Jednoduchá elektronická záťaž 1.2V až 50V a 10A

Jednoduchá elektronická záťaž 1.2V až 50V a 10A
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  376 zobrazení
1
 2
Zaujímavé zapojenia

Popisovaná elektronická záťaž je určená pre statické a aj dynamické testovanie napájacích zdrojov a na "dovybitie" akumulátorov pred ich nabíjaním. Nepatrí síce k najnovším zapojeniam, ale vďaka svojej pomerne jednoduchej reprodukovateľnosti sme sa rozhodli pre jej uverejnenie. Záťaž môže pracovať buď ako odpor, keď je zaťažovací prúd úmerný napätiu zaťažovaného zdroja, alebo ako vtok prúdu (current sink), kedy je zaťažovací prúd konštantný a nezávislý na napätí zaťažovaného zdroja. Rozsah zaťažovacieho prúdu je nastaviteľný od nuly až do 10 A. Nnapätie zaťažovaného zdroja smie byť v rozsahu od 1,2 do 50 V. Aby bolo možné skúmať dynamické správanie zaťažovaného zdroja, je možné zaťažovací prúd prerušovať impulzmi z vnútorného generátora, ktoré majú striedu 1:1 a voliteľný kmitočet približne 1 Hz, 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz a 10 kHz,

Elektronická záťaž je tiež vybavená komparátorom, ktorý pri vybíjaní akumulátora prerušuje pri poklese napätia akumulátora pod nastaviteľnú rozhodovaciu úroveň (0 až 25 V) zaťažovací prúd a tým bezpečne ukončí jeho vybíjanie.

Popis funkcie

Schéma elektronickej záťaže je na obr. 1. Ako samotná záťaž je použitý výkonový tranzistor T1 (MOSFET typu BUZ11, alebo podobný), ktorý premieňa energiu odoberanú zo zaťažovaného zdroja na teplo. Tranzistor T1 je budený operačným zosilňovačom IO2B, ktorý porovnáva napätie z bočníka R15, úmerné zaťažovaciemu prúdu, s referenčným napätím z bežca potenciometra R10. Súčiastky C12, R13 a R14 zabraňujú prípadnému kmitaniu obvodu. Na potenciometer R10 sa cez prepínač S2 pre voľbu režimu prevádzky privádza buď vnútorné napájacie napätie 9 V alebo vonkajšie napätie zo zaťažovaného zdroja.

Schéma zapojenia

obr.1 Schéma zapojenia elektronickej záťaže

Ak je na potenciometer R10 privádzané vnútorné napájacie napätie (poloha B prepínača S2), je zaťažovací prúd nezávislý na napätí zaťažovaného zdroja a záťaž sa chová ako vtok konštantného prúdu. Vnútorné napájacie napätie +9 V je potenciometrom R10 a nasledujúcim odporovím deličom s rezistormi R11, R12 zmenšené na veľkosť približne 0 až 1 V a toto napätie je zavedené na neinvertujúci vstup 5 operačného zosilňovača IO2B. Na bočníku R15 sa prietokom zaťažovacieho prúdu musí vytvárať úbytok napätia tiež 0 až 1 V a tomu podľa Ohmovho zákona zodpovedá rozsah zaťažovacieho prúdu 0 až 10 A.

Ak je na potenciometer R10 privádzané vonkajšie napätie zo zaťažovaného zdroja (poloha B prepínača S2), je zaťažovací prúd úmerný napätiu záťaže a záťaž sa tak chová ako odpor. V dolnej polohe bežca potenciometra R10 (bežec je uzemnený) nepreteká záťažou žiadny prúd a odpor záťaže je preto nekonečný. V hornej polohe bežca (bežec je spojený s prepínačom S2) preteká záťažou maximálny prúd a odpor záťaže je minimálny. Veľkosť minimálneho odporu záťaže odvodíme nasledujúcou úvahou. Pri napätí zaťažovaného zdroja 9 V je na vstupe 5 operačného zosilňovača IO2B napätie 1 V, na R15 preto musí byť tiež 1 V a tomu zodpovedá zaťažovací prúd 10 A. Minimálna veľkosť odporu záťaže z toho podľa Ohmovho zákona vychádza 9 V/10 A = 0,9 Ω.

Potenciometrom R10 sa teda odpor záťaže reguluje od nekonečna do 0,9 Ω. Zaťažovací prúd je možné impulzne prerušovať tak, že sa cez oddeľovaciu diódu D6 privádzajú z multivibrátora s IO3 na invertujúci vstup 6 IO2B impulzy o napätí väčšom, než je napätie na neinvertujúcom vstupe 5 IO2B. Multivibrátor je zapojený s časovačom 555 a použitím diód D4 a D5 je dosiahnuté to, že stieda vstupných impulzov je približne 1:1. Frekvencia multivibrátora sa ovláda prípínačom S1A, a v polohe 6 je 10 kHz, a v polohe 5 je 1 kHz, a v polohe 2 je to 1 Hz. Druhou sekciou prepínača S1B sa v polohe 1 multivibrátor odpája a zaťažovací prúd je potom neprerušovaný.

Ďalej sa zaťažovací prúd preruší vtedy, keď sa na vstup 6 IO2B privedie cez oddeľovaciu diódu D3 kladné napätie z vstupu komparátora s operačným zosilňovačom IO2A. Na vstupe komparátora s IO2A sa objaví kladné napätie (vysoká úroveň - H) v prípade, keď napätie zaťažovaného zdroja, znížené deličom R5, R4, a je menšie ako referenčné napätie na bežcovi potenciometra R2. Pre spoľahlivú funkciu komparátora je rezistorom R6 zavedená hysterézia a napätie na deliči R5, R4 je filtrované kondenzátorom C5 (kondenzátor C5 "vnáša" do funkcie komparátora oneskorenie asi 1 s, čo musíme brať do úvahy pri využívaní komparátora).

Hysterézia komparátora má za následok, že pri nevhodnej polarite vstupnej napäťovej nesymetrie operačného zosilňovača IO2A sa pri zapnutí napájacieho napätia uvedie vstup IO2A do vysokej úrovne H a zaťažovací prúd začne pretekať až vtedy, keď napätie zaťažovaného zdroja dosiahne dostatočnú veľkosť a preklopí komparátor do nízkej úrovne L. Pri uzemnenom bežci potenciometra R2 je toto minimálne napätie zaťažovaného zdroja asi 1,2 V. Pri vhodnej polarite vstupnej napäťovej nesymetrie operačného zosilňovača IO2A (dané výberom IO2) však môže pretekať zaťažovací prúd už od takmer nulového napätia zaťažovaného zdroja. Preklopenie výstupu komparátora do vysokej úrovne a prerušenie zaťažovacieho prúdu komparátorom je indikované svitom červenej LED D2. Vnútorné obvody elektronickej záťaže sú napájané stabilizovaným napätím +9 V, odoberaným zo stabilizátora IO1. Prítomnosť napájacieho napätia je indikovaná zelenou LED D1. Stabilizátor IO1 sa napája vonkajším napätím 12 V, privádzaním napríklad zo sieťového adaptéra. Odber napájacieho prúdu by nemal prekročiť hodnotu približne 25 mA.

Konštrukcia a oživenie

Väčšina súčiastok elektronickej záťaže je prispájkovaná na jednostrannej doske plošných spojmi. Obrazec spojov je na obr. 2, rozmiestnenie súčiastok na doske je na obr. 3. Pre IO2 a IO3 je vhodné použiť objímky. Pod integrovaným obvodom IO3 je drôtová prepojka.

Berte na vedomie, že tranzistor T1 musí byť opatrený dostatočne veľkým chladičom - a to aj počas oživovania!

Dosku s chladičom je vhodné zastavať do skrínky s dostatočným prúdením vzduchu. Na prednom paneli umiestnite všetky potrebné ovládacie a indikačné prvky a pripojovacie svorky. Napájací konektor je priskrutkovaný na zadnom paneli. Súčiastky umiestnené mimo dosku plošných spojov sú prepojené s doskou lankovými vodičmi o vhodnom priemere. Skratkou CW (clock wise) je označený vždy ten vývod potenciometra, ktorého sa dotýka bežec pri natočení do krajnej polohy v smere hodinových ručičiek.

Zložený prístroj teraz oživíme. Po privedení napájacieho napätia skontrolujeme prítomnosť napájacieho napätie +9 V. Potenciometer R2 natočíme tak, aby bol bežec uzemnený  a prípínač nastavíme do polohy 1. Potom pripojíme ku svorkám J3 a J4 vonkajší zdroj a vykonáme kontrolu funkciu záťaže a to v oboch polohách prepínača S2. Potom prepínačom S1 zapneme impulzné prerušovanie zaťažovacieho prúdu, skontrolujeme činnosť a zmeníme kmitočty impulzov (pri realizovanej vzorke boli 9 kHz až 0,9 Hz, čo je vyhovujúce). Nakoniec vyskúšame funkciu komparátora s IO2A. Pokiaľ ste pracovali správne tak by záťaž mala pracovať bez problémov "na prvé zapojenie". Niektoré (na prvý pohľad prekvapujúce) poznatky z oživovania (oneskorenie funkcie komparátora IO2A pôsobením C5 a vplyv hysterézie komparátora na potrebné minimálne napätie zaťažovaného zdroja) boli spomenuté v predchádzajúcom popise funkcie.

Plošný spoj

obr. 2 Doska plošných spojov elektronickej záťaže

obr. 3 Rozmiestnenie súčiastok na doske plošných spojov

Poznámky ku konštrukcii : Zapojenie elektronickej záťaže nie je najnovšie, ale je považované za pomerne jednoduché. Ale, aj keby ste pracovali správne, tak určite zistíte, že táto konštrukcia má malé nedostatky, ktoré by bolo vhodné odstrániť. Predovšetkým pri plnom zaťažovacom prúde je aj pri relatívne malom napätí záťaže, napr. 12 V, značne preťažovaný bočník R15 (je na ňom výkonová strata až10 W) a aj tranzistor T1 (jeho výkonová strata je až 110 W!). Podľa skúseností je možné z púzdra TO220 tranzistora T1 bezpečne odvádzať bežným chladičom maximálny výkon iba asi 30 W. Je preto vhodné zväčšiť odpor rezistora R15 a zmenšiť tak maximálnu hodnotu zaťažovacieho prúd na 2 až 5 A.

Na mieste T1 by bolo vhodné ak by ste použili viac tranzistorov, ktoré zapojíte paralelne (každý s vlastným bočníkom R15). Spoľahlivosti prístroja by to totiž značne prospelo, keby sa T1 doplnil o tepelnú ochranu doplnenú ventilátorom, ktorá by pri vysokej teplote dokázala spoľahlivo odpojiť prúd záťaže a bezpečne ochladiť výkonové prvky záťaže. Tiež sa ukázalo, že ovládanie zaťažovacieho prúdu (resp. vnútorného odporu záťaže) potenciometrom R10 je príliš hrubé. Bolo by preto vhodné ovládať záťaž vo viacerých rozsahoch, ktoré by sa prepínali napríklad zmenou odporu bočníka R15. Rovnako ba bolo tiež veľmi vhodné merať (najlepšie digitálne) zaťažovací prúd a referenčné napätie komparátora s IO2A, aby bolo možné elektronickú záťaž pohodlnejšie ovládať.

Zoznam komponentov

Pozícia komponentu Hodnota Poznámka
R1, R7, R13 1 kΩ Všetky rezistory s kovovou vrstvou 0,5W, 1 %
R3, R4 47 kΩ
R4, R21 470 Ω
R5 91 kΩ
R6 6,8 kΩ
R8, R9 1 MΩ
R11, R14 10 kΩ
R12 1,2 kΩ
R15 0,1 Ω /5 W Drôtový potenciometr jednoduchý, hriadeľ 6 mm
C3, C4, C11 100 nF Keramické kondenzátory, RM = 5 mm
C12 47 pF
C 9 100 nF Fóliové kondenzátory, RM = 5 mm
C 10 10 nF
C 1 470 µF/16 V Elektrolytické radiálne kondenzátory
C2, C5, C7 10 µF/35 V
C 6 100 µF/16 V
D 1 LED, zelená Polovodičové komonenty
D 2 LED, červená
D3, D4, D5, D6 1N4148
T1 BUZ11
IO 1 78L09
IO 2 LM358
IO 3 NE555
S 1 otočný prepínač šesťpolohový, dvojpólový Ostatné komponenty
S 2 páčkový prepínač ON - ON, jednopólový
chladič pro T1
dve objímky DIL8 (pre IO2 a IO3)
vstupné svorky
spojovací materiál

 

Zdroj : FUNKAMATEUR, 4/1997, KE AR 1/2002

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 200.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Milan Fiala pred 5 mesiacmi

Zbývá ještě dodat, že článek je kompletně vybrabčený z KE AR 1/2002. Včetně obrázků a částí textu přeložených do Slovenčiny.

Elektrolab pred 5 mesiacmi

Zdravím Milan, článok vyšiel v originále v nemeckom časopise FUNKAMATEUR, 4/1997 - A Radio ho iba prevzalo a pokiaľ si všimnete, tak zdroj je uvedený. Pokiaľ máte svoju vlastnú konštrukciu - radi vám ju uverejnime v originále a aj s fotografiami.

Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo
PCBWay Promo
PCBWay Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Webwiki Button