Электронная нагрузка позволяет управлять током путем измерения его значений с помощью амперметра. Многооборотный переменный резистор используется для установки точного значения тока. Схема питается от источника напряжением 15В-18В. Большой радиатор на плате помогает рассеивать тепло, генерируемое от MOSFET транзистора, который является главным элементом, используемым для ограничения тока.
Электронная нагрузка предназначена для проверки блоков питания в линейном режиме. Имеет полуавтоматическое ограничение мощности порядка 300 — 350 Ватт. Имеет неплохую стабилизацию установленного тока нагрузки.
Характеристики:
Входное напряжение на нагрузку от 0 до 50 Вольт.
Максимальный ток нагрузки при входном напряжении 5В = 40 A, при 30В = 4 — 5 A.
В диапазоне от 0В до 30В максимальная сила тока нагрузки плавно уменьшается и в диапазоне от 30В до 50В максимальная сила тока нагрузки постоянна и составляет 4- 5 А.
Нагрузка имеет автономное питание, поэтому нагружать можно БП практически с нулевым напряжением ( например одну банку аккумулятора).
Сама нагрузка плавно регулируется от 0 А до ограничения.
Drevnii и Тера
Обсуждение схемы на форуме
Список радиоэлементов
Опубликована: 2011 г.
Оценить статью
Средний балл статьи: 0
Проголосовало: 0 чел.
Во время тестирования очередного самодельного или отремонтированного блока питания, чтобы создать нагрузку приходится подключать различные лампочки, мощные резисторы и кусочки спирали от электроплитки. Подбирать нужную нагрузку таким образом очень затратное по времени дело. Чтобы не тратить свое драгоценное время и нервы. Проще собрать простую электронную нагрузку своими руками.
По сути это простое устройство состоящее из мощных транзисторов, позволяющих плавно нагрузить блок питания стабильным регулируемым током.
На этом рисунке изображена схема электронной нагрузки на мощных транзисторах позволяющих нагрузить любой блок питания до 40А.
Схема электронной нагрузки для блока питания
Как работает эта схема? Напряжение с тестируемого блока питания поступает на базу транзистора Т1 через делитель напряжения собранный на резисторах R1, P1 и P2 и ограничительный резистор R2 . Транзистор Т1 управляет четырьмя мощными транзисторами Т2, Т3, Т4 и Т5 выполняющими роль ключей и создающими управляемую нагрузку на блок питания. Для более точной и грубой установки тока нагрузки в схеме имеется два переменных резистора Р1 и Р2. Силу тока нагрузки и напряжение измеряет китайский электронный вольтметр амперметр. Возможна также установка стрелочных приборов на место электронного.
Данная схема рассчитана на входное напряжение до 50В и силу тока до 40А. Если вы хотите увеличить силу тока добавьте в схему необходимое количество транзисторов TIP36C и шунтирующих резисторов 0.15 Ом 5 Вт. Каждый добавленный транзистор увеличивает силу тока на 10А.
В процессе работы транзисторы Т2, Т3, Т4 и Т5 очень сильно нагреваются, по этому требуются хорошее охлаждение. Установите каждый транзистор на большой радиатор размером 100х63х33 мм без изоляционных прокладок потому, что коллекторы транзисторов на схеме все равно соединены вместе.
Радиаторы охлаждаются двумя мощными вентиляторами 120х120 мм. Которые питаются от отдельного блока питания через стабилизатор напряжения L7812CV, также отсюда питается китайский вольтметр амперметр. Транзистор Т1 и стабилизатор напряжения L7812CV установлены на отдельном небольшом радиаторе от компьютерного блока питания, чтобы не мешать силовым транзисторам работать.
С помощью этого простого и надежного устройства легко нагружать и тестировать любые трансформаторные и импульсные блоки питания, а также аккумуляторы и другие источники питания.
Надеюсь электронная нагрузка для блока питания будет полезной самоделкой для вашей домашней радио мастерской.
Радиодетали для сборки
Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых
статьях!
Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать электронную нагрузку для блока питания
https://youtube.com/watch?v=nBLmsMcF0Vk%3Ffeature%3Doembed
Одной из характеристик большого количества промышленных электронных нагрузок является способность рассеивать постоянную мощность. Постоянная мощность может быть полезной при измерении емкости батарей (Вт/час) или тестировании источников электропитания. Для выполнения данных задач я решил использовать микроконтроллер Arduino (ATmega328p).
На рисунке ниже показана схема электронной нагрузки. Чтобы сильно не перегружать схему лишними элементами, я намеренно решил не использовать фильтрующие и развязывающие конденсаторы. Я также не показал на схеме цепи микроконтроллера, поскольку все выполняется стандартным способом. Все соединения к стандартной плате Arduino четко обозначены для удобного подключения. Исходный код программы для Arduino можно загрузить по сноске в конце статьи.
Для управления нагрузкой используется 6 транзисторов IRFP150N. Данные 6 MOSFET-ов разделяются на три группы: каждая группа состоит из двух MOSFET-транзисторов, которые размещаются параллельно друг другу с отдельными управляющими резисторами на затворе. Далее эти три группы управляются независимо с помощью трех операционных усилителей. Подобное схемное решение гарантирует равномерное распределение тока в нагрузке среди этих трех групп MOSFET-транзисторов. В данной конфигурации максимальная мощность электронной нагрузки может рассеивать, по скромной оценке, около 200 Ватт.
На представленной схеме усилитель IC1A образует повторитель напряжения, который буферизирует выход ЦАП и входы трех управляющих операционных усилителей. Усилитель LM324 используется здесь для трех операционных усилителей. Разумеется, выбор операционного усилителя не является критическим моментом, и вы можете заменить его на любой другой усилитель общего назначения. В схеме используется ЦАП MCP4921 от компании Microchip. M CP4921 сходен по характеристикам с MCP4821. Главная разница в том, что MCP4921 использует внешний источник опорного напряжения, в то время как MCP4821 имеет встроенный источник напряжением 2.048В. Это главная причина, почему использовался ЦАП MCP4921. При изменении внешнего опорного напряжения мы можем нарушить баланс между максимальным током, допустимым электронной нагрузкой, и разрешением регулировки тока.
В данном проекте опорное напряжение подается на ЦАП через резисторный делитель от источника опорного напряжения IC TL431. Внешний источник опорного напряжения для ЦАП сконфигурирован как буферизированный вход для высокого импеданса так, что вход опорного сигнала ЦАП не влияет на точность источника опорного напряжения, устанавливаемого резисторным делителем. Когда внешний источник опорного напряжения установлен в значение 0.5В, ток нагрузки может регулироваться до 15A (0.5 В / 0.1 Oм * 3). Выходное напряжение ЦАП MCP4921 может быть отрегулировано как 1 x Vref либо как 2 x Vref; таким образом, диапазон тока может быть удвоен через программную команду без необходимости изменения опорного напряжения. Если вам не нужен такой широкий диапазон тока, тогда вы можете понизить опорное напряжение. Это обеспечит наилучшее разрешение тока (Vref / 4096 на один шаг регулировки).
Для регулировки тока используется энкодер. По умолчанию, ток может быть отрегулирован с разрешением приблизительно 1мA/шаг. При нажатии кнопки энкодера, данное разрешение может быть изменено до 10мA/шаг и 100мA/шаг соответственно. Это позволит выполнить грубую регулировку.
Режим постоянной мощности достигается путем вычисления желаемого установленного значения тока через измеренное напряжение нагрузки.
На фотографиях ниже показана конструкция электронной нагрузки. В качестве радиатора используется большой алюминиевый блок. Размер радиатора действительно впечатляет, однако обеспечивает надежность работы устройства без использования принудительного воздушного охлаждения.
Вся схема собрана на макетной плате. Я использовал плату Arduino, изготовленную ранее, и разъемы для соединения с основной платой.
На фото ниже показана законченная плата контроллера:
Как упоминалось ранее, радиатор имеет огромный размер, на фото он отображается в перспективном виде:
На данной фотографии показана работа электронной нагрузки в режиме постоянной мощности, поглощая более 200 Ватт при напряжении более 60 вольт.
Поскольку в схеме использовался микроконтроллер, мы можем легко добавить новые функции. Все что не было добавлено в микропрограммный код, вы можете легко дополнить самостоятельно, например режим постоянного сопротивления. Также вы можете обеспечить регистрацию данных, путем записи значений тока и напряжения в определенные интервалы времени.
Видео ниже демонстрирует вкратце функциональные возможности электронной нагрузки
Часть 3 (Окончание)
С появлением 3D принтера мне захотелось облагородить мордочку у нагрузки. Да так я этим увлёкся,
что от старой схемы почти ничего и не осталось.
В обновлённой схеме полностью переработана регулировка мощности, добавлены защитные сопротивления, а также
полностью переработана система защиты. Из пассивной пищалки она стала активной и по мимо защиты по перегреву
добавилась защита от повышенного входного напряжения.
Как видно схема регулировки мощности получила модуль опорного напряжения на TL341, а также новое подключение
управляющих переменных резисторов. Теперь для грубого регулирования во всем диапазоне используется резистор
R19, а для точной настройки в диапазоне одного ампера используется резистор R20. При этом подбирая резисторы
R17 (от 5 до 10 кОм) можно регулировать начальный диапазон точного регулирования, а подбирая резистор R18
(от 60 до 100 кОм) диапазон точной настройки при максимальной нагрузке. R16 настраивается при первом включении.
Перед включением его надо выставить примерно на 50% (25кОм) и вывернуть в ноль R19 и 20. Затем включить нагрузку
и если ничего не сгорело, то подключить ее к мощному блоку питания. Подаем на нагрузку около 5 вольт и поворачиваем
на максимум R20, контролируя ток нагрузки. Если все хорошо, то при выкрученном на максимум R20 ток должен быть
в районе одного ампера. Затем медленно поворачиваем R19 и смотрим, как изменяется ток. Если резистор R19
повернут на максимум, а ток нагрузки маловат, то плавно уменьшаем сопротивления R16. Если наоборот, R19 еще
не на максимуме, а ток уже зашкаливает, значит, увеличиваем сопротивление R16. Добиваемся, чтобы при максимальном
положении R19, R20 ток через нагрузку был максимальный. Т.к. транзистор кт815 сильно грелся я заменил его на
кт817 и добавил кт3102 для его управления.
Также был полностью заменен блок питания. Вместо старого трансформатора теперь стоит импульсник от какого-то
разобранного мной устройства. Блок оказался как нельзя кстати. Помимо 5 вольт для питания управления у него
имеется и 12V. Поэтому задача с питанием вентилятора решилась сама собой.
Схема защиты претерпела самые большие изменения. При повышенном входном напряжении (30 V) или превышении
температуры радиатора выше 75 градусов МК понижает нагрузку до нуля и отключает устройство. При этом
сопровождает свои действия звуковой и световой индикацией.
Сердцем схемы защиты является ATtiny_15 этот своеобразный выбор МК продиктован желанием побыстрей избавится
от этого микроконтроллера. Потому как выкинуть его было жалко, а писать под него программы тяжело. Из-за того,
что ни одна среда разработки которыми я пользуюсь не поддерживает для него написания программ на СИ.
Очень странный контроллер, заточенный для работы с АЦП. И все же. Помучившись немного я смог написать под него
программу на ассемблере используя CV_AVR. Как я это сделал можно посмотреть в прилагаемых файлах. Но
предупреждаю это еще то извращение.
Есть один нюанс!!! Дело в том, что для обмена данными с датчиком температуры необходимо организовывать точные
отсчеты времени. Поэтому если после прошивки датчик температуры не будет работать, то необходимо будет
откалибровать внутренний генератор. Для этого необходимо посмотреть
калибровочный байт для вашего МК.
У ATtiny_15 он единственный и его можно посмотреть с помощью PonyProg. Затем
открыть проект в CV_AVR
и вставить в строку калибровки генератора свои данные.
;Калибруем генератор
ldi r_temp, 0x5D ;для каждого МК индивидуальна
out OSCCAL, r_temp ;калибруем генератор
Как вариант можно просто закомментировать эти строки в надежде на то, что при запуске МК самостоятельно подставить
калибровочный байт в регистр OSCCAL. После чего необходимо скомпилировать новый файл и прошить его.
Для прошивки контроллера внутри схемы необходимо выкрутить переменное сопротивление R22 на
максимум так, чтобы оно не замыкало на землю сигнал MISO.
Запускать нагрузку необходимо с подключенным DS18D20. В противном случае нагрузка будет уходить в аварию.
После того как МК запрограммирован необходимо отсоединить программатор и подав на вход напряжение при
котором должна срабатывать защита установить порог резистором R22. При срабатывании защиты по высокому
напряжению раздается постоянный звуковой сигнал, при этом реле отключает вход от нагрузки.
После установки порога срабатывания по входному напряжению необходимо снизить его до рабочих величин
и слегка покрутив резисторы R19 и R20, убедится, что нагрузка работает.
Для проверки датчика температуры необходимо отсоединить его, при этом должен раздаться сигнал (два коротких
через большую паузу) и включится защита. Если это произошло, то защита по обрыву датчика температуры работает.
Подключив датчик обратно необходимо перезапустить нагрузку и нагреть датчик выше 75 градусов. При этом сработает
защита и будет подаваться звуковой прерывистый сигнал. Он будет пищать пока датчик не охладиться до 50 градусов.
После чего нагрузка снова включится в работу.
Т.к. размыкать 8А через реле дело неблагодарное, то перед срабатыванием реле защита сажает неинвертирующий
вход операционного усилителя A1 на землю. Мощность падает и только после этого МК размыкает реле. Включение
нагрузки происходит в обратной последовательности. После включения реле вывод
МК переходит в третье
состояние и позволяет увеличить мощность, потребляемую нагрузкой.
Да. Т.к. схема обратной связи простая и не имеет каких-либо компенсаций, то, как я писал сильно выше, имеется
дрейф мощности в зависимости от нагрева. Резисторы R5 и R6 греются как кипятильники поэтому я их поместил в зону
потока охлаждающего радиатор воздуха. 10 ватт — это минимальная суммарная мощность для этих резисторов лучше
поставить два по 10 ватт. Уверен, будет намного надежнее.
Если кому понадобится увеличить мощность нагрузки выше 240 ватт, то необходимо наращивать количество кт818.
У них рассеиваемая мощность 60 ватт. Также придется увеличивать мощность резисторов R5, 6. Необходимо будет
заменить защитный диод VD1 на что-то более мощное, а также заменить предохранитель FU1.
Немного о предохранителе. Он сильно греется (по понятным причинам) и поэтому я подумываю либо увеличить его ток,
либо убрать его вообще из схемы.
Безусловно, нагрузка будет работать и без защиты. В этом случае вместо контактов реле К1.1 ставим перемычку
и убираем все что касается системы защиты. Но тогда надо ставить большой радиатор с принудительным охлаждением
ну и по входящему напряжению рассчитывать максимально возможный ток чтобы не спалить транзисторы.
В приложенных файлах схема, плата, прошивка и проект в CV_AVR.
А на сегодня всё. Удачи.
Если вдруг найдете в статье неточности или заблуждения.
Напишите мне об этом.
Я подправлю.
Разработка печатной платы
Печатная плата изготовлена с помощью SoloPCB.
Электронная нагрузка с плавной регулировкой тока от 0 до 8 А — 200 ватт.
Для начала давайте разберем схему. Я не претендую на оригинальность, так как подсмотрел составные элементы
здесь и
адаптировал под то, что имелось у меня из деталей.
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
здесь.
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.
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.
Сборка и тестирование
На плате устанавливаются SMD-компоненты. Поэтому вы должны использовать все свои навыки по пайке. Остальные детали для установки в отверстия очень легко паять.
Устройство должно заработать сразу же после финальной сборки. Многооборотный переменный резистор позволяет пользователю точно и правильно отрегулировать ток. Клеммная колодка J2 очень полезный компонент, поскольку является колодкой, соединяемой нажатием. Поэтому нет необходимости в использовании крепежных винтов. Выключатель вкл/выкл SW1 удобно включает и выключает источник питания электрической нагрузки.
На фотографии ниже показан пример использования данной схемы для разряда батареи при токе 1.2A во время измерения фактической емкости перед ее использованием.
Часть 2 (Продолжение)
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.
Прикрутил его вместо амперметра и протестировал. Заработал сразу, но показывал черт знает что.
Оказалось, его, в данной схеме, надо подключать так, чтобы земля прибора оказалась со
стороны источника, а не со стороны нагрузки.
Вообще приборчик не прихотлив в отношении питания, собран качественно и имеет регулировку как по напряжению,
так и по току в виде двух переменных резисторов. Так, что, если потребуется корректировка — это легко осуществить.
На всем диапазоне от 0 до 8 А разница в показаниях между прибором и мультиметром составляет
чуть больше одной десятки, что меня устраивает в полной мере.
Разработка схемы
Принцип работы электронной нагрузки очень простой. Он основан на равенстве напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входе операционного усилителя. Мы устанавливаем значение напряжения, прилагаемого к неинвертирующему входу с помощью многооборотного переменного резистора VR1. Напряжение регулируется в диапазоне 0-0.5В. Источником питания делителя напряжения служит точное напряжение 2.5В, генерируемое ИС источника опорного напряжения AD780. Значение напряжения на инвертирующем входе можно также измерить на неинвертирующем входе операционного усилителя LM324. Поэтому напряжение на резисторе R5 напрямую зависит от напряжения, которое мы установили. Установленное напряжение на резисторе R5 определяет настройку тока, который проходит через него. Этот ток также является током, который потребляется от источника питания во время тестирования. Выходное значение напряжения операционного усилителя LM324 появляется при использовании принципа равенства напряжений на входах. Следовательно оно управляет затвором Q1 MOSFET транзистора в линейной области. Сопротивление сток-исток (Rds) зависит от напряжения затвора. Выход операционного усилителя устанавливает значение Rds на требуемый уровень, который ограничивает ток по данной цепи. Именно MOSFET транзистор работает как резистивный элемент, который ограничивает ток с помощью операционного усилителя.
Поскольку MOSFET транзистор работает как резистивный элемент, он рассеивает тепло в зависимости от протекаемого через него тока. Простое равенство P = VI определяет количество тепла, которое будет генерироваться на MOSFET транзисторе. Для расширения диапазона мощности нагрузки нам необходимо прикрепить радиатор к корпусу MOSFET транзистора.
Используемый радиатор рассчитан на тепловое сопротивление 2.5 °C/Вт. Тепловое сопротивление р-n-перехода с корпусом MOSFET транзистора составляет 0.75 °C/Вт. Также тепловое сопротивление в месте соприкосновения корпуса с радиатором составляет 1.75 °C/Вт. Общее тепловое сопротивление составляет 5 °C/Вт. Мы можем предположить, что будем использовать нагрузку при комнатной температуре, а именно 25°C. Кристалл IRF3710 MOSFET транзистора рассчитан на температуру до 175 °C, поэтому мы в идеальном случае можем нагревать кристалл MOSFET транзистора до этой температуры. Разница температуры составит почти 175°C-25°C = 150°C. Используя данное значение, мы можем вычислить максимальную мощность, которая будет рассеиваться на электрической нагрузке. P = 150 / 5 = 30Вт.
MOSFET транзистор имеет максимальное напряжение сток-исток (Vds) величиной 100В. Поэтому не рекомендуется подключать источник питания напряжением более 100В.
Мощность 30Вт, ток 5A и напряжение 100В являются предельными параметрами для данной нагрузки. Следовательно, для подключения источника питания к нагрузке вам необходимо правильно рассчитать мощность рассеивания. Например, если вы подключаете к нагрузке источник питания напряжением 30В, тогда вы не должны превышать ток 1A в непрерывном режиме. В противном случае MOSFET транзистор может выйти из строя, поскольку будет превышена предельная температура кристалла MOSFET транзистора 175 °C.
Другой параметр, который нужно принять во внимание при работе с MOSFET транзисторами – это области устойчивой работы (SOA) MOSFET транзистора. Поскольку текущий ток не превышает 5A и мощность не превысит 30Вт, тогда MOSFET транзистор будет оставаться в области устойчивой работы. Превышение мощности 30W приведет к перегоранию MOSFET транзистора при больших напряжениях.
Последовательно с нагрузкой включается амперметр. Он показывает текущее значение тока, потребляемое от источника питания. Амперметр запитывается от стабилизатора напряжения 78L15, также как операционный усилитель и ИС источника опорного напряжения. Амперметр непрерывно измеряет ток и позволяет пользователю контролировать его в режиме реального времени.
