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.

Все электронщики, занимающиеся конструированием устройств электропитания, рано или поздно сталкиваются с проблемой отсутствия нагрузочного эквивалента или функциональной ограниченностью имеющихся нагрузок, а так же их габаритами. К счастью, появление на российском рынке дешевых и мощных полевых транзисторов несколько исправило ситуацию.

Стали появляться любительские конструкции электронных нагрузок на базе полевых транзисторов, более пригодных к использованию в качестве электронного сопротивления, нежели их биполярные собратья: лучшая температурная стабильность, практически нулевое сопротивление канала в открытом состоянии, малые токи управления - основные преимущества, определяющие предпочтительность их использования в качестве регулирующего компонента в мощных устройствах. Более того, самые разнообразные предложения появились от производителей приборов, прайсы которых пестрят самыми разнообразными моделями электронных нагрузок. Но, так как производители ориентируют свою весьма сложную и многофункциональную продукцию под названием "электронная нагрузка" в основном на производство, цены на эти изделия настолько высоки, что покупку может позволить себе лишь весьма состоятельный человек. Правда, не не совсем понятно, - зачем состоятельному человеку электронная нагрузка.

ЭН промышленного изготовления, ориентированного на любительский инженерный сектор, мною замечено не было. Значит, опять придется все делать самому. Э-эх... Начнем.

Преимущества электронного эквивалента нагрузки

Граждане портала, имеющие отношение к конструированию и ремонту блоков питания, несомненно знают ответ на этот вопрос. Лично я вижу два фактора, достаточных для того, что бы иметь в своей "лаборатории" электронную нагрузку: небольшие габариты, возможность управления мощностью нагрузки в больших пределах простыми средствами (так, как мы регулируем громкость звучания или выходное напряжение блока питания - обычным переменным резистором а не мощными контактами рубильника, движком реостата и т.д.).

Кроме того, "действия" электронной нагрузки можно легко автоматизировать, облегчив таким образом и сделав более изощренными испытания силового устройства с помощью электронной нагрузки. При этом, разумеется, освобождаются глаза и руки инженера, работа становится продуктивней. Но о прелестях всех возможных наворотов и совершенств - не в этой статье, и, быть может, от другого автора. А пока, - лишь о еще одной разновидности электронной нагрузки - импульсной.

Еще несколько фото

Так называлась статья И. Нечаева г. Курск, размещенная в журнале Радио №1 за 2005 год стр. 35, в которой описывается схема устройства, эквивалентного мощной активной нагрузке.

Для начала обязательно прочитайте эту статью. Это обычный стабилизатор тока, выполненный на операционном усилителе и мощном полевом транзисторе. Про подобные устройства можно еще почитать в книге «Электронные схемы на операционных усилителях» В.И. Щербаков Г.И. Грездов Киев «Технiка» 1983г стр.131. Для удобства использования данной нагрузки хочу предложить вам дополнить схему цифровым вольтметром и амперметром.

Это позволит отслеживать параметры проверяемого источника питания и, что немаловажно, отслеживать мощность, выделяемую на мощном транзисторе, чтобы не допустить выхода его из строя. Схема нагрузки с цифровой индикацией показана на рисунке 1. Основой блока цифровой индикации является микроконтроллер PIC16F873A. В режиме АЦП работают два вывода контроллера RA1 и RA0, сконфигурированных на аналоговый вход. Напряжение, падающее на нагрузке, через делитель R6 и R7 подается на RA1. С помощью триммера R7 подстраивают показания вольтметра по контрольному цифровому мультиметру. Индицирует величину напряжения на нагрузке правый по схеме индикатор. Измерение тока нагрузки происходит косвенным способом – измерением падания напряжения, при прохождении последнего через датчик тока – резистор R5. С его верхнего вывода напряжение подается на вход контроллера RA0. Величину тока индицирует левый индикатор. Применить можно любые индикаторы с общим катодом. В качестве сетевого трансформатора можно использовать любой маломощный с напряжением вторичной обмотки порядка 12 вольт.

После сборки схемы, ее проверки, не вставляя контроллера проверяют и подстраивают напряжения питания. Резистором R9 на выходе стабилизатора DA2 устанавливают напряжение 5,12В. После установки контроллера устройство готово к работе. Скачать схему и файл прошивки.

Многие радиолюбители, собирая источники питания для различных устройств, сталкиваются с необходимостью проверить их перед использованием по назначению. Предлагаемый прибор позволяет автоматически определять максимальный ток нагрузки источника по 5-процентному спаду его выходного напряжения либо снимать нагрузочную характеристику вручную.

Однажды у меня возникла необходимость проверить выходные параметры блока питания. Не обнаружив в своих запасах подходящих нагрузочных резисторов, я решил собрать транзисторный регулируемый эквивалент нагрузки. Поскольку описания готовой конструкции найти не удалось, я решил разработать и собрать такой прибор самостоятельно.

Технические характеристики

Максимальное напряжение

Проверяемого источника, В.....30

Порог срабатывания токовой защиты, А..................9

Напряжение питания эквивалента, В.................15...30

Потребляемый ток, мА...........250

Схема эквивалента нагрузки представлена на рис. 1. Им управляет микроконтроллер DD1, благодаря чему стало возможным отображать на ЖКИ HG1 напряжение проверяемого источника и отдаваемый им ток.

После включения эквивалента программа микроконтроллера в течение 3 с выводит на ЖКИ номер своей версии, после чего включает светодиод зелёного цвета свечения HL2, сигнализируя о готовности к работе. Теперь можно подключить вход эквивалента к выходу проверяемого источника. После короткого нажатия на кнопку SB1 "+" прибор перейдёт в ручной режим работы, если же удерживать её нажатой не менее 0,5 с, будет включён автоматический режим.

В автоматическом режиме прежде всего замеряется напряжение проверяемого источника на холостом ходу, затем ток нагрузки постепенно увеличивается, пока напряжение не снизится на 5 % или ток не достигнет предела 9 А.

Напряжение, поступающее от проверяемого источника, понижается резистивным делителем R1R2 для измерения значения, допустимого для встроенного в микроконтроллер DD1 АЦП. Повторитель напряжения на ОУ DA2.1 имеет низкое выходное сопротивление, что необходимо для правильной работы АЦП.

Регулируемой нагрузкой проверяемого источника служит транзистор VT3. На его базу через повторитель на ОУ DA1.1, делитель напряжения R5R3 и эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 поступает выделенная интегрирующей цепью R6C1 постоянная составляющая импульсов, формируемых микроконтроллером на выходе RC2. Чем больше коэффициент заполнения импульсов (отношение их длительности к периоду повторения), тем больше постоянная составляющая, тем сильнее открыт транзистор VT3 и больше ток нагрузки проверяемого источника. Пропорциональное этому току напряжение, снятое с резистора R7, усилитель на ОУ DA2.2 доводит до приемлемого для АЦП микроконтроллера значения.

В автоматическом режиме программа постепенно увеличивает длительность импульсов, и ток растёт, пока напряжение проверяемого источника не снизится на 5 % относительно исходного. Далее рост тока прекращается, и на ЖКИ можно прочитать установившиеся значения напряжения и тока. В ручном режиме ток нагрузки регулируют нажатиями на кнопки SB1 "+" и SB2"-", считывая значения напряжения и тока с индикатора HG1.

В отсутствие перегрузки по току на выходе RC7 установлен высокий уровень напряжения. Поэтому полевой транзистор VT2 открыт и не влияет на работу устройства. Но как только ток превысит предельное значение 9 А, микроконтроллер установит на выходе RC7 низкий уровень напряжения и транзистор VT2 закроется, разорвав цепь нагрузки проверяемого источника. На ЖКИ появится сообщение о перегрузке.

Чтобы после устранения причины перегрузки вернуть эквивалент в рабочий режим, следует нажать на кнопку SB1. Микроконтроллер вновь установит на выходе RC7 высокий уровень, открыв этим транзистор VT2.

За измерением и выводом на ЖКИ значений напряжения и тока в программе следует измерение датчиком BK1 температуры теплоотвода, на котором установлены транзисторы VT2 и VT3. Это оказалось очень важным, так как при неизменном токе базы ток коллектора транзистора VT3 сильно растёт с повышением температуры. В зависимости от измеренного значения температуры теплоотвода программа делает следующее:

1. Если температура не превышает 35 °C, устанавливает на выходах RC5 и RC6 микроконтроллера низкие логические уровни. Транзисторы VT4 и VT5 закрыты, вентилятор M1 выключен.

2. Если температура находится в интервале 35...56 оС, устанавливает на выходе RC5 высокий, а на выходе RC6

низкий уровень, открывая транзистор VT4 и включая первую скорость вентилятора M1.

3. Если температура выше 56 оС, устанавливает на выходе RC5 низкий, а на выходе RC6 высокий уровень, закрывая транзистор VT4, открывая VT5 и включая этим вторую (повышенную) скорость вращения вентилятора.

4. Если температура превысила 70 оС, устанавливает низкий уровень на выходе RC7, закрывая этим транзистор VT2 и прерывая ток нагрузки проверяемого источника. Кроме того, она выключает зелёный светодиод HL2 и включает красный HL1. Вентилятор продолжает работать, охлаждая транзисторы, а на ЖКИ появляется сообщение "Перегрев идёт продувка" и ведётся отсчёт времени до завершения этой операции. После сообщения "Продувка завершена" эквивалент переходит в обычный режим, замкнув цепь нагрузки проверяемого источника, выключив красный светодиод HL1 и включив зелёный HL2.

Кроме измеренных значений тока и напряжения, на ЖКИ HG1 выводится значение регистра CCPR1L микроконтроллера, от которого зависит длительность формируемых импульсов. Оно косвенно характеризует степень открытия регулирующего ток транзистора VT3. Каждые 250 мкс проверяется, не превысил ли ток 9 А. Если это произошло, цепь нагрузки проверяемого источника разрывается.

Прибор собран на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита, изображённой на рис. 2. В нём можно использовать любые постоянные резисторы мощностью 0,125 Вт, например МЛТ. Резистор R7 - SQP-10 или другой проволочный мощностью 10 Вт. Если планируется применять прибор для проверки тока свыше 5 А, этот резистор желательно снабдить теплоотводом. Под-строечные резисторы R10 и R16 - импортные PV37W. Конденсаторы С1 - С3, С5 - оксидные фирмы Jamicon, остальные - керамические.

Транзисторы VT2 и VT3 установлены отдельно от платы на теплоотводе от процессора Pentium 4. От него же использован и двухскоростной вентилятор M1. Провода, соединяющие транзисторы VT2 и VT3 с платой и между собой, должны иметь сечение не менее 1 мм2. Рядом с транзисторами на теплоотводе закреплён датчик температуры BK1. Вместо указанного на схеме датчика DS18S20 можно использовать DS1820.

Для интегральных стабилизаторов DA3 и DA4 теплоотвод не требуется. Ток, потребляемый эквивалентом нагрузки от источника его питания, не превышает 250 мА и расходуется в основном на подсветку табло ЖКИ. При замене индикатора указанного на схеме типа на WH1602D можно подборкой резистора R17 уменьшить ток потребления до 90 мА. Если же совсем отключить подсветку, он снизится ещё больше.

Налаживание эквивалента выполняется в следующем порядке. Прежде всего, к его входу подключают источник постоянного напряжения 10.12 В, значение которого измерено как можно точнее цифровым вольтметром. Переведя эквивалент в ручной режим, убеждаемся, что значение напряжения на его ЖКИ совпадает с показаниями цифрового вольтметра. Различие устраняем подборкой резистора R1.

Для калибровки измерителя тока включаем последовательно между источником напряжения и эквивалентом нагрузки амперметр. Установив в этой цепи ток около 2 А, сравниваем его показания со значением, выведенным на ЖКИ эквивалента. С помощью под-строечного резистора R10 добиваемся совпадения. Далее, увеличивая и уменьшая ток нажатиями на кнопки SB1 и SB2, убеждаемся, что показания совпадают во всём интервале его изменения. После этого фиксируем движок подстроечного резистора R10 быстро сохнущим лаком.

В завершение - один совет. После того как все детали впаяны в печатную плату, необходимо тщательно удалить с неё остатки флюса (канифоли). Как оказалось, создаваемые ими утечки между печатными проводниками могут нарушить правильную работу прибора. Обнаружив такие нарушения, я проверил все печатные проводники платы на взаимные замыкания и обрывы, но не обнаружил их. А после промывки все проблемы исчезли. Я использовал растворитель "Титан", который выпускается в форме аэрозоля и прекрасно удаляет остатки флюса.

Заданные в программе пороги уменьшения напряжения проверяемого устройства под нагрузкой и срабатывания токовой защиты можно изменить, но для этого требуется вмешательство в исходный текст программы (имеющийся в приложении файл rez.asm). Информация о порогах записана в его первых строках, как показано в таблице.

Имеющиеся там значения обязательно должны быть выражены целыми числами: ток - в миллиамперах, снижение напряжения - в процентах. Внеся изменения, программу следует оттранслировать заново и загрузить в память микроконтроллера полученный HEX-файл.

Файл печатной платы в формате Sprint Layout и программу микроконтроллера можно скачать .

Дата публикации: 02.07.2013

Мнения читателей

• Юрий / 23.04.2019 - 05:06
  А все таки датчик на ds18b20.
• Александр Беломестных / 13.11.2018 - 21:06
  Интересная схема,попробую собрать,вот только выходное напряжение источника питания скорее всего у меня будет до 50 вольт.Транзистор я смогу умощнить а вот будут ли корректными показания.И вместо двухрежимного вентилятора наверное использую обычный,но в первом режиме через ограничительный резистор.
• Вадим / 22.03.2017 - 04:47
  Можно поднять ток до 11-12 ампер.
• Алексей / 14.04.2015 - 21:44
  Там вроде PIC а фюзы ставят на AVR
• АНДРЕЙ / 18.03.2015 - 16:50
  А фюзы где?? или не трогать? хотя кварц есть
• Игорь / 07.01.2014 - 12:26
  Собрал, работает, но как то странно светодиоды себя ведут. При включении они не горят, зелёный загорается когда перехожу в ручной режим. Иногда сразу загорается красный и горит всегда, а иногда гаснет когда загорается зелёный. Ещё не все буквы правильно отображаются, но это наверно из за другого дисплея, дисплей рабочий, но документации по нему не нашёл (HMC 16229). Датчик температуры работает корректно, хотя в комментариях прошивки описан как DS18B20.
• Вячеслав / 08.12.2013 - 19:17
  А можно прошивку с DS18B20? 18S20 довольно редкая и дорогая штука.
• Александр / 01.11.2013 - 19:17
  Может кто подскажет в чем проблема...При включении показывает температуру 48-52 градуса и включается продувка,датчик рабочий.С моделировал в протеусе та-же проблема может не так МК запрограммировал.заранее благодарен...
• Алексей / 01.11.2013 - 08:58
  Схемка рабочая но желательно вместо Irfz44 поставить Irfp460, а вместо КТ819 поставить 2SC5570
• Александр / 07.10.2013 - 16:25
  Кто-нибудь Собирал эту схему?Форум по статье есть?
• Андрей / 06.08.2013 - 14:53
  хорощо бы обойтись без Ds, покрайней мере на этапе отладки

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.