Malé zaťaženie - konštantné prúdové zaťaženie: 4 kroky (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Vyvíjal som si stolný napájací zdroj a nakoniec som dosiahol bod, v ktorom naň chcem zaťažiť, aby som zistil, ako funguje. Potom, čo som si pozrel vynikajúce video Davea Jonesa a pozrel som si niekoľko ďalších internetových zdrojov, prišiel som na Tiny Load. Jedná sa o nastaviteľné zaťaženie konštantným prúdom, ktoré by malo zvládnuť približne 10 ampérov. Napätie a prúd sú obmedzené hodnotami výstupného tranzistora a veľkosťou chladiča.

Je potrebné povedať, že existuje niekoľko skutočne šikovných návrhov! Tiny Load je skutočne základný a jednoduchý, mierna úprava Daveovho dizajnu, ale aj tak rozptýli silu potrebnú na testovanie psu, pokiaľ nedostane viac šťavy, ako zvládne.

Tiny Load nemá pripojený merač prúdu, ale môžete pripojiť externý ampérmeter alebo monitorovať napätie na spätnoväzbovom odpore.

Potom, čo som ho postavil, som mierne zmenil dizajn, takže verzia, ktorá je tu uvedená, má LED diódu, ktorá vám hovorí, že je zapnutá, a lepší vzor plošných spojov pre prepínač.

Schéma a rozloženie DPS sú tu prezentované ako súbory PDF a tiež ako obrázky JPEG.

Krok 1: Princíp činnosti

Pre tých, ktorí sa v elektronických zásadách nevyznajú, tu je vysvetlenie, ako obvod funguje. Ak je vám toto všetko dobre známe, pokojne preskočte dopredu!

Srdcom Tiny Load je duálny operačný zosilňovač LM358, ktorý porovnáva prúd tečúci v záťaži s vami nastavenou hodnotou. Operačné zosilňovače nedokážu detekovať prúd priamo, takže sa prúd zmení na napätie, ktoré môže operačný zosilňovač detekovať pomocou odporu R3, známeho ako odpor snímajúci prúd. Pre každý zosilňovač, ktorý prúdi v R3, vznikne 0,1 voltu. Ukazuje to Ohmov zákon, V = I*R. Pretože R3 je skutočne nízka hodnota, pri 0,1 ohme sa príliš nezahrieva (výkon, ktorý odvádza, je daný I²R).

Hodnota, ktorú nastavíte, je zlomkom referenčného napätia - opäť sa používa napätie, pretože operačný zosilňovač nemôže detekovať prúd. Referenčné napätie je produkované 2 diódami v sérii. Každá dióda na ňom vyvinie napätie v oblasti 0,65 voltu, keď ním preteká prúd. Toto napätie, ktoré je zvyčajne do 0,1 voltov na oboch stranách tejto hodnoty, je inherentnou vlastnosťou silikónových p-n prechodov. Referenčné napätie je teda okolo 1,3 voltu. Pretože toto nie je presný prístroj, nie je tu potrebná veľká presnosť. Diódy získavajú svoj prúd cez odpor. pripojený k batérii. Referenčné napätie je trochu vysoké na nastavenie záťaže na maximálne 10 ampérov, takže potenciometer, ktorý nastavuje výstupné napätie, je zapojený do série s odporom 3k, ktorý napätie trochu znižuje.

Pretože referenčný a prúdový snímací odpor sú spojené dohromady a sú prepojené s nulovým napätím operačného zosilňovača, operačný zosilňovač dokáže detegovať rozdiel medzi týmito dvoma hodnotami a prispôsobiť výstup tak, aby sa rozdiel znížil takmer na nulu. Platí tu pravidlo, že operačný zosilňovač sa vždy pokúsi upraviť svoj výstup tak, aby jeho dva vstupy boli na rovnakom napätí.

K batérii je pripojený elektrolytický kondenzátor, aby sa zbavil akéhokoľvek hluku, ktorý sa dostane do napájania operačného zosilňovača. Cez diódy je pripojený ďalší kondenzátor na tlmenie hluku, ktorý generujú.

Obchodný koniec drobnej záťaže tvorí tranzistor s efektom poľa s polovodičovým efektom MOSFET (MOSFET). Vybral som si tento, pretože bol v mojej nevyžiadanej schránke a mal na tento účel dostatočné napätie a prúdové hodnotenie, avšak ak kupujete nový, nájdete oveľa viac vhodných zariadení.

MOSFET funguje ako variabilný odpor, kde je odtok pripojený k + strane zdroja, ktorý chcete testovať, zdroj je pripojený k R3 a cez to k - vodiču zdroja, ktorý chcete testovať, a brána je pripojená na výstup operačného zosilňovača. Ak na bráne nie je napätie, mosfet funguje ako otvorený obvod medzi odtokom a zdrojom, avšak keď je napätie aplikované nad určitú hodnotu („prahové“napätie), začne viesť. Zvýšte napätie brány dostatočne a jeho odpor bude veľmi nízky.

Operačný zosilňovač teda udržuje napätie hradla na úrovni, kde prúd pretekajúci R3 spôsobuje vývoj napätia, ktoré je takmer rovnaké ako zlomok referenčného napätia, ktoré ste nastavili otáčaním potenciometra.

Pretože mosfet funguje ako odpor, má naprieč ním napätie a preteká ním prúd, ktorý spôsobuje, že rozptýli energiu vo forme tepla. Toto teplo musí niekam ísť, inak by veľmi rýchlo zničilo tranzistor, takže z tohto dôvodu je priskrutkovaný k chladiču. Matematika na výpočet veľkosti chladiča je jednoduchá, ale aj trochu temná a tajomná, ale je založená na rôznych tepelných odporoch, ktoré bránia toku tepla každou časťou od polovodičového spojenia k vonkajšiemu vzduchu, a na prijateľnom zvýšení teploty. Takže máte tepelný odpor od spoja k puzdru tranzistora, od puzdra k chladiču a cez chladič k vzduchu, tieto dohromady zrátajte a získajte celkový tepelný odpor. Udáva sa v ° C/W, takže pri každom rozptýlenom watte teplota stúpne o tento počet stupňov. Pridajte to k teplote okolia a získate teplotu, pri ktorej bude fungovať váš polovodičový prechod.

Krok 2: Diely a nástroje

Tiny Load som postavil väčšinou pomocou častí nevyžiadanej pošty, takže je to trochu svojvoľné!

Doska plošných spojov je vyrobená z materiálu SRBP (FR2), ktorý mám náhodou, pretože bol lacný. Je potiahnutý meďou 1 oz. Diódy a kondenzátory a mosfet sú staré použité a operačný zosilňovač je jedným z balíka 10 kusov, ktoré som pred chvíľou dostal, pretože boli lacné. Náklady sú jediným dôvodom použitia zariadenia smd - 10 smd zariadení ma stojí rovnako ako 1 priechodný otvor.

• 2 x 1N4148 diódy. Ak chcete byť schopní načítať viac prúdu, použite viac.
• Tranzistor MOSFET, použil som BUK453, pretože som to náhodou mal, ale vyberte si, čo sa vám páči, pokiaľ je prúdový prúd vyšší ako 10A, prahové napätie je nižšie ako 5 V a Vds je vyššie ako maximum, ktoré očakávate. použite to, malo by to byť v poriadku. Skúste si vybrať ten, ktorý je určený skôr na lineárne aplikácie než na prepínanie.
• 10k potenciometer. Vybral som túto hodnotu, pretože som ju náhodou mal. Demontoval som ju zo starého televízora. Jednotky s rovnakými rozstupmi pinov sú široko dostupné, ale nie som si istý montážnymi výstupkami. Na to bude možno potrebné upraviť rozloženie dosky.
• Gombík zodpovedajúci potenciometru
• 3k odpor. 3,3k by malo fungovať rovnako dobre. Použite nižšiu hodnotu, ak chcete, aby bolo možné načítať viac prúdu so zobrazenou referenciou 2 diód.
• Operačný zosilňovač LM358. Skutočne by svoju úlohu mal zvládnuť každý typ dodávky typu železnica na koľajnicu.
• Odpor 22k
• 1k odpor
• Kondenzátor 100nF. Toto by mala byť skutočne keramika, aj keď som použil filmovú
• Kondenzátor 100uF. Musí byť dimenzovaný najmenej na 10 V.
• 0,1 ohmový odpor, minimálny výkon 10 W. Ten, ktorý som použil, je nadmerne veľký, opäť tu boli drvivým faktorom náklady. 25W 0,1 ohmový rezistor s kovovým plášťom bol lacnejší ako vhodnejšie hodnotené typy. Zvláštne, ale pravdivé.
• Chladič - starý chladič CPU funguje dobre a má tú výhodu, že je navrhnutý tak, aby mal v prípade potreby pripojený ventilátor.
• Tepelná zmes chladiča. Dozvedel som sa, že keramické zmesi fungujú lepšie ako kovové. Použil som Arctic Cooling MX4, ktorý som náhodou mal. Funguje to dobre, je to lacné a získate veľa!
• Malý kus hliníka pre konzolu
• Malé skrutky a matice
• malý posuvný spínač

Krok 3: Konštrukcia

Drobný náklad som postavil z nevyžiadanej pošty alebo veľmi lacných dielov

Chladič je starý chladič CPU z pentiovej éry. Neviem, čo je to tepelný odpor, ale tipujem, že je to asi 1 alebo 2 ° C/W podľa obrázkov v spodnej časti tejto príručky: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc … aj keď skúsenosti teraz naznačujú, že je to lepšie ako toto.

V strede chladiča som vyvŕtal otvor, poklepal naň a osadil naň tranzistor tepelnou zmesou MX4 a naskrutkoval montážnu skrutku priamo do závitového otvoru. Ak nemáte prostriedky na odpichnutie otvorov, jednoducho ich vyvŕtajte o niečo väčšie a použite maticu.

Pôvodne som si myslel, že to bude obmedzené na asi 20 W rozptyl, ale nechal som to bežať na 75 W alebo vyššie, kde bolo dosť horúco, ale stále nie je príliš horúco na použitie. S pripojeným chladiacim ventilátorom by to bolo ešte vyššie.

V skutočnosti nie je potrebné priskrutkovať súčasný snímací odpor k doske, ale aký má zmysel mať otvory pre skrutky, ak do nich nemôžete niečo priskrutkovať? Na pripojenie rezistora k doske som použil malé kúsky hrubého drôtu, ktoré zostali z elektrických prác.

Vypínač pochádzal zo zaniknutej hračky. Na mojom plošnom spoji mám nesprávne rozstupy otvorov, ale rozstupy na tomto mieste by sa mali hodiť, ak máte rovnaký typ miniatúrneho prepínača SPDT. V pôvodnom dizajne som nezahrnul diódu LED, aby som ukázal, že malé zaťaženie je zapnutý, uvedomil som si však, že je to hlúpe opomenutie, preto som ho pridal.

Hrubé koľaje, ako stoja, nie sú v skutočnosti dostatočne silné na 10 ampérov s použitou 1oz medenou doskou, takže sú spojené nejakým medeným drôtom. Každá z dráh má okolo seba položený kus medeného drôtu s priemerom 0,5 mm a v pravidelných intervaloch spájkované, okrem krátkeho úseku, ktorý je spojený so zemou, pretože základná rovina dodáva veľa objemu. Zaistite, aby pridaný vodič smeroval priamo na kolíky mosfetu a odporu.

PCB som vyrobil metódou prenosu tonera. Na internete je o tom obrovské množstvo literatúry, takže sa tomu nebudem venovať, ale základným princípom je, že pomocou laserovej tlačiarne vytlačíte dizajn na lesklý papier, potom ho nažehlíte na dosku a potom vyleptáte. to. Používam lacný papier na prenos žltého tonera z Číny a žehličku na prádlo nastavenú na niečo pod 100 ° C. Na čistenie tonera používam acetón. Len pokračujte v utieraní handrou s čerstvým acetónom, kým nie sú čisté. Na ilustráciu postupu som urobil veľa fotografií. Na prácu je k dispozícii oveľa lepší materiál, ale trochu presahuje môj rozpočet! Svoje prevody musím zvyčajne opraviť fixkou.

Vyvŕtajte otvory svojou obľúbenou metódou a potom pridajte medený drôt do širokých koľají. Ak sa pozriete pozorne, vidíte, že som si trochu pokazil vŕtanie (pretože som použil experimentálny vŕtací stroj, ktorý je trochu nedokonalý. Keď bude fungovať správne, urobím na ňom návod, ktorý sľubujem!)

Najprv namontujte operačný zosilňovač. Ak ste predtým so smd nepracovali, nenechajte sa zastrašiť, je to celkom jednoduché. Najprv pocínujte jednu z podložiek na doske skutočne malým množstvom spájky. Umiestnite čip veľmi opatrne a prilepte príslušný kolík nadol k podložke, ktorú ste pocínovali. Ok, čip sa nebude pohybovať, môžete spájkovať všetky ostatné kolíky. Ak máte nejaké tekuté tavivo, nanesením tmelu tento postup uľahčíte.

Namontujte ostatné komponenty, najskôr najmenšie, čo sú s najväčšou pravdepodobnosťou diódy. Uistite sa, že ich dostanete správnym spôsobom. Robil som veci mierne dozadu tým, že som najskôr namontoval tranzistor na chladič, pretože som s ním pôvodne experimentoval.

Na chvíľu bola batéria pripevnená k doske pomocou lepivých podložiek, ktoré fungovali pozoruhodne dobre! Pripojil sa pomocou štandardného konektora pp3, doska je však navrhnutá tak, aby pojala podstatnejší typ držiaka, ktorý sa prichytí v celej batérii. Pri upevňovaní držiaka batérie som mal niekoľko problémov, pretože sú na to potrebné 2,5 mm skrutky, ktorých je nedostatok a na ich montáž nie sú potrebné žiadne matice. Vyvŕtal som otvory v spone na 3,2 mm a zahĺbil som ich do 5,5 mm (nie je to skutočné zahĺbenie, použil som iba vrták!), Ale zistil som, že väčší vrták zachytáva plast veľmi ostro a prešiel priamo jedným z otvorov.. Na opravu by ste samozrejme mohli použiť lepiace podložky, čo pri spätnom pohľade môže byť lepšie.

Zastrihnite drôty svorky batérie tak, aby ste mali asi palec drôtu, konce pocínujte, prevlečte cez otvory v doske a konce spájkujte späť cez dosku.

Ak používate rezistor s kovovým plášťom, ako je znázornený na obrázku, namontujte ho hrubými vodičmi. Medzi ním a doskou musí byť nejaký druh rozperiek, aby nedošlo k prehriatiu operačného zosilňovača. Použil som matice, ale kovové rukávy alebo stohy podložiek prilepené k doske by boli lepšie.

Jedna zo skrutiek, ktoré upevňujú svorku batérie, prechádza aj jedným z odporových výstupkov. Ukázalo sa, že to bol zlý nápad.

Krok 4: Uvedenie do používania, vylepšenia, niektoré myšlienky

Použitie: Tiny Load je navrhnutý tak, aby odoberal konštantný prúd zo zdroja bez ohľadu na napätie, takže k nemu nepotrebujete pripojiť nič iné, okrem ampérmetra, ktorý by ste mali zaradiť do série s jedným zo vstupov.

Otočte gombíkom nadol na nulu a zapnite funkciu Tiny Load. Mali by ste vidieť malé množstvo prúdu, až asi 50 mA.

Pomaly nastavte gombík, kým prúdi prúd, v ktorom chcete testovať, vykonajte všetky potrebné testy. Skontrolujte, či chladič nie je príliš horúci - tu platí pravidlo, že ak vám páli prsty, je príliš horúci. V tomto prípade máte tri možnosti:

1. Znížte napájacie napätie
2. Odmietnite Drobné zaťaženie
3. Spustite ho v krátkych intervaloch s dostatkom času na vychladnutie medzi nimi
4. Namontujte ventilátor na chladič

Ok dobre, to sú štyri možnosti:)

Neexistuje žiadna ochrana vstupu, takže buďte veľmi opatrní, aby boli vstupy správne zapojené. Zle to pochopíte a vnútorná dióda mosfetu bude viesť všetok dostupný prúd a pravdepodobne pri tom mosfet zničí.

Vylepšenia: Rýchlo sa ukázalo, že Tiny Load musí mať vlastné prostriedky na meranie prúdu, ktorý odoberá. Existujú tri spôsoby, ako to dosiahnuť.

1. Najjednoduchšou možnosťou je vložiť ampérmeter do série s kladným alebo záporným vstupom.
2. Najpresnejšou možnosťou je pripojiť voltmeter na snímací odpor, kalibrovaný na tento odpor tak, aby zobrazené napätie indikovalo prúd.
3. Najlacnejšou možnosťou je vyrobiť papierovú váhu, ktorá sa zmestí za ovládací gombík, a označiť na nej kalibrovanú váhu.

Potenciálne môže byť nedostatok reverznej ochrany veľkým problémom. Vnútorná dióda mosfetu bude vykonávať bez ohľadu na to, či je zapnutá malá záťaž. Opäť existuje niekoľko možností, ako to vyriešiť:

1. Najjednoduchšou a najlacnejšou metódou by bolo zapojenie diódy (alebo niektorých diód paralelne) do série so vstupom.
2. Drahšou možnosťou je použiť mosfet, ktorý má zabudovanú reverznú ochranu. Dobre, takže je to tiež najjednoduchšia metóda.
3. Najkomplexnejšou možnosťou je pripojiť druhý mosfet v sérii k prvému, ktorý vedie iba vtedy, ak je polarita správna.

Uvedomil som si, že niekedy je skutočne potrebný nastaviteľný odpor, ktorý môže rozptýliť veľa energie. Na to je možné použiť úpravu tohto obvodu, oveľa lacnejšiu ako nákup veľkého reostatu. Dávajte si preto pozor na Tiny Load MK2, ktorý bude možné prepnúť do odporového režimu!

Záverečné myšlienkyDrobná záťaž sa osvedčila ešte predtým, ako bola dokončená, a funguje veľmi dobre. Pri jeho konštrukcii som však mal niekoľko problémov a potom som si uvedomil, že merač a indikátor „zapnutia“budú cennými vylepšeniami.