Liten belastning - konstant strömbelastning: 4 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Jag har utvecklat mig en bänk -PSU och äntligen nått den punkt där jag vill lägga en belastning på den för att se hur den fungerar. Efter att ha sett Dave Jones utmärkta video och tittat på några andra internetresurser kom jag på Tiny Load. Detta är en justerbar konstant strömbelastning, som ska kunna hantera cirka 10 ampere. Spänningen och strömmen begränsas av utgångstransistorns betyg och kylflänsens storlek.

Det måste sägas, det finns några riktigt smarta mönster där ute! Tiny Load är verkligen grundläggande och enkel, en liten ändring av Daves design, men det kommer fortfarande att skingra den kraft som behövs för att testa en psu, så länge den inte får mer juice än den klarar.

Tiny Load har ingen strömmätare ansluten, men du kan ansluta en extern amperemeter eller övervaka spänningen över återkopplingsmotståndet.

Jag ändrade designen något efter att jag byggde den, så versionen som presenteras här har en lysdiod för att berätta att den är påslagen och ett bättre PCB -mönster för omkopplaren.

Den schematiska och PCB -layouten presenteras här som PDF -filer och även som JPEG -bilder.

Steg 1: Princip för drift

För dem som inte är väl insatta i elektroniska principer, här är en förklaring till hur kretsen fungerar. Om allt detta är välkänt för dig, hoppa gärna vidare!

Hjärtat i Tiny Load är en LM358 dubbel op-amp, som jämför strömmen som flödar i lasten med ett värde du ställer in. Op-förstärkare kan inte detektera ström direkt, så strömmen förvandlas till en spänning, som op-amp kan upptäcka av motståndet, R3, känd som det strömavkännande motståndet. För varje förstärkare som flödar i R3 produceras 0,1 volt. Detta visas av Ohms lag, V = I*R. Eftersom R3 är ett riktigt lågt värde, vid 0,1 ohm, blir det inte alltför varmt (den effekt det försvinner ges av I²R).

Värdet du anger är en bråkdel av en referensspänning - återigen används spänning eftersom op -amp inte kan detektera ström. Referensspänningen produceras av 2 dioder i serie. Varje diod kommer att utveckla en spänning över den i området 0,65 volt, när en ström strömmar genom den. Denna spänning, som vanligtvis är upp till 0,1 volt på vardera sidan av detta värde, är en inneboende egenskap hos kisel-p-n-korsningar. Så referensspänningen är cirka 1,3 volt. Eftersom detta inte är ett precisionsinstrument behövs det ingen stor noggrannhet här. Dioderna får sin ström via ett motstånd. ansluten till batteriet. Referensspänningen är lite hög för att ställa in belastningen till maximalt 10 ampere, så potentiometern som ställer in utspänningen är seriekopplad med ett 3k -motstånd som tappar spänningen lite.

Eftersom referensen och det nuvarande avkänningsmotståndet är anslutna tillsammans och anslutna till op-ampars nollvoltsanslutning kan op-amparen detektera skillnaden mellan de två värdena och justera dess utgång så att skillnaden reduceras till nära noll. Tumregeln som används här är att en op-amp alltid försöker justera sin utgång så att det är två ingångar med samma spänning.

Det finns en elektrolytkondensator ansluten tvärs över batteriet för att bli av med eventuellt brus som kommer in i op-amp: s matning. Det finns en annan kondensator ansluten över dioderna för att dämpa bullret de genererar.

Affärsänden av Tiny Load bildas av en MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Jag valde den här eftersom den var i min skräpbox och hade tillräckliga spännings- och strömvärden för detta ändamål, men om du köper en ny finns det mycket mer lämpliga enheter att hitta.

Mosfet fungerar som ett variabelt motstånd, där avlopp är anslutet till + sidan av matningen du vill testa, källan är ansluten till R3, och genom det till - ledningen för den matning du vill testa, och porten är ansluten till utgången från op-amp. När det inte finns någon spänning på grinden fungerar mosfeten som en öppen krets mellan dess avlopp och källa, men när spänning appliceras över ett visst värde ("tröskel" -spänningen) börjar den leda. Höj grindspänningen tillräckligt och dess motstånd blir mycket låg.

Så op-amparen håller grindspänningen på en nivå där strömmen som flyter genom R3 får en spänning att utvecklas som är nästan lika med fraktionen av referensspänningen du ställer in genom att vrida potentiometern.

Eftersom mosfeten fungerar som ett motstånd, har den spänning över den och strömmen strömmar genom den, vilket får den att skingra ström, i form av värme. Denna värme måste gå någonstans annars skulle det förstöra transistorn mycket snabbt, så av den anledningen sitter den fast i en kylfläns. Matematiken för att beräkna kylflänsens storlek är enkel men också lite mörk och mystisk, men är baserad på de olika termiska motstånden som hindrar värmeflödet genom varje del från halvledarkopplingen till uteluften och den acceptabla temperaturökningen. Så du har det termiska motståndet från korsningen till transistorhuset, från höljet till kylflänsen och genom kylflänsen till luften, lägg ihop dessa för det totala termiska motståndet. Detta anges i ° C/W, så för varje watt som försvinner kommer temperaturen att stiga med det antalet grader. Lägg till detta till omgivningstemperaturen så får du den temperatur som din halvledarkoppling kommer att arbeta vid.

Steg 2: Delar och verktyg

Jag byggde Tiny Load mestadels med skräpboxdelar, så det är lite godtyckligt!

Kretskortet är tillverkat av SRBP (FR2) som jag råkar ha eftersom det var billigt. Den är belagd med 1oz koppar. Dioder och kondensatorer och mosfet är gamla begagnade, och op-amp är en av ett paket med 10 jag fick för ett tag sedan eftersom de var billiga. Kostnaden är den enda anledningen till att använda en smd -enhet för detta - 10 smd -enheter kostar mig samma som 1 genomgående hål man skulle ha.

• 2 x 1N4148 -dioder. Använd mer om du vill kunna ladda mer ström.
• MOSFET -transistor, jag använde en BUK453 eftersom det var vad jag råkade ha, men välj vad du gillar, så länge det nuvarande värdet är över 10A, är tröskelspänningen under ca 5v och Vds är högre än det maximala du förväntar dig att använd det på, det ska vara bra. Försök att välja en designad för linjära applikationer snarare än för att byta.
• 10k potentiometer. Jag valde detta värde för att det var vad jag råkade ha, vilket jag tog isär från en gammal TV. De med samma stiftavstånd är allmänt tillgängliga, men jag är inte säker på monteringsöglorna. Du kan behöva ändra kortets layout för detta.
• Vred för att passa potentiometern
• 3k motstånd. 3.3k borde fungera lika bra. Använd ett lägre värde om du vill kunna ladda mer ström med 2-diodreferensen som visas.
• LM358 op-amp. Verkligen, varje enskild leverans, järnväg-till-järnvägstyp borde göra jobbet.
• 22k motstånd
• 1k motstånd
• 100nF kondensator. Det här borde verkligen vara keramiskt, även om jag använde en film
• 100uF kondensator. Måste klassas till minst 10V
• 0,1 ohm motstånd, minsta betyg på 10W. Den jag använde är överdimensionerad, återigen kostnaden var den överväldigande faktorn här. Ett 25W 0,1 ohm motstånd med metallhölje var billigare än mer lämpliga typer. Konstigt men sant.
• Kylfläns - en gammal CPU -kylfläns fungerar bra och har fördelen att den är utformad för att ha en fläkt ansluten om du behöver en.
• Termisk kylfläns. Jag lärde mig att keramiska baserade föreningar fungerar bättre än metallbaserade. Jag använde Arctic Cooling MX4 som jag råkade ha. Det fungerar bra, är billigt och du får massor!
• Liten bit aluminium för fäste
• Små skruvar och muttrar
• liten skjutbrytare

Steg 3: Konstruktion

Jag byggde den lilla lasten av skräpbox eller mycket billiga delar

Kylflänsen är en gammal pentium -era -kylfläns. Jag vet inte vad det är termiskt motstånd, men jag antar att det är ca 1 eller 2 ° C/W baserat på bilderna längst ner i den här guiden: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc … även om erfarenheten nu tyder på att det är bättre än så här.

Jag borrade ett hål i mitten av kylflänsen, knackade på den och monterade transistorn på den med MX4 termisk sammansättning och skruvade monteringsskruven direkt i det tappade hålet. Om du inte har möjlighet att knacka på hål, borra det lite större och använd en mutter.

Jag trodde ursprungligen att detta skulle begränsas till cirka 20 W avledning, men jag har haft det igång på 75 W eller högre, där det blev ganska varmt, men fortfarande inte för varmt att använda. Med en kylfläkt ansluten skulle detta vara ännu högre.

Det finns inget egentligt behov av att bulta det aktuella avkänningsmotståndet till brädet, men vad är poängen med att ha bulthål om du inte kan skruva något till dem? Jag använde små bitar av tjock tråd kvar från lite elarbete för att ansluta motståndet till brädet.

Strömbrytaren kom från en nedlagd leksak. Jag fick fel hålavstånd på min PCB, men avståndet på PCB -layouten som anges här borde passa om du har samma typ av miniatyr SPDT -omkopplare. Jag inkluderade inte en LED i den ursprungliga designen för att visa att Tiny Load är slog på, men insåg att detta är en dum utelämnande, så jag har lagt till det.

De tjocka spåren som de står är inte riktigt tillräckligt tjocka för 10 ampere med den 1oz kopparklädda plattan som används, så den är bulkad med lite koppartråd. Var och en av spåren har en bit 0,5 mm koppartråd lagd runt den och klibblödda med intervall, förutom den korta sträckan som är ansluten till marken, eftersom markplanet tillför mycket bulk. Se till att den tillagda tråden går direkt till mosfet och motståndsstiften.

Jag gjorde kretskortet med hjälp av toneröverföringsmetoden. Det finns en enorm mängd litteratur på nätet om detta så jag kommer inte att gå in på det, men grundprincipen är att du använder en laserskrivare för att skriva ut motivet på lite glänsande papper, sedan stryka det på tavlan och sedan etsa den. Jag använder lite billigt gult toneröverföringspapper från Kina och ett klädjärn som är satt till lite under 100 ° C. Jag använder aceton för att rengöra tonern. Fortsätt bara torka med trasor med färsk aceton tills de blir rena. Jag tog massor med foton för att illustrera processen. Det finns mycket bättre material för jobbet, men lite över min budget! Jag brukar behöva beröra mina överföringar med en markörpenna.

Borra hålen med din favoritmetod och lägg sedan koppartråden till de breda spåren. Om du tittar noga kan du se att jag förstörde min borrning lite (eftersom jag använde en experimentell borrmaskin som är lite ofullkomlig. När den fungerar som den ska ska jag göra en instruktion om den, jag lovar!)

Montera först op-amp. Om du inte har arbetat med smd: er tidigare, var inte skrämd, det är ganska enkelt. Tenn först en av dynorna på brädet med en riktigt liten mängd löd. Placera chipet mycket försiktigt och klistra ner den relevanta stiftet till dynan du tennade. Ok nu kommer inte chipet att röra sig, du kan löda alla andra stift. Om du har något vätskeflöde gör det enklare att applicera ett utstryk av detta.

Montera resten av komponenterna, minsta först, vilket troligen är dioderna. Se till att du får dem på rätt sätt. Jag gjorde saker lite bakåt genom att montera transistorn på kylflänsen först, eftersom jag först använde den för att experimentera med.

Ett tag monterades batteriet på brädet med hjälp av klibbiga kuddar, vilket fungerade anmärkningsvärt bra! Den var ansluten med en vanlig pp3 -kontakt, men kortet är utformat för att ta en mer omfattande typ av hållare som klämmer in hela batteriet. Jag hade några problem med att fixa batterihållaren eftersom det tar 2,5 mm skruvar, som jag har bristfällig och inga muttrar att passa. Jag borrade ut hålen i klippet till 3,2 mm och motborrade dem till 5,5 mm (inte riktigt motborring, jag använde bara en borr!), Men hittade den större borrkronan som tog tag i plasten mycket skarpt och gick rakt igenom ett av hålen. Naturligtvis kan du använda klibbiga kuddar för att fixa det, vilket i efterhand kan vara bättre.

Trimma batteriklämmorna så att du har ungefär en tum tråd, tenn ändarna, trä dem genom hålen i brädet och löd ändarna tillbaka genom brädet.

Om du använder ett metallhölje som det som visas, montera det med tjocka ledningar. Det måste ha någon form av distanser mellan det och kortet så att det inte överhettas op-amp. Jag använde muttrar, men metallhylsor eller buntar med brickor limmade på brädet hade varit bättre.

En av bultarna som fixerar batteriklämman går också genom en av motståndsklackarna. Detta har visat sig vara en dålig idé.

Steg 4: Ta den i bruk, förbättringar, några tankar

Användning: Tiny Load är utformad för att dra en konstant ström från en matning, oavsett spänning, så du behöver inte ansluta något annat till den, förutom en ammeter, som du ska placera i serie med en av ingångarna.

Vrid ratten till noll och slå på Tiny Load. Du bör se en liten mängd strömflöde, upp till cirka 50mA.

Justera ratten sakta tills strömmen du vill testa vid flödar, gör de tester du behöver göra. Kontrollera att kylflänsen inte är för varm - tumregeln här är att om det bränner fingrarna är det för varmt. Du har tre alternativ i det här fallet:

1. Sänk matningsspänningen
2. Sänk ner Tiny Load
3. Kör den med korta intervaller med gott om tid att svalna emellan
4. Montera en fläkt på kylflänsen

OK okej det är fyra alternativ:)

Det finns inget ingångsskydd, så var mycket försiktig så att ingångarna är rätt anslutna. Gör det fel och mosfets inneboende diod kommer att leda all ström som är tillgänglig och förmodligen förstöra mosfeten i processen.

Förbättringar: Det blev snabbt uppenbart att Tiny Load måste ha sina egna sätt att mäta strömmen som den drar. Det finns tre sätt att göra detta.

1. Det enklaste alternativet är att montera en amperemeter i serie med den positiva eller negativa ingången.
2. Det mest exakta alternativet är att ansluta en voltmeter över avkänningsmotståndet, kalibrerat till det motståndet så att den visade spänningen indikerar strömmen.
3. Det billigaste alternativet är att göra en pappersvåg som passar bakom kontrollratten och markera en kalibrerad skala på den.

Potentiellt kan avsaknaden av omvänd skydd vara ett stort problem. Mosfets inneboende diod kommer att leda om Tiny Load är påslagen eller inte. Återigen finns det ett antal alternativ för att lösa detta:

1. Den enklaste och billigaste metoden skulle vara att ansluta en diod (eller några dioder parallellt) i serie med ingången.
2. Ett dyrare alternativ är att använda en mosfet som har inbyggt omvänd skydd. OK så det är också den enklaste metoden.
3. Det mest komplexa alternativet är att ansluta en andra mosfet i antiserie till den första, som bara leder om polariteten är korrekt.

Jag insåg att det som verkligen behövs ibland är ett justerbart motstånd som kan skingra mycket kraft. Det är möjligt att använda en modifiering av denna krets för att göra det, mycket billigare än att köpa en stor reostat. Så håll utkik efter Tiny Load MK2 som kommer att kunna bytas till resistivt läge!

Slutliga tankarTiny Load har visat sig vara användbart redan innan det var klart och fungerar mycket bra. Men jag hade några problem med att konstruera den och insåg efteråt att en mätare och "på" -indikator skulle vara värdefulla förbättringar.