Активная нагрузка своими руками

* дискретные значения, Ом: 1.59, 1.62, 1.65, 1.67, 1.70, 1.73, 1.76, 1.79, 1.83, 1.86, 1.9, 1.93, 1.97, 2.01, 2.05, 2.09, 2.14, 2.19, 2.23, 2.29, 2.34, 2.39, 2.45, 2.51, 2.58, 2.65, 2.72, 2.79, 2.87, 2.96, 3.05, 3.14, 3.25, 3.35, 3.47, 3.59, 3.73, 3.87, 4.03, 4.19, 4.38, 4.58, 4.79, 5.03, 5.3, 5.59, 5.92, 6.29, 6.71, 7.19, 7.75, 8.39, 9.16, 10.1, 11.2, 12.6, 14.4, 16.8, 20.2, 25.2, 33.6, 50.4, 101.
** минимальный измеряемый ток — 30мА

Максимальная мощность ограничена характеристиками силовых транзисторов и системой охлаждения.

Устройство имеет минимальное сопротивление, обусловленное сопротивлением датчика тока, сопротивлением Source-Drain перехода силового транзистора и сопротивлением контактов реле.

Отключение по достижению заданного напряжения используется для разряда батарей и составления графика разряда батарей.

Режим пульсирующей нагрузки позволяет исследовать переходные процессы в блоке питания при резком изменении нагрузки.

Внешний вид устройства
______________________________________________________

Устройство собрано в корпусе Z2W. Изготовление прибора предполагает некоторое количество слесарных работ.

Внешний вид передней панели показан на рисунке.

На панели расположены: выключатель питания, индикаторы напряжения и тока, клеммы, кнопка выключения нагрузки, кнопка переключения режимов CI/CR, кнопка сброса журнала, кнопки выбора набора настроек, кнопка включения режима пульсирующей нагрузки, энкодеры, индикатор режима работы CI/CR, индикаторы текущего набора настроек, индикатор пульсирующего режима, индикатор отключения при достижении напряжения.

При подключении нагрузки необходимо соблюдать полярность. При неправильном подключении входное напряжение будет зашунтировано внутренними диодами силовых транзистров. Устройство не отслеживает неправильное подключение и не имеет автоматического отключения. В этом режиме прибор защищён только предохранителем.

Устройство построено на микроконроллере ATMega32. На нём реализованы измерение тока, напряжения, формирование опорных напряжений, логирование, измерение температуры радиатора, управление вентилятором. Управление устройством — цифровое, с помощью энкодеров.
В силовой части используется классическая схема с операционным усилителем и MOSFET транзистором в качестве нагрузки( используются два MOSFET транзистора).
Режим Constant R реализован с помощью цифровых потенциометров MCP4011.

При отключении прибора реле RL2 размыкает цепь нагрузки (мне не нравится идея, когда на выключенный прибор может подаваться напряжение ). Из-за нехватки выводов микропроцессора, собран небольшой узел на транзисторе Q3, который включает реле, когда имеется динамическая индикация на четвёртом индикаторе. При перегреве, прибор специально выключает индикацию на этом сегменте, чтобы разомкнуть цепь.

По той же причине, управление динамиком и датчик температуры делят один вывод микроконтроллера (PA4).

Питание осуществляется от небольшого трансформатора 12В AC 300мА.

Устройство собрано на двусторонней печатной плате, которая крепится за передней панелью.

Я изготавливаю платы на самодельном фрезерном станке, поэтому некоторые соединения придётся доделать перемычками ( если прокладывание дорожки требует несколько переходов между слоями, то проще припаять перемычку ). По этой же причине наблюдается странный микс through_hole и smd компонентов — иногда удобнее использовать DIP для переходов между слоями.

Отверстия в передней панели вырезаются точно по чертежу. Между панелью и печатной платой вставляются пластмассовые кнопки ( я использовал кнопки от детской игрушки ). Семисегментные индикаторы и светодиоды нужно впаивать на определённой высоте, чтобы они попали в прорези в передней панели.

К сожалению, я меня нет платы для финальной схемы устройства, так как она претерпела ряд серьёзных изменений в процессе создания. Но в архиве имеется плата для предварительной версии, в которой все ключевые элементы правильно выставлены под переднюю панель.

Поскольку вся потребляемая мощность преобразуется в тепло, то максимальная мощность устройства напрямую зависит от эффективности системы охлаждения. Я решил использовать радиатор и вентилятор 80мм от кулера для процессоров Athlon XP.

Максимальная мощность тепловыделения данных процессоров составляет порядка 70Вт, что позволяет сделать активную нагрузку длительного использования примерно такой же мощности.

Мои экземпляры радиатора и вентилятора не помещались по высоте на 2мм, поэтому верхняя часть радиатора была немного сфрезерована. В нижней части радиатора нужно нужно было выфрезеровать карманы под транзисторы, сделать 5 отверстий и нарезать резьбу М3 в для крепления транзистора к радиатору и радиатора к корпусу ( в углах основания радиатора ).

Датчик тока ( керамический резистор 3W ) размещается между рёбрами радиатора с помощью металлических прокладок.

В корпусе Z2W не очень удачно расположены передние стойки — они мешают плате передней панели. В данной конструкции передние стойки полностью удалены. Верхняя крышка прикручивается длинными винтами к радиатору сквозь крепёжные отверстия вентилятора.

В боковых стенках делаются вертикальные прорезы, воздух в которые направляется с помощью накладок из тонкой жести:

В качестве датчика температуры используется терморезистор из материнской платы ( выпаивается из-под разъема процессора Socket 462:

Его нужно закрепить на радиаторе, вставив между ребрами ближе к основанию радиатора. Марка датчика не имеет значения, так как все измерения калибруются при настройке.

Связь с компьютером
_____________________________________________________

Устройство подключается к компьютеру с помощью USB-UART преобразователя с гальванической развязкой на оптронах. Преобразователь куплен готовый на ebay:

Он вставляется в плату гальванической развязки:

ПО для PC (Windows)
____________________________________________________

ПО для PC написано на Flash Builder 4.6.

Основной экран

На основном экране отображаются текущие параметры и графики изменения тока и напряжения.

Все кнопки красного цвета работают и управляют реальным устройством. Для задания тока или сопротивления нужно кликнуть на индикаторе.

Закладка Power отображает графики мощности и сопротивления нагрузки.

Закладка History отображает лог работы устройства в течение долгого периода:

Записи в лог добавляются согласно настройке Log Period.

Закладка Power отображает мощность, потреблённую устройством в течении периодов включения:

Закладка Settings позволяет задать основные настройки устройства:

Экран диагностики

Экран диагностики отображает все внутренние параметры — это очень удобно при калибровке.

Здесь также можно сохранить и восстановить все настройки и обновить прошивку.

Load Regulation

Вторая закладка позволяет построить график U=f(I) для блока питания и высчитать значение Load Regulation[24а].

Для начала тестирования нужно подключить блок питания к клеммам нагрузки и ввести значение максимального тока. График будет построен по 10 точкам, от 30мА до максимального тока.

Определение внутреннего сопротивления аккумулятора

Третья закладка позволяет измерить внутреннее сопротивление аккумулятора.

Для начала тестирования необходимо подключить аккумулятор к клеммам устройства и указать значение тока для тестирования. Подключение следует осуществлять короткими толстыми проводами.

Внутреннее сопротивление вычисляется по падению напряжения на аккумуляторе под указанным током.

Построение графиков разряда аккумуляторов, измерение ёмкости

Для тестирования необходимо:
— подключить полностью заряженный аккумулятор к клеммам устройства;
— настроить Stop Voltage (напряжение окончания разряда);
— выставить ток разряда;
— выставить минимальный Log Period;
— включить нагрузку.

Разряд аккумулятора может происходить несколько часов. При этом нет необходимости держать подключенным компьютер. Лог ведётся на устройстве, он будет загружен при подключении к компьютеру:

При этом Log Period при необходимости автоматически удваивается при заполнении лога, чтобы вместить всю кривую разряда.

При достижении Stop Voltage нагрузка отключается. На индикаторах отображается надпись “StP U”, которая чередуется с отображением емкости аккумулятора в А/ч.

Режимы работы прибора
__________________________________________________________________

Ниже в скобках указаны значения переменных в указанном режиме.

Обычный режим, нагрузка выключена
( s_adjustState = STATE_IDLE, s_bDisabled = true)

Светодиоды SET1, SET2 и PULSE не горят. Индикаторы отображают ток настроек SET1 и SET2.

Ручки энкодера устанавливают ток соответствующей настройки.

Включение нагрузки осуществляется кнопками SET1, SET2 либо PULSE.

При нажатии на кнопку первого энкодера, прибор отображает напряжение, приложенное к клеммам, на втором индикаторе. Верхний индикатор при этом отображает “Uin”.

Обычный режим, нагрузка включена
( s_adjustState = STATE_IDLE, s_bDisabled = false)

Светодиоды SET1 и SET2 указывают активный набор настроек.

Индикаторы отображают измеренные напряжение и ток.

Ручка энкодера устанавливает ток соответствующей настройки.

С опцией DIS = 1, нижний индикатор всегда отображается измеренный ток.
С опцией DIS = 2, нижний индикатор кратковременно отображает заданный ток, при этом мигает точка в крайней правой позиции.
Нажатие на кнопку энкодера кратковременно отображает заданный ток.

Кнопка OFF отключает нагрузку.

Кнопка PULSE включает/выключает импульсный режим. В импульсном режиме светодиоды SET1 и SET2 отображают активный набор настроек. Импульсный режим отключается кнопками SET1, SET2 или PULSE.

Напряжение отключения

Если нагрузка используется для разряда аккумуляторных батарей, необходимо задать напряжение отключения в меню настроек (StU). Нулевое значение выключает отключение. Если задано ненулевое значение, светодиод “Stop Voltage” будет гореть. При достижении указанного напряжения, нагрузка отключится через 30 секунд. Cветодиод “Stop Voltage” начнёт мигать, на индикатораx будет отображаться надпись “STP U”., которая будет чередоваться с отображением мощности, потреблённой с момента последнего включения, в А/ч. Для выхода в нормальный режим, необходимо нажать кнопку “OFF”

Режим опций

Для входа в режим опций необходимо удерживать кнопку верхнего энкодера в течении 1с.
Верхний энкодер и кнопка верхнего энкодера переключают опции.
Нижний энкодер изменяет текущую опцию.

Режим калибровки

Для входа в режим калибровки необходимо удерживать кнопку верхнего энкодера в течении 5 сек. Калибровка производится один раз после сборки устройства.

Верхний энкодер и кнопка верхнего энкодера переключают настройку.
Нижний энкодер регулирует настройку.
Кнопка нижнего энкодера сохраняет настройку.

Индикаторы содержат 3 сегмента. Если отображаемое число больше 999, то на индикаторе будет отображаться сначала [старшая часть][минус], потом [минус][младшая часть], с интервалом 1 сек, например, для 4095: [40-] [-95].

После прошивки прибор необходимо откалибровать. Все настройки сохраняются в EEPROM.

Все замеры с помощью ADC производятся 16 раз с усреднением в 4 раза, что даёт значения в диапазоне 0..4095.

Калибровку удобнее проводить, используя ПО для PC.

Точки калибровки

Калибровка измерения напряжения

Напряжение с клемм прибора уменьшается до приемлемого диапазона с помощью делителя R10,R14:

Uadc = U * 2.7 / (56 + 2.7) = U * 0,04599

что позволяет измерять напряжение до 108.7В.

Для повышения точности при измерении малых значений, прибор измеряет напряжение с тремя разными настройками ADC:

• x10 относительно AREF ( 2.56В );
• x1 относительно AREF;
• x1 относительно VCC.

Максимальное напряжения для первого диапазона:

2.56В / 10 / 0.04599 = 5.56В

Максимальное напряжение для второго диапазона:

2.56В / 0.04599 = 55.6В

Максимальное напряжение для третего диапазона:

5В / 0.04599 = 108.7В

Прошивка использует более точный режим, если значение из ADC не превышает 4000.

При больших токах, падение напряжения на контактах реле RL2 становится существенным. Прибор корректирует значение напряжения на клеммах, используя сопротивление контактов — настройка “r.C.r.”

Для калибровки первого диапазона, необходимо установить минимальный ток и подать на клеммы прибора 5В. Значение ADC, отображаемое в пункте меню UA1(ASTATE_VOLTAGE_ADC1), необходимо указать в пункте меню U1(ASTATE_VOLTMETER_POINT1).
То же самое нужно сделать с точками 25В и 50В.

Калибровка температуры

Для калибровки температуры понадобятся фен и термопара(желательно). Значение с датчика температуры отображается в пункте “to” меню калибровки (но гораздо удобнее использовать ПО для PC).

Необходимо нагреть датчик температуры до 40 градусов и внести показания датчика в параметр to1 меню калибровки.

Далее следует нагреть датчик до 50 градусов и внести показания в параметр to2.

В параметр to3 вносят зачение датчика при температуре 55 градусов.

Калибровка скорости вращения вентилятора

В параметре FA1 необходимо указать значение PWM, при котором вентилятор уверенно стартует. В момент изменения значения PWM в меню калибровки, вентилятор вращается с указанной скоростью.

В параметре FA2 необходимо указать значение PWM, при котором напряжение на вентиляторе равно 12В (измерить мультиметром).

Расчёт максимальной мощности

Максимальная мощность ограничена максимальной температурой кристалла силового транзистора. Описание методики расчёта теплового режима транзисторов можно найти в [7а].

Из расчета на максимальную мощность 80Вт:

На каждый транзистор —

Operating Junction and Storage Temperature Range: -55 to +150
Maximum Junction-to-Case (Drain): 1.7
Case-to-Sink, Flat, Greased Surface: 0.5

Сопротивление теплопроводящей пасты берём 0.3.

Температура кристалла выше температуры радиатора на: 40 * (1.7 + 0.5 + 0.3 ) = 100 градусов.
Температуру радиатора нужно держать не больше 150-100 = 50 градусов.

Максимальную мощность можно повысить, применив транзисторы с улучшенными тепловыми сопротивлениями и увеличенными рабочими температурами, например IRF540N, IRF640.

Прошивка написана на CodevisionAVR 2.05.
Прошивку можно записать либо напрямую, либо через bootloader.

Фюзы для записи прошивки напрямую:

Bootloder

Bootloader написан на CodevisionAVR 2.05.

Фъюзы для записи бутлоадера:

Если в микроконтроллер записан бутлоадер, то обновление прошивки можно осуществлять через USB кабель. Это очень удобно, так как не нужно открывать корпус устройства для обновления.

Bootloader реализует потокол AV910 на скорости порта 9600. Для входа в bootloader необходимо включить устройство, удерживая кнопку OFF, при этом в консоль выводится “bootr”, а на индикаторах отображается “P”.

Обновление прошивки можно осуществлять прилагаемым ПО, или любой программой, работающей по протоколу AVR910.

Расчет параметров для режима работы “Const R”
________________________________________________________

В режиме заданного сопротивления ток прямо пропорционален напряжению на клеммах нагрузки. Делители, образованные резисторами R26, R27 и микросхемами U4, U5 формируют опорное напряжение для операционного усилителя. U4,U5 — это электронные потенциометры, управляемые микроконтроллером.

Максимальное опорное напряжение образуется при установке U4,U5 в позицию 0 ( вывод W подключен к терминалу B ), что соответствует 2.1 кОм.

На делителе при этом образуется:

Uref = U * 2.1 / ( 20 + 2.1 )

Ток на токоизмерительном резисторе R3 формирует напряжение:

U * 2.1 / (20+2.1) = 0.15 * I

U/I = 0.15 / ( 2.1 / (20+2.1) ) = 1.57 Ом

Минимальное опорное напряжение образуется при установке U4,U5 в позицию 1, что соответствует 2.1/63 кОм = 33,3 Ом

На делителе при этом образуется:

Uref = U * 33.3 / ( 20000 + 2100 )

U/I = 0.15 / ( 33.3 / (20000+21000) ) = 99.55 Ом

Отдельные электронные потенциометры для каждого набора настроек применяются для максимально быстрого переключения в импульсном режиме, поскольку они управляются по относительно медленному последовательному протоколу.

Расчёт стабильности силового каскада
______________________________________________________

За основу прибора взята схема простейшей электронной нагрузки:

Наряду с простотой, эта схема обладает рядом недостатков.

В данной схеме следует учитывать, что операционный усилитель работает на индуктивную нагрузку — на истоковый повторитель, емкость которого равна[1]:

Сin = Cgd + (1-Gain) * Cgs
и по величине несколько меньше емкости Gate-Source.

Сама же ёмкость затвора подключена между выходом и входом операционного усилителя по схеме интегратора.

Методика анализа стабильности описана в [2а][3а][4а][5а][6а]. Из-за отсутствия измерительного оборудования, анализ производится в LTSpice, по методике, описанной в [15б].

В идеальном случае, схема работает стабильно:

Однако стоит добавить сопротивление и индуктивность проводов, схема становится нестабильной:

После подбора элементов, удалось получить стабильную схему Phase Margin = 50, Gain Margin = 12dB:

Элементы снаббера C18R44 устанавливаются непосредственно на контакты клемм.

Вторая проблема простейшей схемы — если подавать напряжение на уже включенную нагрузку, то работа начинается с к.з., так как в отсутствие напряжения на токовом датчике операционный усилитель поднимает напряжение на затворе до максимума.

Когда начинает проходить ток, напряжение на затворе снижается относительно медленно: играют роль емкость истокового повторителя и slew rate операционного усилителя, которая в случае LM324 составляет 0.4В/мкс. Например, чтобы опустить потенциал затвора с 12 до 5В, понадобится как минимум (12-5)/0.4 = 17мкс. От пробоя транзистор спасают только сопротивление и индуктивность проводов.

Для решения второй проблемы используем второй каскад усилителя в качестве компаратора:

Динамические характеристики такой схемы( скачок тока 1А -5А):

получаются порядка 1А/мкс.

Ну и проверка компаратора — работа на выпрямленную синусоиду:

В реальной схеме некоторые номиналы пришлось немного изменить.

К сожалению, я расположил все элементы схемы на плате лицевой панели. Получились длинные провода к силовым транзисторам и клеймам, которые имеют некоторую индуктивность и сопротивление, а также ловят помехи от цифровой части.

Правильней было бы расположить операционный усилитель U1, мультиплексор U7, потенциометры U4, U5 а также вторую часть фильтров C13R22R8, C12R23R1 на отельной плате прямо под силовыми транзисторами и радиатором.

Я не стал переделывать и смирился с более скромными характеристиками.

Переключение 0.5A->2.5A, U=12V:

Переключение 2.5A->0.5A, U=12V:

Работа на “выпрямленную синусоиду” (на трансформаторный источник питания с высохшим конденсатором), I=0.5A:

При выходе из минимума, нагрузка несколько раз пытается включаться, но напряжение быстро падает ниже 300мВ.

Компенсация сопротивления щупов
____________________________________________________

При использовании длинных проводов, в них наблюдается падение напряжения. Нас интересует напряжение на концах щупов, а не на клеммах устройства. В профессиональных устройствах применяется четырёхпроводное подключение к нагрузке.
Для упрощения работы с устройством, измеренное значение напряжения просто пересчитывается исходя из сопротивления проводов и измеренного тока.

Для компенсации сопротивления щупов, необходимо указать их сопротивление в настройках устройства ( см. пункт меню “L.r.C.” ).

Для того, чтобы определить сопротивление щупов, необходимо подключить нагрузку к блоку питания и включить режим стабилизации тока 1А. После этого нужно измерить напряжение эталонным вольтметром на концах щупов и на клеммах устройства. Разница напряжения в мВ будет равна сопротивлению щупов в мОм. Это значение нужно указать в настройках устройства.

После указания правильного сопротивления, индикатор напряжения устройства будет отображать значение напряжения на концах щупов ( скорректированное исходя из сопротивления щупов и текущего измеренного тока ).

Источник