Электронная нагрузка своими руками
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 18.09.2024
Расскажу о полезном для радиолюбителей устройстве – о токовой электронной нагрузке с возможностью измерения емкости аккумуляторов. Зачем нужен этот прибор?
Все сталкивались с ситуацией, когда надо выяснить параметры какого-нибудь источника питания, например, лабораторного БП, драйвера светодиодов или зарядноо устройства. Ведь практика показывает, что производители не всегда указывают верные параметры. Конечно, есть самый простой вариант - нагрузить резистором, рассчитанным по закону Ома, и измерить ток с помощью мультиметра. Но для каждого случая надо делать свои расчеты и не всегда можно найти мощный резистор нужного номинала, они довольно дороги. Целесообразнее использовать электронную или активную нагрузку, позволяющую нагрузить любой БП или аккумулятор, и регулировать ток нагрузки обычным потенциометром.
А за счет включения в схему многофункционального цифрового ваттметра, показывающего емкость, этот нагрузочный стенд может разрядить аккумулятор и показать его реальную мощность. Кстати, в отличие от IMAX 6 наша система может разряжать аккумуляторы с током до 40А. Это удобно для автомобильных аккумуляторов.
Схема построена на сдвоенном операционном усилителе (ОУ) LM358, хотя задействован только 1 элемент.
Датчиком тока является мощный резистор R12, желательно на 40Вт, хотя я поставил на 20Вт. Можно соединить параллельно несколько резисторов для получения нужной мощности так, чтобы итоговое сопротивление было равно 0.1 Ом. R10 и R11 (0.22 Ом/ 10Вт) - токовыравнивающие элементы для силовых ключей.У меня реально стоят параллельно 2 х 0.47 Ом / 5Вт для каждого транзистора.
ОУ управляет двумя составными транзисторами КТ827, установленными на отдельные радиаторы. Транзисторы оптимальны для этой схемы, хотя и довольно дорогие.
Принцип работы.
При подключении тестируемого устройства образуется падение напряжения на мощном токовом резисторе R12, соответственно меняется напряжение на входах ОУ, следовательно, и на его выходе. В итоге, сигнал поступающий на транзисторы зависит от падения напряжения на шунте. Изменится ток протекающий по транзисторам.
Потенциометром изменяем напряжение на неинвертирующем входе ОУ и также как описано выше изменяется ток через по транзисторы. Данные транзисторы позволяют работать с токами до 40А, но требуют хорошего охлаждения, т.к. они работают в линейном режиме. Поэтому, кроме массивных радиаторов я поставил вентилятор, с регулировкой оборотов, который можно включить отдельной кнопкой. Схема регулятора оборотов собрана на небольшой плате.
Теоретически максимальное входное напряжение может быть до 100В – транзисторы выдержат, но китайский ваттметр рассчитан только до 60В.
Кнопка S1 изменяет чувствительность ОУ, т.е. переключает на малые токи для точного измерения тестируемых маломощных источников.
Важные особенности данной схемы:
- наличие обратной связи для обоих транзисторов,
- возможность изменения чувствительности ОУ.
- грубая и тонкая регулировка тока (R5 и R6).
Трансформатор в схеме питает только ОУ и блок индикаторов, подойдет любой с током от 400мА и напряжением 15-20В, все равно напряжение потом стабилизируется до 12В линейным стабилизатором 7812. Его нет необходимости ставить на радиатор.
Собрал все в корпус от лабораторного БП PS 1502 за пару дней, с учетом разработки и травления платы.
Минусом этой схемы является отсутствие защиты от переполюсовки питания, но ее можно доработать. Также в дальнейшем добавлю токовую защиту, а пока стоит только предохранитель. При желании увеличить общий ток можно добавить еще пару транзисторов КТ827.
- Купить электронную нагрузку
- Купить ваттметр
- Купить LM358
- Купить резисторы 0,22R
- Купить составные транзисторы
Данное устройство предназначено и применяется для проверки источников питания постоянного тока, напряжением до 150В. Устройство позволяет нагружать блоки питания током до 20А, при максимальной рассеиваемой мощности до 600 Вт.
Общее описание схемы
Рисунок 1 – Принципиальная электрическая схема электронной нагрузки.
Приведенная схема на рисунке 1 позволяет плавно регулировать нагрузку испытуемого блока питания. В качестве эквивалента нагрузочного сопротивления используются мощные полевые транзисторы T1-T6 включенные параллельно. Для точного задания и стабилизации тока нагрузки, в схеме применяется прецизионный операционный усилитель ОУ1 в качестве компаратора. Опорное напряжение с делителя R16, R17, R21, R22 поступает на неинвертирующий вход ОУ1, на инвертирующий вход поступает напряжение сравнения с токоизмерительного резистора R1. Усиленная ошибка с выхода ОУ1 воздействует на затворы полевых транзисторов, тем самым стабилизируя заданный ток. Переменные резисторы R17 и R22 вынесены на лицевую панель устройства с градуированной шкалой. R17 задает ток нагрузки в пределах от 0 до 20А, R22 в пределах от 0 до 570 мА.
Измерительная часть схемы выполнена на основе АЦП ICL7107 со светодиодными цифровыми индикаторами. Опорное напряжение для микросхемы составляет 1В. Для согласования выходного напряжения токоизмерительного датчика с входом АЦП применяется неинвертирующий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 10-12, собранный на прецизионном операционном усилителе ОУ2. В качестве датчика тока используется резистор R1, что и в схеме стабилизации. На панели индикации отображается либо ток нагрузки, либо напряжение проверяемого источника питания. Переключение между режимами происходит кнопкой S1.
В предлагаемой схеме реализованы три вида защиты: максимальная токовая защита, тепловая защита и защита от переполюсовки.
В максимальной токовой защите предусмотрена возможность задания тока отсечки. Схема МТЗ состоит из компаратора на ОУ3 и ключа, коммутирующего цепь нагрузки. В качестве ключа используется полевой транзистор T7 с низким сопротивлением открытого канала. Опорное напряжение (эквивалент току отсечки) подается с делителя R24-R26 на инвертирующий вход ОУ3. Переменный резистор R26 вынесен на лицевую панель устройства с градуированной шкалой. Подстроечный резистор R25 задает минимальный ток срабатывания защиты. Сигнал сравнения поступает с выхода измерительного ОУ2 на неинвертирующий вход ОУ3. В случае превышения тока нагрузки заданного значения, на выходе ОУ3 появляется напряжение близкое к напряжению питания, тем самым включается динисторное реле MOC3023, которое в свою очередь запирает транзистор T7 и подает питание на светодиод LED1, сигнализирующий о срабатывании токовой защиты. Сброс происходит после полного отключения устройства от сети и повторного включения.
Тепловая защита выполнена на компараторе ОУ4, датчике температуры RK1 и исполнительном реле РЭС55А. В качестве датчика температуры используется терморезистор с отрицательным ТКС. Порог срабатывания задается подстроечным резистором R33. Подстроечный резистор R38 задает величину гистерезиса. Датчик температуры установлен на алюминиевой пластине, являющейся основанием для крепления радиаторов (Рисунок 2). В случае превышения температуры радиаторов заданного значения, реле РЭС55А своими контактами замыкает неинвертирующий вход ОУ1 на землю, в результате транзисторы T1-T6 запираются и ток нагрузки стремится к нулю, при этом светодиод LED2 сигнализирует о срабатывании тепловой защиты. После охлаждения устройства, ток нагрузки возобновляется.
Защита от переполюсовки выполнена на сдвоенном диоде Шоттки D1.
Питание схемы осуществляется от отдельного сетевого трансформатора TP1. Операционные усилители ОУ1, ОУ2 и микросхема АЦП подключены от двухполярного источника питания собранного на стабилизаторах L7810, L7805 и инверторе ICL7660.
Для принудительного охлаждения радиаторов используется в непрерывном режиме вентилятор на 220В (в схеме не указан), который подключается через общий выключатель и предохранитель напрямую к сети 220В.
Настройка схемы
Настройка схемы проводится в следующем порядке.
На вход электронной нагрузки последовательно с проверяемым блоком питания подключается эталонный миллиамперметр, например мультиметр в режиме измерения тока с минимальным диапазоном (мА), параллельно подключается эталонный вольтметр. Ручки переменных резисторов R17, R22 выкручиваются в крайнее левое положение соответствующее нулевому току нагрузки. На устройство подается питание. Далее подстроечным резистором R12 задается такое напряжение смещения ОУ1, чтобы показания эталонного миллиамперметра стали равны нулю.
Следующим этапом настраивается измерительная часть устройства (индикация). Кнопка S1 переводится в положение измерения тока, при этом на табло индикации точка должна переместиться в положение сотых. Подстроечным резистором R18 необходимо добиться, чтобы на всех сегментах индикатора, кроме крайнего левого (он должен быть неактивен), отображались нули. После этого эталонный миллиамперметр переключается в режим максимального диапазона измерений (А). Далее регуляторами на лицевой панели устройства задается ток нагрузки, подстроечным резистором R15 добиваемся одинаковых показаний с эталонным амперметром. После калибровки канала измерения тока, кнопка S1 переключается в положение индикации напряжения, точка на табло должна переместиться в положение десятых. Далее подстроечным резистором R28 добиваемся одинаковых показаний с эталонным вольтметром.
Настройка МТЗ не требуется, если соблюдены все номиналы.
Настройка тепловой защиты проводится экспериментальным путем, температурный режим работы силовых транзисторов не должен выходить за регламентируемый диапазон. Так же нагрев отдельного транзистора может быть неодинаковым. Порог срабатывания настраивается подстроечным резистором R33 по мере приближения температуры самого горячего транзистора к максимальному документированному значению.
Элементная база
В качестве силовых транзисторов T1-T6 (IRFP450) могут применяться MOSFET N-канальные транзисторы с напряжением сток-исток не менее 150В, мощностью рассеивания не менее 150Вт и током стока не менее 5А. Полевой транзистор T7 (IRFP90N20D) работает в ключевом режиме и выбирается исходя из минимального значения сопротивления канала в открытом состоянии, при этом напряжение сток-исток должно быть не менее 150В, а продолжительный ток транзистора должен составлять не менее 20A. В качестве прецизионных операционных усилителей ОУ 1,2 (OP177G) могут применяться любые аналогичные операционные усилители с двухполярным питанием 15В и возможностью регулирования напряжения смещения. В качестве операционных усилителей ОУ 3,4 применяется достаточно распространенная микросхема LM358.
Конденсаторы C2, С3, С8, C9 электролитические, C2 выбирается на напряжение не менее 200В и емкостью от 4,7µF. Конденсаторы C1, С4-С7 керамические либо пленочные. Конденсаторы C10-C17, а так же резисторы R30, R34, R35, R39-R41 поверхностного монтажа и размещаются на отдельной плате индикатора.
Подстроечные резисторы R12, R15, R18, R25, R28, R33, R38 многооборотные фирмы BOURNS типа 3296. Переменные резисторы R17, R22 и R26 отечественные однооборотные типа СП2-2, СП4-1. В качестве токоизмерительного резистора R1 использован шунт, выпаянный из нерабочего мультиметра, сопротивлением 0,01 Ом и рассчитанный на ток 20А. Постоянные резисторы R2-R11, R13, R14, R16, R19-R21, R23, R24, R27, R29, R31, R32, R36, R37 типа МЛТ-0,25, R42 – МЛТ-0,125.
Импортная микросхема аналого-цифрового преобразователя ICL7107 может быть заменена на отечественный аналог КР572ПВ2. Вместо светодиодных индикаторов BS-A51DRD могут применяться любые одиночные или сдвоенные семисегментные индикаторы с общим анодом без динамического управления.
В схеме тепловой защиты используется отечественное слаботочное герконовое реле РЭС55А(0102) с одним перекидным контактом. Реле выбирается с учетом напряжения срабатывания 5В и сопротивления катушки 390 Ом.
Для питания схемы может быть применен малогабаритный трансформатор на 220В, мощностью 5-10Вт и напряжением вторичной обмотки 12В. В качестве выпрямительного диодного моста D2 может использоваться практический любой диодный мост с током нагрузки не менее 0,1A и напряжением не менее 24В. Микросхема стабилизатора тока L7805 устанавливается на небольшой радиатор, приблизительная мощность рассеивания микросхемы 0,7Вт.
Конструктивные особенности
Основание корпуса (рисунок 2) изготовлено из алюминиевого листа толщиной 3мм и уголка 25мм. К основанию прикручиваются 6 алюминиевых радиаторов, ранее применявшихся для охлаждения тиристоров. Для улучшения теплопроводности используется термопаста Алсил-3.
Рисунок 2 – Основание.
Общая площадь поверхности собранного таким образом радиатора (рисунок 3) составляет около 4000 см2. Приблизительная оценка мощности рассеивания взята из расчета 10см2 на 1Вт. С учетом применения принудительного охлаждения с использованием 120мм вентилятора производительностью 1,7 м3/час, устройство способно продолжительно рассеивать до 600Вт.
Рисунок 3 – Радиатор в сборе.
Силовые транзисторы T1-T6 и сдвоенный диод Шоттки D1, у которого основанием является общий катод, крепятся к радиаторам напрямую без изоляционной прокладки с использованием термопасты. Транзистор T7 токовой защиты крепится к радиатору через теплопроводящую диэлектрическую подложку (рисунок 4).
Рисунок 4 – Крепление транзисторов к радиатору.
Монтаж силовой части схемы выполнен термостойким проводом РКГМ, коммутация слаботочной и сигнальной части выполнена обычным проводом в ПВХ изоляции с применением термостойкой оплетки и термоусадочной трубки. Печатные платы изготовлены методом ЛУТ на фольгированном текстолите, толщиной 1,5 мм. Компоновка внутри устройства изображена на рисунках 5-8.
Рисунок 5 – Общая компоновка.
Рисунок 6 – Главная печатная плата, крепление трансформатора с обратной стороны.
Рисунок 7 – Вид в сборе без кожуха.
Рисунок 8 – Вид в сборе сверху без кожуха.
Основа передней панели изготовлена из электротехнического листового гетинакса толщиной 6мм фрезерованного под крепления переменных резисторов и затемненного стекла индикатора (рисунок 9).
Рисунок 9 – Основа передней панели.
Декоративный внешний вид (рисунок 10) выполнен с использованием алюминиевого уголка, вентиляционной решетки из нержавеющей стали, оргстекла, подложки из бумаги с надписями и градуированными шкалами, скомпилированными в программе FrontDesigner3.0. Кожух устройства изготовлен из миллиметрового листа нержавеющей стали.
Рисунок 10 – Внешний вид готового устройства.
Рисунок 11 – Схема соединений.
Схему соединений добавил Дмитрий Майтов (bocem).
Печатные платы разработаны в формате Sprint-Layout 6.0 и имеются в архиве, так же в архиве вложен файл передней панели в формате FrontDesigner_3.0.
Архив для статьи
Если у Вас возникнут какие либо вопросы по конструкции электронной нагрузки, задавайте их ЗДЕСЬ на форуме, постараюсь помочь и ответить.
Активная, импульсная электронная нагрузка. Конструкция и функциональная схема.
Расскажу о её архитектуре и принципе работы отдельных узлов. Статья сопровождается фотографиями некоторых элементов монтажа.
Там я рассказал о разных принципах построения электронных нагрузок. Среди них есть как порочные, но тем не менее привлекающие внимание очень многих самоделкиных. Так и имеющие право на существование.
В конце статьи я привёл пример упрощённой блок-схемы действительно серьёзной импульсной нагрузки, которую я сделал своими руками. Она обладает широким диапазоном управления током и позволяет отлаживать блоки питания мощностью от 0.2Вт до 150Вт без применения каких-либо дополнительных компонентов. На самом деле 150Вт не предел, верхний порог мощности зависит только от типа применённых в схеме ключей и нагрузочных резисторов.
Мною было собрано шесть таких нагрузок с хорошей повторяемостью. Для них было заказано шесть комплектов печатных плат и при изготовлении нагрузок никаких изменений в печать вносить не пришлось, всё заработало сразу.
Настоятельную необходимость создания таких нагрузок я ощутил, когда работал в одной из компаний производящей импульсные блоки питания. Причём это именно — блоки, каждый из них содержит в себе несколько источников питания, источники входящие в один блок при этом очень сильно отличаются как мощностью, так и выходным напряжением.
Для их наладки использовались стенды, напичканные проволочными переменными резисторами серии ППБ мощностью 15-50Вт. Представляли эти стенды собой железные ящики шириной 0,3-1 метр и высотой 30-80 сантиметров. Ну и вес имели соответствующий. Так как универсальность таких стендов исключительно мала, то чуть-ли не для каждого производимого блока существовал свой стенд. Да ещё и его размещение на рабочем месте зачастую вызывало немалые затруднения.
В общем всё это и заставило меня заняться разработкой компактной и универсальной нагрузки. Естественно, никаких вариантов кроме как импульсная нагрузка я даже не рассматривал.
Хочу сразу обратить внимание на то, что здесь речь идёт об источниках питания на большие токи, ну по меркам электроники конечно.
У меня была старая версия электронной нагрузки которая мне не очень подходила. Поэтому я решил построить новую, более современную и с большим количеством функций, чем просто регулируемый резистор.
Принципиальная схема электронной нагрузки
В качестве основного компонента нагрузки выбран имеющийся в наличии транзистор IRFP150 (Т1).
Его основные параметры:
Хотя для моих целей он довольно мощный, но, по крайней мере, он будет надежным. Отвод тепла транзистора осуществляется с помощью старого радиатора от компьютерного процессора.
Я тестировал мощность в 120 Вт, при этом температура транзистора T1 составляла 62° C. Думаю, у него еще есть запас, при 100° C он допускает ID до 29 A.
Работа электронной нагрузки заключается в следующем:
Половина операционного усилителя OZ1 (LM358) работает как компаратор, который сравнивает падение напряжения, вызванное прохождением тока по силовому резистору R1, с напряжением, установленным потенциометр P1 и делителем напряжения на резисторах R4, R5.
Нагрузка имеет два режима работы, выбираемых переключателем (I/R)- постоянный ток и постоянное сопротивление.
В режиме постоянного тока опорное напряжение для компаратора получается из стабилизированного напряжения питания. Независимо от величины входного напряжения, нагрузка будет пытаться поддерживать установленный ток, уменьшая или увеличивая свое сопротивление.
В режиме постоянного сопротивления опорное напряжение определяется напряжением на нагрузке. Увеличение напряжения на нагрузке также увеличивает опорное напряжение и, следовательно, ток нагрузки.
Вторая половина операционного усилителя OZ1 работает как генератор с частотой, задаваемой R8, P2 и C4 (20 Гц-220 Гц). Нагрузку можно переключить на непрерывный или импульсный режим работы.
В импульсном режиме выход генератора через диод соединен с инвертирующим входом OZ1. Каждая положительная половина импульса вызывает замыкание транзистора T1 и, таким образом, отключает нагрузку.
Импульсный режим подходит, например, для проверки поведения максимальной токовой защиты источника питания. Некоторые ведут себя совершенно некорректно, когда после срабатывания КЗ напряжение на какое-то время улетает до максимального значения вне зависимости от настройки. С помощью осциллографа и этой функции это поведение можно легко проверить.
Операционный усилитель OZ2 работает как тепловая защита, в нем используется обычный термистор NTC R21. Точный тип не знаю, его сопротивление 1,2 кОм при 25° C и 100 Ом при 100° C. При срабатывании защиты сначала включая вентилятор на радиаторе, и если он не справляется со своей задачей, то нагрузка отключается. Принцип отключения такой же, как и для импульсного режима. Обе температуры можно выставить, у меня это 38° C и 90° C.
Для измерения тока нагрузки я использую панельный вольтметр с диапазоном 200 мВ. Резистор R1 используется как шунт. Поскольку напряжение на R1 может достигать 2В в зависимости от силы тока, мне пришлось добавить регулируемый делитель напряжения, состоящий из резисторов R26-R28. При помощи переменного резистора R28 отображаемые данные могут быть откалиброваны с помощью более точного амперметра, подключенного последовательно.
Максимальный непрерывный ток, который может протекать через нагрузку, составляет 14 А, в основном это связано с максимально допустимой рассеиваемой мощностью R1, которая составляет 20 Вт. В импульсном режиме это максимум 20 А (частота импульсов 50%).
Читайте также: