - поместиться по ширине в корпусе колодки. И не стоить космических денег.

Поиск по Али предложил мне вот такой дисплей на контроллере ST7567:

Как раз ширина металлической части дисплея соответствовала ширине верхней плоской поверхности колодки. Все отлично, дисплеи заказаны.

После получения дисплеев и окончательной "пристрелки" размеров вырисовалась окончательная схема и ее компоновка в корпусе.

Подсистема питания.

Подсистема должна обеспечивать электропитанием микроконтроллер и периферию. Так же при пропадании сетевого напряжения микроконтроллер должен питаться от резервной батарейки, потребляя минимальный ток. И микроконтроллеру нужно максимально быстро отследить пропадание сетевого напряжения, что б отключить все лишнее и перейти в режим низкого энергопотребления.

IC4, C10-C13 - стабилизатор напряжения для питания МК. D9 поднимает напряжение стабилизатора, компенсируя падение его на диоде D8.

Каскад D8Q5R15 образуют "идеальный диод" для питания схемы от резервной батарейки GB1.
Этот каскад открывается, когда на выходе стабилизатора пропадает напряжение.

Для максимально быстрого определения пропадания напряжения питания служит каскад R12R13Q4R16. Транзистор Q4 открыт при напряжении выше 7-8 вольт и при падении напряжения ниже этого уровня закрывается, сигнализируя микроконтроллеру о пропадании сетевого питания.

При работе от батарейки микроконтроллер находится в режиме "сна" - пониженного энергопотребления, включаясь каждую секунду на несколько сотен микросекунд для отсчета времени. Среднее потребление от батарейки составляет 11-12 мка. Конденсатор C14 обеспечивает щадящий режим для батарейки при таком импульсном потреблении.

Управляющий контроллер.

Применен ATMEGA8A.  Он и управляет, он же и время считает. Для этого к нему подключен "часовой" кварц.

Отображение и управление.

Отображение информации - на вышеупомянутом дисплее. Управление подсветкой дисплея не используется и по умолчанию она отключена (управляющий контакт никуда не подключен).
Управление - три кнопки Mode/Change/Set.
Дополнительно предусмотрен светодиод LED1, сигнализирующий о включенной нагрузке.

Если необходимо, что бы подсветка работала - дисплей нужно слегка доработать. Проблема в том, что на плате дисплея установлен токозадающий резистор очень низкого номинала. И ток подсветки при питании 3,3 вольта исчисляется десятками миллиампер. Ну и дисплей превращается в маленький прожектор. Это неправильно.
Управление подсветкой в данном дисплее реализовано через биполярный транзистор Q1 на его плате. 
Доработка заключается в снятии этого транзистора и напайкой резистора в 120 Ом (типоразмера 0805 или 0603) на площадки коллектора и эмиттера. На изображении ниже показано местоположение транзистора, красными точками отмечены площадки коллектора и эмиттера.

120 Ом обеспечивают ток подсветки несколько миллиампер. Этого достаточно для хорошей видимости информации. 

Управляет питанием дисплея сам микроконтроллер и при пропадании сетевого напряжения дисплей обесточивается полностью.

Управление силовой частью.

Q2R10, Q3R11 - управляющие ключи для включения реле и оптопары симистора.

Реализован комбинированный режим управления, когда сначала открывается симистор, пропуская через себя стартовые токи нагрузки, далее, через доли секунды включается реле, шунтируя своими контактами симистор, а еще через короткое время симистор закрывается. И вся нагрузка питается через контакты реле.
Выключение нагрузки происходит аналогичным образом - сначала открывается симистор, потом отключается реле, и далее симистор обесточивает нагрузку. 

Такой алгоритм позволяет избежать коммутации контактами реле высоких токов и, как следствие, продлевает жизнь контактов. Так же сводится к минимуму искрообразование и риск слипания контактов.

Детектор внешней приоритетной нагрузки.

Q1R9D7 - входной каскад, на который можно подать как положительное напряжение, так и переменку от трансформатора тока. Если транзистор открыт, контроллер через несколько секунд отключает нагрузку. Задержка сделана, что бы не реагировать на различные кратковременные пусковые токи приоритетной нагрузки.

Печатная плата.

Устройство реализовано на двух платах, одна силовая, вторая управляющая. Платы крепятся одна над другой на нейлоновых стойках 18мм. Гнездо JP1 - PBS-розетка и штыри PLH длиной 20 мм - JP2 - обеспечивают электрическое соединение плат между собой.

Платы спроектированы для заказа на производстве, вот герберы.

Если сильно надо - я сделаю версию плат для ручного изготовления, с оптимизированными переходными отверстиями.

В принципе, монтаж здесь несложный. Единственное, следует учесть, что часть деталей припаивается под дисплеем. Дисплей припаивается на стандартных штырях PLS. На дальней от штырей стороне между дисплеем и платой подкладывается прокладка на двухстороннем скотче, так что бы приклеить дисплей к плате. Общая толщина прокладки и скотча должна составлять 2.5 мм. Можно так же взять 2сторонний скотч такой толщины.

При монтаже дисплея необходимо проследить, что бы металлическое крепление рамки дисплея не касалось деталей в районе транзисторов Q2Q3. При необходимости это крепление можно слегка подогнуть к плате дисплея.

На силовых дорожках предусмотрены области без маски, для того, что бы можно было усилить их толстым проводом.

В качестве терминалов для кабеля применены половинки винтовых зажимов из вот такой колодки:

Латунные площадки припаиваются к плате, в них вкручиваются винты с зажимами.

Штыри PLH длиной 20 мм (JP2) запаиваются "по месту" - вставляются в гнездо JP1, далее платы соединяются резьбовыми стойками - и штыри пропаиваются в своих монтажных отверстиях.

Остальной монтаж особых сложностей не имеет.

Прошивка и фьюзы.

Прошивка тут.

Фьюзы: High 0xC1, Low 0xC4 (EESAVE on, CKOPT on, INT_RC_OSC - 8MHz 6ck 0ms)

Управление.

Управление таймером описано в коротенькой инструкции.

Фото.