Электронная нагрузка своими руками схема. Электронная нагрузка своими руками. Устройства на базе KTC8550

Регулируемая по мощности нагрузка является частью испытательного оборудования, необходимого при налаживании различных электронных проектов. Например, при построении лабораторного источника питания, оно может "симулировать" подключенный потребитель тока, чтобы увидеть, насколько хорошо ваша схема работает не только на холостом ходу, но и на нагрузку. Добавление силовых резисторов для выхода можно делать только в крайнем случае, но не у каждого они есть да и долго их не продержать — сильно греются. В этой статье будет показано, как можно построить блок регулируемой электронной нагрузки с помощью недорогих компонентов, доступных для радиолюбителей.

Схема электронной нагрузки на транзисторах

В этой конструкции максимальный ток должен быть примерно 7 ампер и он ограничен 5W резистором, который был использован, и относительно слабым полевым транзистором. Ещё большие нагрузочные токи могут быть достигнуты с помощью резистора на 10 или 20 Вт. Входное напряжение, не должно превышать 60 вольт (максимум на эти полевые транзисторы). Основой служит ОУ LM324 и 4 полевых транзистора.

Два "запасных" операционных усилителя микросхемы LM324 используются для защиты и управления вентилятором охлаждения. U2C образует простой компаратор между напряжением, установленным термистором и делителем напряжения R5, R6. Гистерезис контролируется положительной обратной связью, полученной R4. Термистор помещается в непосредственный контакт с транзисторами на радиаторах и его сопротивление уменьшается с ростом температуры. Когда температура превышает установленный порог, выход U2C будет высокий. Вы можете заменить R5 и R6 с регулируемым переменником и вручную подбирать порог срабатывания. При настройке убедитесь, что защита срабатывает, когда температура транзисторов MOSFET чуть ниже предельно-допустимой, указанной в даташите. Светодиод D2 сигнализирует, когда активируется функция защиты от перегрузки — он установлен на передней панели.

В элементе U2B операционного усилителя также есть гистерезис компаратора напряжений и используется он для управления вентилятором 12 В (можно использовать от старых PC). Диод 1N4001 защищает MOSFET BS170 от индуктивный бросков напряжения. Нижний температурный порог для активации вентилятора, контролируется резистором RV2.

Сборка устройства

Была использована для корпуса старая алюминиевая коробка от коммутатора с большим количеством внутреннего пространства для компонентов. В электронной нагрузке использовал старые AC/DC адаптеры для питания 12 В для главной цепи и 9 В для приборной панели — она имеет цифровой амперметр, чтоб сразу видеть ток потребления. Мощность вы уже рассчитаете и сами по известной формуле.

Вот фотография тестовой установки. Лабораторный блок питания настроен на 5 В. Нагрузку показывает 0.49A. Так же подключен мультиметр на нагрузке, так что ток нагрузки и напряжение контролируются одновременно. Вы сами можете убедится в чёткой работе всего модуля.

Расскажу о полезном для радиолюбителей устройстве – о токовой электронной нагрузке с возможностью измерения емкости аккумуляторов. Зачем нужен этот прибор?

Все сталкивались с ситуацией, когда надо выяснить параметры какого-нибудь источника питания, например, лабораторного БП, драйвера светодиодов или зарядноо устройства. Ведь практика показывает, что производители не всегда указывают верные параметры. Конечно, есть самый простой вариант - нагрузить резистором, рассчитанным по закону Ома, и измерить ток с помощью мультиметра. Но для каждого случая надо делать свои расчеты и не всегда можно найти мощный резистор нужного номинала, они довольно дороги. Целесообразнее использовать электронную или активную нагрузку, позволяющую нагрузить любой БП или аккумулятор, и регулировать ток нагрузки обычным потенциометром.

А за счет включения в схему многофункционального цифрового ваттметра, показывающего емкость, этот нагрузочный стенд может разрядить аккумулятор и показать его реальную мощность. Кстати, в отличие от IMAX 6 наша система может разряжать аккумуляторы с током до 40А. Это удобно для автомобильных аккумуляторов.

Схема построена на сдвоенном операционном усилителе (ОУ) LM358, хотя задействован только 1 элемент.

Датчиком тока является мощный резистор R12, желательно на 40Вт, хотя я поставил на 20Вт. Можно соединить параллельно несколько резисторов для получения нужной мощности так, чтобы итоговое сопротивление было равно 0.1 Ом. R10 и R11 (0.22 Ом/ 10Вт) - токовыравнивающие элементы для силовых ключей.У меня реально стоят параллельно 2 х 0.47 Ом / 5Вт для каждого транзистора.

ОУ управляет двумя составными транзисторами КТ827, установленными на отдельные радиаторы. Транзисторы оптимальны для этой схемы, хотя и довольно дорогие.

Принцип работы.

При подключении тестируемого устройства образуется падение напряжения на мощном токовом резисторе R12, соответственно меняется напряжение на входах ОУ, следовательно, и на его выходе. В итоге, сигнал поступающий на транзисторы зависит от падения напряжения на шунте. Изменится ток протекающий по транзисторам.

Потенциометром изменяем напряжение на неинвертирующем входе ОУ и также как описано выше изменяется ток через по транзисторы. Данные транзисторы позволяют работать с токами до 40А, но требуют хорошего охлаждения, т.к. они работают в линейном режиме. Поэтому, кроме массивных радиаторов я поставил вентилятор, с регулировкой оборотов, который можно включить отдельной кнопкой. Схема регулятора оборотов собрана на небольшой плате.

Теоретически максимальное входное напряжение может быть до 100В – транзисторы выдержат, но китайский ваттметр рассчитан только до 60В.

Кнопка S1 изменяет чувствительность ОУ, т.е. переключает на малые токи для точного измерения тестируемых маломощных источников.

Важные особенности данной схемы:

1. наличие обратной связи для обоих транзисторов,
2. возможность изменения чувствительности ОУ.
3. грубая и тонкая регулировка тока (R5 и R6).

Трансформатор в схеме питает только ОУ и блок индикаторов, подойдет любой с током от 400мА и напряжением 15-20В, все равно напряжение потом стабилизируется до 12В линейным стабилизатором 7812. Его нет необходимости ставить на радиатор.

Eugene.A : Мало того - ещё и бессмысленная. Современные электросчётчики не крутятся в обратную сторону.

Зато греться почти нечему.

Eugene.A : Насчёт трансформации - какой-то ректальный способ. Для любителей извращений. На пенсии. Вместо просмотра порно.
...
Надо просто побольше нихрома, константана, манганина и переключатель - для регулировки тока, если есть такая нужда.

А может я извращенец? Правда не напенсии, но и она не за горами... Нет, порно смотреть нельзя, отбивает охоту самому этим заниматься - научно доказанный факт!

А теперь давайте сравним способы, предложенный Вами и мой.

Вы предлагаете по старинке: по-больше нихрома, константана, манганина и переключатель - это довольно громоздко, не технологично и не очень точно. Я уже молчу, если требуется мелкий шаг регулировки тока нагрузки.

Я же предлагаю использовать один кусок нихрома, константана или манганина и вообще без переключателей.
Мало того, не нужны и эти куски. Можно просто взять утюг, электронагреватель, электроплитку... что будет под рукой, и воткнуть её родной вилкой в блок с названием "элкктронная нагрузка". На блоке стоит регулятор тока нагрузки в виде переменного сопротивления, энкодера или кнопок с клавиатурой - по вкусу и возможностям, и дисплей с показаниями текущих значений напряжения, тока и мощности...

В отличие от вашего способа, я смогу регулировать ток нагрузки не дискретно
а пла-а-а-вненько, да ещё и стабилизировать выставленное значение.

И точность будет не впример лучше Вашего способа.
Ток нагрузки равен I=k*kтр*Rн, где:
k - коэффициент заполнения импульсов ШИМ,
kтр - коэффициент трансформации используемого трансформатора,
Rн - сопротивление утюга, электронагревателя или электроплитки.

Достаточно точно замерить сопротивление утюга...
Собственно, а зачем?! Достаточно ввести режим калибровки при работе с прибором - при подключенном утюге, электронагревателе или электроплитке подать (внутри прибора) на его вход калиброванное напряжение и калибровочным подстроечником выставить максимальное значение тока при максимальном коэффициенте заполнения. Можно даже эту операцию автоматизировать, если МК стоит.
Всё.
Регулировка получается линейная, по этому, привязав калибровкой максимальное значение тока нагрузки 20А к коэффициенту заполнения 0.9, при коэффициенте 0,1 получим ток 2.2А.
Для расширения пределов можно поставить переключатель или реле и коммутировать отводы трансформатора преобразователя. Получим несколько согласованных поддиапазонов регулировки тока (сопротивления) нагрузки.

Забыл сказать - трансформатор лучше по причине более лёгкого согласования с калиброванными нагрузками типа утюг, электронагреватель или электроплитка.
Трансформатор подходит от компового БП (силовой). У него и отводов много...

А теперь, Eugene.A , объясните, пожалуйста, мне - извращенцу и почти пенисонеру - почему Ваш способ не ректальный, а мой - ректальный, несмотря на то, что он лучше, технологичнее, универсальнее, точнее и выполняет такую же задачу?

Для начала давайте разберем схему. Я не претендую на оригинальность, так как подсмотрел составные элементы и адаптировал под то, что имелось у меня из деталей.

Цепь защиты составлена из плавкого предохранителя FU1 и диода VD1 (возможно она лишняя). Нагрузка выполнена на четырех 818 транзисторах VT1…VT4. У них приемлемые характеристики по току и рассеиваемой мощности, а также они не дороги и не являются дефицитом. Управление VT5 на 815 транзисторе, а стабилизация на операционном усилителе LM358. Амперметр, показывающих ток, проходящий через нагрузку, я установил отдельно. Т.к. если амперметром заменить резисторы R3 R4 (как в схеме по ссылке выше), то, на мой взгляд, будет теряться часть тока, который потечет через VT5 и показания будут занижены. А судя по тому, как нагревается 815, ток через него протекает приличный. Я даже подумываю, что между эмиттером VT5 и землей надобно поставить еще одно сопротивление Ом так в 50…200.

Отдельно надо рассказать о цепи R10…R13. Так как регулировка происходит не линейно, необходимо брать одно переменное сопротивление в 200…220 кОм с логарифмической шкалой, либо ставить два переменных резистора, которые обеспечивают плавное регулирование во всем диапазоне. При чем R10 (200кОм) регулирует ток от 0 до 2.5А, а R11 (10 кОм) при выкрученном в ноль R10 регулирует ток от 2.5 до 8 А. Верхний предел тока устанавливается резистором R13. При настройке будьте осторожны, если напряжение питания случайно попадет на третью ногу операционного усилителя, 815 открывается полностью, что с большой вероятностью приведет к выходу из строя всех 818 транзисторов.

Теперь немного о блоки питания для нагрузки.

Нет, это не извращение. Просто у меня под рукой не нашлось малогабаритного трансформатора на 12 вольт. Пришлось делать умножитель и повышать напряжение с 6-ти вольт до 12-ти для вентилятора и ставить стабилизатор для питания самой нагрузки и сигнализации.

Да, в это устройство я вставил простенькую сигнализацию по температуре. Схему я подсмотрел . Когда радиатор нагревается выше 90 градусов, включается красный светодиод и пищалка с интегрированным генератором, которая издает очень неприятный звук. Это указывает на то, что пора снижать ток в нагрузке, а то можно лишиться устройства из-за его перегрева.

Казалось бы, при таких мощных транзисторах, которые выдерживают до 80 вольт и 10 А суммарная мощность должна быть не менее 3 кВт. Но, так как мы делаем «кипятильник» и вся мощность источника уходит в тепло, то ограничение накладывается показателем рассеиваемой мощности транзисторов. По даташиту она всего лишь 60 Вт на один транзистор, а с учетом того, что теплопроводность между транзистором и радиатором не идеальна, то фактическая рассеиваемая мощность и того меньше. И поэтому чтобы хоть как-то улучшить теплоотвод я прикрутил транзисторы VT1…VT4 непосредственно к радиатору без прокладок на теплопроводную пасту. При этом мне пришлось организовать специальные накладки на радиатор, чтобы он не замыкал на корпус.

К сожалению, у меня не было возможности протестировать работу устройства во всем диапазоне напряжений, но при 22V 5A нагрузка работает, стабильно не перегреваясь. Но как всегда в бочке меда есть и ложка дегтя. Из-за недостаточной площади радиатора взятого мной, при нагрузке более 130 ватт, через какое-то время (3…5 минут) транзисторы начинают перегреваться. На что указывает сигнализация. Отсюда вывод. Если будете делать нагрузку, берите радиатор как можно большей площади и обеспечите ему надежное принудительное охлаждение.

Также ложкой дегтя можно считать небольшой дрейф в сторону уменьшения тока нагрузки на 100…200 мА. Думаю этот дрейф происходит из-за нагрева резисторов R3, R4. Так, что если есть возможность найти резисторы на 0,15 Ом на 20 Вт или больше, то лучше использовать их.

В целом схема, насколько я понял, не критична к замене деталей. Четыре 818транзистора можно заменить двумя кт896а , кт815г можно, а возможно и нужно, заменить на кт817г. Операционный усилитель думаю тоже можно взять другой.

Хочу особо подчеркнуть, что обязательно при наладке ставьте резистор R13 не менее 10 кОм, потом по мере понимания какой ток вам нужен, уменьшайте это сопротивление. Печатную плату не выкладываю, потому, что монтаж основной части нагрузки сделан навесным.

Дополнение.

Как оказалось, нагрузкой мне приходится пользоваться регулярно и в процессе ее использования пришло понимание того, что по мимо амперметра также нужен вольтметр чтобы контролировать напряжения источника. На Али мне попался небольшой приборчик, который совмещает в себе вольтметр и амперметр. Приборчик 100 V / 10 А мне обошёлся в 150 рублей с пересылкой. Как по мне это копейки т.к. полтарашка пива стоит примерно столько же. Недолго думая я заказал два.

Время от времени у радиолюбителей возникает необходимость в электронной нагрузке. Что такое электронная нагрузка? Ну, если по простому, это такой прибор, который позволяет нагрузить блок питания (или другой источник) стабильным током, который естественно регулируется. О подобном уже писал уважаемый Kirich, я же решил попробовать в деле устройство «фирменное», запихнув его в какой-нибудь корпус и прицепив к нему приборчик для индикации. Как видим, они отлично сочетаются по заявленным параметрам.

Итак, нагрузка.платка размером 59х55мм, в комплекте пара клемм 6.5мм (весьма тугие, да еще и с защелкой - просто так не снять, нужно нажимать специальный язычок. отличные клеммы), 3-проводной шлейф с разъемом для подключения потенциометра, двухпроводной кабелёк с разъемом для подключения питания, винтик М3 для прикручивания транзистора к радиатору.

Платка красивая, края фрезерованы, пайка ровная, флюс отмыт.

На плате есть два силовых разъема для подключения собственно нагрузки, разъемы для подключения потенциометра (3-контактный), питания (2-контактный), вентилятора (3-контактный) и три контакта для подключения прибора. Тут я хочу обратить ваше внимание, что как правило черный тонкий провод от измерительного прибора использоваться не будет! В частности, в моём случае, с вышеописанным прибором (см. ссылку на обзор) - подключать тонкий черный провод НЕ НУЖНО, потому что питание и нагрузки и прибора идет от одного БП.

Силовой элемент - транзистор (200V, 30A)

Ну а из микросхем на плате присутствуют компаратор LM393, операционник LM258 и регулируемый стабилитрон TL431.

На просторах интернета была найдена :

Скажу честно - всю схему досконально не перепроверял, но беглое схемы с платой сравнение показало что вроде как всё сходится.

Собственно, больше о самой нагрузке рассказывать-то и нечего. Схема довольно простая и не работать вообще говоря не может. Да и интерес в данном случае представляет скорее её работа под нагрузкой в составе готового устройства, в частности - температура радиатора.

Долго думал из чего сделать корпус. была мысль согнуть из нержавейки, склеить из пластика… А потом подумал - так вот же оно, максимально доступное и повторяемое решение - «кнопочный пост» КП-102, на две кнопки. Радиатор нашел в ящике, вентилятор там же, клеммы и выключатель купил в оффлайне, а бананы и сетевой разъем выколупал из чего-то старого на чердаке;)

Забегая вперед скажу, что я лоханулся, и тот трансформатор который я использовал (в комплекте с выпрямительным мостиком, конечно) - не потянул данный девайс по причине высокого потребляемого вентилятором тока. Увы. Буду заказывать , должен как раз вписаться по габаритам. Как вариант - можно использовать и внешний 12В блок питания, коих тоже полно и на бэнге и в арсенале любого радиолюбителя. Питать нагрузку от исследуемого блока питания крайне нежелательно, не говоря уже о диапазоне напряжений.

Кроме того нам понадобится потенциометр на 10кОм для регулировки тока. Я рекомендую ставить многооборотистые потенциометры, например или . И там и там есть нюансы. первый тип - на 10 оборотов, второй на 5. у второго типа вал очень тонкий, около 4мм, кажется, и стандартные ручки не подходят - я натягивал два слоя термоусадки. у первого типа вал потолще, но ИМХО тоже не дотягивает до стандартных размеров, поэтому возможны проблемы - впрочем, их я в руках не держал, так что утверждать на 100% не могу. Ну и диаметр/длина как видим заметно отличаются, так что нужно прикидывать по месту. У меня были в наличии потенцы второго типа, так что я не запаривался по этому поводу, хотя надо бы и первых прикупить для коллекции. Для потенциометра нужна ручка - для эстетики и удобства. Вроде как для потенциометров первого типа должны подойти ручки, во всяком случае они с фиксирующим винтом и будут нормально держаться на гладком валу. Я же использовал то что было в наличии, натянув пару слоёв термоусадки и капнув суперклеем для фиксации термоусадки на валу. Метод проверенный - я его использовать еще для блока питания, пока всё работает, уж пару лет.

Далее были муки компоновки, которые показали что фактически единственно возможным решением является то, что я приведу ниже. К сожалению, данное решение требует подрезания корпуса, ибо из-за ребер жесткости не входит плата, а выключатель и регулятор не входят из-за того что я их старался разместить в центре выемок на корпусе, а они в итоге упёрлись в толстую стенку внутри. знал бы - перевернул бы переднюю панель.

Итак, размечаемся и делаем отверстия под сетевой разъем, транзистор и радиатор на задней стенке:

Теперь передняя панель. Отверстие под прибор это просто (правда, как я писал в предыдущем обзоре, защелки у него дурацкие, и я от греха подальше предпочел вначале защелкнуть в корпус устройства корпус прибора, а потом уже вщелкнуть в него внутренности прибора). Отверстия под выключатель и регулятор - тоже относительно просто, хотя и пришлось на фрезерном станке выбрать пазы на стенках. А вот как расположить гнёзда, чтобы «обойти» отверстие на передней панель - задача. Но я приклеил кусочек черного пластика и просверлил отверстия прямо в нем. Получилось и красиво и аккуратно.

Теперь нюансик. в приборе у нас есть термодатчик. Но зачем измерять температуру в корпусе, если можно прислонить его к радиатору? Это гораздо более полезная информация! А раз уж прибор всё равно разобран - ничто не мешает выпаять термодатчик и удлинить провода.

Для прижима датчика к радиатору я приклеил кусочек пластика к корпусу таким образом, чтобы отпустив винты крепления радиатора можно было подсунуть под пластик термодатчик, а затянув эти винты - надежно его там зафиксировать. Отверстие вокруг транзистора заблаговременно сделал на несколько мм больше.

Ну и упихиваем весь этот «взрыв на макаронной фабрике» в корпус:

Результат:

Проверка температуры радиатора:

Как видим на примерно 55Вт через 20 минут температура радиатора в непосредственной близости от силового транзистора стабилизировалась на 58 градусах.

Вот такая температура самого радиатора снаружи:

Тут, повторюсь, есть нюансики: на момент проверки устройство работало от хилого трансформатора и мало того что под нагрузкой напряжение просаживалось до 9 вольт (то есть при нормальном питании охлаждение будет ЗНАЧИТЕЛЬНО лучше), так еще и из-за некачественного питания ток стабилизировать толком не удавалось, поэтому на разных фото он немного разный.

При питании от кроны и соответственно с выключенным вентилятором имеем вот что:

Провода от БП у меня тонкие, поэтому падение напряжения тут довольно значительное получилось, ну и при желании можно еще уменьшить количество переходных сопротивлений, припаявшись везде где можно и убрав клеммы. меня же такая точность вполне устраивает - впрочем, о точности говорили в прошлом обзоре. ;)

Выводы: вполне рабочая штука, позволяющая сэкономить время на разработку собственного решения. В качестве «серьёзной» и «профессиональной» нагрузки воспринимать её, пожалуй, не стоит, но ИМХО отличная штука для начинающих, ну или когда нужно редко.

Из плюсов могу отметить хорошее качество изготовления, а минус, пожалуй, один - отсутствие потенциометра и радиатора в комплекте, и это нужно обязательно иметь в виду - устройство придется доукомплектовывать, чтобы оно начало работать. Второй минус - отсутствие термоконтроля вентилятора. При том что «ненужная» половинка компаратора как раз есть. Но это нужно было вносить на этапе разработки и изготовления платы, потому как если навешивать терморегулятор «сверху» - то его разумнее на отдельной плате собрать;)

По моей готовой конструйне - тоже есть нюансы, в частности, нужно будет поменять блок питания, ну и вообще говоря было бы неплохо и предохранитель какой-то поставить. Но предохранитель это лишние контакты и лишние сопротивления в цепи, так что тут я пока не уверен совершенно. Можно также переставить на плату шунт из прибора и задействовать его и для прибора и для электроники нагрузки, убрав «лишний» шунт из цепи.

Несомненно, существуют и «более другие» электронные нагрузки, которые стоят сопоставимо. Например . Отличие обозреваемой - в заявленном входном напряжении, до 100В, тогда как в основном нагрузки рассчитаны на работу до 30В. Ну и в данном случае у нас модульная конструкция, что лично меня весьма устраивает. Надоел прибор? Поставили поточнее или покрупнее, или еще чего. Не устраивает мощность? Поменяли транзистор или радиатор и т.д.

Одним словом - я вполне доволен результатом (ну только вот блок питания другой прикрутить - но это я сам дурак, а вы предупреждены), и вполне рекомендую к приобретению.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.