Carico minuscolo - Carico a corrente costante: 4 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Ho sviluppato io stesso un alimentatore da banco e finalmente ho raggiunto il punto in cui voglio applicargli un carico per vedere come si comporta. Dopo aver visto l'eccellente video di Dave Jones e aver guardato alcune altre risorse su Internet, sono arrivato a Tiny Load. Questo è un carico di corrente costante regolabile, che dovrebbe essere in grado di gestire circa 10 ampere. La tensione e la corrente sono limitate dai valori nominali del transistor di uscita e dalle dimensioni del dissipatore di calore.

Va detto, ci sono alcuni design davvero intelligenti là fuori! Tiny Load è davvero basilare e semplice, una leggera modifica del design di Dave, ma dissiperà comunque la potenza necessaria per testare un alimentatore, a patto che non ottenga più succo di quanto possa gestire.

Tiny Load non ha un misuratore di corrente collegato, ma puoi collegare un amperometro esterno o monitorare la tensione attraverso il resistore di retroazione.

Ho modificato leggermente il design dopo averlo costruito, quindi la versione presentata qui ha un LED per dirti che è acceso e un modello di PCB migliore per l'interruttore.

Lo schema e il layout del PCB sono presentati qui come file PDF e anche come immagini JPEG.

Fase 1: Principio di funzionamento

Per chi non è esperto di principi elettronici, ecco una spiegazione di come funziona il circuito. Se tutto questo ti è ben noto, sentiti libero di saltare avanti!

Il cuore del Tiny Load è un doppio amplificatore operazionale LM358, che confronta la corrente che scorre nel carico con un valore da te impostato. Gli amplificatori operazionali non possono rilevare direttamente la corrente, quindi la corrente viene trasformata in una tensione, che l'amplificatore operazionale può rilevare, dal resistore, R3, noto come resistore di rilevamento della corrente. Per ogni amplificatore che scorre in R3, vengono prodotti 0,1 volt. Questo è mostrato dalla legge di Ohm, V=I*R. Poiché R3 è un valore davvero basso, a 0,1 ohm, non si surriscalda eccessivamente (la potenza che dissipa è data da I²R).

Il valore impostato è una frazione di una tensione di riferimento: ancora una volta, viene utilizzata la tensione perché l'amplificatore operazionale non è in grado di rilevare la corrente. La tensione di riferimento è prodotta da 2 diodi in serie. Ogni diodo svilupperà una tensione ai suoi capi nella regione di 0,65 volt, quando una corrente lo attraversa. Questa tensione, che di solito è fino a 0,1 volt su entrambi i lati di questo valore, è una proprietà intrinseca delle giunzioni p-n di silicio. Quindi la tensione di riferimento è di circa 1,3 volt. Poiché questo non è uno strumento di precisione, non è necessaria una grande precisione qui. I diodi ricevono la loro corrente tramite un resistore. collegato alla batteria. La tensione di riferimento è un po' alta per impostare il carico a un massimo di 10 ampere, quindi il potenziometro che imposta la tensione di uscita è collegato in serie con un resistore da 3k che abbassa leggermente la tensione.

Poiché il riferimento e il resistore di rilevamento della corrente sono collegati insieme e collegati alla connessione zero volt dell'amplificatore operazionale, l'amplificatore operazionale può rilevare la differenza tra i due valori e regolarne l'uscita in modo che la differenza si riduca quasi a zero. La regola empirica in uso qui è che un amplificatore operazionale cercherà sempre di regolare la sua uscita in modo che i due ingressi siano alla stessa tensione.

C'è un condensatore elettrolitico collegato attraverso la batteria per eliminare qualsiasi rumore che trova la sua strada nell'alimentazione dell'amplificatore operazionale. C'è un altro condensatore collegato ai diodi per smorzare il rumore che generano.

L'estremità commerciale del Tiny Load è costituita da un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Ho scelto questo perché era nella mia spazzatura e aveva una tensione e una corrente adeguate per questo scopo, tuttavia se ne stai acquistando uno nuovo ci sono dispositivi molto più adatti da trovare.

Il mosfet si comporta come un resistore variabile, dove il drain è collegato al lato + dell'alimentazione che si desidera testare, la sorgente è collegata a R3 e attraverso quella al cavo - dell'alimentazione che si desidera testare e il gate è collegato all'uscita dell'amplificatore operazionale. Quando non c'è tensione sul gate, il mosfet si comporta come un circuito aperto tra il suo drain e source, tuttavia quando la tensione viene applicata al di sopra di un certo valore (la tensione di "soglia"), inizia a condurre. Aumentare abbastanza la tensione del gate e la sua resistenza diventerà molto bassa.

Quindi l'amplificatore operazionale mantiene la tensione di gate a un livello in cui la corrente che scorre attraverso R3 provoca lo sviluppo di una tensione che è quasi uguale alla frazione della tensione di riferimento impostata ruotando il potenziometro.

Poiché il mosfet si comporta come un resistore, è attraversato da tensione e corrente che lo attraversa, il che gli fa dissipare potenza, sotto forma di calore. Questo calore deve andare da qualche parte altrimenti distruggerebbe il transistor molto rapidamente, quindi per questo motivo è imbullonato a un dissipatore di calore. La matematica per il calcolo delle dimensioni del dissipatore di calore è semplice ma anche un po' oscura e misteriosa, ma si basa sulle varie resistenze termiche che impediscono il flusso di calore attraverso ciascuna parte dalla giunzione del semiconduttore all'aria esterna e l'aumento accettabile della temperatura. Quindi hai la resistenza termica dalla giunzione alla custodia del transistor, dalla custodia al dissipatore di calore e attraverso il dissipatore di calore all'aria, sommale per la resistenza termica totale. Questo è dato in °C/W, quindi per ogni watt che viene dissipato, la temperatura aumenterà di quel numero di gradi. Aggiungi questo alla temperatura ambiente e ottieni la temperatura a cui lavorerà la giunzione del semiconduttore.

Passaggio 2: parti e strumenti

Ho costruito il Tiny Load principalmente usando parti di junk box, quindi è un po' arbitrario!

Il PCB è fatto di SRBP (FR2) che mi è capitato di avere perché era economico. È rivestito con 1 oz di rame. I diodi, i condensatori e il mosfet sono vecchi usati, e l'amplificatore operazionale è uno di una confezione da 10 che ho ricevuto tempo fa perché erano economici. Il costo è l'unico motivo per utilizzare un dispositivo smd per questo: 10 dispositivi smd mi costano lo stesso di 1 foro passante che si avrebbe.

• 2 x 1N4148 diodi. Usa più se vuoi essere in grado di caricare più corrente.
• Transistor MOSFET, ho usato un BUK453 perché è quello che mi è capitato di avere, ma scegli quello che ti piace, purché la corrente nominale sia superiore a 10 A, la tensione di soglia sia inferiore a circa 5 V e il Vds è superiore al massimo che ti aspetti usalo a, dovrebbe andare bene. Prova a sceglierne uno progettato per applicazioni lineari piuttosto che per la commutazione.
• Potenziometro 10k. Ho scelto questo valore perché è quello che mi è capitato di avere, che è uno che ho smontato da un vecchio televisore. Quelli con la stessa spaziatura dei pin sono ampiamente disponibili, ma non sono sicuro delle alette di montaggio. Potrebbe essere necessario modificare il layout della scheda per questo.
• Manopola per adattarsi al potenziometro
• Resistenza da 3k. 3.3k dovrebbe funzionare altrettanto bene. Utilizzare un valore più basso se si desidera caricare più corrente con il riferimento a 2 diodi mostrato.
• Amplificatore operazionale LM358. In realtà, qualsiasi singola fornitura, tipo rail-to-rail, dovrebbe fare il lavoro.
• Resistenza da 22k
• resistenza da 1k
• Condensatore da 100nF. Questo dovrebbe essere davvero in ceramica, anche se ne ho usato uno in pellicola
• condensatore da 100uF. Deve essere valutato almeno a 10V
• Resistore da 0,1 ohm, potenza minima di 10W. Quello che ho usato è sovradimensionato, anche qui il costo è stato il fattore schiacciante. Un resistore con involucro metallico da 25 W da 0,1 ohm era più economico dei tipi più appropriati. Strano ma vero.
• Dissipatore di calore: un vecchio dissipatore di calore della CPU funziona bene e ha il vantaggio di essere progettato per avere una ventola collegata se ne hai bisogno.
• Composto dissipatore termico. Ho imparato che i composti a base di ceramica funzionano meglio di quelli a base di metallo. Ho usato Arctic Cooling MX4 che mi è capitato di avere. Funziona bene, è economico e ottieni un sacco!
• Piccolo pezzo di alluminio per staffa
• Piccole viti e dadi
• piccolo interruttore a scorrimento

Passaggio 3: costruzione

Ho costruito il piccolo carico di spazzatura o parti molto economiche

Il dissipatore di calore è un vecchio dissipatore di calore della CPU dell'era Pentium. Non so cosa sia la resistenza termica, ma suppongo che sia di circa 1 o 2°C/W in base alle immagini in fondo a questa guida: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc… anche se l'esperienza ora suggerisce che è piuttosto meglio di così.

Ho praticato un foro al centro del dissipatore di calore, l'ho tappato e ho montato il transistor su di esso con il composto termico MX4 e ho avvitato la vite di montaggio direttamente nel foro filettato. Se non hai i mezzi per tappare i fori, fai un trapano un po' più grande e usa un dado.

Inizialmente pensavo che questo sarebbe stato limitato a circa 20 W di dissipazione, tuttavia l'ho fatto funzionare a 75 W o più, dove è diventato piuttosto caldo, ma non ancora troppo caldo da usare. Con una ventola di raffreddamento collegata, questo sarebbe ancora più alto.

Non è necessario imbullonare il resistore di rilevamento della corrente alla scheda, ma qual è il punto di avere dei fori per i bulloni se non è possibile imbullonare qualcosa? Ho usato piccoli pezzi di filo spesso lasciato da alcuni lavori elettrici, per collegare la resistenza alla scheda.

L'interruttore di alimentazione proveniva da un giocattolo defunto. Ho sbagliato la spaziatura dei fori sul mio pcb, ma la spaziatura sul layout del pcb qui indicata dovrebbe adattarsi se si dispone dello stesso tipo di interruttore SPDT in miniatura. Non ho incluso un LED nel design originale, per mostrare che Tiny Load è acceso, tuttavia mi sono reso conto che si trattava di una stupida omissione, quindi l'ho aggiunto.

Le tracce spesse così come sono non sono abbastanza spesse per 10 amp con la scheda ricoperta di rame da 1 oz utilizzata, quindi è ammassata con del filo di rame. Ciascuno dei binari ha un pezzo di filo di rame da 0,5 mm avvolto attorno ad esso e saldato a punti a intervalli, ad eccezione del breve tratto che è collegato a terra, poiché il piano di massa aggiunge molto ingombro. Assicurati che il filo aggiunto vada direttamente ai pin del mosfet e del resistore.

Ho realizzato il pcb utilizzando il metodo di trasferimento del toner. C'è un'enorme quantità di letteratura su questo argomento in rete, quindi non entrerò in merito, ma il principio di base è che usi una stampante laser per stampare il disegno su carta lucida, quindi stiralo sulla lavagna, quindi incidi esso. Uso della carta transfer per toner gialla economica proveniente dalla Cina e un ferro da stiro impostato a poco meno di 100°C. Uso l'acetone per pulire il toner. Continua a pulire con stracci con acetone fresco finché non si puliscono. Ho scattato molte foto per illustrare il processo. Ci sono materiali molto migliori disponibili per il lavoro, ma un po' oltre il mio budget! Di solito devo ritoccare i miei trasferimenti con un pennarello.

Pratica i fori usando il tuo metodo preferito, quindi aggiungi il filo di rame ai binari larghi. Se guardi da vicino, puoi vedere che ho incasinato un po' la mia perforazione (perché ho usato una perforatrice sperimentale che è alquanto imperfetta. Quando funzionerà correttamente farò un Instructable su di essa, promesso!)

Per prima cosa monta l'amplificatore operazionale. Se non hai mai lavorato con smd prima, non lasciarti intimidire, è abbastanza facile. Stagnare prima uno dei pad sulla scheda con una piccolissima quantità di saldatura. Posiziona il chip con molta attenzione e fissa il relativo perno al pad che hai stagnato. Ok ora il chip non si muove, puoi saldare tutti gli altri pin. Se hai del flusso liquido, applicarne uno striscio rende il processo più semplice.

Montare il resto dei componenti, il più piccolo per primo, che molto probabilmente sono i diodi. Assicurati di prenderli nel modo giusto. Ho fatto le cose leggermente al contrario montando prima il transistor sul dissipatore di calore, perché l'ho usato inizialmente per sperimentare.

Per un po' la batteria è stata montata sulla scheda utilizzando dei cuscinetti adesivi, che hanno funzionato molto bene! È stato collegato utilizzando un connettore pp3 standard, tuttavia la scheda è progettata per accettare un tipo di supporto più consistente che si aggancia all'intera batteria. Ho avuto alcuni problemi nel fissare il supporto della batteria poiché ci vogliono viti da 2,5 mm, che ho a corto e nessun dado da montare. Ho praticato i fori nella clip a 3,2 mm e li ho svasati a 5,5 mm (non una vera lamatura, ho solo usato una punta da trapano!), tuttavia ho scoperto che la punta più grande afferra la plastica molto bruscamente ed è passata attraverso uno dei fori. Ovviamente potresti usare pastiglie appiccicose per ripararlo, il che con il senno di poi potrebbe essere migliore.

Taglia i fili della clip della batteria in modo da avere circa un pollice di filo, stagna le estremità, infilali attraverso i fori nella scheda e salda le estremità attraverso la scheda.

Se stai usando un resistore con involucro metallico come quello mostrato, montalo con cavi spessi. Deve avere una sorta di distanziatori tra esso e la scheda in modo da non surriscaldare l'amplificatore operazionale. Ho usato i dadi, ma sarebbero stati meglio manicotti di metallo o pile di rondelle incollate alla tavola.

Uno dei bulloni che fissa la clip della batteria passa anche attraverso uno dei capicorda del resistore. Questa si è rivelata una cattiva idea.

Passaggio 4: metterlo in uso, miglioramenti, alcuni pensieri

Utilizzo: Tiny Load è progettato per assorbire una corrente costante da un alimentatore, indipendentemente dalla tensione, quindi non è necessario collegare nient'altro ad esso, tranne un amperometro, che dovresti posizionare in serie con uno degli ingressi.

Abbassa la manopola a zero e attiva Tiny Load. Dovresti vedere una piccola quantità di flusso di corrente, fino a circa 50 mA.

Regolare lentamente la manopola fino a quando scorre la corrente a cui si desidera eseguire il test, eseguire tutti i test necessari. Controlla che il dissipatore di calore non sia eccessivamente caldo: la regola generale qui è che se ti brucia le dita, è troppo caldo. Hai tre opzioni in questo caso:

1. Abbassare la tensione di alimentazione
2. Abbassa il piccolo carico
3. Eseguilo per brevi intervalli con un sacco di tempo per raffreddare nel mezzo
4. Montare una ventola sul dissipatore di calore

OK ok sono quattro opzioni:)

Non c'è alcuna protezione di ingresso, quindi fai molta attenzione che gli ingressi siano collegati nel modo giusto. Se sbagli, il diodo intrinseco del mosfet condurrà tutta la corrente disponibile e probabilmente distruggerà il mosfet nel processo.

Miglioramenti: è diventato subito evidente che Tiny Load deve avere i propri mezzi per misurare la corrente che assorbe. Ci sono tre modi per farlo.

1. L'opzione più semplice è montare un amperometro in serie con l'ingresso positivo o negativo.
2. L'opzione più accurata è quella di collegare un voltmetro attraverso il resistore di rilevamento, calibrato su quel resistore in modo che la tensione mostrata indichi la corrente.
3. L'opzione più economica è creare una scala di carta che si adatti dietro la manopola di controllo e contrassegnare una scala calibrata su di essa.

Potenzialmente la mancanza di protezione inversa potrebbe essere un grosso problema. Il diodo intrinseco del mosfet condurrà sia che Tiny Load sia acceso o meno. Anche in questo caso ci sono una serie di opzioni per risolvere questo problema:

1. Il metodo più semplice ed economico sarebbe quello di collegare un diodo (o alcuni diodi in parallelo) in serie all'ingresso.
2. Un'opzione più costosa consiste nell'utilizzare un mosfet con protezione inversa incorporata. OK, questo è anche il metodo più semplice.
3. L'opzione più complessa è quella di collegare un secondo mosfet in antiserie con il primo, che conduce solo se la polarità è corretta.

Mi sono reso conto che a volte ciò che è veramente necessario è una resistenza regolabile che può dissipare molta potenza. È possibile utilizzare una modifica di questo circuito per farlo, molto più economico rispetto all'acquisto di un grande reostato. Quindi cerca Tiny Load MK2 che sarà in grado di passare alla modalità resistiva!

Considerazioni finaliTiny Load si è dimostrato utile anche prima che fosse finito e funziona molto bene. Tuttavia, ho avuto alcuni problemi a costruirlo e in seguito mi sono reso conto che un misuratore e un indicatore "acceso" sarebbero stati miglioramenti preziosi.