Małe obciążenie - stałe obciążenie prądowe: 4 kroki (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Rozwijałem sobie zasilacz ławkowy, aż w końcu doszedłem do punktu, w którym chcę go obciążyć, aby zobaczyć, jak działa. Po obejrzeniu znakomitego wideo Dave'a Jonesa i kilku innych zasobach internetowych wpadłem na pomysł Tiny Load. Jest to regulowane obciążenie prądem stałym, które powinno wytrzymać około 10 amperów. Napięcie i prąd są ograniczone wartościami znamionowymi tranzystora wyjściowego i rozmiarem radiatora.

Trzeba powiedzieć, że istnieją naprawdę sprytne projekty! Tiny Load to naprawdę podstawowa i prosta modyfikacja projektu Dave'a, ale nadal będzie rozpraszać moc potrzebną do przetestowania zasilacza, o ile nie uzyska więcej soku, niż może obsłużyć.

Tiny Load nie ma podłączonego miernika prądu, ale można podłączyć zewnętrzny amperomierz lub monitorować napięcie na rezystorze sprzężenia zwrotnego.

Zmieniłem nieco projekt po zbudowaniu, więc wersja przedstawiona tutaj ma diodę LED, która informuje, że jest włączona, i lepszy wzór płytki dla przełącznika.

Schemat i układ PCB są tutaj prezentowane jako pliki PDF, a także jako obrazy JPEG.

Krok 1: Zasada działania

Dla tych, którzy nie są dobrze zorientowani w zasadach elektroniki, oto wyjaśnienie, jak działa obwód. Jeśli wszystko to jest ci dobrze znane, możesz przejść dalej!

Sercem Tiny Load jest podwójny wzmacniacz operacyjny LM358, który porównuje prąd płynący w obciążeniu z ustawioną wartością. Wzmacniacze operacyjne nie mogą bezpośrednio wykrywać prądu, więc prąd jest przekształcany w napięcie, które wzmacniacz operacyjny może wykryć, za pomocą rezystora R3, znanego jako rezystor wykrywający prąd. Dla każdego wzmacniacza, który przepływa w R3, wytwarzane jest 0,1 wolta. Pokazuje to prawo Ohma, V=I*R. Ponieważ R3 jest naprawdę niską wartością, przy 0,1 omach, nie nagrzewa się nadmiernie (moc, którą rozprasza, podaje I²R).

Ustawiona wartość to ułamek napięcia odniesienia – ponownie, napięcie jest używane, ponieważ wzmacniacz operacyjny nie może wykryć prądu. Napięcie odniesienia jest wytwarzane przez 2 diody połączone szeregowo. Każda dioda wytworzy na niej napięcie w zakresie 0,65 wolta, gdy przepływa przez nią prąd. To napięcie, które zwykle wynosi do 0,1 V po obu stronach tej wartości, jest nieodłączną właściwością złączy krzemowych p-n. Tak więc napięcie odniesienia wynosi około 1,3 wolta. Ponieważ nie jest to instrument precyzyjny, nie ma tu potrzeby dużej dokładności. Diody pobierają swój prąd przez rezystor. podłączony do akumulatora. Napięcie odniesienia jest trochę za wysokie, aby ustawić obciążenie maksymalnie na 10 amperów, więc potencjometr ustawiający napięcie wyjściowe jest połączony szeregowo z rezystorem 3k, który nieco obniża napięcie.

Ponieważ odniesienie i rezystor wykrywający prąd są ze sobą połączone i podłączone do zerowego połączenia wzmacniacza operacyjnego, wzmacniacz operacyjny może wykryć różnicę między tymi dwiema wartościami i dostosować swoje wyjście tak, aby różnica była zmniejszona do prawie zera. Stosowana tutaj zasada jest taka, że wzmacniacz operacyjny zawsze będzie próbował dostosować swoje wyjście tak, aby jego dwa wejścia miały to samo napięcie.

W poprzek akumulatora jest podłączony kondensator elektrolityczny, aby pozbyć się wszelkich szumów, które trafiają do zasilania wzmacniacza operacyjnego. Do diod podłączony jest jeszcze jeden kondensator, który tłumi generowany przez nie hałas.

Biznesowy koniec Tiny Load jest tworzony przez MOSFET (tranzystor polowy z metalowo-tlenkiem półprzewodnika). Wybrałem ten, ponieważ znajdował się w mojej skrzynce na śmieci i miał odpowiednie wartości napięcia i prądu do tego celu, jednak jeśli kupujesz nowy, można znaleźć znacznie więcej odpowiednich urządzeń.

Mosfet działa jak rezystor zmienny, gdzie dren jest podłączony do strony + testowanego zasilania, źródło jest podłączone do R3, a przez to do - przewodu zasilania, które chcesz przetestować, a bramka jest podłączona do wyjścia wzmacniacza operacyjnego. Gdy na bramce nie ma napięcia, mosfet zachowuje się jak otwarty obwód między drenem a źródłem, jednak po przyłożeniu napięcia powyżej pewnej wartości (napięcie „progowe”) zaczyna przewodzić. Podnieś wystarczająco napięcie bramki, a jej rezystancja będzie bardzo niska.

Tak więc wzmacniacz operacyjny utrzymuje napięcie bramki na poziomie, na którym prąd przepływający przez R3 powoduje powstanie napięcia, które jest prawie równe ułamkowi napięcia odniesienia ustawionego przez obrócenie potencjometru.

Ponieważ mosfet działa jak rezystor, ma na sobie napięcie i przepływający przez niego prąd, co powoduje, że rozprasza on moc w postaci ciepła. Ciepło to musi gdzieś odejść, bo inaczej bardzo szybko zniszczyłoby tranzystor, więc z tego powodu jest on przykręcony do radiatora. Matematyka obliczania rozmiaru radiatora jest prosta, ale też nieco mroczna i tajemnicza, ale opiera się na różnych rezystancjach termicznych, które utrudniają przepływ ciepła przez każdą część ze złącza półprzewodnikowego do powietrza zewnętrznego i akceptowalny wzrost temperatury. Więc masz rezystancję termiczną od złącza do obudowy tranzystora, od obudowy do radiatora i przez radiator do powietrza, dodaj je razem, aby uzyskać całkowity opór cieplny. Jest to podawane w °C/W, więc na każdy rozpraszany wat temperatura wzrośnie o tę liczbę stopni. Dodaj to do temperatury otoczenia, a otrzymasz temperaturę, w której będzie pracowało twoje złącze półprzewodnikowe.

Krok 2: Części i narzędzia

Zbudowałem Tiny Load głównie przy użyciu części ze śmieci, więc jest to trochę arbitralne!

Płytka jest wykonana z SRBP (FR2), który mam, bo był tani. Jest pokryty miedzią o masie 1 uncji. Diody i kondensatory oraz mosfet to stare używane, a wzmacniacz operacyjny to jeden z 10 sztuk, które dostałem jakiś czas temu, bo były tanie. Koszt jest jedynym powodem używania urządzenia smd w tym celu - 10 urządzeń smd kosztuje mnie tyle samo, ile miałby jeden otwór przelotowy.

• 2 x diody 1N4148. Użyj więcej, jeśli chcesz mieć możliwość ładowania większego prądu.
• Tranzystor MOSFET, użyłem BUK453, ponieważ tak się stało, ale wybierz to, co lubisz, o ile prąd znamionowy przekracza 10A, napięcie progowe jest poniżej około 5V, a Vds jest wyższe niż maksymalne, którego oczekujesz użyj go w, powinno być w porządku. Spróbuj wybrać taki, który jest przeznaczony do zastosowań liniowych, a nie do przełączania.
• Potencjometr 10k. Wybrałem tę wartość, ponieważ to, co akurat miałem, czyli zdemontowałem ze starego telewizora. Powszechnie dostępne są te z takim samym rozstawem pinów, ale nie jestem pewien co do uchwytów montażowych. Być może będziesz musiał zmodyfikować układ tablicy w tym celu.
• Pokrętło pasujące do potencjometru
• Rezystor 3k. 3.3k powinno działać równie dobrze. Użyj niższej wartości, jeśli chcesz mieć możliwość obciążenia większym prądem z pokazanym wzorcem 2-diodowym.
• Wzmacniacz operacyjny LM358. Tak naprawdę każda pojedyncza dostawa typu „rail-to-rail” powinna wystarczyć.
• Rezystor 22k
• rezystor 1k
• Kondensator 100nF. To naprawdę powinno być ceramiczne, chociaż użyłem filmu
• Kondensator 100uF. Musi być oceniany na co najmniej 10 V
• Rezystor 0,1 oma, minimalna moc 10W. Ten, którego użyłem, jest za duży, ponownie koszt był tutaj przytłaczającym czynnikiem. Rezystor w metalowej obudowie 25 W 0,1 oma był tańszy niż bardziej odpowiednio ocenione typy. Dziwne ale prawdziwe.
• Radiator - stary radiator procesora działa dobrze i ma tę zaletę, że został zaprojektowany z dołączonym wentylatorem, jeśli go potrzebujesz.
• Pasta termoprzewodząca. Dowiedziałem się, że związki na bazie ceramiki działają lepiej niż te na bazie metalu. Użyłem Arctic Cooling MX4, który akurat miałem. Działa dobrze, jest tani i dostajesz dużo!
• Mały kawałek aluminium na wspornik
• Małe śruby i nakrętki
• mały przełącznik suwakowy

Krok 3: Budowa

Zbudowałem mały ładunek ze skrzynki na śmieci lub bardzo tanich części

Radiator to stary radiator procesora z ery pentium. Nie wiem jaki to opór cieplny, ale domyślam się, że to około 1 lub 2°C/W na podstawie zdjęć na dole tego poradnika: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc… chociaż doświadczenie sugeruje, że jest to raczej lepsze niż to.

Wywierciłem otwór w środku radiatora, nabiłem go i zamontowałem na nim tranzystor pastą termoprzewodzącą MX4 i wkręciłem śrubę mocującą bezpośrednio w nagwintowany otwór. Jeśli nie masz środków na gwintowanie otworów, po prostu wywierć je nieco większe i użyj nakrętki.

Początkowo myślałem, że będzie to ograniczone do rozpraszania około 20 W, jednak miałem go z mocą 75 W lub wyższą, gdzie zrobiło się dość gorąco, ale nadal nie było zbyt gorąco, aby go używać. Z dołączonym wentylatorem chłodzącym byłoby to jeszcze wyższe.

Właściwie nie ma potrzeby przykręcania rezystora czujnika prądu do płyty, ale jaki jest sens posiadania otworów na śruby, jeśli nie można czegoś do nich przykręcić? Do połączenia rezystora z płytką użyłem małych kawałków grubego drutu, które pozostały po niektórych pracach elektrycznych.

Przełącznik zasilania pochodził z nieistniejącej zabawki. Nieprawidłowe odstępy między otworami na moim PCB, ale podane tutaj odstępy na układzie PCB powinny pasować, jeśli masz ten sam typ miniaturowego przełącznika SPDT. W oryginalnym projekcie nie uwzględniłem diody LED, aby pokazać, że Tiny Load jest włączony, jednak zdałem sobie sprawę, że to głupie pominięcie, więc dodałem go.

Grube ścieżki, jakie stoją, nie są wystarczająco grube dla 10 amperów z użytą płytką miedzianą o masie 1 uncji, więc jest połączona z miedzianym drutem. Każdy z torów ma kawałek drutu miedzianego o średnicy 0,5 mm ułożony wokół niego i lutowany sczepnie w odstępach, z wyjątkiem krótkiego odcinka, który jest połączony z ziemią, ponieważ płaszczyzna uziemienia dodaje dużo masy. Upewnij się, że dodany przewód idzie prosto do pinów mosfet i rezystora.

Płytkę wykonałem metodą transferu tonera. W sieci jest mnóstwo literatury na ten temat, więc nie będę się tym zagłębiać, ale podstawową zasadą jest to, że używasz drukarki laserowej do drukowania wzoru na jakimś błyszczącym papierze, następnie naprasuj go na deskę, a następnie wytrawij to. Używam taniego papieru transferowego z żółtym tonerem z Chin i żelazka do bielizny ustawionego na nieco poniżej 100°C. Do czyszczenia tonera używam acetonu. Po prostu wycieraj szmatami świeżym acetonem, aż staną się czyste. Zrobiłem wiele zdjęć, aby zilustrować ten proces. Dostępne są o wiele lepsze materiały do pracy, ale trochę poza moim budżetem! Zazwyczaj muszę poprawiać moje transfery pisakiem.

Wywierć otwory swoją ulubioną metodą, a następnie dodaj drut miedziany do szerokich torów. Jeśli przyjrzysz się uważnie, zobaczysz, że trochę popsułem moje wiercenie (ponieważ użyłem eksperymentalnej wiertarki, która jest nieco niedoskonała. Kiedy działa poprawnie, obiecuję, że zrobię na niej Instruktaż!)

Najpierw zamontuj wzmacniacz operacyjny. Jeśli nie pracowałeś wcześniej z smd, nie daj się zastraszyć, to całkiem proste. Najpierw ocynuj jeden z padów na płytce z naprawdę niewielką ilością lutowia. Ułóż chip bardzo ostrożnie i przymocuj odpowiednią szpilkę do podkładki, którą ocynowałeś. Ok teraz układ się nie porusza, możesz przylutować wszystkie pozostałe piny. Jeśli masz trochę płynnego topnika, nałożenie tego rozmazu ułatwia proces.

Dopasuj pozostałe elementy, najpierw najmniejsze, czyli najprawdopodobniej diody. Upewnij się, że otrzymujesz je we właściwy sposób. Zrobiłem trochę wstecz, montując najpierw tranzystor na radiatorze, ponieważ początkowo eksperymentowałem z nim.

Przez chwilę bateria była mocowana do deski za pomocą lepkich podkładek, które działały wyjątkowo dobrze! Został podłączony za pomocą standardowego złącza pp3, jednak płytka jest przystosowana do obszerniejszego typu uchwytu, który wpina się w całą baterię. Miałem pewne problemy z naprawą uchwytu baterii, ponieważ wymaga on śrub 2,5 mm, których brakuje mi i nie ma nakrętek do dopasowania. Wywierciłem otwory w zacisku na 3,2 mm i pogłębiłem je do 5,5 mm (nie prawdziwe, po prostu użyłem wiertła!), jednak okazało się, że większe wiertło bardzo ostro chwyta plastik i przebija jeden z otworów. Oczywiście można to naprawić za pomocą lepkich podkładek, co z perspektywy czasu może być lepsze.

Przytnij przewody zacisku akumulatora tak, aby mieć około cala drutu, ocynuj końce, przełóż je przez otwory w płytce i przylutuj końce z powrotem przez płytkę.

Jeśli używasz rezystora w metalowej obudowie, takiego jak ten pokazany, zamontuj go z grubymi wyprowadzeniami. Musi mieć jakieś przekładki między nim a płytą, aby nie przegrzewać wzmacniacza operacyjnego. Użyłem nakrętek, ale lepsze byłyby metalowe tulejki lub stosy podkładek przyklejonych do deski.

Jedna ze śrub mocujących zacisk akumulatora przechodzi również przez jeden z występów rezystora. Okazało się to złym pomysłem.

Krok 4: Oddanie go do użytku, ulepszenia, kilka myśli

Sposób użycia: Tiny Load jest przeznaczony do pobierania stałego prądu z zasilacza, bez względu na napięcie, więc nie musisz podłączać do niego niczego poza amperomierzem, który należy umieścić szeregowo z jednym z wejść.

Obróć pokrętło do zera i włącz Tiny Load. Powinieneś zobaczyć niewielki przepływ prądu, do około 50mA.

Powoli reguluj pokrętło, aż płynie prąd, który chcesz przetestować, wykonaj wszystkie testy, które musisz zrobić. Sprawdź, czy radiator nie jest nadmiernie gorący – praktyczna zasada jest taka, że jeśli poparzy ci palce, jest za gorący. W tym przypadku masz trzy opcje:

1. Zmniejsz napięcie zasilania!
2. Odrzuć Tiny Load
3. Uruchamiaj go na krótkie odstępy czasu, z dużą ilością czasu na ochłodzenie pomiędzy nimi
4. Dopasuj wentylator do radiatora

OK OK, to cztery opcje:)

Nie ma żadnej ochrony wejścia, więc bądź bardzo ostrożny, aby wejścia były podłączone we właściwy sposób. Zrób to źle, a wewnętrzna dioda mosfetu będzie przewodzić cały dostępny prąd i prawdopodobnie zniszczy mosfet w procesie.

Ulepszenia: Szybko stało się jasne, że Tiny Load musi mieć własne sposoby mierzenia pobieranego prądu. Są na to trzy sposoby.

1. Najprostszą opcją jest szeregowe podłączenie amperomierza z wejściem dodatnim lub ujemnym.
2. Najdokładniejszą opcją jest podłączenie woltomierza do rezystora czujnika, skalibrowanego do tego rezystora, aby pokazane napięcie wskazywało prąd.
3. Najtańszą opcją jest wykonanie papierowej wagi, która mieści się za pokrętłem i zaznaczenie na niej skalibrowanej skali.

Potencjalnie brak ochrony wstecznej może być dużym problemem. Wewnętrzna dioda mosfeta będzie przewodzić niezależnie od tego, czy Tiny Load jest włączony, czy nie. Ponownie istnieje kilka opcji rozwiązania tego problemu:

1. Najprostszą i najtańszą metodą byłoby połączenie diody (lub kilku diod równolegle) szeregowo z wejściem.
2. Droższą opcją jest użycie mosfetu, który ma wbudowaną ochronę przed odwróceniem. OK, więc to również najprostsza metoda.
3. Najbardziej skomplikowaną opcją jest połączenie drugiego mosfetu w serii anty z pierwszym, który przewodzi tylko wtedy, gdy polaryzacja jest prawidłowa.

Zdałem sobie sprawę, że czasami naprawdę potrzebny jest regulowany opór, który może rozproszyć dużo mocy. W tym celu można zastosować modyfikację tego obwodu, znacznie taniej niż kupowanie dużego reostatu. Zwróć więc uwagę na Tiny Load MK2, który będzie można przełączyć w tryb rezystancyjny!

Ostatnie przemyślenia Tiny Load okazał się przydatny jeszcze przed ukończeniem i działa bardzo dobrze. Miałem jednak pewne problemy z jego konstrukcją i później zdałem sobie sprawę, że miernik i wskaźnik włączenia byłyby cennymi ulepszeniami.