Sztuczne obciążenie

Streszczenie:

W warsztacie każdego elektronika, nawet hobbysty, powinno znaleźć się urządzenie umożliwiające przebadanie wyjść układu, dla różnych wartości obciążenia. Prezentowane układ sztucznego obciążenia, umożliwia ustawienie dowolnej (maksymalna wartość określona jest przez badany układ) wartości prądu.

Założenia:

• Maksymalne napięcie pracy 30VDC
• Maksymalny prąd obciążenia 30A
• Mała obudowa
• Zasilanie zewnętrzne
• Regulacja zgrubna i dokładna prądu
• Miernik elektroniczny panelowy

Zasada działania:

Układ sztucznego obciążenia posiada mało elementów w stosunku do jego użyteczności. Sercem urządzenia jest wzmacniacz operacyjny (LM358N) pracujący w układzie komparatora napięć. Zadawanie prądu obciążenia następuje przy użyciu dwóch potencjometrów – jeden służy do ustawiania wartości dokładnej, drugi do zgrubnej. Sygnał (wartość napięcia ustawiona przy pomocy potencjometrów) jest porównywana z napięciem które występuje na rezystorze mocy o wartości 0,1 Ω. Wynik porównania jest przekazywany na wyjście wzmacniacza operacyjnego.
Wzmacniacz ten steruje poprzez układ dwóch tranzystorów bipolarnych npn oraz pnp tranzystorem wykonawczym MOSFET typu N. Tranzystory bipolarne zostały zastosowane w celu szybkiego przeładowania bramki tranzystora polowego.

Dobór niezbędnych elementów:

Tranzystor polowy MOSFET z kanałem typu N:

Podczas doboru tranzystora należy zwrócić szczególną uwagę na charakterystykę SOA (Safe Operating Rate) aby maksymalne parametry (prąd oraz napięcia) pracy układu nie przekroczyły „bezpiecznego” obszaru tranzystora.
Zastosowany tranzystor MOSFET o kanale typu N posiada oznaczenie IRF3205. Najważniejsze jego parametry to Vds = 55V, Id =110A, P = 200W.
Wartość prądu wskazywałaby na to, że wykonane sztuczne obciążenie mogłoby obciążyć układ prądem o wartości 110A. Natomiast tak nie jest! Należy zwrócić uwagę na kolejny parametr, a jest nim moc P (power dissipation – straty mocy). Przy 110A napięcie jakie mogłoby panować w badanym układzie wynosiłoby niecałe 1,8V. Druga sprawa to odprowadzenie 200W w postaci ciepła, która wydzieli się na obudowie TO-220 tranzystora MOSFET.
Biorąc pod uwagę, że w obudowie LM358 znajdują się dwa wzmacniacze operacyjne, postanowiłem wykorzystać je do sterowania dwoma tranzystorami, dzięki czemu uzyskałem podzielenie mocy na dwa układy IRF3205.
Aby móc obciążyć badany układ prądem o wartości 30A przy 12V (założyłem 12V z tego względu, żeby móc testować sterowniki oświetlenia LED, i inne układy które są na napięcie około 12V ) moc jaka wydzieli się na tranzystorach będzie miała wartość 360W. Czyli na jeden tranzystor przypadnie 180W (15A przy 12V dla jednego tranzystora).

Rezystor mocy:

Zastosowane rezystory mocy powinny być na moc 5W bądź większą. Najlepiej z metalową obudową. Zastosowany został rezystor o wartości 0.1 Ω – w sumie dwa, po jednym na każdy tranzystor MOSFET – o mocy 25W (z metalową obudową). Został on przykręcony do radiatora w celu zwiększenia skuteczności oddawania ciepła.
Przy założeniu, że obciążenie będzie wynosiło 30A to dla jednego rezystora (prąd dla jednego będzie wynosił 15A) moc która się na nim wydzieli wyniesie:
P=I*I*R=15*15*0.1 = 22,5W

Spadek napięcia jaki wystąpi na rezystorze przy maksymalnym obciążeniu (wartość tego napięcia będzie potrzebna do obliczenia wartości dzielnika napięciowego w układzie komparatora):
U=I*R=15*0.1=1.5V,
reszta napięcia wystąpi na tranzystorze MOSFET.

Aby zwiększyć moc dla rezystorów, można je łączyć szeregowo i równolegle, tak aby zwiększyć możliwą wydzielana moc na rezystorach.

Potencjometry:

Na jedno z wejść wzmacniacza podawane jest napięcie z dzielnika napięć, w którego skład wchodzi rezystor oraz dwa potencjometry. Odpowiednie dobranie poszczególnych wartości rezystancji umożliwia określenie górnej wartości prądu, oraz dokładność ustawiana żądanego prądu.

Maksymalne napięcie na potencjometrach może wynieść około 1,5V (z zapasem – napięcie to odpowiada prądowi w obwodzie o wartości 15A) Przy zasilaniu dzielnika napięcia z 5V i przy rezystorze pomocniczym 15k Ω i przy potencjometrach o wartości 7k Ω otrzymamy maksymalne napięcie o wartości 1,59V. Wartość ta odpowiada prądowi około 16A płynącemu przez rezystor. W układzie zostały zastosowane dwa rezystory – do regulacji zgrubnej (5k Ω) oraz do regulacji dokładnej (2k Ω). Maksymalna wartość napięcia przy potencjometrze ustawionym na 2k Ω wyniesie 0,59 V co odpowiada 5,9A.

Budowa układu:

Obsługa:

Po zmontowaniu, urządzenie jest od razu gotowe do użycia. Obsługa sztucznego obciążenia jest dość prosta. Badany układ podłączamy z zachowaniem polaryzacji, tzn. plus do plusa, minus do minusa. Załączamy badany układ oraz sztuczne obciążenie. Potencjometrami ustawiamy żądaną wartość prądu. Maksymalna wartość prądu nie powinna być większa od wartości obliczonej z następującego równania:
I=300/Uin
gdzie Uin – napięcie wejściowe (napięcie jakie występuje na zaciskach badanego układu).

Przykładowe górne wartości prądów dla określonych napięć:
U=6V -> I=50A
U=12V -> I=25A
U=24V -> I=12,5A

Podsumowanie:

Urządzenie które zostało wykonane umożliwia obciążenie badanego układu do 50A (przy 6V). Maksymalne napięcie wejściowe to 40V, natomiast maksymalna moc wynosi 300W. Porównują powyższe parametry z założeniami, można stwierdzić, że wykonany układ sztucznego obciążenia spełnia, a nawet zwiększył wartości przedstawione w założeniach.

Korekta obliczeń dla rezystora mocy:

Z racji tej, że układ może pracować z większymi parametrami niż zostały przyjęte w założeniach, przedstawiam poniżej korektę obliczeń, dla:

• Maksymalnej mocy jaka wydzieli się na pojedynczy rezystorze:

P=I*I*R=25*25*0.1 = 62,5W
(zastosowany radiator umożliwia rozproszenie większej ilości ciepła; maksymalna wartość prądu może być utrzymywana przez krótki okres czasu, dłuższe utrzymywanie – ponad 30s – może spowodować przegrzanie się układu, a w końcowym efekcie uszkodzenie go)

• Spadku napięcia na rezystorze przy maksymalnym obciążeniu:

U=I*R=25*0.1=2.5V,

• Wartości rezystancji dzielnika napięcia.

Rezystor pomocniczy posiada wartość 6,8k Ω, natomiast potencjometry 7k Ω (tak jak we wcześniejszej wersji). Dla potencjometru o wartości rezystancji 2k Ω, maksymalne napięcie w dzielniku wyniesie 1,14V co odpowiada 11,4A

Jak można zauważyć z powyższych obliczeń – im większy zakres obciążenia tym mniejsza dokładność ustawianego prądu.
Odpowiednie dobranie dzielnika napięciowego umożliwia dodatkowo zabezpieczenie całego układu, przed zbyt dużym ustawieniem prądu obciążenia.

Zostanie wykonany jeszcze jedno sztuczne obciążenia, ale dla małych wartości prądu – do około 3A z możliwością regulacji co 10mA. Umożliwi to testowanie małych układów, do których będą podłączane odbiory o stosunkowo niewielkim poborze prądu.

W przyszłości zostanie zastosowany uC do sterowania całego urządzenia z funkcją zabezpieczenia (pomiar napięcia wejściowego co będzie umożliwiało dynamiczną zmianę maksymalnej wartości prądu obciążanego układu – urządzenie samo dobierze wartość graniczną prądu).