Aktywne obciążenie

ico_active_load_v2

Pomysł na budowę układu aktywnego obciążenia powstał jako wynik ograniczeń mojej ładowarki modelarskiej. Podczas formowania lub sprawdzania stanu pakietów, często o dużych pojemnościach, musiałem pogodzić się z 5-watowym ograniczeniem procesu rozładowywania. Można oczywiście odczekać wymagany czas, choć lepiej zbudować układ, który będzie w stanie przeprowadzić tą czynność szybciej. Początkowo był nim pojedynczy tranzystor BJT zamontowany na radiatorze i sterowany za pomocą zasilacza laboratoryjnego. Rozwiązanie, mimo że skuteczne, nie było zbytnio praktyczne. Plątanina przewodów i brak możliwości precyzyjnego ustawienia prądu rozładowania nie czyniły pracy miłą. Przyszła więc pora na rozwinięcie projektu jedno-tranzystorowego do postaci w pełni funkcjonalnego urządzenia.

Wspomniane zastosowanie układu podczas pracy z pakietami modelarskimi sugerować może zastosowanie mikroprocesora jako jednostki sterującej (monitorowanie parametrów rozładowywania). Jednak nie byłem do końca przekonany do takiego rozwiązania. Ostatecznie zdecydowałem się na niezwykle prosty układ analogowy, zbudowany w oparciu o jeden wzmacniacz operacyjny i tranzystor.

sch_active_load_v1

Główną częścią układu jest obwód złożony ze wzmacniacza operacyjnego U1B, tranzystora T1 oraz rezystora R15. Dąży on do uzyskania na rezystorze R15 spadku napięcia równego napięciu podanemu na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego. Jako, że nie zależy ono od prądu płynącego w tranzystorze T1 i może przyjmować różne wielkości, układ ten pełni funkcję stabilizowanego, regulowanego źródła prądowego. Tranzystory T5 oraz T6 odpowiadają za poprawne wysterowanie tranzystorów mocy. Wzmacniacz nieodwracający U1A może przydać się w przypadku konieczności wzmacniania napięcia odkładającego się na rezystorze mocy. W przypadku, gdy nie jest konieczny, należy wlutować zworę jako rezystor R11.

Układ może pracować dla różnych wartości prądu obciążenia (w zależności od zastosowanych tranzystorów mocy). Ustalić go można poprzez odpowiedni dobór elementów dzielnika napięcia R1, PR1, PR2. Załóżmy, że maksymalny prąd obciążenia wynosi 10A. Jego przepływ wywoła spadek napięcia na R15=0,1Ω równy 1V. Wynika z tego, że należy dobrać wartość R1 tak, aby maksymalne napięcie w punkcie połączenia R1 z potencjometrem PR1 wynosiło właśnie 1V. Przy ustalaniu prądu należy również pamiętać, że wartość rezystora R15 przekłada się również na ilość wydzielanego na nim ciepła. Przy przepływie prądu 10A oraz rezystancji 0,1Ω wydzielana moc wynosi 10W. Taka wartość komplikuje już proces budowy układu, gdyż koniecznym staje się jej skuteczne rozproszenie. Dla wartości rezystora R15 będącej potęgą liczby 10 wartość prądu obciążenia można w prosty sposób monitorować stosując woltomierz zbudowany w oparciu o popularny układ ICL7107.

Układ w takiej konfiguracji jaka została przedstawiona spełnia już zakładaną funkcję. Warto jednak wyposażyć go chociażby w podstawowe funkcje zwiększające bezpieczeństwo jego pracy. Pamiętać należy, że cała moc konsumowana przez układ aktywnego obciążenia wydziela się na tranzystorach T1-T4. Wiąże się to z koniecznością efektywnego jej rozproszenia. Tutaj pojawia się niejako naturalna granica możliwości układu. Wartość maksymalnego prądu obciążenia można wybrać wedle uznania (nie przekraczając możliwości tranzystorów), jednak już prąd 10A przy napięciu 10V daje słuszne 100W mocy, którą należy odprowadzić. Nie jest to sprawą prostą. Aby chronić układ przed nieostrożnym użytkowaniem zastosowano dodatkowe układy zabezpieczające zbudowane w oparciu o wzmacniacze U2A oraz U2B. Czujnik temperatury LM35 (zamocowany na radiatorze w bezpośredniej bliskości tranzystorów mocy) kontroluje temperaturę pracy tranzystorów. W zależności od jej wartości załączone zostaje wymuszone chłodzenie (wentylator) lub zostaje odłączony układ obciążenia poprzez rozwarcie styków przekaźnika. Dodatkowo, podczas przerwania przepływu prądu, użytkownik zostaje poinformowany wizualnie (dioda D2) oraz dźwiękowo (buzzer Y1). Wartości temperatur załączenia obu zabezpieczeń wybiera się poprzez potencjometry PR3 i PR4 pamiętając o charakterystyce układu LM35, który większa swoje napięcie na wyjściu o 10mV/°C.

Schemat montażowy układu aktywnego obciążenia przedstawiono na rysunku. Montaż elementów jest standardowy – zacząć należy od wlutowania zwor, rezystorów i kolejnych elementów. Pod układy wzmacniaczy operacyjnych warto zastosować podstawki. Jeśli tranzystory mocy nie będą lutowane bezpośrednio na płytce do ich połączenia należy zastosować odpowiednio grube przewody adekwatne do zakładanego maksymalnego prądu obciążenia. Staranność ich prowadzenia w obudowie i krótka długość będą dodatkowymi atutami budowanego urządzenia.

pcb_active_load_v1

Podczas, gdy układ aktywnego obciążenia czekał na montaż w obudowie, koncepcja została nieco zmieniona co spowodowało powstanie drugiej wersji prezentowanego układu. Jest ona pozbawiona niektórych funkcji oraz przystosowana do współpracy z miernikiem panelowym.

sch_active_load_v2

Widać, że pierwotna wersja została niego okrojona. Wynikało to z kilku powodów. Głównym z nich była konieczność zmniejszenia wymiarów gotowej płytki drukowanej. Funkcja pomiaru temperatury została przeniesiona do układu miernika panelowego, który łączy się z układem obciążenia aktywnego poprzez CON1.

pcb_active_load_v2

 

Zdjęcie gotowej płytki czekającej na finalny montaż gotowego urządzenia. Oczekiwanie spowodowane głównie projektem dodatkowej płytki rozszerzającej nieco możliwości opisywanego wcześniej zasilacza stabilizowanego, gdyż obie będą zamieszczone w jednej obudowie.

 

photo_active_load_v2

 

Kategoria: Elektronika
Jeden komentarz
  1. katek says:

    Poprawione zostały pliki w sekcji Download. Teraz każdy, kto chciał pobrać mozaiki płytki w wersji 1 może to zrobić bez problemu.

Dodaj komentarz