Elektronická umelá záťaž 400W 20A

08. november 2020 Návštevy: 6467

Umelá elektronická záťaž pre testovanie napájacích zdrojov, batérií, akumulátorov, rôznych napájacích adaptérov napr. od notebookov s plynulou reguláciou odberu konštantného prúdu.

Umelá elektronická záťaž pre testovanie napájacích zdrojov, batérií, akumulátorov, rôznych napájacích adaptérov napr. od notebookov s plynulou reguláciou odberu konštantného prúdu. Môžete s ňou zistiť a testovať pri akom prúde začne rásť zvlnenie, klesať výstupné napätie, vypínať elektronická poistka či zmerať charakteristiku zdroja.

Základom zapojenia je operačný zosilňovač LM324, ktorý je schopný pracovať na vstupe takmer od nuly. Referenčné napätie pre danú záťaž sa berie z TL431, ktorý vytvára referenčné napätie 2,5V. To ide ďalej na napäťový delič resp. dva deliče, medzi ktorými sa prepína s S2 prepínačom pre 10A a 20A rozsah nastavenia prúdu. V deliči na potenciometri P1 (10 otáčkový) je úbytok napätia niekoľko stoviek mV. V tomto zapojení 250mV pre 10A rozsah a 500mV pre 20A rozsah. Podľa prepnutého deliča sa nastavuje napätie potenciometrom P1 od nuly do max napätia 250/500mV do vstupu LM324. Dané nastavené napätie porovnáva operačný zosilňovač s úbytkom napätia na 0,1R bočníku pod tranzistorom IRFP260 a tieto dva napätia sa snaží vyrovnať na rovnakú hodnotu (snaží sa OZ mať na vstupoch nulový rozdiel napätia). Zmenou napätia potenciometrom P1 sa OZ snaží toto napätie dorovnať spätnou väzbou aj na bočníku 0,1R zmenou pootvorenia tranzistora IRFP260, teda zmenou jeho prechodového odporu a úbytku napätia, čím sa docieli prechod konštantného prúdu zo zdroja cez danú umelú záťaž.

Na jeden tranzistor je možné používať záťaž asi tak na 100W a pri fakt dobrom chladení aj 150W (aj tak asi len krátkodobo). Používať buď žiadne alebo kvalitné podložky, ja som použil tenké keramické. Ak chceme výkonovo záťaž posunúť ešte nahor, je nutné radiť ďalšie tranzistory paralelne, no nesmú sa radiť priamo na tvrdo na seba. Každý tranzistor musí mať svoj vlastný bočník a vlastný OZ na riadenie pre správne rozdelenie prúdov medzi všetky paralelné vetvy. Ja som využil všetky 4 OZ v danom IO LM324 pre 4ks IRFP260 paralelne. Takto som dosiahol pri mojej malej krabici umelú záťaž pre trvalé 400W zaťaženie a krátkodobo aj na 450W. Ideálne je sa držať teplotou tranzistora do 80°C, krátkodobo aj do 100°C. Teplotu meriam sondou prilepenou izolačkou cez teplovodivú pastu priamo na puzdre nad čipom tranzistora. Problémom tranzistorov pri paralelnom spájaní je ich vysoká tolerancia prahového napätia. Potom jeden tranzistor bude už otvorený, no druhý ešte zatvorený a spätná väzba nebude stačiť na dorovnanie prúdov medzi tranzistory. Preto sa zapojenie musí duplikovať (!).

Reguláciu otáčok ventilátorov zapojenie nerieši, všetky tri idú stále na plné otáčky na takmer 15V. Vyberal som také ventilátory, ktoré mali vyššie otáčky a neprekračoval som uvedený prúd na štítku, ani pri vyššom napätí. Vyzerá, že im to nijako nevadí a zvýšil som ešte o niečo viac prietok vzduchu.

Kondenzátory C1 - C4 na výstupoch OZ sú pre stabilitu zapojenia. Čím menšia kapacita, tým rýchlejšia odozva a reakcie. Osciloskopom merať výstup OZ alebo na gejte tranzistora, či zapojenie nekmitá a prípadne podľa toho upraviť dané kondenzátory. Na testovacej doske na stole s jedným IRFP260 mi fungoval aj kondenzátor o kapacite 330p, no vo výsledku so štyrmi tranzistormi paralelne v krabici už som mal problémy s kmitaním záťaže pri jednotkách volt a veľkom odbere prúdu v jednotkách ampér. Musel som pridávať SMD kondenzátory zo spodu dosky až k 3n9. Teraz zapojenie nekmitá ani pri napätí na zdroji pod 1V a prúde nad 10A.

Pre čo najlepšiu stabilitu umelej elektronickej záťaže je dôležité mať riešené snímanie operačným zosilňovačom priamo na vývodoch bočníkov 0,1R s čo najkratšími cestami. Potom zem bočníkov, potenciometra P1, OZ LM324 a referencie TL431 ideálne v jednom bode, čo najbližšie u seba s krátkymi cestami. Ak sa to splní, dosiahne sa perfektne stabilná umelá záťaž. Verím, že ak by sa navrhla poriadne DPS ideálne s prevládajúcimi SMD súčiastkami, stačili by blokovacie C1 - C4 rádovo oveľa menšie len stovky pF a stabilita s rýchlosťou by bola niekde inde, ako takto na univerzálnej doske zbastlene. No aj napriek tomu som dosiahol bezproblémového chodu a stability v celom rozsahu možného používania záťaže.

Túto elektronickú umelú záťaž je možné prevádzkovať trvalo „z odretými ušami“ na 400W a krátkodobo do asi 450W. Maximálne napätie je určené panelovým V-metrom do 100V a maximálny prúd je určený štyrmi 0,1R 3W bočníkmi do 20A.

Použité bočníky 0,1R 3W odporúčam používať priamo takéto pásové originál bočníky (prvá fotka dole) a nie rôzne rezistory 0,1R a pod. pretože sú teplotne nestabilne (!). Panelový V/A meter je z Aliexpress spolu aj s bočníkom 50A 75mV, ktorý bol súčasťou V/A metra.