Lille belastning - konstant strømbelastning: 4 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Jeg har udviklet mig en bænk -PSU, og endelig nåede det punkt, hvor jeg vil lægge en belastning på den for at se, hvordan den fungerer. Efter at have set Dave Jones 'fremragende video og kigget på et par andre internetressourcer, kom jeg på Tiny Load. Dette er en justerbar konstant strømbelastning, som skal kunne klare omkring 10 ampere. Spændingen og strømmen er begrænset af vurderingen af udgangstransistoren og størrelsen af kølelegemet.

Det skal siges, der er nogle virkelig smarte designs derude! Tiny Load er virkelig grundlæggende og enkel, en lille ændring af Dave's design, men det vil stadig sprede den kraft, der er nødvendig for at teste en psu, så længe den ikke får mere juice, end den kan klare.

Tiny Load har ikke en strømmåler tilsluttet, men du kan tilslutte et eksternt amperemeter eller overvåge spændingen på tværs af feedbackmodstanden.

Jeg ændrede designet lidt, efter jeg byggede det, så den version, der præsenteres her, har en LED, der fortæller dig, at den er tændt og et bedre printmønster til kontakten.

Det skematiske og PCB -layout præsenteres her som PDF -filer og også som JPEG -billeder.

Trin 1: Driftsprincip

For dem, der ikke er velbevandrede i elektroniske principper, er her en forklaring på, hvordan kredsløbet fungerer. Hvis alt dette er velkendt for dig, er du velkommen til at springe videre!

Hjertet i Tiny Load er en LM358 dobbelt op-amp, som sammenligner strømmen, der strømmer i belastningen, med en værdi, du har angivet. Op-forstærkere kan ikke registrere strøm direkte, så strømmen omdannes til en spænding, som op-amp kan registrere af modstanden, R3, kendt som den strømfølende modstand. For hver forstærker, der strømmer i R3, produceres 0,1 volt. Dette er vist ved Ohms lov, V = I*R. Fordi R3 er en virkelig lav værdi ved 0,1 ohm, bliver den ikke overdreven varm (den effekt, den spredes, er givet ved I²R).

Den værdi, du angiver, er en brøkdel af en referencespænding - igen bruges spænding, fordi op -amp ikke kan registrere strøm. Referencespændingen produceres af 2 dioder i serie. Hver diode vil udvikle en spænding over den i området 0,65 volt, når en strøm strømmer gennem den. Denne spænding, som normalt er op til 0,1 volt på hver side af denne værdi, er en iboende egenskab ved silicium p-n-kryds. Så referencespændingen er omkring 1,3 volt. Fordi dette ikke er et præcisionsinstrument, er der ikke behov for stor nøjagtighed her. Dioderne får deres strøm via en modstand. tilsluttet batteriet. Referencespændingen er lidt høj for at indstille belastningen til maksimalt 10 ampere, så potentiometeret, der indstiller udgangsspændingen, er forbundet i serie med en 3k modstand, der sænker spændingen en smule.

Fordi referencen og den aktuelle registreringsmodstand er forbundet sammen og forbundet til op-amp'erens nul volt-forbindelse, kan op-amp'eren registrere forskellen mellem de to værdier og justere dens output, så forskellen reduceres til nær nul. Tommelfingerreglen i brug her er, at en op-amp altid vil forsøge at justere sit output, så det er to indgange med samme spænding.

Der er en elektrolytisk kondensator tilsluttet på tværs af batteriet for at slippe af med enhver støj, der finder vej ind i op-amp'ens forsyning. Der er en anden kondensator forbundet på tværs af dioderne for at dæmpe den støj, de genererer.

Forretningsenden af Tiny Load er dannet af en MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Jeg valgte denne, fordi den var i min uønskede boks og havde tilstrækkelig spænding og strømværdier til dette formål, men hvis du køber en ny, er der meget mere passende enheder at finde.

Mosfet fungerer som en variabel modstand, hvor afløb er forbundet til + siden af forsyningen, du vil teste, kilden er forbundet til R3, og derigennem til - ledningen for den forsyning, du vil teste, og porten er tilsluttet til output fra op-amp. Når der ikke er nogen spænding på porten, fungerer mosfeten som et åbent kredsløb mellem dens afløb og kilde, men når spænding påføres over en bestemt værdi ("tærskel" -spændingen), begynder den at lede. Hæv portspændingen nok, og dens modstand bliver meget lav.

Så op-amp’eren holder portspændingen på et niveau, hvor strømmen, der strømmer gennem R3, får en spænding til at udvikle sig, som er næsten lig med brøkdelen af den referencespænding, du indstiller ved at dreje potentiometeret.

Fordi mosfeten virker som en modstand, har den spænding over den og strøm der strømmer igennem den, hvilket får den til at sprede strøm i form af varme. Denne varme skal gå et eller andet sted, ellers ødelægger den transistoren meget hurtigt, så derfor er den boltet til en køleplade. Matematikken til beregning af kølelegemets størrelse er ligetil, men også lidt mørk og mystisk, men er baseret på de forskellige termiske modstande, der forhindrer varmestrømmen gennem hver del fra halvlederforbindelsen til udeluften og den acceptable temperaturstigning. Så du har den termiske modstand fra krydset til transistorhuset, fra kabinettet til kølelegemet og gennem kølelegemet til luften, tilføj disse sammen for den samlede termiske modstand. Dette er angivet i ° C/W, så for hver watt, der spredes, stiger temperaturen med det antal grader. Tilføj dette til omgivelsestemperaturen, og du får den temperatur, dit halvlederkryds skal arbejde ved.

Trin 2: Dele og værktøjer

Jeg byggede Tiny Load mest ved hjælp af uønskede boksdele, så det er lidt vilkårligt!

PCB'et er lavet af SRBP (FR2), som jeg tilfældigvis har, fordi det var billigt. Det er belagt med 1 oz kobber. Dioder og kondensatorer og mosfet er gamle brugte, og op-amp er en af en pakke med 10, jeg fik for et stykke tid siden, fordi de var billige. Omkostninger er den eneste grund til at bruge en smd -enhed til dette - 10 smd -enheder koster mig det samme som 1 gennemgående hul, man ville have.

• 2 x 1N4148 dioder. Brug mere, hvis du vil kunne indlæse mere strøm.
• MOSFET -transistor, jeg brugte en BUK453, fordi det var det, jeg tilfældigvis havde, men vælg, hvad du kan lide, så længe den aktuelle rating er over 10A, er tærskelspændingen under omkring 5v, og Vds er højere end det maksimum, du forventer at brug det til, det skal være fint. Prøv at vælge en designet til lineære applikationer frem for at skifte.
• 10k potentiometer. Jeg valgte denne værdi, fordi det var det, jeg tilfældigvis havde, hvilket jeg demonterede fra et gammelt tv. Dem med samme nåleafstand er bredt tilgængelige, men jeg er ikke sikker på om monteringsskoene. Du skal muligvis ændre bordets layout til dette.
• Knap, der passer til potentiometeret
• 3k modstand. 3.3k skulle fungere lige så godt. Brug en lavere værdi, hvis du vil kunne indlæse mere strøm med den viste 2-diode-reference.
• LM358 op-amp. Virkelig, enhver enkelt forsyning, jernbane-til-skinne-type burde gøre jobbet.
• 22k modstand
• 1k modstand
• 100nF kondensator. Dette burde virkelig være keramisk, selvom jeg brugte en film
• 100uF kondensator. Skal vurderes til mindst 10V
• 0,1 ohm modstand, minimumseffekt på 10W. Den, jeg brugte, er for stor, igen var omkostningerne den overvældende faktor her. En 25W 0,1 ohm modstand med metalhus var billigere end mere passende typer. Mærkeligt, men sandt.
• Kølelegeme - en gammel CPU -kølelegeme fungerer godt, og har den fordel, at den er designet til at have en blæser tilsluttet, hvis du har brug for en.
• Termisk kølelegeme. Jeg lærte, at keramiske baserede forbindelser fungerer bedre end metalbaserede. Jeg brugte Arctic Cooling MX4, som jeg tilfældigvis havde. Det fungerer godt, er billigt, og du får masser!
• Lille stykke aluminium til beslag
• Små skruer og møtrikker
• lille skydekontakt

Trin 3: Konstruktion

Jeg byggede den lille last ud af skraldespand eller meget billige dele

Kølelegemet er en gammel pentium -æra CPU -kølelegeme. Jeg ved ikke, hvad det er termisk modstand, men jeg gætter på, at det er omkring 1 eller 2 ° C/W baseret på billederne nederst i denne vejledning: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc … selvom erfaringen nu tyder på, at det er ret bedre end dette.

Jeg borede et hul i midten af kølelegemet, bankede på det og monterede transistoren på det med MX4 termisk forbindelse og skruede monteringsskruen direkte i det tapede hul. Hvis du ikke har midlerne til at tappe huller, skal du bare bore det lidt større og bruge en møtrik.

Jeg troede oprindeligt, at dette ville være begrænset til omkring 20W spredning, men jeg har haft det kørende på 75W eller højere, hvor det blev temmelig varmt, men stadig ikke for varmt at bruge. Med en køleventilator tilsluttet ville dette stadig være højere.

Der er ikke noget reelt behov for at bolt den aktuelle sansemodstand til brættet, men hvad er meningen med at have bolthuller, hvis du ikke kan bolte noget til dem? Jeg brugte små stykker tyk ledning tilbage fra noget elektrisk arbejde til at forbinde modstanden til brættet.

Tænd / sluk -kontakten kom fra et nedlagt legetøj. Jeg fik hulafstandene forkert på min pcb, men afstanden på pcb -layoutet her skal passe, hvis du har den samme type miniature SPDT -switch. Jeg inkluderede ikke en LED i det originale design, for at vise at Tiny Load er tændt, men indså, at dette er en tåbelig udeladelse, så jeg har tilføjet det.

De tykke spor, som de står, er ikke rigtig tykke nok til 10 ampere med det 1 oz kobberbeklædte bræt brugt, så det er fyldt med noget kobbertråd. Hver af sporene har et stykke 0,5 mm kobbertråd lagt rundt om det og klistret loddet med mellemrum, bortset fra den korte strækning, der er forbundet med jorden, da jordplanet tilføjer masser af bulk. Sørg for, at den ekstra ledning går lige til mosfet og modstandsstifter.

Jeg lavede printkortet ved hjælp af toneroverførselsmetoden. Der er en enorm mængde litteratur på nettet om dette, så jeg vil ikke gå ind på det, men det grundlæggende princip er, at du bruger en laserprinter til at udskrive designet på noget skinnende papir, derefter stryge det på tavlen og derefter etse det. Jeg bruger noget billigt gult toneroverførselspapir fra Kina og et strygejern indstillet til lidt under 100 ° C. Jeg bruger acetone til at rense toneren. Bliv ved med at tørre af med klude med frisk acetone, indtil de bliver rene. Jeg tog masser af fotos for at illustrere processen. Der er meget bedre materialer til rådighed til jobbet, men lidt over mit budget! Jeg skal normalt røre ved mine overførsler med en tusch.

Bor hullerne med din foretrukne metode, og tilføj derefter kobbertråden til de brede spor. Hvis du ser godt efter, kan du se, at jeg har rodet lidt i min boring (fordi jeg brugte en eksperimentel boremaskine, der er lidt ufuldkommen. Når den fungerer korrekt, laver jeg en instruktion om den, jeg lover!)

Monter først op-amp. Hvis du ikke har arbejdet med smd'er før, skal du ikke blive skræmt, det er ret let. Tin først en af puderne på brættet med en virkelig lille mængde lodde. Placer chippen meget omhyggeligt, og klæb den relevante pin ned til puden, du har fortinnet. Ok nu vil chippen ikke bevæge sig rundt, du kan lodde alle de andre stifter. Hvis du har en flydende flux, gør det lettere at påføre en udsmykning af dette.

Monter resten af komponenterne, den mindste først, hvilket sandsynligvis er dioderne. Sørg for at få dem på den rigtige måde. Jeg gjorde tingene lidt baglæns ved først at montere transistoren på kølelegemet, fordi jeg i første omgang brugte den til at eksperimentere med.

I et stykke tid blev batteriet monteret på brættet ved hjælp af klæbrige puder, hvilket fungerede bemærkelsesværdigt godt! Det blev tilsluttet ved hjælp af et standard pp3 -stik, men kortet er designet til at tage en mere betydelig type holder, der klemmer hele batteriet i. Jeg havde nogle problemer med at reparere batteriholderen, da det kræver 2,5 mm skruer, som jeg har mangel på og ingen møtrikker skal passe. Jeg borede hullerne i klemmen op til 3,2 mm og modborede dem til 5,5 mm (ikke rigtig modboring, jeg brugte bare en borekrone!), Men fandt den større boreknap griber plasten meget skarpt og gik lige igennem et af hullerne. Selvfølgelig kan du bruge klæbrige puder til at reparere det, hvilket i eftertid kan være bedre.

Trim batteriklemmerne, så du har omkring en tomme ledning, tin enderne, træk dem gennem hullerne i brættet og lod enderne tilbage gennem brættet.

Hvis du bruger en metalhusmodstand som den viste, skal du montere den med tykke ledninger. Det skal have en slags afstandsstykker mellem det og brættet, så det ikke overophedes op-amp. Jeg brugte nødder, men metalbøsninger eller stakke af skiver limet til brættet ville have været bedre.

En af boltene, der fastgør batteriklemmen, går også gennem en af modstandsskoene. Dette har vist sig at være en dårlig idé.

Trin 4: Ibrugtagning, forbedringer, nogle tanker

Anvendelse: Tiny Load er designet til at trække en konstant strøm fra en forsyning, uanset hvad spændingen er, så du behøver ikke at tilslutte andet til det, undtagen et amperemeter, som du skal placere i serie med en af indgangene.

Drej knappen ned til nul, og tænd for Tiny Load. Du bør se en lille mængde strøm, op til ca. 50mA.

Juster langsomt knappen, indtil den strøm, du vil teste ved, flyder, lav de test, du skal gøre. Kontroller, at kølelegemet ikke er for varmt - tommelfingerreglen her er, at hvis det brænder dine fingre, er det for varmt. Du har tre muligheder i dette tilfælde:

1. Skru forsyningsspændingen ned
2. Skru ned for Tiny Load
3. Kør den i korte intervaller med masser af tid til afkøling imellem
4. Monter en blæser på kølelegemet

OK okay det er fire muligheder:)

Der er ingen indgangsbeskyttelse, så vær meget forsigtig med at indgangene er forbundet den rigtige vej. Gør det forkert, og mosfets indre diode vil lede al den strøm, der er tilgængelig, og sandsynligvis ødelægge mosfeten i processen.

Forbedringer: Det blev hurtigt tydeligt, at Tiny Load skal have sine egne midler til at måle den strøm, den trækker. Der er tre måder til dette.

1. Den enkleste mulighed er at montere et amperemeter i serie med det positive eller negative input.
2. Den mest nøjagtige mulighed er at tilslutte et voltmeter på tværs af følelsesmodstanden, kalibreret til den modstand, så den viste spænding angiver strømmen.
3. Den billigste løsning er at lave en papirvægt, der passer bag kontrolknappen, og markere en kalibreret skala på den.

Potentielt kan manglen på omvendt beskyttelse være et stort problem. Mosfets egen diode vil lede, om Tiny Load er tændt eller ej. Igen er der en række muligheder for at løse dette:

1. Den enkleste og billigste metode ville være at forbinde en diode (eller nogle dioder parallelt) i serie med indgangen.
2. En dyrere løsning er at bruge en mosfet, som har indbygget omvendt beskyttelse. OK, så det er også den enkleste metode.
3. Den mest komplekse mulighed er at forbinde en anden mosfet i antiserie med den første, som kun udføres, hvis polariteten er korrekt.

Jeg indså, at nogle gange er der virkelig brug for en justerbar modstand, som kan aflede en masse strøm. Det er muligt at bruge en ændring af dette kredsløb til at gøre det, meget billigere end at købe en stor reostat. Så hold øje med Tiny Load MK2, som vil kunne skiftes til resistiv tilstand!

Endelige tankerTiny Load har vist sig at være nyttig, selv før den var færdig, og fungerer meget godt. Jeg havde dog nogle problemer med at konstruere det, og indså bagefter, at en måler og "tændt" indikator ville være værdifulde forbedringer.