Со временем у меня скопилось определенное количество различных китайских AC-DC преобразователей для зарядки аккумуляторов мобильных телефонов, фонарей, планшетов, а также небольшие импульсные источники питания для электронных и собственно сами акккумуляторы. На корпусах зачастую указываются электрические параметры устройства, но так как чаще всего дело приходится иметь именно с китайскими изделиями, где завысить показатели дело святое, то не лишним было бы проверить реальные параметры устройства, прежде чем использовать его для поделки. Кроме того возможно использование источников питания без корпуса, на которых не всегда имеется информация об их параметрах.
Многие могут сказать, что достаточно использовать мощные переменные или постоянные резисторы, автомобильные лампы или попросту нихромовые спирали. У каждого метода есть свои недостатки и преимущества, но главное - при использование этих методов плавной регулировки тока добиться довольно сложно.
Поэтому я собрал для себе электронную нагрузку на операционном усилители LM358 и составном транзисторе КТ827Б с испытанием источников питания напряжением от 3 В до 35В. В этом устройстве ток через нагрузочный элемент стабилизирован, поэтому он практически не подвержен температурному дрейфу и не зависит от напряжения проверяемого источника, что очень удобно при снятии нагрузочных характеристик и проведении других испытаний, особенно длительных.
Материалы:
- микросхема LM358;
- транзистор КТ827Б (NPN транзистор составной);
- резистор 0,1 Ом 5 Вт;
- резистор 100 Ом;
- резистор 510 Ом;
- резистор 1 кОм;
- резистор 10 кОм;
- переменный резистор 220 кОм;
- конденсатор не полярный 0,1 мкФ;
- 2 шт конденсатор оксидный 4.7 мкФ х 16В;
- конденсатор оксидный 10 мкФ х 50В;
- алюминиевый радиатор;
- стабильный источник питания 9-12 В.
Инструменты:
- паяльник, припой, флюс;
- электродрель;
- лобзик;
- сверла;
- метчик М3.
Инструкция по сборке устройства:
Принцип действия. Устройство по принципу работы является источником тока, который управляется напряжением. Мощный составной биполярный транзистор КТ 827Б с током коллектора Iк= 20А, коэффициентом усиления h21э более 750 и максимальной рассеиваемой мощностью 125 Вт является эквивалентом нагрузки. Резистор R1 мощностью 5Вт - датчик тока. Резистором R5 изменяют ток через резистор R2 либо R3 в зависимости от положения переключателя и соответственно напряжение на нем. На операционном усилители LM358 и транзисторе КТ 827Б собран усилитель с отрицательной обратной связью с эмиттера транзистора на инвертирующий вход операционного усилителя. Действие ООС проявляется в том, что напряжение на выходе ОУ вызывает такой ток через транзистор VT1, чтобы напряжение на резисторе R1 было равно напряжению на резисторе R2 (R3). Поэтому резистором R5 регулируют напряжение на резисторе R2 (R3) и соответственно ток через нагрузку (транзистор VT1). Пока ОУ находится в линейном режиме, указанное значение тока через транзистор VT1 не зависит ни от напряжения на его коллекторе, ни от дрейфа параметров транзистора при его разогреве. Цепь R4C4 подавляет самовозбуждение транзистора и обеспечивает его устойчивую работу в линейном режиме. Для питания устройства необходимо напряжение от 9 В до 12 В, которое обязательно должно быть стабильным, поскольку от него зависит стабильность тока нагрузки. Устройство потребляет не более 10 мА.
Последовательность работ
Электрическая схема простая и не содержит много компонентов, поэтому не стал заморачиваться с печатной платой и произвел монтаж на макетной плате. Резистор R1 поднял над платой, так как он сильно греется. Желательно учитывать расположение радиокомпонентов и не ставить рядом с R1 электролитические конденсаторы. У меня не совсем получилось это сделать (выпустил из виду), что не совсем хорошо.
Мощный составной транзистор КТ 827Б установил на алюминиевый радиатор. При изготовлении теплоотвода его площадь должна быть не менее 100-150 см 2 на 10 Вт рассеиваемой мощности. Я использовал алюминиевый профиль от какого-то фото устройства общей площадью порядка 1000 см 2 . Перед установкой транзистора VT1 зачистил поверхность теплоотвода от краски и нанес теплопроводную пасту КПТ-8 на место установки.
Использовать можно любой другой транзистор серии КТ 827 с любым буквенным обозначением.
Также вместо биполярного транзистора можно в этой схеме использовать полевой n-канальный транзистор IRF3205 или другой аналог этого транзистора, но необходимо изменить номинал резистора R3 на 10 кОм.
Но при этом есть риск теплового пробоя полевого транзистора при быстром изменении проходящего тока от 1А до 10А. Скорее всего корпус ТО-220 не способен передать такое количество тепла за столь малое время и закипает изнутри! Ко всему можно добавить, что еще можно нарваться на подделку радиодетали и тогда параметры транзистора будут совсем непредсказуемы! То ли алюминиевый корпус КТ-9 транзистора КТ827!
Возможно проблему можно решить установив параллельно 1-2 таких же транзисторов, но практически я не проверял - отсутствуют в наличии те самые транзисторы IRF3205 в нужном количестве.
Корпус для электронной нагрузки применил от неисправной автомагнитолы. Ручка для переноса устройства присутствует. Снизу установил резиновые ножки для предотвращения скольжения. В качестве ножек использовал крышечки от пузырьков для медицинских препаратов.
На передней панели для подключения источников питания разместил двухконтактный акустический зажим. Такие используют на аудио колонках.
Также здесь расположена ручка регулятора тока, кнопка включения/выключения питания устройства, переключатель режимов работы электронной нагрузки, ампервольтметр для визуального контроля процесса измерения.
Ампервольтметр заказывал на китайском сайте в виде готового встраиваемого модуля.
Для начала давайте разберем схему. Я не претендую на оригинальность, так как подсмотрел составные элементы и адаптировал под то, что имелось у меня из деталей.
Цепь защиты составлена из плавкого предохранителя FU1 и диода VD1 (возможно она лишняя). Нагрузка выполнена на четырех 818 транзисторах VT1…VT4. У них приемлемые характеристики по току и рассеиваемой мощности, а также они не дороги и не являются дефицитом. Управление VT5 на 815 транзисторе, а стабилизация на операционном усилителе LM358. Амперметр, показывающих ток, проходящий через нагрузку, я установил отдельно. Т.к. если амперметром заменить резисторы R3 R4 (как в схеме по ссылке выше), то, на мой взгляд, будет теряться часть тока, который потечет через VT5 и показания будут занижены. А судя по тому, как нагревается 815, ток через него протекает приличный. Я даже подумываю, что между эмиттером VT5 и землей надобно поставить еще одно сопротивление Ом так в 50…200.
Отдельно надо рассказать о цепи R10…R13. Так как регулировка происходит не линейно, необходимо брать одно переменное сопротивление в 200…220 кОм с логарифмической шкалой, либо ставить два переменных резистора, которые обеспечивают плавное регулирование во всем диапазоне. При чем R10 (200кОм) регулирует ток от 0 до 2.5А, а R11 (10 кОм) при выкрученном в ноль R10 регулирует ток от 2.5 до 8 А. Верхний предел тока устанавливается резистором R13. При настройке будьте осторожны, если напряжение питания случайно попадет на третью ногу операционного усилителя, 815 открывается полностью, что с большой вероятностью приведет к выходу из строя всех 818 транзисторов.
Теперь немного о блоки питания для нагрузки.
Нет, это не извращение. Просто у меня под рукой не нашлось малогабаритного трансформатора на 12 вольт. Пришлось делать умножитель и повышать напряжение с 6-ти вольт до 12-ти для вентилятора и ставить стабилизатор для питания самой нагрузки и сигнализации.
Да, в это устройство я вставил простенькую сигнализацию по температуре. Схему я подсмотрел . Когда радиатор нагревается выше 90 градусов, включается красный светодиод и пищалка с интегрированным генератором, которая издает очень неприятный звук. Это указывает на то, что пора снижать ток в нагрузке, а то можно лишиться устройства из-за его перегрева.
Казалось бы, при таких мощных транзисторах, которые выдерживают до 80 вольт и 10 А суммарная мощность должна быть не менее 3 кВт. Но, так как мы делаем «кипятильник» и вся мощность источника уходит в тепло, то ограничение накладывается показателем рассеиваемой мощности транзисторов. По даташиту она всего лишь 60 Вт на один транзистор, а с учетом того, что теплопроводность между транзистором и радиатором не идеальна, то фактическая рассеиваемая мощность и того меньше. И поэтому чтобы хоть как-то улучшить теплоотвод я прикрутил транзисторы VT1…VT4 непосредственно к радиатору без прокладок на теплопроводную пасту. При этом мне пришлось организовать специальные накладки на радиатор, чтобы он не замыкал на корпус.
К сожалению, у меня не было возможности протестировать работу устройства во всем диапазоне напряжений, но при 22V 5A нагрузка работает, стабильно не перегреваясь. Но как всегда в бочке меда есть и ложка дегтя. Из-за недостаточной площади радиатора взятого мной, при нагрузке более 130 ватт, через какое-то время (3…5 минут) транзисторы начинают перегреваться. На что указывает сигнализация. Отсюда вывод. Если будете делать нагрузку, берите радиатор как можно большей площади и обеспечите ему надежное принудительное охлаждение.
Также ложкой дегтя можно считать небольшой дрейф в сторону уменьшения тока нагрузки на 100…200 мА. Думаю этот дрейф происходит из-за нагрева резисторов R3, R4. Так, что если есть возможность найти резисторы на 0,15 Ом на 20 Вт или больше, то лучше использовать их.
В целом схема, насколько я понял, не критична к замене деталей. Четыре 818транзистора можно заменить двумя кт896а , кт815г можно, а возможно и нужно, заменить на кт817г. Операционный усилитель думаю тоже можно взять другой.
Хочу особо подчеркнуть, что обязательно при наладке ставьте резистор R13 не менее 10 кОм, потом по мере понимания какой ток вам нужен, уменьшайте это сопротивление. Печатную плату не выкладываю, потому, что монтаж основной части нагрузки сделан навесным.
Дополнение.
Как оказалось, нагрузкой мне приходится пользоваться регулярно и в процессе ее использования пришло понимание того, что по мимо амперметра также нужен вольтметр чтобы контролировать напряжения источника. На Али мне попался небольшой приборчик, который совмещает в себе вольтметр и амперметр. Приборчик 100 V / 10 А мне обошёлся в 150 рублей с пересылкой. Как по мне это копейки т.к. полтарашка пива стоит примерно столько же. Недолго думая я заказал два.
Обычно при изготовлении (как впрочем и при ремонте) блоков питания или преобразователей напряжения требуется проверить их работоспособность под нагрузкой. И тут начинаются поиски. В ход идёт всё, что есть под рукой: различные лампы накаливания, старые электронные лампы, мощные резисторы и тому подобное. Подбирать нужную нагрузку таким образом — это невероятно затратное (как по времени, так и по нервам) занятие. Вместо этого очень удобно пользоваться электронной регулируемой нагрузкой. Нет, нет, не надо ничего покупать. Сделать такую нагрузку сможет даже школьник. Всё, что нужно, — это мощный полевик, операционный усилитель, несколько резисторов и радиатор побольше. Схема — более чем простая и, тем не менее, отлично работает.
Идея заключается в том, чтобы с помощью операционника стабилизировать падение напряжения на специальном токоизмерительном резисторе. Делается это следующим образом: на неинвертирующий вход операционника подаётся некое опорное напряжение, а на инвертирующий вход — падение напряжения на токоизмерительном резисторе. Операционник обладает таким свойством, что в установившемся режиме, разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах равна нулю (если конечно он не находится в режиме насыщения, но нам для того и мозг с калькулятором, чтобы всё посчитать и подобрать). Выход операционного усилителя подается на затвор MOSFET и, таким образом, управляет степенью открытия полевого транзистора, и, следовательно, током через него. А чем больше ток через полевик, тем больше падение напряжения на токоизмерительном резисторе. Получается отрицательная обратная связь.
То есть, если в результате нагрева характеристики полевика изменятся так, что ток через него увеличится, то это вызовет увеличение падения напряжения на токоизмерительном резисторе, появится отрицательная разность напряжений (ошибка) на входах ОУ и выходное напряжение операционника начнёт уменьшаться (при этом начнёт уменьшаться степень открытия полевика и ток через него), до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю. Если же ток через полевик по каким-либо причинам уменьшится, то это вызовет уменьшение падения напряжения на токоизмерительном резисторе, появится положительная разность напряжений (ошибка) на входах ОУ и выходное напряжение операционника начнёт увеличиваться (при этом начнёт увеличиваться степень открытия полевика и ток через него), до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю. Короче, такая схема стабилизирует падение напряжения на токоизмерительном резисторе — оно после всех переходных процессов устанавливается равным опорному напряжению (которое подаётся на неинвертирующий вход).
Изменяя в этой схеме опорное напряжение, можно произвольным образом регулировать ток через полевик, причём заданный ток получается стабильным, поскольку зависит только от величины опорного напряжения и сопротивления токоизмерительного резистора, и не зависит от параметров MOSFET, которые могут очень сильно меняться в результате нагрева. Опорное напряжение можно задавать простым делителем, а регулировать — подстроечными резисторами.
Элементы схемы :
Операционный усилитель — любой, допускающий однополярное питание, я использовал OP220.
T1 — мощный MOSFET, любой, лишь бы мощность побольше мог рассеять, я брал CEP603AL из старого компьютерного блока питания. (тут понятное дело есть ограничение по напряжению открытия полевика и току через него, но об этом ниже)
R ti — токоизмерительный резистор на десятые доли Ом, таких полно везде: в принтерах, в мониторах и т.д., я брал из принтера 0,22 Ом, 3 Вт
R nd = 10 кОм — резистор, определяющий диапазон задания тока
R kd = 10 кОм — резистор, определяющий начальный диапазон задания тока
R gn = 2 кОм — резистор, с помощью которого выставляется ток в пределах заданного диапазона
R tn = 330 Ом — резистор, необходимый для точной подстройки заданного тока
Отличные подстроечники, с удобными ручками, можно снять с плат старых компьютерных мониторов.
Готовое изделие :
Итак, теперь посмотрим, как это всё рассчитывается :
U 1 =U п *(R gn +R tn)/(R nd +R kd +R tn +R gn), где U п — напряжение питания, U 1 — напряжение на неинвертирующем входе ОУ
U 2 =I н *R ti , где I н — ток нагрузки, U 2 — падение напряжения на токоизмерительном резисторе (и, соответственно, напряжение на инвертирующем входе ОУ)
Из условия равенства напряжений на входах ОУ, имеем:
U п *(R gn +R tn)/(R dn +R kd +R tn +R gn)=I н *R ti , отсюда находим:
Iн=Uп*(R gn +R tn) / ((R dn +R kd +R tn +R gn)*R ti)
Подставив в это выражение номиналы наших резисторов, определим диапазоны настройки тока:
при Rnd=10 кОм, получаем Iн = Uп*2,33/((2,33+10+10)*0,22)=Uп*0,47
при Rnd=0, получаем: Iн = Uп*2,33/((2,33+10)*0,22)=Uп*0,86
То есть, изменяя сопротивление резистора Rnd от 10 кОм до нуля, мы изменяем верхнюю границу диапазона настройки тока от 0,47*Uп до 0,86*Uп. Это означает, что, например, для питания +10В мы сможем настраивать ток в диапазоне от 0 до 4,7 А или от 0 до 8,6 А, в зависимости от сопротивления резистора R nd , а для питания +5В от 0 до 2,35 А или от 0 до 4,3 А. В заданном диапазоне ток настраивается подстроечниками Rgn (грубо) и Rtn (точно).
Есть три ограничения. Первое ограничение связано с токоизмерительным резистором. Поскольку этот резистор рассчитан на максимальную рассеиваемую мощность P R , то максимальный ток через него не должен превышать значения, определяемого выражением: I 2 макс =P R /R ti . Для указанных номиналов: I 2 макс =(3/0,22), I макс =3,7 А. Увеличить это значение можно выбрав резистор с меньшим сопротивлением (тогда диапазоны тоже придётся пересчитать), применив радиатор или соединив параллельно несколько таких резисторов.
Вторые два ограничения связаны с транзистором. Во-первых, на транзисторе выделяется основная рассеиваемая мощность (поэтому для лучшего теплоотвода следует прикрутить к нему радиатор размером побольше). Во-вторых, транзистор начинает открываться, когда напряжение между затвором и истоком (Vgs превысит некоторое пороговое значение, threshold voltage), так что девайс не будет работать, если напряжение питания меньше этого порогового значения. Эта же величина будет влиять и на максимальный возможный ток при заданном напряжении питания.
Понадобилось мне нагрузить импульсный источник питания, а нечем,полазил по своим закромам, нашел нихром ну и всякую ерунду в виде древних сапротов....Попробовал нагрузить источник как то не гибко получается и решился спаять электронную нагрузку как говорится на века... Схем в интернете оказалось много от простых ну и по сложнее..В итоге небольших мучений родилось сие чудо...В ходе первых испытаний оказалось что греется радиатор и весьма существенно.. И тут пришла идея применить ранее мною изготовленное Устройство контроля температурного режима, управления охлаждением и термо защиты на PIC12F629 ...когда то делал для лабораторника... Схема есть на нашем сайте... И все заработало завертелось...
Схема нагрузки.
Для повышения стабильности работы регулирующей микросхемы LM358 ,необходимо соеденитьмежду собой выводы микросхемы 6 и 7 ,а вывод 5 соединить с землей...
Схема контроля температуры.
При включении питания - кратковременно включается вентилятор и проверяется его исправность (по сигналу датчика тахогенератора), если вентилятор исправен и температура в норме - включается реле, подавая питание на контролируемое устройство. По мере прогрева нагрузки (около 50 градусов) - включается вентилятор, а если температура упала ниже 45 градусов - кулер выключается. Т.е. имеется гистерезис в 5 градусов. Когда температура достигнет 75 градусов - срабатывает термозащита, нагрузка отключается, а если зафиксирована неисправность вентилятора - то термозащита срабатывает уже при 60 градусах. Если сработала термозащита - то обратного включения нагрузки не происходит, как бы оно не остыло. Кулер же будет продолжать работать в штатном режиме, т.е. будет охлаждать радиаторы и выключится, когда температура упадет ниже +45 градусов. Для сброса термозащиты требуется отключить и снова включить питание контроллера.
Ну фотки...
Индикатор использовал покупной до 10 ампер...События показали что индикатор нужен до 20 ампер...
Корпус взят от старого компового блока питания..
Транс питания схемы от китайского древнего мафона,радиатор с кулером от пенька четвертого если не ошибаюсь...
Ну и куча кирпичей в виде сапротов нагрузки...
При работе нагрузки в 18 ампер нагрев деталей был в рабочих температурах...Замерял мультиметром и электроным термометром...
Показания приборов у всех разное одним словом китай...На нагрузке показания амперметра более точные по сравнении с блоком питания проверял мультиметром...
Возникнут вопросы отвечу...Остальное все в архиве... Все схемы взяты из интернета на авторство не претендую,схемы перерабатывал под свои нужды....
АРХИВ:
Все электронщики, занимающиеся конструированием устройств электропитания, рано или поздно сталкиваются с проблемой отсутствия нагрузочного эквивалента или функциональной ограниченностью имеющихся нагрузок, а так же их габаритами. К счастью, появление на российском рынке дешевых и мощных полевых транзисторов несколько исправило ситуацию.
Стали появляться любительские конструкции электронных нагрузок на базе полевых транзисторов, более пригодных к использованию в качестве электронного сопротивления, нежели их биполярные собратья: лучшая температурная стабильность, практически нулевое сопротивление канала в открытом состоянии, малые токи управления - основные преимущества, определяющие предпочтительность их использования в качестве регулирующего компонента в мощных устройствах. Более того, самые разнообразные предложения появились от производителей приборов, прайсы которых пестрят самыми разнообразными моделями электронных нагрузок. Но, так как производители ориентируют свою весьма сложную и многофункциональную продукцию под названием "электронная нагрузка" в основном на производство, цены на эти изделия настолько высоки, что покупку может позволить себе лишь весьма состоятельный человек. Правда, не не совсем понятно, - зачем состоятельному человеку электронная нагрузка.
ЭН промышленного изготовления, ориентированного на любительский инженерный сектор, мною замечено не было. Значит, опять придется все делать самому. Э-эх... Начнем.
Преимущества электронного эквивалента нагрузки
Чем же в принципе электронные нагрузочные эквиваленты предпочтительнее традиционных средств (мощные резисторы, лампы накаливания, термонагреватели и прочие приспособления), используемых зачастую конструкторами при наладке различных силовых устройств?Граждане портала, имеющие отношение к конструированию и ремонту блоков питания, несомненно знают ответ на этот вопрос. Лично я вижу два фактора, достаточных для того, что бы иметь в своей "лаборатории" электронную нагрузку: небольшие габариты, возможность управления мощностью нагрузки в больших пределах простыми средствами (так, как мы регулируем громкость звучания или выходное напряжение блока питания - обычным переменным резистором а не мощными контактами рубильника, движком реостата и т.д.).
Кроме того, "действия" электронной нагрузки можно легко автоматизировать, облегчив таким образом и сделав более изощренными испытания силового устройства с помощью электронной нагрузки. При этом, разумеется, освобождаются глаза и руки инженера, работа становится продуктивней. Но о прелестях всех возможных наворотов и совершенств - не в этой статье, и, быть может, от другого автора. А пока, - лишь о еще одной разновидности электронной нагрузки - импульсной.
По поводу резистора R16. При прохождении через него тока 10А, рассеиваемая на резисторе мощность составит 5Вт (при указанном на схеме сопротивлении). В реальной конструкции используется резистор сопротивлением 0,1 Ом (не оказалось нужного номинала) и мощность, рассеиваемая на его корпусе при том же токе, составит 10Вт. Температура резистора при этом гораздо выше температуры ключей ЭН, которые (при использовании радиатора, показанного на фото) греются не сильно. Поэтому термодатчик лучше установить на резисторе R16 (или в непосредственной близости), а не на радиаторе с ключами ЭН.
Еще несколько фото
