Drobné zatížení - konstantní proudové zatížení: 4 kroky (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Sám jsem vyvíjel stolní napájecí zdroj a nakonec jsem dosáhl bodu, kdy na něj chci zatížit, abych viděl, jak funguje. Poté, co jsem viděl skvělé video Davea Jonese a prohlédl si několik dalších internetových zdrojů, přišel jsem na Tiny Load. Jedná se o nastavitelné zatížení konstantním proudem, které by mělo zvládnout zhruba 10 ampérů. Napětí a proud jsou omezeny hodnotami výstupního tranzistoru a velikostí chladiče.

Je třeba říci, že existuje několik opravdu chytrých návrhů! Tiny Load je opravdu základní a jednoduchý, nepatrná úprava Daveova designu, ale i tak rozptýlí sílu potřebnou k testování psu, pokud nedostane více šťávy, než kolik zvládne.

Tiny Load nemá připojený měřič proudu, ale můžete připojit externí ampérmetr nebo sledovat napětí přes odpor zpětné vazby.

Poté, co jsem jej postavil, jsem mírně změnil design, takže zde představená verze má LED diodu, která vám řekne, že je zapnutá, a lepší vzor PCB pro přepínač.

Schéma a rozvržení desky plošných spojů jsou zde prezentovány jako soubory PDF a také jako obrázky JPEG.

Krok 1: Princip činnosti

Pro ty, kteří nemají dobré znalosti elektronických principů, je zde vysvětlení, jak obvod funguje. Pokud je vám toto všechno dobře známo, klidně přeskočte dopředu!

Srdcem Tiny Load je duální operační zesilovač LM358, který porovnává proud protékající zátěží s vámi nastavenou hodnotou. Operační zesilovače nemohou detekovat proud přímo, takže se proud změní na napětí, které operační zesilovač dokáže detekovat odporem R3 známým jako odpor snímající proud. Pro každý zesilovač, který teče v R3, je vyrobeno 0,1 voltu. To ukazuje Ohmův zákon, V = I*R. Protože R3 je opravdu nízká hodnota, při 0,1 ohmech se příliš nezahřívá (výkon, který rozptyluje, je dán I²R).

Hodnota, kterou nastavíte, je zlomkem referenčního napětí - opět se použije napětí, protože operační zesilovač nedokáže detekovat proud. Referenční napětí je produkováno 2 diodami v sérii. Každá dioda na něm vyvine napětí v oblasti 0,65 voltu, když jím protéká proud. Toto napětí, které je obvykle až 0,1 voltu na každé straně této hodnoty, je inherentní vlastností křemíkových p-n přechodů. Referenční napětí je tedy kolem 1,3 voltu. Protože se nejedná o přesný nástroj, není zde velká přesnost potřeba. Diody získávají svůj proud přes odpor. připojen k baterii. Referenční napětí je trochu vysoké pro nastavení zátěže na maximálně 10 ampér, takže potenciometr, který nastavuje výstupní napětí, je zapojen do série s odporem 3k, který napětí trochu snižuje.

Protože referenční a proudový snímací odpor jsou spojeny dohromady a připojeny k nulovému napětí op-amp, operační zesilovač dokáže detekovat rozdíl mezi těmito dvěma hodnotami a upravit svůj výstup tak, aby se rozdíl snížil téměř na nulu. Zde platí pravidlo, že operační zesilovač se vždy pokusí upravit svůj výstup tak, aby jeho dva vstupy byly na stejném napětí.

Přes baterii je připojen elektrolytický kondenzátor, který se zbaví jakéhokoli hluku, který najde cestu do napájení operačního zesilovače. Přes diody je připojen další kondenzátor, který tlumí hluk, který generují.

Obchodní konec Tiny Load je tvořen tranzistorem MOSFET (Field Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Vybral jsem si tento, protože byl v mé nevyžádané krabici a měl pro tento účel adekvátní hodnocení napětí a proudu, ale pokud kupujete nový, najdete mnohem vhodnější zařízení.

MOSFET funguje jako variabilní odpor, kde je odtok připojen k + straně zdroje, který chcete testovat, zdroj je připojen k R3 a přes to k - přívodu zdroje, který chcete testovat, a brána je připojena na výstup operačního zesilovače. Když na bráně není napětí, funguje mosfet jako otevřený obvod mezi jeho odtokem a zdrojem, ale když je napětí aplikováno nad určitou hodnotu („prahové“napětí), začne vést. Zvyšte dostatečně napětí brány a její odpor bude velmi nízký.

Operační zesilovač tedy udržuje napětí hradla na úrovni, kde proud protékající R3 způsobí vývoj napětí, které se téměř rovná zlomku referenčního napětí, které jste nastavili otáčením potenciometru.

Vzhledem k tomu, že mosfet funguje jako odpor, má na sobě napětí a protéká jím proud, což způsobuje, že rozptýlí energii ve formě tepla. Toto teplo musí někam odejít, jinak by velmi rychle zničilo tranzistor, takže z tohoto důvodu je přišroubováno k chladiči. Matematika pro výpočet velikosti chladiče je přímočará, ale také trochu temná a tajemná, ale vychází z různých tepelných odporů, které brání toku tepla každou částí od polovodičového přechodu k venkovnímu vzduchu a přijatelného zvýšení teploty. Takže máte tepelný odpor od přechodu k pouzdru tranzistoru, od pouzdra k chladiči a přes chladič do vzduchu, sečtěte je dohromady pro celkový tepelný odpor. To je udáváno ve ° C/W, takže s každým wattem, který je rozptylován, teplota stoupne o tento počet stupňů. Přidejte to k okolní teplotě a získáte teplotu, při které bude fungovat vaše polovodičové spojení.

Krok 2: Díly a nástroje

Tiny Load jsem postavil převážně pomocí částí nevyžádané pošty, takže je to trochu libovolné!

Deska plošných spojů je vyrobena ze SRBP (FR2), který mám náhodou, protože byl levný. Je potažen mědí 1 oz. Diody a kondenzátory a mosfet jsou staré použité a operační zesilovač je jedním z balení 10 kusů, které jsem před chvílí dostal, protože byly levné. Náklady jsou jediným důvodem pro použití zařízení smd - 10 smd zařízení mě stálo stejně jako 1 skrz otvor, který by měl jeden.

• 2 x 1N4148 diody. Pokud chcete mít možnost načíst více proudu, použijte více.
• Tranzistor MOSFET, použil jsem BUK453, protože to je to, co jsem náhodou měl, ale vyberte si, co se vám líbí, pokud je aktuální proud nad 10A, prahové napětí je pod asi 5v a Vds je vyšší než maximum, které očekáváte použijte to, mělo by to být v pořádku. Zkuste si vybrat ten, který je určen pro lineární aplikace, a ne pro přepínání.
• 10k potenciometr. Vybral jsem tuto hodnotu, protože jsem ji náhodou měl, což jsem demontoval ze staré televize. Ty se stejnou roztečí kolíků jsou široce dostupné, ale nejsem si jistý upevňovacími výstupky. K tomu možná budete muset upravit rozložení desky.
• Knoflík pro přizpůsobení potenciometru
• 3k odpor. 3.3k by mělo fungovat stejně dobře. Použijte nižší hodnotu, pokud chcete, aby bylo možné načíst větší proud se zobrazenou referencí 2 diod.
• Operační zesilovač LM358. Skutečně by měl fungovat jakýkoli typ dodávky typu kolejnice na kolejnici.
• Odpor 22k
• 1k odpor
• 100nF kondenzátor. To by mělo být opravdu keramické, i když jsem použil filmový
• 100uF kondenzátor. Musí být dimenzován alespoň na 10 V.
• 0,1 ohmový odpor, minimální výkon 10 W. Ten, který jsem použil, je příliš velký, opět zde byly drtivým faktorem náklady. Odpor 25 W 0,1 ohm s kovovým pouzdrem byl levnější než vhodněji hodnocené typy. Zvláštní, ale pravdivé.
• Chladič - starý chladič CPU funguje dobře a má tu výhodu, že je navržen tak, aby měl v případě potřeby připojený ventilátor.
• Směs tepelných chladičů. Dozvěděl jsem se, že keramické sloučeniny fungují lépe než kovové. Použil jsem Arctic Cooling MX4, který jsem náhodou měl. Funguje to dobře, je to levné a získáte spoustu!
• Malý kus hliníku pro držák
• Malé šrouby a matice
• malý posuvný spínač

Krok 3: Konstrukce

Drobný náklad jsem postavil z nevyžádané pošty nebo velmi levných dílů

Chladič je starý chladič CPU z doby Pentium. Nevím, jaký je to tepelný odpor, ale hádám, že je to asi 1 nebo 2 ° C/W podle obrázků v dolní části této příručky: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc … i když zkušenosti nyní naznačují, že je to mnohem lepší než toto.

Uprostřed chladiče jsem vyvrtal otvor, zaklepal a namontoval na něj tranzistor tepelnou směsí MX4 a upevňovací šroub zašrouboval přímo do závitového otvoru. Pokud nemáte prostředky k odpichu otvorů, vyvrtejte je trochu větší a použijte matici.

Původně jsem si myslel, že to bude omezeno na asi 20 W ztrátový výkon, ale nechal jsem to běžet na 75 W nebo vyšším, kde to bylo docela horké, ale stále ne příliš horké na použití. S připojeným chladicím ventilátorem by to bylo ještě vyšší.

Aktuálně není nutné přišroubovat aktuální snímací odpor k desce, ale jaký má smysl mít otvory pro šrouby, když do nich nemůžete něco přišroubovat? K připojení rezistoru k desce jsem použil malé kousky silného drátu, které zbyly z elektrických prací.

Vypínač pocházel ze zaniklé hračky. Na mé desce plošných spojů mám nesprávné rozteče otvorů, ale rozteč na rozvržení desky plošných spojů zde uvedená by se měla hodit, pokud máte stejný typ miniaturního přepínače SPDT. Do původního návrhu jsem nezahrnul LED, což ukazuje, že Tiny Load je zapnutý, ale uvědomil si, že je to hloupé opomenutí, tak jsem to přidal.

Tlusté stopy, jak stojí, nejsou opravdu dostatečně silné na 10 ampérů s použitou měděnou deskou 1oz, takže jsou spojeny nějakým měděným drátem. Každá z kolejí má kolem sebe kus 0,5 mm měděného drátu, který je v určitých intervalech připájen, s výjimkou krátkého úseku, který je spojen se zemí, protože základní rovina přidává spoustu objemu. Ujistěte se, že přidaný vodič jde přímo na piny mosfetu a odporu.

PCB jsem vyrobil metodou přenosu toneru. Na internetu je o tom obrovské množství literatury, takže se do toho nebudu pouštět, ale základním principem je, že pomocí laserové tiskárny vytisknete design na nějaký lesklý papír, poté jej nažehlíte na desku a poté vyleptáte to. Používám levný papír na přenos žlutého toneru z Číny a žehličku na prádlo nastavenou na něco málo pod 100 ° C. K čištění toneru používám aceton. Jen otírejte hadry čerstvým acetonem, dokud nebudou čisté. Pro ilustraci postupu jsem pořídil spoustu fotografií. Pro tuto práci je k dispozici mnohem lepší materiál, ale trochu přesahuje můj rozpočet! Převody obvykle musím opravit fixou.

Vyvrtejte otvory svou oblíbenou metodou a poté přidejte měděný drát do širokých kolejí. Pokud se podíváte pozorně, vidíte, že jsem si trochu pokazil vrtání (protože jsem použil experimentální vrtačku, která je poněkud nedokonalá. Až bude fungovat správně, udělám na ní instruktáž, slibuji!)

Nejprve připojte operační zesilovač. Pokud jste dříve nepracovali se smd, nenechte se zastrašit, je to docela snadné. Nejprve pocínujte jednu z podložek na desce opravdu malým množstvím pájky. Umístěte čip velmi opatrně a přišroubujte příslušný kolík dolů k podložce, kterou jste pocínovali. Dobře, čip se nebude pohybovat, můžete pájet všechny ostatní piny. Pokud máte nějaké tekuté tavidlo, nanesení tohoto nátěru tento proces usnadní.

Namontujte zbývající součásti, nejdříve nejmenší, což jsou s největší pravděpodobností diody. Ujistěte se, že je získáte správným způsobem. Věci jsem udělal mírně dozadu tím, že jsem nejprve namontoval tranzistor na chladič, protože jsem s ním původně experimentoval.

Na chvíli byla baterie připevněna k desce pomocí lepivých podložek, které fungovaly pozoruhodně dobře! Byl připojen pomocí standardního konektoru pp3, ale deska je navržena tak, aby pojala podstatnější typ držáku, který se přichytí v celé baterii. Měl jsem nějaké problémy s upevněním držáku baterie, protože to vyžaduje 2,5 mm šrouby, kterých mám nedostatek a žádné matice, aby se vešly. Vyvrtal jsem otvory ve sponě na 3,2 mm a vyvrtal je na 5,5 mm (ne skutečné zahloubení, jen jsem použil vrták!), Ale zjistil jsem, že větší vrták chytí plast velmi ostře a prošel přímo jedním z otvorů. Samozřejmě byste mohli použít lepivé podložky k opravě, což ve zpětném pohledu může být lepší.

Zastřihněte dráty spony baterie tak, abyste měli asi palec drátu, omotejte konce, provlékněte je otvory v desce a konce pájte zpět deskou.

Používáte -li odpor s kovovým pláštěm, jako je ten na obrázku, osaďte jej silnými vývody. Musí mít nějaké mezery mezi ním a deskou, aby nedošlo k přehřátí operačního zesilovače. Použil jsem matice, ale kovové rukávy nebo stohy podložek přilepených k desce by byly lepší.

Jeden ze šroubů, které upevňují svorku baterie, také prochází jedním z odporových výstupků. To se ukázalo jako špatný nápad.

Krok 4: Uvedení do provozu, vylepšení, některé myšlenky

Použití: Tiny Load je navržen tak, aby odebíral konstantní proud ze zdroje, bez ohledu na to, jaké je napětí, takže k němu nemusíte připojovat nic jiného, kromě ampérmetru, který byste měli umístit do série s jedním ze vstupů.

Otočte knoflíkem dolů na nulu a zapněte Tiny Load. Měli byste vidět malé množství proudu, až asi 50 mA.

Pomalu nastavujte knoflík, dokud neproudí proud, na kterém chcete testovat, proveďte všechny potřebné testy. Zkontrolujte, zda chladič není nadměrně horký - zde platí pravidlo, že pokud vám pálí prsty, je příliš horké. V tomto případě máte tři možnosti:

1. Snižte napájecí napětí
2. Odmítněte Tiny Load
3. Spouštějte jej v krátkých intervalech s dostatkem času na ochlazení mezi nimi
4. K chladiči namontujte ventilátor

Dobře, to jsou čtyři možnosti:)

Neexistuje žádná ochrana vstupu, takže buďte velmi opatrní, aby byly vstupy připojeny správným způsobem. Chápejte to špatně a vnitřní dioda mosfetu povede veškerý dostupný proud a pravděpodobně tím zničí mosfet.

Vylepšení: Rychle se ukázalo, že Tiny Load potřebuje vlastní prostředky pro měření proudu, který odebírá. K tomu existují tři způsoby.

1. Nejjednodušší možností je vložit ampérmetr do série s kladným nebo záporným vstupem.
2. Nejpřesnější možností je připojit voltmetr přes snímací odpor, kalibrovaný na tento odpor tak, aby zobrazené napětí indikovalo proud.
3. Nejlevnější možností je vyrobit si papírovou váhu, která se vejde za ovládací knoflík, a označit na ní kalibrovanou váhu.

Potenciálně by nedostatek zpětné ochrany mohl být velkým problémem. Vnitřní dioda mosfetu provede, zda je zapnut Tiny Load nebo ne. Opět existuje řada možností, jak tento problém vyřešit:

1. Nejjednodušší a nejlevnější metodou by bylo zapojit diodu (nebo některé diody paralelně) do série se vstupem.
2. Dražší možností je použít mosfet, který má vestavěnou reverzní ochranu. Dobře, takže je to také nejjednodušší metoda.
3. Nejsložitější možností je připojit druhý mosfet v sérii k prvnímu, který vede pouze při správné polaritě.

Uvědomil jsem si, že někdy je opravdu potřeba nastavitelný odpor, který může rozptýlit spoustu energie. K tomu je možné použít modifikaci tohoto obvodu, mnohem levnější než nákup velkého reostatu. Dávejte si tedy pozor na Tiny Load MK2, který bude možné přepnout do odporového režimu!

Závěrečné myšlenky Drobná zátěž se osvědčila i před dokončením a funguje velmi dobře. Při jeho konstrukci jsem však měl nějaké problémy a poté jsem si uvědomil, že měřič a indikátor „zapnuto“budou cennými vylepšeními.