Wielofunkcyjne obciążenie aktywne - do czego służy, jak działa i jak zmontować?

Do czego to służy? - wielofunkcyjne obciążenie aktywne

W pracowni elektronika zdarza się, że istnieje potrzeba sprawdzenia zbudowanego właśnie zasilacza, sprawdzenia akumulatorków itp. W najprostszym wypadku wystarczy proste obciążenie, na przykład rezystor dużej mocy, żarówka itp. Jednakże w taki prosty sposób nie wszystko możemy prawidłowo sprawdzić. A jak przetestować zasilacze stałoprądowe? Tu już potrzebne jest obciążenie utrzymujące stałe napięcie, niezależnie od płynącego prądu.

Trzy tryby pracy prezentowanego obciążenia aktywnego:

• stałego prądu, a więc pobierające z testowanego układu zasilającego stały prąd,
• stałego napięcia, czyli będące czymś w rodzaju diody Zenera dużej mocy o regulowanym napięciu,
• stałej rezystancji, symulujące po prostu rezystor dużej mocy.

Jak to działa? - wielofunkcyjne obciążenie aktywne

Schemat ideowy pokazany jest na rysunku 1. Układ zasilany jest z zasilacza podłączonego do złącza J2. Potrzebne dla układu napięcia wytwarzane są w klasycznych układach ze stabilizatorami U1 i U3 oraz przez źródło napięcia odniesienia U6.

Rys.1 Schemat ideowy - wielofunkcyjne obciążenie aktywne 

Zastosowanie dwóch stabilizatorów pozwala na zasilanie wzmacniaczy operacyjnych napięciem 15V, wyższym niż wymagane do zasilania wentylatora chłodzącego (12V). Z takiego rozwiązania wynikła też pewna korzyść – generujący potencjalne zakłócenia wentylator jest odizolowany od zasilania pozostałej części układu.

Najważniejszym blokiem jest układ zbudowany na trzech wzmacniaczach operacyjnych – U2A, U2B i U4A. Wzmacniacz U2A pracuje w roli komparatora (a w zasadzie integratora, ale o tym dalej), porównując napięcia na swoich wejściach i odpowiednio do tego sterując tranzystorami MOSFET. Do porównania wykorzystywane są sygnały wybierane za pomocą przełącznika SW1 w zależności od trybu pracy.

Przy pozycji górnej na schemacie układ pracuje w trybie stałego prądu. Na wejście nieodwracające układu U2A podawane jest napięcie regulowane z potencjometru P2, zaś na wejście odwracające napięcie z wyjścia wzmacniacza U2B. Wzmacniacz ten zastosowano w celu wzmocnienia sygnału z bocznika prądowego zbudowanego na rezystorach R6– R9. Wybrano takie rozwiązanie, aby na rezystorach uzyskać mały spadek napięcia, przez co urządzenie może pracować już przy niewielkich napięciach testowych.

Do sterowania można też dzięki temu wykorzystać napięcie o większej wartości, co byłoby niemożliwe bez zastosowania tego wzmacniacza i jednocześnie przy boczniku prądowym o małej rezystancji. Co prawda prawie cała moc wydziela się wtedy na tranzystorach MOSFET, ale przy obecnych parametrach tych elementów i odpowiednim ich chłodzeniu nie jest to problemem. Układ zatem pracuje jako regulowane źródło prądowe.

W położeniu środkowym na schemacie układ pracuje w trybie stałego napięcia. Na wejście 3 wzmacniacza U2A podawany jest sygnał z wyjścia wzmacniacza U4A, zaś na wejście 2 – regulowane napięcie z potencjometru P6.

Wzmacniacz U4A wzmacnia napięcie podawane z wejścia przez dzielnik R17 i R19. Jest to wzmacniacz różnicowy, mierzący napięcie bezpośrednio na zaciskach testowych (J1), co umożliwia pominięcie w pomiarze spadku napięcia na boczniku prądowym. Zatem mamy teraz układ stabilizatora o regulowanym napięciu (a więc regulowaną diodę Zenera dużej mocy).

W dolnym na schemacie położeniu przełącznika układ jest „regulowanym rezystorem” dużej mocy. Na wejście nieodwracające U2A podawane jest regulowane napięcie z potencjometru P7. Jednakże napięcie nie jest pobierane ze źródła napięcia odniesienia, a z wyjścia wzmacniacza U4A, mierzącego napięcie testowe.

Na wejście odwracające układu U2A podawane jest napięcie z wyjścia U2B proporcjonalne do płynącego przez obciążenie prądu. Mamy zatem znów źródło prądowe, podobnie jak w pierwszym przypadku, ale o wartości prądu regulowanej przez testowe napięcie. Czym wyższe napięcie na wejściu J1, tym większy prąd płynący przez obciążenie aktywne. A zgodnie z prawem Ohma tak zachowuje się rezystor.

Osoby znające się na układach z tranzystorami MOSFET może zdziwić dość wysoka wartość rezystorów bramkowych. Nie przeszkadza ona w tym układzie ze względu na wysterowanie tranzystorów sygnałem statycznym, więc też nie trzeba szybko przeładowywać pojemności bramkowych. Wartość taka została przyjęta podczas testów, ponieważ niska wartość rezystancji powodowała oscylacje w układzie.

Z powodu oscylacji również U2A, który powinien być komparatorem, został zamieniony w integrator, który w zasadzie też jest komparatorem, ale o powolnym narastaniu lub opadaniu napięcia na jego wyjściu.

Prezentowany układ ma dwustopniowe zabezpieczenie przed przegrzaniem. W miarę wzrostu temperatury maleje rezystancja termistora TH1 (NTC), a zatem maleje napięcie na wejściu 6 układu U5B. Po obniżeniu poniżej ustawionej wartości zostaje załączony tranzystor T5, a zatem i wentylator chłodzący układ. Jeśli pomimo to nadal będzie wzrastać temperatura, włączy się tranzystor T4, zwierając wejście nieodwracające układu U2A do masy, a więc wyłączając obciążenie.

Aby tak się stało, próg zadziałania wraz z histerezą układu U5A powinien być ustawiony wyżej niż układu U5B.

Montaż i uruchomienie wielofunkcyjnego obciążenia aktywnego

Układ można zmontować na płytce drukowanej z rysunku 2. Dokumentacja płytki jest umieszczona w Elportalu (pliki projektu zostały utworzone w programie KiCad 5.0.0).

Rys.2 Płytka drukowana - wielofunkcyjne obciążenie aktywne

Montaż układu jest tradycyjny i nie wymaga omawiania. Na początku jedynie dla własnej wygody należy pamiętać o kilku zworkach. Co do montażu tranzystorów T1, T2 i T3 – można pójść dwiema drogami: w przypadku budowy urządzenia o stosunkowo niewielkiej mocy tranzystory te można wlutować w płytkę i do nich przykręcić odpowiednio dobrany radiator.

W przypadku urządzenia o dużej traconej mocy sensowne może być podłączenie tranzystorów do PCB, po ich przykręceniu do radiatora, za pomocą krótkich odcinków izolowanego przewodu. Pozwoli to zastosować radiator o dużych gabarytach i wyeliminuje ewentualne obciążenia mechaniczne nóżek tranzystorów.

Na fotografii 1 przedstawiono zmontowany układ.

Fot.1 Wielofunkcyjne obciążenie aktywne - zmontowany układ (zdjęta obudowa)

Maksymalna moc, z którą może pracować prezentowany układ, zależy od kilku elementów: tranzystorów T1–T3, rezystorów bocznika prądowego R6–R9, połączeń pomiędzy nimi oraz od skuteczności zastosowanego systemu chłodzenia. Można oczywiście użyć innych tranzystorów oraz innej ich liczby, pamiętając jednak o maksymalnych parametrach, które chcemy uzyskać. Rezystory R6–R9 muszą być o odpowiedniej mocy – i tu również można zastosować większą ich liczbę.

Dla elementów współpracujących ze wzmacniaczem U2B jak na schemacie należy zastosować takie rezystory bocznika prądowego, aby ich łączna wartość wynosiła 0,025Ω. Przy takich wartościach zakres przetwarzania wzmacniacza wynosi 1V/A. Oczywiście dla większych prądów trzeba odpowiednio zmodyfikować wartości elementów, gdyż brakłoby zakresu. To samo tyczy się wzmacniacza napięcia U4A – tu na schemacie zakres przetwarzania wynosi 0,1V/V.

Dla większych prądów ścieżki na płytce muszą być pogrubione.

Należy zwrócić uwagę na chłodzenie tranzystorów mocy. Radiator i wentylator muszą odprowadzić całą moc, którą układ pobierze z testowanego systemu zasilania. Wiąże się to też z koniecznością montażu układu w dobrze wentylowanej obudowie.

Jako zasilanie najlepiej wykorzystać fabryczny zasilacz o napięciu 18–25VDC i prądzie ok. 500mA.

W modelu zastosowano transformator sieciowy łącznie z mostkiem i kondensatorem, jednakże przy takim zasilaniu należy postępować z ostrożnością ze względu na obecność napięcia 230VAC.

Układ w celu prawidłowego działania wymaga kilku regulacji. Do tego celu potrzebować będziemy dwóch multimetrów.

W pierwszym kroku ustawiamy za pomocą potencjometru P5 napięcie na katodzie U6 równe 10,0V. Potencjometry regulacyjne P2 i P7 oraz potencjometr montażowy P3 ustawiamy w dolnym na schemacie położeniu, potencjometr P6 w górnym. Przełącznik SW1 ustawiamy w położeniu trybu stałego prądu.

Następnie do zacisków J1 podłączamy jakieś źródło zasilania, najlepiej wyposażone w ograniczenie prądowe. W szereg włączamy amperomierz. Za pomocą potencjometru P2 ustawiamy prąd płynący przez układ np. 1A. Kręcąc potencjometrem montażowym P1, doprowadzamy do zgodności wartości napięcia na wyjściu wzmacniacza U2B z wartością prądu wskazywanego przez amperomierz (1V powinien odpowiadać wartości 1A). Oczywiście przy kręceniu tym potencjometrem zmieniać się będzie wskazywany przez amperomierz prąd ze względu na zmieniające się wzmocnienie wzmacniacza. Nie jest to ważne.Ważne jest uzyskanie zgodności wskazań.

Teoretycznie nie byłoby to aż tak istotne, jednakże dzięki takiemu wyskalowaniu możemy do wyjścia wzmacniacza U2B podłączyć woltomierz (jak w modelu) i dzięki temu mieć odczyt prądu bez przeskalowywania tegoż woltomierza.

W kolejnym kroku podłączamy woltomierz równolegle z zasilaniem testowym, wartość prądu możemy ustawić potencjometrem P2 na 0. Ustawiamy teraz na wyjściu wzmacniacza U4A napięcie równe 0,1 napięcia testowego. Chodzi tu o zakres – gdybyśmy wyskalowali jako 1V/V, to maksymalny zakres pomiarowy wyniósłby może około 12V, a tak mamy 10-krotnie większy.

Pozostało jeszcze do ustawienia zabezpieczenie przed przeciążeniem. Aby termistor TH1 miał dobre sprzężenie termiczne z radiatorem, można umieścić go w nawierconym w radiatorze otworze wypełnionym pastą termoprzewodzącą. O ile próg włączenia wentylatora jest ustawiony na stałe (nic nie stoi na przeszkodzie, aby zamiast R22 i R28, które zostały dobrane eksperymentalnie, wstawić potencjometr), o tyle próg zadziałania, nazwijmy to wyłącznika bezpieczeństwa, jest regulowany.

Wykonujemy to następująco: podłączamy do naszego układu zasilanie testowe i w trybie np. stałego prądu obciążamy je. Czym wyższe napięcie i prąd obciążenia testowego źródła zasilania, tym większa wydzielana moc i szybsze nagrzewanie się radiatora. Wentylator na razie umieszczamy tak, aby nie chłodził radiatora. Po pewnym czasie ten wentylator się włączy. Jako że radiator nie jest chłodzony, jego temperatura będzie rosła (pamiętajmy, że musimy wydzielić w układzie taką moc, aby temperatura radiatora mogła osiągnąć wysoką wartość). Gdy temperatura wzrośnie do wartości przy której układ powinien się wyłączyć wtedy, kręcąc powoli potencjometrem P3, ustawiamy próg, kiedy zaświeci dioda LED D4 (jednocześnie zostanie wyłączone obciążenie).

Po tych czynnościach układ możemy uznać za gotowy do pracy.

Jak wspomniałem, układ należy umieścić w dobrze wentylowanej obudowie – jej wybór zależy od gustu konstruktora. W moim przypadku jest ona sklejona z wielu warstw... papieru oraz grubej tektury i polakierowana. Może nie jest to dobry wybór, jeśli chodzi np. o odporność na temperaturę, ale jestem pasjonatem gatunku S-F, zatem chciałem wykonać coś niestandardowego. Stąd też specyficzne oznaczenia na płycie czołowej.

Osoby bardziej zaawansowane mogą bez problemu zmieniać elementy w układzie, zależnie od wymaganych parametrów, zwłaszcza że układ nie jest zbyt skomplikowany.

Jako wskaźniki zostały w układzie modelowym zastosowane woltomierze typu DSN-DVM-568, ale ze zmodyfikowanym obwodem wejściowym – wstawione zostały zamiast dzielnika wejściowego potencjometry w celu ustawienia prawidłowych wskazań, gdyż kupione woltomierze nie pokazywały dokładnej wartości. Można je dołączyć do masy i punktów oznaczonych na schemacie jako „Pomiar U” (J5) i „Pomiar I” (J3).

Rys.3 Sposób podłączenia przełącznika sposobu pracy do płytki drukowanej

Płytka drukowana widoczna na rysunku 2 różni się nieco od układu modelowego ze względu na niewielkie modyfikacje.

Na rysunku 3 przedstawiono sposób podłączenia przełącznika sposobu pracy do płytki drukowanej.