Tiny Load - Constant Current Load: 4 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Jeg har utviklet meg en benk -PSU, og til slutt nådd det punktet hvor jeg vil bruke en belastning på den for å se hvordan den fungerer. Etter å ha sett Dave Jones 'utmerkede video og sett på noen andre internettressurser, kom jeg på Tiny Load. Dette er en justerbar konstant strømbelastning, som skal kunne håndtere omtrent 10 ampere. Spenningen og strømmen er begrenset av karakterene til utgangstransistoren og størrelsen på kjøleribben.

Det må sies, det er noen virkelig smarte design der ute! Tiny Load er virkelig grunnleggende og enkel, en liten modifikasjon av Daves design, men den vil fortsatt fjerne kraften som trengs for å teste en psu, så lenge den ikke får mer juice enn den kan håndtere.

Tiny Load har ikke en strømmåler tilkoblet, men du kan koble til et eksternt amperemeter eller overvåke spenningen over tilbakemeldingsmotstanden.

Jeg endret designet litt etter at jeg bygde det, så versjonen som presenteres her har en LED for å fortelle deg at den er slått på og et bedre PCB -mønster for bryteren.

Det skjematiske og PCB -oppsettet presenteres her som PDF -filer og også som JPEG -bilder.

Trinn 1: Driftsprinsipp

For de som ikke er godt kjent med elektroniske prinsipper, her er en forklaring på hvordan kretsen fungerer. Hvis alt dette er godt kjent for deg, kan du hoppe videre!

Hjertet i Tiny Load er en LM358 dual op-amp, som sammenligner strømmen som strømmer i lasten med en verdi du har angitt. Op-forsterkere kan ikke oppdage strøm direkte, så strømmen blir til en spenning, som op-forsterkeren kan oppdage av motstanden R3, kjent som strømfølende motstand. For hver forsterker som strømmer i R3, produseres 0,1 volt. Dette er vist ved Ohms lov, V = I*R. Fordi R3 er en veldig lav verdi, med 0,1 ohm, blir den ikke for varm (kraften den forsvinner er gitt av I²R).

Verdien du angir er en brøkdel av en referansespenning - igjen brukes spenning fordi op -amp ikke kan oppdage strøm. Referansespenningen produseres av 2 dioder i serie. Hver diode vil utvikle en spenning over den i området 0,65 volt, når en strøm strømmer gjennom den. Denne spenningen, som vanligvis er opptil 0,1 volt på hver side av denne verdien, er en iboende egenskap for silisium p-n-kryss. Så referansespenningen er rundt 1,3 volt. Fordi dette ikke er et presisjonsinstrument, er det ikke behov for stor nøyaktighet her. Diodene får strømmen sin via en motstand. koblet til batteriet. Referansespenningen er litt høy for å sette belastningen til maksimalt 10 ampere, så potensiometeret som angir utgangsspenningen er seriekoblet med en 3k motstand som faller spenningen litt.

Fordi referansen og den nåværende sensormotstanden er koblet sammen og koblet til op-ampers null volt-tilkobling, kan op-amp-en oppdage forskjellen mellom de to verdiene og justere utgangen slik at forskjellen reduseres til nær null. Tommelfingerregelen som brukes her er at en op-amp alltid vil prøve å justere utgangen slik at de to inngangene har samme spenning.

Det er en elektrolytisk kondensator tilkoblet på tvers av batteriet for å kvitte seg med støy som finner veien inn i forsterkerens forsyning. Det er en annen kondensator koblet over dioder for å dempe ned støyen de genererer.

Forretningsenden av Tiny Load er dannet av en MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Jeg valgte denne fordi den var i søppelboksen min og hadde tilstrekkelig spenning og strømstyrke for dette formålet, men hvis du kjøper en ny, er det mye mer passende enheter å finne.

Mosfet fungerer som en variabel motstand, hvor avløp er koblet til + siden av forsyningen du vil teste, kilden er koblet til R3, og gjennom det til - ledningen til forsyningen du vil teste, og porten er tilkoblet til utgangen fra op-amp. Når det ikke er spenning på porten, fungerer mosfeten som en åpen krets mellom avløpet og kilden, men når spenning påføres over en viss verdi ("terskel" -spenningen), begynner den å lede. Hev portspenningen nok og motstanden blir veldig lav.

Så op-amp holder portspenningen på et nivå der strømmen som strømmer gjennom R3 får en spenning til å utvikle seg som er nesten lik brøkdelen av referansespenningen du angir ved å dreie potensiometeret.

Fordi mosfeten virker som en motstand, har den spenning over den og strømmen strømmer gjennom den, noe som får den til å spre kraft, i form av varme. Denne varmen må gå et eller annet sted, ellers ødelegger den transistoren veldig raskt, så av denne grunn er den boltet til en kjøleribbe. Matematikken for å beregne størrelsen på kjøleribben er grei, men også litt mørk og mystisk, men er basert på de forskjellige termiske motstandene som hindrer varmestrømmen gjennom hver del fra halvlederforbindelsen til uteluften og akseptabel temperaturøkning. Så du har den termiske motstanden fra krysset til transistorhuset, fra huset til kjøleribben og gjennom kjøleribben til luften, legg disse sammen for den totale termiske motstanden. Dette er angitt i ° C/W, så for hver watt som spres, vil temperaturen stige med det antallet grader. Legg dette til omgivelsestemperaturen, så får du temperaturen som halvlederkrysset skal jobbe med.

Trinn 2: Deler og verktøy

Jeg bygde Tiny Load hovedsakelig ved å bruke deler til søppelskasser, så det er litt vilkårlig!

Kretskortet er laget av SRBP (FR2) som jeg tilfeldigvis har fordi det var billig. Den er belagt med 1 oz kobber. Diodene og kondensatorene og mosfet er gamle brukte, og op-amp er en av en pakke med 10 jeg fikk for en stund siden fordi de var billige. Kostnaden er den eneste grunnen til å bruke en smd -enhet for dette - 10 smd -enheter koster meg det samme som 1 gjennomgående hull en ville ha.

• 2 x 1N4148 dioder. Bruk mer hvis du vil kunne laste mer strøm.
• MOSFET -transistor, jeg brukte en BUK453 fordi det var det jeg tilfeldigvis hadde, men velg det du liker, så lenge gjeldende rating er over 10A, er terskelspenningen under ca 5v og Vds er høyere enn maksimumet du forventer å bruk det på, det skal være greit. Prøv å velge en designet for lineære applikasjoner i stedet for å bytte.
• 10k potensiometer. Jeg valgte denne verdien fordi det var det jeg tilfeldigvis hadde, som jeg demonterte fra en gammel TV. De med samme pinneavstand er allment tilgjengelig, men jeg er ikke sikker på monteringsskoene. Du må kanskje endre brettoppsettet for dette.
• Knott for å passe potensiometeret
• 3k motstand. 3.3k skal fungere like bra. Bruk en lavere verdi hvis du vil kunne laste mer strøm med 2-diode referansen vist.
• LM358 op-amp. Virkelig, enhver enkelt forsyning, jernbane-til-skinne-type bør gjøre jobben.
• 22k motstand
• 1k motstand
• 100nF kondensator. Dette burde virkelig være keramisk, selv om jeg brukte en film
• 100uF kondensator. Må vurderes til minst 10V
• 0,1 ohm motstand, minimumseffekt på 10W. Den jeg brukte er for stor, igjen var kostnaden den overveldende faktoren her. En metallkapslet 25W 0.1 ohm motstand var billigere enn mer passende typer. Merkelig, men sant.
• Heatsink - en gammel CPU -kjøleribbe fungerer godt, og har fordelen at den er designet for å ha en vifte festet hvis du trenger en.
• Termisk varmeavlederforbindelse. Jeg lærte at keramiske baserte forbindelser fungerer bedre enn metallbaserte. Jeg brukte Arctic Cooling MX4 som jeg tilfeldigvis hadde. Det fungerer bra, er billig og du får masse!
• Lite stykke aluminium for brakett
• Små skruer og muttere
• liten skyvebryter

Trinn 3: Konstruksjon

Jeg bygde den lille lasten av søppelboks eller veldig billige deler

Kjøleplaten er en gammel CPU -kjøleribbe fra pentiumtiden. Jeg vet ikke hva det er termisk motstand, men jeg antar at det er omtrent 1 eller 2 ° C/W basert på bildene nederst i denne guiden: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc … selv om erfaringen nå antyder at det er ganske bedre enn dette.

Jeg boret et hull i midten av kjøleribben, banket på den og monterte transistoren på den med termisk sammensetning MX4 og skrudde festeskruen direkte inn i hullet. Hvis du ikke har midler til å tappe hull, er det bare å bore det litt større og bruke en mutter.

Jeg trodde opprinnelig at dette kom til å være begrenset til ca 20W spredning, men jeg har hatt det på 75W eller høyere, hvor det ble ganske varmt, men fortsatt ikke for varmt å bruke. Med en kjølevifte tilkoblet vil dette være enda høyere.

Det er ikke nødvendig å bolt den nåværende sansemotstanden til brettet, men hva er poenget med å ha bolthull hvis du ikke kan boltre noe til dem? Jeg brukte små biter av tykk ledning igjen fra noe elektrisk arbeid, for å koble motstanden til brettet.

Strømbryteren kom fra et nedlagt leketøy. Jeg fikk hullavstandene feil på min PCB, men avstanden på PCB -oppsettet som er gitt her, bør passe hvis du har samme type miniatyr SPDT -bryter. Jeg inkluderte ikke en LED i det originale designet, for å vise at Tiny Load er slått på, men skjønte at dette er en tåpelig utelatelse, så jeg har lagt det til.

De tykke sporene som de står, er egentlig ikke tykke nok til 10 ampere med 1oz kobberbelagt brett som brukes, så det er bulked opp med litt kobbertråd. Hvert av sporene har et stykke 0,5 mm kobbertråd lagt rundt det og klisslodd med intervaller, bortsett fra den korte strekningen som er koblet til bakken, ettersom grunnplanet tilfører mye masse. Sørg for at den ekstra ledningen går rett til mosfet og motstandsstifter.

Jeg laget kretskortet ved hjelp av toneroverføringsmetoden. Det er en enorm mengde litteratur på nettet om dette, så jeg vil ikke gå inn på det, men det grunnleggende prinsippet er at du bruker en laserskriver til å skrive ut designet på litt skinnende papir, deretter stryke det på brettet og deretter etse den. Jeg bruker litt billig gult toneroverføringspapir fra Kina, og et strykejern satt til litt under 100 ° C. Jeg bruker aceton til å rengjøre toneren. Bare fortsett å tørke med filler med frisk aceton til de blir rene. Jeg tok mange bilder for å illustrere prosessen. Det er mye bedre materialer tilgjengelig for jobben, men litt utover budsjettet mitt! Jeg må vanligvis berøre mine overføringer med en tusj.

Bor hullene med din favorittmetode, og legg deretter kobbertråden til de brede sporene. Hvis du ser nøye ut, kan du se at jeg rotet boringen min litt (fordi jeg brukte en eksperimentell boremaskin som er litt ufullkommen. Når den fungerer som den skal, gjør jeg en instruksjon om den, jeg lover!)

Monter først op-amp. Hvis du ikke har jobbet med smds før, ikke la deg skremme, det er ganske enkelt. Tinn først en av putene på brettet med en veldig liten mengde loddetinn. Plasser brikken veldig forsiktig og stikk den relevante pinnen ned til puten du har fortinnet. Ok nå vil ikke brikken bevege seg, du kan lodde alle de andre pinnene. Hvis du har litt væskestrøm, gjør du smøringen av dette enklere.

Monter resten av komponentene, den minste først, som er mest sannsynlig dioder. Sørg for at du får dem på riktig måte. Jeg gjorde ting litt bakover ved å montere transistoren på kjøleribben først, fordi jeg brukte den til å eksperimentere med den.

En stund ble batteriet montert på brettet ved hjelp av klebrig pads, som fungerte bemerkelsesverdig bra! Den ble koblet til ved hjelp av en standard pp3 -kontakt, men kortet er designet for å ta en mer omfattende type holder som klemmer inn hele batteriet. Jeg hadde noen problemer med å fikse batteriholderen siden det krever 2,5 mm skruer, som jeg har mangel på og ingen muttere skal passe. Jeg boret ut hullene i klippet til 3,2 mm og motboret dem til 5,5 mm (ikke ekte motboring, jeg brukte bare en borekrone!), Men fant den større borekronen som grep plasten veldig skarpt og gikk rett gjennom et av hullene. Selvfølgelig kan du bruke klebrig pads for å fikse det, noe som i ettertid kan være bedre.

Trim batteriklemmen slik at du har omtrent en tomme ledning, tinn endene, tre dem gjennom hullene i brettet og lodd endene tilbake gjennom brettet.

Hvis du bruker en motstandsdyktig metallmotstand som den som er vist, må du montere den med tykke ledninger. Den må ha en slags avstandsstykker mellom den og brettet, slik at den ikke overopphetes op-amp. Jeg brukte nøtter, men metallhylser eller stabler med skiver limt til brettet ville vært bedre.

En av boltene som fester batteriklemmen går også gjennom en av motstandsskoene. Dette har vist seg å være en dårlig idé.

Trinn 4: Ta den i bruk, forbedringer, noen tanker

Bruk: Tiny Load er designet for å trekke en konstant strøm fra en forsyning, uansett spenning, så du trenger ikke koble noe annet til det, bortsett fra et amperemeter, som du bør plassere i serie med en av inngangene.

Vri bryteren til null, og slå på Tiny Load. Du bør se en liten mengde strøm, opp til omtrent 50mA.

Juster knappen sakte til strømmen du vil teste på flyter, gjør uansett hvilke tester du trenger å gjøre. Sjekk at kjøleribben ikke er for varm - tommelfingerregelen her er at hvis den brenner fingrene, er den for varm. Du har tre alternativer i dette tilfellet:

1. Skru ned forsyningsspenningen
2. Skru ned Tiny Load
3. Kjør den i korte intervaller med god tid til avkjøling i mellom
4. Sett en vifte på kjøleribben

OK ok det er fire alternativer:)

Det er ingen inngangsbeskyttelse, så vær veldig forsiktig med at inngangene er koblet riktig vei. Gjør du det feil, vil mosfets egen diode lede all strøm som er tilgjengelig og sannsynligvis ødelegge mosfeten i prosessen.

Forbedringer: Det ble raskt tydelig at Tiny Load må ha sine egne måter å måle strømmen den trekker. Det er tre måter å gjøre dette på.

1. Det enkleste alternativet er å montere et amperemeter i serie med den positive eller negative inngangen.
2. Det mest nøyaktige alternativet er å koble et voltmeter over følelsesmotstanden, kalibrert til den motstanden slik at spenningen som vises indikerer strømmen.
3. Det billigste alternativet er å lage en papirvekt som passer bak kontrollknappen, og merke en kalibrert skala på den.

Potensielt kan mangelen på omvendt beskyttelse være et stort problem. Mosfets innebygde diode vil lede om Tiny Load er slått på eller ikke. Igjen er det en rekke alternativer for å løse dette:

1. Den enkleste og billigste metoden ville være å koble en diode (eller noen dioder parallelt) i serie med inngangen.
2. Et dyrere alternativ er å bruke en mosfet som har innebygd omvendt beskyttelse. OK, så det er også den enkleste metoden.
3. Det mest komplekse alternativet er å koble en andre mosfet i antiserie med den første, som bare leder hvis polariteten er riktig.

Jeg innså at noen ganger er det som virkelig trengs en justerbar motstand som kan spre mye kraft. Det er mulig å bruke en modifikasjon av denne kretsen for å gjøre det, mye billigere enn å kjøpe en stor reostat. Så se opp for Tiny Load MK2 som kan byttes til resistiv modus!

Endelige tankerTiny Load har vist seg å være nyttig allerede før den var ferdig, og fungerer veldig bra. Imidlertid hadde jeg noen problemer med å konstruere den, og innså etterpå at en måler og "på" indikator ville være verdifulle forbedringer.