Tiny Load - Constante stroombelasting - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Ik heb mezelf een bank-PSU ontwikkeld en heb eindelijk het punt bereikt waarop ik er een belasting op wil uitoefenen om te zien hoe het presteert. Na het bekijken van de uitstekende video van Dave Jones en het bekijken van een paar andere internetbronnen, kwam ik op Tiny Load. Dit is een instelbare constante stroombelasting, die ongeveer 10 ampère aan moet kunnen. De spanning en stroom worden beperkt door de nominale waarden van de uitgangstransistor en de grootte van het koellichaam.

Het moet gezegd, er zijn een aantal echt slimme ontwerpen die er zijn! Tiny Load is heel eenvoudig en eenvoudig, een kleine wijziging van Dave's ontwerp, maar het zal nog steeds de kracht verdrijven die nodig is om een psu te testen, zolang het niet meer sap krijgt dan het aankan.

Tiny Load heeft geen stroommeter aangesloten, maar u kunt een externe ampèremeter aansluiten of de spanning over de feedbackweerstand bewaken.

Ik heb het ontwerp enigszins gewijzigd nadat ik het had gebouwd, dus de hier gepresenteerde versie heeft een LED om aan te geven dat het is ingeschakeld en een beter pcb-patroon voor de schakelaar.

Het schema en de PCB-layout worden hier gepresenteerd als PDF-bestanden en ook als JPEG-afbeeldingen.

Stap 1: Werkingsprincipe

Voor degenen die niet goed thuis zijn in elektronische principes, hier is een uitleg van hoe het circuit werkt. Als dit je allemaal bekend is, sla dan gerust door!

Het hart van de Tiny Load is een LM358 dual op-amp, die de stroom die in de belasting vloeit vergelijkt met een waarde die je instelt. Op-amps kunnen de stroom niet rechtstreeks detecteren, dus de stroom wordt omgezet in een spanning, die de op-amp kan detecteren, door de weerstand R3, bekend als de stroomdetectieweerstand. Voor elke versterker die in R3 stroomt, wordt 0,1 volt geproduceerd. Dit wordt weergegeven door de wet van Ohm, V=I*R. Omdat R3 een erg lage waarde is, wordt hij bij 0,1 ohm niet extreem heet (het vermogen dat hij dissipeert wordt gegeven door I²R).

De waarde die u instelt, is een fractie van een referentiespanning - nogmaals, spanning wordt gebruikt omdat de op-amp geen stroom kan detecteren. De referentiespanning wordt geproduceerd door 2 diodes in serie. Elke diode zal er een spanning over ontwikkelen in het gebied van 0,65 volt, wanneer er een stroom doorheen vloeit. Deze spanning, die gewoonlijk tot 0,1 volt aan weerszijden van deze waarde is, is een inherente eigenschap van silicium pn-overgangen. De referentiespanning is dus ongeveer 1,3 volt. Omdat dit geen precisie-instrument is, is hier geen grote nauwkeurigheid nodig. De diodes krijgen hun stroom via een weerstand. aangesloten op de batterij. De referentiespanning is een beetje hoog om de belasting op maximaal 10 ampère in te stellen, dus de potentiometer die de uitgangsspanning instelt, is in serie geschakeld met een 3k-weerstand die de spanning een beetje verlaagt.

Omdat de referentie en de stroomdetectieweerstand met elkaar zijn verbonden en verbonden met de nul volt-aansluiting van de op-amp, kan de op-amp het verschil tussen de twee waarden detecteren en de uitvoer aanpassen zodat het verschil wordt teruggebracht tot bijna nul. De vuistregel die hier wordt gebruikt, is dat een op-amp altijd zal proberen zijn output aan te passen zodat de twee inputs dezelfde spanning hebben.

Er is een elektrolytische condensator over de batterij aangesloten om eventuele ruis te verwijderen die zijn weg vindt naar de voeding van de op-amp. Er is nog een condensator aangesloten over de diodes om de ruis die ze genereren te dempen.

Het zakelijke uiteinde van de Tiny Load wordt gevormd door een MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Ik koos deze omdat hij in mijn junkbox zat en voor dit doel voldoende spannings- en stroomwaarden had, maar als je een nieuwe koopt, zijn er veel meer geschikte apparaten te vinden.

De mosfet werkt als een variabele weerstand, waarbij de afvoer is aangesloten op de + kant van de voeding die u wilt testen, de bron is aangesloten op R3, en daardoor op de - aansluiting van de voeding die u wilt testen, en de poort is aangesloten naar de uitgang van de op-amp. Wanneer er geen spanning op de poort staat, werkt de mosfet als een open circuit tussen de afvoer en de bron, maar wanneer er spanning boven een bepaalde waarde (de "drempel" -spanning) wordt aangelegd, begint deze te geleiden. Verhoog de poortspanning voldoende en de weerstand zal erg laag worden.

Dus de op-amp houdt de poortspanning op een niveau waar de stroom die door R3 vloeit een spanning veroorzaakt die bijna gelijk is aan de fractie van de referentiespanning die u instelt door aan de potentiometer te draaien.

Omdat de mosfet zich als een weerstand gedraagt, staat er spanning over en stroomt er stroom door, waardoor hij vermogen dissipeert, in de vorm van warmte. Deze warmte moet ergens heen, anders zou de transistor heel snel kapot gaan, daarom is hij vastgeschroefd aan een koellichaam. De wiskunde voor het berekenen van de grootte van het koellichaam is eenvoudig, maar ook een beetje donker en mysterieus, maar is gebaseerd op de verschillende thermische weerstanden die de warmtestroom door elk onderdeel van de halfgeleiderverbinding naar de buitenlucht belemmeren, en de acceptabele temperatuurstijging. Dus je hebt de thermische weerstand van de junctie naar de transistorbehuizing, van de behuizing naar het koellichaam en door het koellichaam naar de lucht, tel deze bij elkaar op voor de totale thermische weerstand. Dit wordt gegeven in °C/W, dus voor elke watt die wordt afgevoerd, stijgt de temperatuur met dat aantal graden. Voeg dit toe aan de omgevingstemperatuur en je krijgt de temperatuur waarop je halfgeleiderjunctie zal werken.

Stap 2: Onderdelen en gereedschappen

Ik heb de Tiny Load voornamelijk gebouwd met onderdelen van junkbox, dus het is een beetje willekeurig!

De printplaat is gemaakt van SRBP (FR2) dat ik toevallig heb omdat het goedkoop was. Het is gecoat met 1oz koper. De diodes en condensatoren en mosfet zijn oude gebruikte, en de op-amp is een van een pakket van 10 die ik een tijdje geleden kreeg omdat ze goedkoop waren. De kosten zijn de enige reden om hiervoor een smd-apparaat te gebruiken - 10 smd-apparaten kosten me hetzelfde als 1 doorgaand gat.

• 2x 1N4148 diodes. Gebruik meer als u meer stroom wilt kunnen laden.
• MOSFET-transistor, ik heb een BUK453 gebruikt omdat ik die toevallig had, maar kies wat je wilt, zolang de stroomsterkte hoger is dan 10A, de drempelspanning lager is dan ongeveer 5v en de Vds hoger is dan het maximum dat je verwacht gebruik het bij, het zou goed moeten zijn. Probeer er een te kiezen die is ontworpen voor lineaire toepassingen in plaats van voor schakelen.
• 10k potmeter. Ik heb deze waarde gekozen omdat ik het toevallig had, namelijk een die ik van een oude tv heb gedemonteerd. Degenen met dezelfde penafstand zijn overal verkrijgbaar, maar ik ben niet zeker van de montagenokken. Mogelijk moet u hiervoor de indeling van het bord aanpassen.
• Knop om op de potentiometer te passen
• 3k weerstand. 3.3k zou net zo goed moeten werken. Gebruik een lagere waarde als u meer stroom wilt kunnen laden met de weergegeven 2-diode-referentie.
• LM358 opamp. Eigenlijk zou elke enkele levering, rail-to-rail-type het werk moeten doen.
• 22k weerstand
• 1k weerstand
• 100nF condensator. Dit zou echt keramiek moeten zijn, hoewel ik een film heb gebruikt
• 100uF condensator. Moet minimaal 10V. zijn
• 0.1 ohm weerstand, minimum vermogen van 10W. Degene die ik gebruikte is te groot, opnieuw waren de kosten de overweldigende factor hier. Een weerstand van 25 W 0,1 ohm met metalen behuizing was goedkoper dan typen met een meer geschikt vermogen. Raar maar waar.
• Heatsink - een oude CPU-heatsink werkt goed en heeft het voordeel dat er een ventilator aan kan worden bevestigd als je die nodig hebt.
• Thermische koellichaamsamenstelling. Ik heb geleerd dat op keramiek gebaseerde verbindingen beter werken dan op metaal gebaseerde verbindingen. Ik gebruikte Arctic Cooling MX4 die ik toevallig had. Het werkt goed, is goedkoop en je krijgt veel!
• Klein stukje aluminium voor beugel
• Kleine schroeven en moeren
• kleine schuifschakelaar

Stap 3: constructie

Ik heb de kleine lading uit een rommeldoos of zeer goedkope onderdelen gebouwd

De heatsink is een CPU-heatsink uit het oude pentium-tijdperk. Ik weet niet wat de thermische weerstand is, maar ik vermoed dat het ongeveer 1 of 2°C/W is op basis van de afbeeldingen onderaan deze handleiding: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc… hoewel de ervaring nu zou suggereren dat het beter is dan dit.

Ik boorde een gat in het midden van het koellichaam, tikte erop en monteerde de transistor erop met MX4 thermische verbinding en schroefde de montageschroef rechtstreeks in het getapte gat. Als je niet de middelen hebt om gaten te tappen, boor dan gewoon een beetje groter en gebruik een moer.

Ik dacht oorspronkelijk dat dit beperkt zou zijn tot ongeveer 20W dissipatie, maar ik heb het laten draaien op 75W of hoger, waar het behoorlijk heet werd, maar nog steeds niet te heet om te gebruiken. Met een aangesloten koelventilator zou dit nog hoger zijn.

Het is niet echt nodig om de stroomdetectieweerstand op het bord te schroeven, maar wat heeft het voor zin om boutgaten te hebben als je er niets aan kunt vastschroeven? Ik gebruikte kleine stukjes dikke draad die over waren van wat elektrisch werk, om de weerstand op het bord aan te sluiten.

De aan / uit-schakelaar kwam van een ter ziele gegane speelgoed. Ik had de gatafstanden verkeerd op mijn pcb, maar de afstand op de pcb-lay-out die hier wordt gegeven, zou moeten passen als je hetzelfde type miniatuur SPDT-schakelaar hebt. ingeschakeld, maar realiseerde me dat dit een dwaze omissie is, dus ik heb het toegevoegd.

De dikke tracks zoals ze zijn, zijn niet echt dik genoeg voor 10 ampère met het 1oz met koper beklede bord, dus het is opgevuld met wat koperdraad. Elk van de sporen heeft een stuk koperdraad van 0,5 mm eromheen en met tussenpozen vastgesoldeerd, behalve het korte stuk dat is verbonden met aarde, omdat het grondvlak veel bulk toevoegt. Zorg ervoor dat de toegevoegde draad recht naar de mosfet- en weerstandspinnen gaat.

Ik heb de print gemaakt met de toner transfer methode. Er is een enorme hoeveelheid literatuur op het net hierover, dus ik zal er niet op ingaan, maar het basisprincipe is dat je een laserprinter gebruikt om het ontwerp op een glanzend papier af te drukken, het dan op het bord te strijken en dan te etsen het. Ik gebruik wat goedkoop geel toner transferpapier uit China en een strijkijzer ingesteld op iets onder de 100°C. Ik gebruik aceton om de toner eraf te halen. Blijf gewoon afvegen met vodden met verse aceton totdat ze schoon zijn. Ik heb veel foto's gemaakt om het proces te illustreren. Er zijn veel betere materialen beschikbaar voor de klus, maar een beetje boven mijn budget! Meestal moet ik mijn transfers bijwerken met een markeerstift.

Boor de gaten met uw favoriete methode en voeg vervolgens de koperdraad toe aan de brede sporen. Als je goed kijkt, kun je zien dat ik mijn boren een beetje heb verknoeid (omdat ik een experimentele boormachine heb gebruikt die enigszins onvolmaakt is. Als het goed werkt, zal ik er een Instructable op doen, dat beloof ik!)

Monteer eerst de op-amp. Als je nog niet eerder met smd's hebt gewerkt, laat je dan niet intimideren, het is vrij eenvoudig. Vertin eerst een van de pads op het bord met een heel kleine hoeveelheid soldeer. Plaats de chip heel voorzichtig en plak de betreffende pin vast aan de vertinde pad. Ok nu zal de chip niet bewegen, je kunt alle andere pinnen solderen. Als u wat vloeibare flux heeft, maakt het aanbrengen van een uitstrijkje het proces gemakkelijker.

Monteer de rest van de componenten, de kleinste eerst, dit zijn hoogstwaarschijnlijk de diodes. Zorg ervoor dat je ze op de juiste manier krijgt. Ik deed het iets naar achteren door eerst de transistor op het koellichaam te monteren, omdat ik er in eerste instantie mee experimenteerde.

Een tijdje was de batterij met plakkussentjes op het bord gemonteerd, wat opmerkelijk goed werkte! Het was aangesloten met een standaard pp3-connector, maar het bord is ontworpen om een meer substantieel type houder te nemen die de hele batterij vastklikt. Ik had wat problemen met het bevestigen van de batterijhouder, omdat er 2,5 mm schroeven voor nodig zijn, die ik schaars heb en geen moeren om te passen. Ik heb de gaten in de clip uitgeboord tot 3,2 mm en verzinkt tot 5,5 mm (niet echt verzinken, ik heb gewoon een boor gebruikt!), maar merkte dat de grotere boor het plastic heel scherp grijpt en dwars door een van de gaten ging. Natuurlijk kun je plakkerige pads gebruiken om het te repareren, wat achteraf misschien beter is.

Knip de draden van de batterijclip af zodat je ongeveer 2,5 cm draad hebt, vertin de uiteinden, steek ze door de gaten in het bord en soldeer de uiteinden terug door het bord.

Als u een weerstand in een metalen behuizing gebruikt, zoals de getoonde, monteer deze dan met dikke draden. Het moet een soort afstandhouders hebben tussen het en het bord, zodat het de op-amp niet oververhit. Ik gebruikte moeren, maar metalen hulzen of stapels ringen die op het bord waren gelijmd, zouden beter zijn geweest.

Een van de bouten waarmee de batterijclip is bevestigd, gaat ook door een van de weerstandsnokken. Dit is een slecht idee gebleken.

Stap 4: In gebruik nemen, verbeteringen, enkele gedachten

Gebruik: Tiny Load is ontworpen om een constante stroom uit een voeding te halen, ongeacht de spanning, dus u hoeft er niets anders op aan te sluiten, behalve een ampèremeter, die u in serie moet plaatsen met een van de ingangen.

Draai de knop naar nul en zet Tiny Load aan. U zou een kleine hoeveelheid stroom moeten zien, tot ongeveer 50 mA.

Pas de knop langzaam aan totdat de stroom waarop u wilt testen loopt, voer de tests uit die u moet doen. Controleer of het koellichaam niet extreem heet is - de vuistregel hier is dat als het je vingers brandt, het te heet is. Je hebt in dit geval drie opties:

1. Verlaag de voedingsspanning
2. Tiny Load uitschakelen
3. Laat het met korte tussenpozen draaien met voldoende tijd om tussendoor af te koelen
4. Plaats een ventilator op het koellichaam

Oké oké dat zijn vier opties:)

Er is geen ingangsbeveiliging, dus let goed op dat de ingangen op de juiste manier zijn aangesloten. Als je het verkeerd doet, zal de intrinsieke diode van de mosfet alle beschikbare stroom geleiden en daarbij waarschijnlijk de mosfet vernietigen.

Verbeteringen: Het werd al snel duidelijk dat Tiny Load zijn eigen manier moet hebben om de stroom die het trekt te meten. Er zijn drie manieren om dit te doen.

1. De eenvoudigste optie is om een ampèremeter in serie te plaatsen met de positieve of negatieve ingang.
2. De meest nauwkeurige optie is om een voltmeter over de meetweerstand aan te sluiten, gekalibreerd op die weerstand zodat de getoonde spanning de stroom aangeeft.
3. De goedkoopste optie is om een papieren weegschaal te maken die achter de bedieningsknop past en daarop een geijkte weegschaal te markeren.

Mogelijk kan het ontbreken van een omgekeerde beveiliging een groot probleem zijn. De intrinsieke diode van de mosfet zal geleiden of Tiny Load is ingeschakeld of niet. Ook hier zijn er een aantal mogelijkheden om dit op te lossen:

1. De eenvoudigste en goedkoopste methode zou zijn om een diode (of enkele diodes parallel) in serie te schakelen met de ingang.
2. Een duurdere optie is om een mosfet te gebruiken die een ingebouwde achteruitrijbeveiliging heeft. OK, dus dat is ook de eenvoudigste methode.
3. De meest complexe optie is om een tweede mosfet in anti-serie aan te sluiten op de eerste, die alleen geleidt als de polariteit correct is.

Ik realiseerde me dat wat soms echt nodig is, een instelbare weerstand is die veel kracht kan afvoeren. Het is mogelijk om een aanpassing van dit circuit te gebruiken om dat te doen, veel goedkoper dan het kopen van een grote regelweerstand. Dus kijk uit voor Tiny Load MK2 die in de resistieve modus kan worden geschakeld!

Laatste gedachten Tiny Load heeft zijn nut bewezen nog voordat het klaar was, en werkt erg goed. Ik had echter wat problemen om het te bouwen en realiseerde me achteraf dat een meter en een "aan"-indicator waardevolle verbeteringen zouden zijn.