Eugene.A : Мало того - ещё и бессмысленная. Современные электросчётчики не крутятся в обратную сторону.
Зато греться почти нечему.
Eugene.A : Насчёт трансформации - какой-то ректальный способ. Для любителей извращений. На пенсии. Вместо просмотра порно.
...
Надо просто побольше нихрома, константана, манганина и переключатель - для регулировки тока, если есть такая нужда.
А может я извращенец? Правда не напенсии, но и она не за горами... Нет, порно смотреть нельзя, отбивает охоту самому этим заниматься - научно доказанный факт!
А теперь давайте сравним способы, предложенный Вами и мой.
Вы предлагаете по старинке: по-больше нихрома, константана, манганина и переключатель - это довольно громоздко, не технологично и не очень точно. Я уже молчу, если требуется мелкий шаг регулировки тока нагрузки.
Я же предлагаю использовать один кусок нихрома, константана или манганина и вообще без переключателей.
Мало того, не нужны и эти куски. Можно просто взять утюг, электронагреватель, электроплитку... что будет под рукой, и воткнуть её родной вилкой в блок с названием "элкктронная нагрузка". На блоке стоит регулятор тока нагрузки в виде переменного сопротивления, энкодера или кнопок с клавиатурой - по вкусу и возможностям, и дисплей с показаниями текущих значений напряжения, тока и мощности...
В отличие от вашего способа, я смогу регулировать ток нагрузки не дискретно
а пла-а-а-вненько, да ещё и стабилизировать выставленное значение.
И точность будет не впример лучше Вашего способа.
Ток нагрузки равен I=k*kтр*Rн, где:
k - коэффициент заполнения импульсов ШИМ,
kтр - коэффициент трансформации используемого трансформатора,
Rн - сопротивление утюга, электронагревателя или электроплитки.
Достаточно точно замерить сопротивление утюга...
Собственно, а зачем?! Достаточно ввести режим калибровки при работе с прибором - при подключенном утюге, электронагревателе или электроплитке подать (внутри прибора) на его вход калиброванное напряжение и калибровочным подстроечником выставить максимальное значение тока при максимальном коэффициенте заполнения. Можно даже эту операцию автоматизировать, если МК стоит.
Всё.
Регулировка получается линейная, по этому, привязав калибровкой максимальное значение тока нагрузки 20А к коэффициенту заполнения 0.9, при коэффициенте 0,1 получим ток 2.2А.
Для расширения пределов можно поставить переключатель или реле и коммутировать отводы трансформатора преобразователя. Получим несколько согласованных поддиапазонов регулировки тока (сопротивления) нагрузки.
Забыл сказать - трансформатор лучше по причине более лёгкого согласования с калиброванными нагрузками типа утюг, электронагреватель или электроплитка.
Трансформатор подходит от компового БП (силовой). У него и отводов много...
А теперь, Eugene.A , объясните, пожалуйста, мне - извращенцу и почти пенисонеру - почему Ваш способ не ректальный, а мой - ректальный, несмотря на то, что он лучше, технологичнее, универсальнее, точнее и выполняет такую же задачу?
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.
Регулируемая по мощности нагрузка является частью испытательного оборудования, необходимого при налаживании различных электронных проектов. Например, при построении лабораторного источника питания, оно может "симулировать" подключенный потребитель тока, чтобы увидеть, насколько хорошо ваша схема работает не только на холостом ходу, но и на нагрузку. Добавление силовых резисторов для выхода можно делать только в крайнем случае, но не у каждого они есть да и долго их не продержать — сильно греются. В этой статье будет показано, как можно построить блок регулируемой электронной нагрузки с помощью недорогих компонентов, доступных для радиолюбителей.
Схема электронной нагрузки на транзисторах
В этой конструкции максимальный ток должен быть примерно 7 ампер и он ограничен 5W резистором, который был использован, и относительно слабым полевым транзистором. Ещё большие нагрузочные токи могут быть достигнуты с помощью резистора на 10 или 20 Вт. Входное напряжение, не должно превышать 60 вольт (максимум на эти полевые транзисторы). Основой служит ОУ LM324 и 4 полевых транзистора.
Два "запасных" операционных усилителя микросхемы LM324 используются для защиты и управления вентилятором охлаждения. U2C образует простой компаратор между напряжением, установленным термистором и делителем напряжения R5, R6. Гистерезис контролируется положительной обратной связью, полученной R4. Термистор помещается в непосредственный контакт с транзисторами на радиаторах и его сопротивление уменьшается с ростом температуры. Когда температура превышает установленный порог, выход U2C будет высокий. Вы можете заменить R5 и R6 с регулируемым переменником и вручную подбирать порог срабатывания. При настройке убедитесь, что защита срабатывает, когда температура транзисторов MOSFET чуть ниже предельно-допустимой, указанной в даташите. Светодиод D2 сигнализирует, когда активируется функция защиты от перегрузки — он установлен на передней панели.
В элементе U2B операционного усилителя также есть гистерезис компаратора напряжений и используется он для управления вентилятором 12 В (можно использовать от старых PC). Диод 1N4001 защищает MOSFET BS170 от индуктивный бросков напряжения. Нижний температурный порог для активации вентилятора, контролируется резистором RV2.
Сборка устройства
Была использована для корпуса старая алюминиевая коробка от коммутатора с большим количеством внутреннего пространства для компонентов. В электронной нагрузке использовал старые AC/DC адаптеры для питания 12 В для главной цепи и 9 В для приборной панели — она имеет цифровой амперметр, чтоб сразу видеть ток потребления. Мощность вы уже рассчитаете и сами по известной формуле.
Вот фотография тестовой установки. Лабораторный блок питания настроен на 5 В. Нагрузку показывает 0.49A. Так же подключен мультиметр на нагрузке, так что ток нагрузки и напряжение контролируются одновременно. Вы сами можете убедится в чёткой работе всего модуля.
Наборы для самостоятельной сборки. Схемы, по которым они сделаны, созданы далеко не китайцами и даже не советскими инженерами. Любой радиолюбитель подтвердит, что во время повседневных изысканий очень часто приходится нагружать те или иные схемы для выявления выходных характеристик последних. Нагрузкой может являться обычная лампа, резистор или нихромовый нагревательный элемент.
Зачастую с проблемой поиска нужной нагрузки сталкиваются те радиолюбители, которые изучают силовую электронику. Проверяя выходные характеристики того или иного блока питания, будь он самодельный или промышленный необходима нагрузка, притом нагрузка с возможностью регулировки. Самым простым решением этой проблемы является использование учебных реостатов в качестве нагрузки.
Но найти мощные реостаты в наши дни проблематично, к тому же реостаты тоже не резиновые, их сопротивление ограничено. Есть только 1 вариант решения проблемы - электронная нагрузка. В электронной нагрузке вся мощность выделяется на силовых элементах – транзисторах. Фактически, электронные нагрузки можно делать на любую мощность, и они гораздо универсальнее, чем обычный реостат. Профессиональные лабораторные электронные нагрузки стоят кучу денег.
Китайцы же, как всегда, предлагают аналоги и этих аналогов бесчисленное множество. Один из вариантов такой нагрузки на 150Вт стоит всего 9-10 долларов, это немного за прибор, который по важности сопоставим, наверное, с лабораторным блоком питания.
В общем автор данной самоделки AKA KASYAN, предпочел сделать свой вариант. Найти схему устройства не составило труда.
В данной схеме применена микросхема операционного усилителя lm324, в состав которой входят 4 отдельных элемента.
Если смотреть внимательно на схему, то сразу становится ясно, что она состоит из 4-ех отдельных нагрузок, которые соединены параллельно, благодаря чему общая нагрузочная способность схемы в разы больше.
Это обычный стабилизатор тока на полевых транзисторах, которые без проблем можно заменить биполярными транзисторами обратной проводимости. Рассмотрим принцип работы на примере одного из блоков. Операционный усилитель имеет 2 входа: прямой и инверсный, ну и 1 выход, который в данной схеме управляет мощным n-канальным полевым транзистором.
Низкоомный резистор у нас в качестве датчика тока. Для работы нагрузки необходим слаботочный источник питания 12-15В, точнее он нужен для работы операционного усилителя.
Операционный усилитель всегда стремится к тому, чтобы разница напряжений между его входами равнялась нулю, и делает это путем изменения выходного напряжения. При подключении источника питания к нагрузке будет образовываться падение напряжения на датчике тока, чем больше ток в цепи, тем больше и падения на датчике.
Таким образом, на входах операционного усилителя мы получим разность напряжений, а операционный усилитель постарается скомпенсировать эту разность, изменяя свое выходное напряжение плавно открывая или закрывая транзистор, что приводит к уменьшению или увеличению сопротивления канала транзистора, а, следовательно, изменится и ток протекающий в цепи.
В схеме у нас имеется источник опорного напряжения и переменный резистор, вращением которого у нас появляется возможность принудительно менять напряжение на одном из входов операционного усилителя, а дальше происходит вышеупомянутый процесс, и как следствие, меняется ток в цепи.
Нагрузка работает в линейном режиме. В отличие от импульсного, в котором транзистор либо полностью открыт, либо закрыт, в нашем случае мы можем заставить транзистор приоткрыться настолько, насколько нам нужно. Иными словами, плавно изменять сопротивление его канала, а, следовательно, изменять ток цепи буквально от 1 мА. Важно заметить, что выставленное переменным резистором значение тока не меняется в зависимости от входного напряжения, то есть ток стабилизирован.
В схеме у нас 4 таких блока. Опорное напряжение формируется с одного и того же источника, а значит все 4 транзистора будут открываться равномерно. Как вы заметили, автор использовал мощные полевые ключи IRFP260N.
Это очень хорошие транзисторы на 45А, 300Вт мощности. В схеме у нас 4 таких транзистора и по идее такая нагрузка должна рассеивать до 1200Вт, но увы. Наша схема работает в линейном режиме. Каким бы мощным не был транзистор, в линейном режиме все иначе. Мощность рассеивания ограничена корпусом транзистора, вся мощность выделяется в виде тепла на транзисторе, и он должен успеть передать это тепло радиатору. Поэтому даже самый крутой транзистор в линейном режиме не такой уж и крутой. В данном случае максимум, что может рассеивать транзистор в корпусе ТО247 - это где-то 75Вт мощности, вот так-то.
С теорией разобрались, теперь перейдем к практике.
Печатная плата
была разработана всего за пару часов, разводка хорошая.
Готовую плату нужно залудить, силовые дорожки армировать одножильным медным проводом и все обильно залить припоем для минимизации потерь на сопротивление проводников.
На плате предусмотрены посадочные места для установки транзисторов, как в корпусе ТО247, так и ТО220.
В случае использования последних, нужно запомнить, максимум на что способен корпус ТО220 - это скромные 40Вт мощности в линейном режиме. Датчики тока представляют из себя низкоомные резисторы на 5Вт, с сопротивлением от 0,1 до 0,22 Ом.
Операционные усилители желательно установить на панельку для беспаячного монтажа. Для более точной регулировки токов в схему стоит добавить еще 1 переменный резистор низкого сопротивления. Первый позволит осуществить грубую регулировку, второй более плавную.
Меры предосторожности. Нагрузка не имеет защиты, поэтому использовать ее нужно с умом. Например, если в нагрузке стоят транзисторы на 50В, значит запрещается подключать испытуемые блоки питания с напряжением выше 45В. ну чтобы был небольшой запас. Не рекомендуется выставить значение тока более 20А, если транзисторы в корпусе ТО247 и 10-12А, в случае если транзисторы в корпусе ТО220. И, пожалуй, самый важный момент - не превысить допустимую мощность 300Вт, в случае если использованы транзисторы в корпусе от ТО247. Для этого необходимо встроить в нагрузку ваттметр, чтобы следить за рассеиваемой мощностью и не превысить максимальное значение.
Также автор настоятельно рекомендует использовать транзисторы из одной партии, чтобы минимизировать разброс характеристик.
Охлаждение.
Надеюсь все понимают, что 300Вт мощности у нас тупо пойдет на нагрев транзисторов, это как обогреватель на 300Вт. Если эффективно не отводить тепло, то транзисторам хана, поэтому транзисторы устанавливаем на массивный цельный радиатор.
Место прижатия подложки ключа к радиатору необходимо тщательно очистить, обезжирить и отполировать. Даже небольшие бугорки в нашем случае могут все испортить. Если решили намазать термопасту, то делайте это тонким слоем, используя только хорошую термопасту. Не нужно использовать термопрокладки, изолировать подложки ключей от радиатора тоже не нужно, все это ухудшает теплоотдачу.
Ну а теперь, наконец-то, давайте проверим работу нашей нагрузки. Нагружать будем вот такой лабораторный блок питания, который выдает максимум 30В при токе до 7А, то есть выходная мощность около 210Вт.
Для чего нужно такое устройство, как электронная нагрузка, наверное все в курсе - она позволяет создать имитацию очень мощного резистора на выходе блоков питания, зарядок, усилителей, ИБП и других схем при их настройке. Данная электронная нагрузка может выдержать более 100 Ампер тока, рассеивая более 500 Вт непрерывно и выдерживая 1 кВт мощности в импульсном режиме.
Схема в принципе несложная и тут используются два полевых транзистора с регулирующими ОУ. Каждый из двух каналов одинаков и включены они параллельно. Управляющие напряжения связаны между собой и нагрузка делится поровну между двумя мощными полевыми транзисторами. Здесь использованы для шунта 2 резистора на 50 А, формируя напряжение обратной связи 75 мВ. Очевидным преимуществом в выборе такого малого значения сопротивления (каждый шунт сопротивлением всего 1,5 миллиом) в том, что падение напряжения практически ничтожно. Даже при работе с нагрузкой 100 А, падение напряжения на каждом шунтирующем резисторе будет менее 0,1 В.
Недостатком использования такой схемы в том, что требуется ставить ОУ с очень низким входным смещением, так как даже небольшое изменение смещения может привести к большой погрешности в контролируемом токе. Например, при лабораторных испытаниях, всего 100 мкВ напряжения смещения приведет к изменению тока нагрузки на 0,1 А. Кроме того, трудно создать такие стабильные управляющие напряжения без использования ЦАП и прецизионных ОУ. Если вы планируете использовать микроконтроллер для управления нагрузкой, нужно будет либо использовать прецизионные ОУ для усиления напряжения с шунта, совместимые с ЦАП на выходе (например, 0-5 В) или использовать прецизионный делитель напряжения для создания управляющего сигнала.
Вся схема была собрана на куске текстолита методом упрощённого монтажа и размещена на верхней части большого алюминиевого блока. Поверхность металла отполирована для того, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность между транзисторами и радиатором. Все соединения с большим током - не менее 5 проводов толстого многожильного провода, тогда они смогут выдерживать не менее 100 А без существенного нагрева или падения напряжения.
Выше приведено фото макетки, на которой впаяны два операционных усилителя повышенной точности LT1636. А модуль DC-DC преобразователя используется для преобразования входного напряжения на стабильных 12 В для контроллера вентилятора системы охлаждения. Вот они - 3 вентилятора на боковой стороне радиатора.