Carga minúscula - Carga atual constante: 4 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Tenho desenvolvido para mim uma PSU de bancada e finalmente cheguei ao ponto em que quero aplicar uma carga a ela para ver como funciona. Depois de assistir ao excelente vídeo de Dave Jones e olhar alguns outros recursos da Internet, eu vim com o Tiny Load. Esta é uma carga de corrente constante ajustável, que deve ser capaz de lidar com cerca de 10 amperes. A tensão e a corrente são limitadas pelas classificações do transistor de saída e pelo tamanho do dissipador de calor.

Deve ser dito, existem alguns designs realmente inteligentes por aí! Tiny Load é realmente básico e simples, uma ligeira modificação do design de Dave, mas ainda assim dissipará a energia necessária para testar um psu, contanto que não obtenha mais energia do que pode suportar.

O Tiny Load não tem um medidor de corrente conectado, mas você pode conectar um amperímetro externo ou monitorar a tensão no resistor de feedback.

Alterei um pouco o design depois de construí-lo, de modo que a versão apresentada aqui tem um LED para informar que está ligado e um padrão de pcb melhor para o switch.

O esquema e o layout do PCB são apresentados aqui como arquivos PDF e também como imagens JPEG.

Etapa 1: Princípio de Operação

Para aqueles não versados em princípios eletrônicos, aqui está uma explicação de como o circuito funciona. Se tudo isso é bem conhecido por você, fique à vontade para pular!

O coração do Tiny Load é um LM358 dual op-amp, que compara a corrente que flui na carga com um valor definido por você. Os op-amps não podem detectar a corrente diretamente, então a corrente é transformada em uma tensão, que o op-amp pode detectar, pelo resistor R3, conhecido como o resistor de detecção de corrente. Para cada amp que flui em R3, 0,1 volts é produzido. Isso é mostrado pela lei de Ohm, V = I * R. Como R3 é um valor muito baixo, a 0,1 ohms, ele não fica excessivamente quente (a potência que ele dissipa é dada por I²R).

O valor definido é uma fração de uma tensão de referência - novamente, a tensão é usada porque o amplificador operacional não pode detectar a corrente. A tensão de referência é produzida por 2 diodos em série. Cada diodo desenvolverá uma voltagem em torno de 0,65 volts, quando uma corrente passa por ele. Essa tensão, que geralmente é de até 0,1 volts de cada lado desse valor, é uma propriedade inerente das junções p-n de silício. Portanto, a tensão de referência é de cerca de 1,3 volts. Como este não é um instrumento de precisão, não há necessidade de grande precisão aqui. Os diodos obtêm sua corrente por meio de um resistor. conectado à bateria. A tensão de referência é um pouco alta para definir a carga para um máximo de 10 amperes, então o potenciômetro que define a tensão de saída é conectado em série com um resistor de 3k que diminui um pouco a tensão.

Como a referência e o resistor de detecção de corrente estão conectados juntos e conectados à conexão de zero volts do amplificador operacional, o amplificador operacional pode detectar a diferença entre os dois valores e ajustar sua saída para que a diferença seja reduzida a quase zero. A regra prática aqui é que um amplificador operacional sempre tentará ajustar sua saída para que as duas entradas estejam na mesma voltagem.

Há um capacitor eletrolítico conectado à bateria para eliminar qualquer ruído que entre na alimentação do amplificador operacional. Há outro capacitor conectado aos diodos para amortecer o ruído que eles geram.

O negócio final da Tiny Load é formado por um MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Eu escolhi este porque estava na minha caixa de sucata e tinha tensão e corrente nominal adequadas para este propósito, entretanto, se você for comprar um novo, existem dispositivos muito mais adequados para serem encontrados.

O mosfet atua como um resistor variável, onde o dreno é conectado ao lado + da fonte que você deseja testar, a fonte é conectada a R3 e, por meio disso, ao cabo - da fonte que você deseja testar e a porta é conectada para a saída do op-amp. Quando não há tensão na porta, o mosfet atua como um circuito aberto entre seu dreno e a fonte, entretanto, quando a tensão é aplicada acima de um certo valor (a tensão "limite"), ele começa a conduzir. Aumente a tensão do gate o suficiente e sua resistência ficará muito baixa.

Portanto, o amplificador operacional mantém a tensão do gate em um nível em que a corrente que flui através de R3 causa o desenvolvimento de uma tensão que é quase igual à fração da tensão de referência que você ajustou girando o potenciômetro.

Como o mosfet está agindo como um resistor, tem voltagem e corrente fluindo por ele, o que faz com que ele dissipe energia, na forma de calor. Esse calor tem que ir para algum lugar ou então destruiria o transistor muito rapidamente, por isso ele está aparafusado a um dissipador de calor. A matemática para calcular o tamanho do dissipador de calor é simples, mas também um pouco obscura e misteriosa, mas é baseada nas várias resistências térmicas que impedem o fluxo de calor através de cada parte da junção semicondutora para o ar externo e no aumento de temperatura aceitável. Então você tem a resistência térmica da junção ao gabinete do transistor, do gabinete ao dissipador de calor e, através do dissipador de calor ao ar, some-os para obter a resistência térmica total. Isso é dado em ° C / W, portanto, para cada watt que está sendo dissipado, a temperatura aumentará em alguns graus. Adicione isso à temperatura ambiente e você obterá a temperatura na qual sua junção de semicondutor estará trabalhando.

Etapa 2: Peças e Ferramentas

Eu construí o Tiny Load principalmente usando peças de caixa de lixo, então é um pouco arbitrário!

O PCB é feito de SRBP (FR2), que por acaso eu tenho porque era barato. É revestido com cobre de 1 onça. Os diodos, capacitores e mosfet são antigos e usados, e o amplificador operacional é um de um pacote de 10 que comprei há um tempo porque eram baratos. O custo é a única razão para usar um dispositivo smd para isso - 10 dispositivos smd me custam o mesmo que 1 através de um orifício.

• 2 x díodos 1N4148. Use mais se quiser ser capaz de carregar mais corrente.
• Transistor MOSFET, usei um BUK453 porque é o que aconteceu de eu ter, mas escolha o que você gosta, desde que a corrente nominal seja acima de 10A, a tensão de limiar esteja abaixo de cerca de 5v e o Vds seja maior do que o máximo que você espera use-o em, ele deve estar bem. Tente escolher um projetado para aplicações lineares em vez de para comutação.
• Potenciômetro de 10k. Escolhi esse valor porque é o que eu tinha, que desmontei de uma TV antiga. Os com o mesmo espaçamento entre pinos estão amplamente disponíveis, mas não tenho certeza sobre os terminais de montagem. Você pode ter que modificar o layout do tabuleiro para isso.
• Botão para ajustar o potenciômetro
• Resistor de 3k. 3,3k deve funcionar da mesma forma. Use um valor mais baixo se quiser poder carregar mais corrente com a referência de 2 diodos mostrada.
• LM358 op-amp. Na verdade, qualquer fonte única, tipo de trilho a trilho, deve dar conta do recado.
• Resistor de 22k
• Resistor 1k
• Capacitor 100nF. Isso deveria ser realmente de cerâmica, embora eu tenha usado um filme
• Capacitor 100uF. Precisa ser classificado para pelo menos 10 V
• Resistor de 0,1 ohm, classificação mínima de 10W. O que usei é superdimensionado, mais uma vez, o custo foi o fator opressor aqui. Um resistor de 25 W 0,1 ohm com revestimento de metal era mais barato do que os tipos com classificação mais adequada. Estranho mas verdade.
• Dissipador de calor - um dissipador de calor de CPU antigo funciona bem e tem a vantagem de ter uma ventoinha instalada se você precisar.
• Composto dissipador de calor térmico. Aprendi que os compostos à base de cerâmica funcionam melhor do que os de metal. Eu usei o Arctic Cooling MX4, que por acaso eu usei. Funciona bem, é barato e você ganha muito!
• Pequeno pedaço de alumínio para suporte
• Parafusos e porcas pequenos
• interruptor deslizante pequeno

Etapa 3: construção

Eu construí a pequena carga com uma caixa de sucata ou peças muito baratas

O dissipador de calor é um antigo dissipador de calor de CPU da era pentium. Não sei o que é resistência térmica, mas acho que é cerca de 1 ou 2 ° C / W com base nas fotos no final deste guia: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc … embora a experiência agora sugira que é um pouco melhor do que isso.

Eu perfurei um orifício no meio do dissipador de calor, bati e montei o transistor nele com pasta térmica MX4 e aparafusei o parafuso de montagem diretamente no orifício rosqueado. Se você não tem como fazer furos, faça um furo um pouco maior e use uma porca.

Eu originalmente pensei que isso seria limitado a cerca de 20W de dissipação, no entanto, ele funcionou a 75W ou mais, onde ficou muito quente, mas ainda não muito quente para usar. Com uma ventoinha instalada, isso seria ainda maior.

Não há necessidade real de aparafusar o resistor de detecção de corrente à placa, mas de que adianta ter furos de parafuso se você não pode aparafusar algo a eles? Usei pequenos pedaços de fio grosso, deixados de algum trabalho elétrico, para conectar o resistor à placa.

O botão liga / desliga veio de um brinquedo extinto. Eu entendi errado o espaçamento dos furos no meu pcb, mas o espaçamento no layout do pcb dado aqui deve caber se você tiver o mesmo tipo de switch SPDT em miniatura. Eu não incluí um LED no design original, para mostrar que o Tiny Load é ligado, mas percebi que esta é uma omissão tola, então adicionei.

As faixas grossas, como estão, não são grossas o suficiente para 10 amperes com a placa de cobre de 1 onça usada, então ela é reforçada com um pouco de fio de cobre. Cada uma das trilhas tem um pedaço de fio de cobre de 0,5 mm colocado em torno dela e soldada por pontos em intervalos, exceto pelo pequeno trecho que é conectado ao aterramento, já que o plano de aterramento adiciona bastante volume. Certifique-se de que o fio adicionado vai direto para o mosfet e os pinos do resistor.

Fiz o pcb usando o método de transferência de toner. Há uma grande quantidade de literatura na rede sobre isso, então não vou entrar nisso, mas o princípio básico é que você use uma impressora a laser para imprimir o desenho em um papel brilhante, depois passe a ferro na lousa e depois grave isto. Eu uso um pouco de papel de transferência de toner amarelo barato da China e um ferro de passar roupas ajustado para um pouco abaixo de 100 ° C. Eu uso acetona para limpar o toner. Apenas continue limpando com trapos com acetona fresca até que eles fiquem limpos. Tirei muitas fotos para ilustrar o processo. Existem materiais muito melhores disponíveis para o trabalho, mas um pouco além do meu orçamento! Normalmente, tenho que retocar minhas transferências com um marcador.

Faça os furos usando seu método favorito e, em seguida, adicione o fio de cobre aos trilhos largos. Se você olhar de perto, pode ver que baguncei um pouco minha furação (porque usei uma furadeira experimental que é um tanto imperfeita. Quando funcionar bem, farei um Instructable nela, prometo!)

Primeiro monte o op-amp. Se você nunca trabalhou com smd antes, não se deixe intimidar, é muito fácil. Primeiro estanhe uma das almofadas da placa com uma pequena quantidade de solda. Posicione o chip com muito cuidado e prenda o pino relevante na almofada que você estanhou. Ok, agora o chip não se move, você pode soldar todos os outros pinos. Se você tiver algum fluxo líquido, a aplicação de um esfregaço torna o processo mais fácil.

Coloque o resto dos componentes, os menores primeiro, que provavelmente são os diodos. Certifique-se de obtê-los da maneira certa. Fiz as coisas um pouco ao contrário, montando primeiro o transistor no dissipador de calor, porque o usei inicialmente em experimentos.

Por um tempo, a bateria foi montada na placa usando almofadas adesivas, que funcionaram muito bem! Ela foi conectada usando um conector pp3 padrão, porém a placa foi projetada para receber um tipo de suporte mais substancial que prende na bateria inteira. Tive alguns problemas para consertar o suporte da bateria, pois são necessários parafusos de 2,5 mm, que são escassos e não há porcas para encaixar. Eu fiz os furos no clipe para 3,2 mm e rebaixei-os para 5,5 mm (não é um rebaixamento real, eu apenas usei uma broca!), No entanto, descobri que a broca maior agarra o plástico de forma muito acentuada e passa direto por um dos furos. Claro que você pode usar almofadas adesivas para consertá-lo, o que, em retrospectiva, pode ser melhor.

Corte os fios do clipe da bateria de forma que você tenha cerca de 2,5 cm de fio, estanhe as pontas, passe-os pelos orifícios da placa e solde as pontas de volta na placa.

Se você estiver usando um resistor com revestimento de metal como o mostrado, instale-o com fios grossos. Ele precisa ter algum tipo de espaçador entre ele e a placa para não superaquecer o amplificador operacional. Usei nozes, mas luvas de metal ou pilhas de arruelas coladas na placa teriam sido melhores.

Um dos parafusos que fixa o clipe da bateria também passa por um dos terminais do resistor. Isso acabou sendo uma má ideia.

Etapa 4: Colocando em Uso, Aprimoramentos, Algumas Reflexões

Uso: Tiny Load é projetado para extrair uma corrente constante de uma fonte, não importa qual seja a tensão, então você não precisa conectar mais nada a ela, exceto um amperímetro, que você deve colocar em série com uma das entradas.

Gire o botão até zero e ligue o Tiny Load. Você deve ver uma pequena quantidade de fluxo de corrente, até cerca de 50 mA.

Ajuste lentamente o botão até que a corrente que você deseja testar esteja fluindo, faça todos os testes que você precisa fazer. Verifique se o dissipador de calor não está excessivamente quente - a regra aqui é que, se queimar os dedos, está quente demais. Você tem três opções neste caso:

1. Abaixe a tensão de alimentação
2. Reduza o Tiny Load
3. Execute-o por curtos intervalos com bastante tempo para esfriar entre
4. Instale um ventilador no dissipador de calor

OK ok são quatro opções:)

Não há nenhuma proteção de entrada, então tome muito cuidado para que as entradas estejam conectadas da maneira correta. Se errar, o diodo intrínseco do mosfet conduzirá toda a corrente disponível e provavelmente destruirá o mosfet no processo.

Aprimoramentos: rapidamente ficou claro que o Tiny Load precisa ter seus próprios meios de medir a corrente que consome. Existem três maneiras de fazer isso.

1. A opção mais simples é ajustar um amperímetro em série com a entrada positiva ou negativa.
2. A opção mais precisa é conectar um voltímetro ao resistor de detecção, calibrado para esse resistor de forma que a tensão mostrada indique a corrente.
3. A opção mais barata é fazer uma escala de papel que caiba atrás do botão de controle e marcar uma escala calibrada nela.

Potencialmente, a falta de proteção reversa pode ser um grande problema. O diodo intrínseco do mosfet conduzirá quer o Tiny Load esteja ligado ou não. Novamente, há uma série de opções para resolver isso:

1. O método mais simples e barato seria conectar um diodo (ou alguns diodos em paralelo) em série com a entrada.
2. Uma opção mais cara é usar um mosfet que possui proteção reversa embutida. OK, então esse também é o método mais simples.
3. A opção mais complexa é conectar um segundo mosfet em anti-série com o primeiro, que conduz apenas se a polaridade estiver correta.

Percebi que às vezes o que é realmente necessário é uma resistência ajustável que pode dissipar muita energia. É possível usar uma modificação deste circuito para fazer isso, muito mais barato do que comprar um grande reostato. Portanto, fique atento ao Tiny Load MK2, que poderá ser alternado para o modo resistivo!

Considerações finaisTiny Load provou ser útil mesmo antes de ser concluído e funciona muito bem. No entanto, tive alguns problemas ao construí-lo e depois percebi que um medidor e o indicador "ligado" seriam melhorias valiosas.