Настоящий электропастух, часть 2: схема и принцип работы
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.
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.
Источник
Электропастух
Попросили сделать электроизгородь. Погуглил, схем много, но ничего особо не приглянулось. Схемы с питанием от 220 вольт сразу отпадают: глупо и опасно. Распространённая схема на трех 555 таймерах удивила своей избыточностью, электрический стул по принципу ШИМ катушки зажигания не даст достаточной длины искры и точно так же опасен.
Что такое электропасух? В простейшем случае представляет собой участок земли огороженный проводом или специальной тесьмой под напряжением.
Итак, что получилось:
Схема работает от 10 до 14 вольт. Первичный преобразователь заряжает С4+С5 до 400 вольт после чего они разряжаются на катушку зажигания. Частота разрядов регулируется R2 и ограничена R3, эти резисторы отвечают за коэффициент заполнения импульсов первичного преобразователя. Сам преобразователь работает от распространённой микросхемы SG3525, которая в данном включении требует минимума обвязки. Частота преобразователя (C1 и R1) подбираются в зависимости от трансформатора, в моём случае
66kHz. В моём случае максимальная скважность ограничена резистором R3 на уровне
18%, и максимальный ток потребления от 12 вольтового источника составляет
250мА, если мощность не ограничивать, возможно потребуется снаббер и замена транзистора на что-то помощнее, типа IRF3205.
C2 на 25 вольт. Трансформатор T1 на сердечнике RM8 N87 AL=250 избыточен, но меньших сердечников не нашлось. Витки рассчитывать в программе Старичка, во вторичной обмотке
250 витков, этого хватит с запасом практически на любом сердечнике, а т.к. это флейбек, очень рекомендую делать послойную изоляцию во избежание пробоя.
Далее идут два диода и токоограничительный резистор R5, который бесполезно жрет мощность, греется и помогает запираться тиристору в данном включении. Его лучше сделать составным из двух параллельных или последовательных резисторов мощностью 2 ватт подходящих номиналов. Конденсаторы C4 и C5 на 630 вольт. С3 можно брать на 50 вольт. Номиналы динистора и тиристора на схеме.
Резистором R6 регулируется напряжение срабатывания порогового узла, я установил его на 400 вольт, что как мне кажется избыточно, слишком уж мощная искра получается, всё это будет настроено в процессе опытов.
Т2 – катушка зажигания, первичная обмотка шунтирована 3-мя последовательными диодами HER208.
Пороговый узел из-за R5 не нравится, будет переделан, но для опытов сойдет и так.
На данный момент частота разрядов на максимальной (R2) мощности составляет около 4Hz, больше как мне кажется и не нужно, а скорее всего меньше, если оставить эту частоту и снизить напряжение срабатывания порогового узла вольт до 100-200, потребление составит около 50-100 миллиампер, соответственно, от аккумулятора авто эта схема будет жить вечно.
Для безопасности планируется HV выход катушки зажигания соединять с изгородью через составной резистор мегаом на 5, что позволит до безопасного уровня ограничить ток, которым оскорбляются животные.
Upd: Электропастух был опробован, вот видео:
Напряжение на конденсаторах снижено с 400 до примерно 150-200 вольт, искра при этом около двух сантиметров, может чуть больше.
UPD : Рекомендую посмотреть вторую версию схемы электропастуха
Источник
Электропастух своими руками, вторая версия
Дошли руки сделать усовершенствованную версию электропастуха. По сравнению с предыдущей, она более энергоэффективна и имеет независимую регулировку частоты импульсов и мощности разряда. Сразу посмотрим как работает электропастух, на видео демонстрируется разряд и регулировка частоты.
Частота разрядов регулируется примерно от 1.7 до 16 герц, чего, как я считаю, более чем достаточно. Теперь посмотрим схему.
Схема электропастуха
Плата имеет размеры 65х30мм:
Условно схема состоит из регулируемого преобразователя напряжения 12 >
400 вольт на шим контроллере UC3845 и генератора импульсов на 555 таймере. Преобразователь заряжает конденсатор C4 до необходимого напряжения после чего происходит его разряд на первичную обмотку катушки зажигания в соответствии с заданной частотой, высоковольтный выход катушки идет на электроизгородь, общий провод подключается к реальной земле.
Напряжение до которого будет заряжен конденсатор регулируется с помощью обратной связи состоящей из элементов R8, R9, R10, C8. При текущих номиналах оно может быть в диапазоне
200-400 вольт, от напряжения зависит мощность импульса. Помимо этого обратная связь также служит цепью разряда конденсатора, и после отключении питания плату можно безопасно брать в руки спустя буквально несколько секунд.
Разряд конденсатора при отключении питания, цена клетки 100 вольт, 1 секунда.
Частота разрядов и выходное напряжение преобразователя независимо друг от друга регулируются переменными резисторами R5 и R9, демонстрацию чего можно посмотреть на следующем видео, цена клетки 100 вольт, 100 миллисекунд.
Сборка устройства
Трансформатор Т1 преобразователя намотан на Ш образном сердечнике ЕЕ25х10х6.35мм. Вторичная обмотка имеет 80 витков провода 0.1мм одним проводом, первичная обмотка 4 витка проводом 0.4 в три провода параллельно. Под крайние керны необходимы прокладки
0.12 мм для обеспечения зазора.
Подойдет практически любой сердечник примерно этих размеров – главное не забыть про зазор. Сначала мотается вторичная обмотка виток к витку, межслойная изоляция два витка обычного скотча. Провод можно взять 0.08-0.12мм. Поверх вторичной обмотки идет первичная в 4 витка проводом 0.3-0.6мм жгутом из 3-4х проводов распределенным по всей длине каркаса.
Во время настройки трансформатор Т1 и катушку зажигания не подключаем. Собираем на плате весь узел на UC3845, 2-й вывод ( VFB ) временно подключаем на землю и подаем питание. На выходе должен получится сигнал как на картинке ниже:
Частота около 50kHz, длительность импульса
Далее собираем весь узел на 555 таймере и проверяем выход, переменным резистором R5 частота должна регулироваться от
Устанавливаем трансформатор и проверяем напряжение на конденсаторе С4, с помощью резистора R9 оно должно регулироваться от
400 вольт, если все в порядке подключаем катушку зажигания и наслаждаемся разрядами, если напряжение на конденсаторе мало и ощущается нагрев транзистора преобразователя – неправильная фазировка трансформатора, необходимо поменять местами концы первичной или вторичной обмотки. Все диоды можно заменить на 1N5819 или HER208.
Следует соблюдать правила безопасности т.к. на схеме присутствует высокое напряжение. Потрогав детали руками в процессе работы, можно неприятно удивиться разрядом конденсатора 400-630 вольт в тело. На переменные резисторы также следует установить пластиковые рукоятки.
На мой взгляд для работы устройства в качестве электропастуха частота разрядов более трех Герц просто не нужна, спокойное животное получив разряд тут же отпрыгнет от изгороди, но если оно агрессивно или запуталось, нет никакого смысла «жарить» его высокой частотой разрядов.
Пробивное расстояние при текущих номиналах составляет до полутора сантиметров чего вполне достаточно. Для любителей «помощнее» следует заменить конденсатор С4 на 2.2uf 630 вольт и пересчитать делитель обратной связи, или же поставить два конденсатора С4 параллельно, что так же увеличит мощность разрядов. В этом случае длина искры будет как и в первой версии электропастуха:
Контакт подписанный на схеме «земля» не имеет связи с «минусом» схемы и представляет собой металлический штырь вбитый в землю и подключенный к общему контакту катушки зажигания.
Если будете повышать напряжение хорошо бы сделать защитный разрядник что бы исключить пробой вторичной обмотки катушки зажигания. Разрядник делается из любой тонкой пластиковой трубки в которую устанавливается два гвоздя с промежутком около 3-х сантиметров, концы заливаются термоклеем и подключаются на выход катушки зажигания.
В отсутствии контакта с животным искра будет образовываться в разряднике а отсутствие искры косвенным образом будет сигнализировать о коротком замыкании или иной поломке. Но опять же, по факту все это не нужно.
При небольшой частоте потребление составляет несколько десятков миллиампер, а значит от одного заряда автомобильного аккумулятора электропастух сможет работать круглосуточно неделями.
При желании могу изготовить данное устройство, пишите. Всего наилучшего!
Источник