Tiny Load - Konstante Stromlast - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Ich habe selbst ein Bank-Netzteil entwickelt und bin schließlich an dem Punkt angelangt, an dem ich es belasten möchte, um zu sehen, wie es funktioniert. Nachdem ich Dave Jones' ausgezeichnetes Video gesehen und ein paar andere Internetquellen angeschaut hatte, kam ich auf Tiny Load. Dies ist eine einstellbare Konstantstromlast, die etwa 10 Ampere bewältigen kann. Spannung und Strom werden durch die Nennleistung des Ausgangstransistors und die Größe des Kühlkörpers begrenzt.

Es muss gesagt werden, es gibt einige wirklich clevere Designs da draußen! Tiny Load ist wirklich einfach und einfach, eine leichte Modifikation von Daves Design, aber es wird immer noch die zum Testen eines Netzteils benötigte Leistung verbrauchen, solange es nicht mehr Saft bekommt, als es verarbeiten kann.

Tiny Load hat keinen angeschlossenen Strommesser, aber Sie können ein externes Amperemeter anschließen oder die Spannung am Rückkopplungswiderstand überwachen.

Ich habe das Design leicht geändert, nachdem ich es gebaut habe, so dass die hier vorgestellte Version eine LED hat, die Ihnen sagt, dass sie eingeschaltet ist, und ein besseres Leiterplattenmuster für den Schalter.

Der Schaltplan und das PCB-Layout werden hier als PDF-Dateien und auch als JPEG-Bilder präsentiert.

Schritt 1: Funktionsprinzip

Für diejenigen, die sich mit elektronischen Prinzipien nicht auskennen, ist hier eine Erklärung der Funktionsweise der Schaltung. Wenn Ihnen das alles gut bekannt ist, überspringen Sie gerne weiter!

Das Herzstück der Tiny Load ist ein LM358 Dual-Op-Amp, der den in der Last fließenden Strom mit einem von Ihnen eingestellten Wert vergleicht. Operationsverstärker können Strom nicht direkt erkennen, daher wird der Strom in eine Spannung umgewandelt, die der Operationsverstärker durch den Widerstand R3, bekannt als Strommesswiderstand, erkennen kann. Für jeden Ampere, der in R3 fließt, werden 0,1 Volt erzeugt. Dies wird durch das Ohmsche Gesetz gezeigt, V=I*R. Da R3 mit 0,1 Ohm ein sehr niedriger Wert ist, wird es nicht übermäßig heiß (die Verlustleistung wird durch I²R angegeben).

Der von Ihnen eingestellte Wert ist ein Bruchteil einer Referenzspannung - auch hier wird Spannung verwendet, da der Operationsverstärker keinen Strom erkennen kann. Die Referenzspannung wird von 2 in Reihe geschalteten Dioden erzeugt. Jede Diode entwickelt eine Spannung im Bereich von 0,65 Volt, wenn ein Strom durch sie fließt. Diese Spannung, die normalerweise bis zu 0,1 Volt auf beiden Seiten dieses Wertes beträgt, ist eine inhärente Eigenschaft von Silizium-p-n-Übergängen. Die Referenzspannung beträgt also etwa 1,3 Volt. Da es sich nicht um ein Präzisionsinstrument handelt, ist hier keine große Genauigkeit erforderlich. Die Dioden erhalten ihren Strom über einen Widerstand. an die Batterie angeschlossen. Die Referenzspannung ist etwas hoch, um die Last auf maximal 10 Ampere einzustellen, daher ist das Potentiometer, das die Ausgangsspannung einstellt, in Reihe mit einem 3k-Widerstand geschaltet, der die Spannung etwas absenkt.

Da die Referenz und der Strommesswiderstand miteinander verbunden und mit dem Null-Volt-Anschluss des Operationsverstärkers verbunden sind, kann der Operationsverstärker die Differenz zwischen den beiden Werten erkennen und seinen Ausgang so einstellen, dass die Differenz auf nahe Null reduziert wird. Die hier verwendete Faustregel lautet, dass ein Operationsverstärker immer versucht, seinen Ausgang so anzupassen, dass seine beiden Eingänge die gleiche Spannung haben.

Über die Batterie ist ein Elektrolytkondensator geschaltet, um jegliches Rauschen zu beseitigen, das in die Versorgung des Operationsverstärkers gelangt. Über die Dioden ist ein weiterer Kondensator geschaltet, um das von ihnen erzeugte Rauschen zu dämpfen.

Den geschäftlichen Teil der Tiny Load bildet ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Ich habe mich für dieses entschieden, weil es in meiner Junk-Box war und für diesen Zweck ausreichende Spannungs- und Stromwerte hatte, aber wenn Sie ein neues kaufen, gibt es viel geeignetere Geräte zu finden.

Der Mosfet verhält sich wie ein variabler Widerstand, bei dem der Drain mit der + Seite der zu testenden Versorgung verbunden ist, die Source mit R3 und darüber mit der - Leitung der zu testenden Versorgung verbunden ist und das Gate verbunden ist zum Ausgang des Operationsverstärkers. Wenn am Gate keine Spannung anliegt, verhält sich der Mosfet wie ein offener Stromkreis zwischen seinem Drain und seiner Source. Wenn jedoch eine Spannung über einem bestimmten Wert (der "Schwellenspannung") angelegt wird, beginnt er zu leiten. Erhöhen Sie die Gate-Spannung ausreichend und ihr Widerstand wird sehr niedrig.

Der Operationsverstärker hält also die Gate-Spannung auf einem Niveau, bei dem der durch R3 fließende Strom eine Spannung erzeugt, die fast dem Bruchteil der Referenzspannung entspricht, die Sie durch Drehen des Potentiometers einstellen.

Da der Mosfet wie ein Widerstand wirkt, wird er von Spannung und Strom durchflossen, wodurch er Leistung in Form von Wärme ableitet. Diese Hitze muss irgendwo hin, sonst würde sie den Transistor sehr schnell zerstören, deshalb ist er an einem Kühlkörper festgeschraubt. Die Mathematik zur Berechnung der Kühlkörpergröße ist einfach, aber auch etwas dunkel und mysteriös, basiert jedoch auf den verschiedenen Wärmewiderständen, die den Wärmefluss durch jedes Teil vom Halbleiterübergang zur Außenluft und der akzeptablen Temperaturerhöhung behindern. Sie haben also den Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Transistorgehäuse, vom Gehäuse zum Kühlkörper und durch den Kühlkörper zur Luft, addieren Sie diese zum Gesamtwärmewiderstand. Diese wird in °C/W angegeben, d. h. für jedes abgegebene Watt steigt die Temperatur um diese Gradzahl. Addieren Sie dies zur Umgebungstemperatur und Sie erhalten die Temperatur, bei der Ihr Halbleiterübergang arbeitet.

Schritt 2: Teile und Werkzeuge

Ich habe die Tiny Load hauptsächlich aus Junk-Box-Teilen gebaut, also ist es ein wenig willkürlich!

Die Platine besteht aus SRBP (FR2), das ich zufällig habe, weil es billig war. Es ist mit 1oz Kupfer beschichtet. Die Dioden und Kondensatoren und der Mosfet sind alte gebrauchte, und der Operationsverstärker ist einer von einer 10er-Packung, die ich vor einiger Zeit bekommen habe, weil sie billig waren. Die Kosten sind der einzige Grund dafür, ein SMD-Gerät zu verwenden - 10 SMD-Geräte kosten mich so viel wie 1 Durchgangsloch, das man hätte.

• 2 x 1N4148-Dioden. Verwenden Sie mehr, wenn Sie mehr Strom laden möchten.
• MOSFET-Transistor, ich habe einen BUK453 verwendet, weil ich ihn zufällig hatte, aber wählen Sie, was Sie möchten, solange der Nennstrom über 10 A liegt, die Schwellenspannung unter etwa 5 V liegt und die Vds höher sind als das erwartete Maximum Verwenden Sie es bei, es sollte in Ordnung sein. Versuchen Sie, eines zu wählen, das eher für lineare Anwendungen als für Schaltvorgänge entwickelt wurde.
• 10k Potentiometer. Ich habe diesen Wert gewählt, weil ich ihn zufällig hatte, den ich von einem alten Fernseher abgebaut habe. Solche mit dem gleichen Stiftabstand sind weit verbreitet, aber bei den Befestigungslaschen bin ich mir nicht sicher. Dazu müssen Sie ggf. das Platinenlayout ändern.
• Knopf zum Anbringen des Potentiometers
• 3k Widerstand. 3.3k sollte genauso gut funktionieren. Verwenden Sie einen niedrigeren Wert, wenn Sie mit der gezeigten 2-Dioden-Referenz mehr Strom laden möchten.
• LM358 Operationsverstärker. Wirklich, jede einzelne Versorgung, Rail-to-Rail-Typ sollte die Arbeit erledigen.
• 22k Widerstand
• 1k Widerstand
• 100nF Kondensator. Das sollte wirklich keramisch sein, obwohl ich einen Film verwendet habe
• 100uF Kondensator. Muss für mindestens 10V. ausgelegt sein
• 0,1 Ohm Widerstand, Mindestleistung von 10W. Der, den ich verwendet habe, ist überdimensioniert, auch hier waren die Kosten der überwältigende Faktor. Ein 25 W 0,1 Ohm Widerstand mit Metallgehäuse war billiger als geeignetere Typen. Komisch aber wahr.
• Kühlkörper - Ein alter CPU-Kühlkörper funktioniert gut und hat den Vorteil, dass er bei Bedarf mit einem Lüfter ausgestattet ist.
• Wärmeleitpaste. Ich habe gelernt, dass Verbindungen auf Keramikbasis besser funktionieren als auf Metallbasis. Ich habe Arctic Cooling MX4 verwendet, das ich zufällig hatte. Es funktioniert gut, ist billig und Sie bekommen viel!
• Kleines Stück Aluminium für Halterung
• Kleine Schrauben und Muttern
• kleiner Schiebeschalter

Schritt 3: Konstruktion

Ich habe die winzige Ladung aus Schrottkiste oder sehr billigen Teilen gebaut

Der Kühlkörper ist ein alter CPU-Kühlkörper aus der Pentium-Ära. Ich weiß nicht, wie hoch der Wärmewiderstand ist, aber ich vermute, dass er ungefähr 1 oder 2 ° C / W beträgt, basierend auf den Bildern am Ende dieser Anleitung: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc… obwohl die Erfahrung jetzt darauf hindeutet, dass es eher besser ist.

Ich bohrte ein Loch in die Mitte des Kühlkörpers, klopfte darauf und montierte den Transistor darauf mit MX4 Wärmeleitpaste und schraubte die Befestigungsschraube direkt in das Gewindeloch. Wenn Sie nicht die Möglichkeit haben, Löcher zu bohren, bohren Sie es einfach etwas größer und verwenden Sie eine Mutter.

Ich dachte ursprünglich, dass dies auf etwa 20 W Verlust beschränkt sein würde, aber ich habe es mit 75 W oder höher laufen lassen, wo es ziemlich heiß wurde, aber immer noch nicht zu heiß für die Verwendung. Mit einem angeschlossenen Lüfter wäre dieser noch höher.

Es besteht keine Notwendigkeit, den Strommesswiderstand mit der Platine zu verschrauben, aber was nützt es, Schraubenlöcher zu haben, wenn Sie etwas nicht daran anschrauben können? Ich benutzte kleine Stücke dicken Drahtes, die von einigen elektrischen Arbeiten übrig blieben, um den Widerstand mit der Platine zu verbinden.

Der Netzschalter stammte von einem nicht mehr existierenden Spielzeug. Ich habe die Lochabstände auf meiner Platine falsch verstanden, aber der Abstand auf dem hier angegebenen Platinen-Layout sollte passen, wenn Sie den gleichen Miniatur-SPDT-Schalter haben. Ich habe keine LED in das ursprüngliche Design aufgenommen, um zu zeigen, dass Tiny Load ist eingeschaltet, erkannte jedoch, dass dies eine törichte Unterlassung ist, also habe ich es hinzugefügt.

Die dicken Spuren, wie sie stehen, sind nicht wirklich dick genug für 10 Ampere mit der verwendeten 1oz kupferplattierten Platine, daher ist sie mit etwas Kupferdraht aufgebauscht. Um jede der Schienen ist ein Stück 0,5 mm Kupferdraht herumgelegt und in Abständen angelötet, mit Ausnahme der kurzen Strecke, die mit Masse verbunden ist, da die Massefläche viel Masse hinzufügt. Stellen Sie sicher, dass der hinzugefügte Draht direkt zu den Mosfet- und Widerstandsstiften führt.

Ich habe die Platine mit der Tonerübertragungsmethode hergestellt. Es gibt eine Menge Literatur im Netz darüber, daher gehe ich nicht darauf ein, aber das Grundprinzip ist, dass Sie das Design mit einem Laserdrucker auf ein glänzendes Papier drucken, dann auf die Platte bügeln und dann ätzen es. Ich benutze ein billiges gelbes Toner-Transferpapier aus China und ein Bügeleisen, das auf etwas unter 100°C eingestellt ist. Ich benutze Aceton, um den Toner zu reinigen. Wischen Sie einfach mit Lappen mit frischem Aceton ab, bis sie sauber sind. Ich habe viele Fotos gemacht, um den Prozess zu veranschaulichen. Es gibt viel bessere Materialien für den Job, aber etwas über meinem Budget! Normalerweise muss ich meine Transfers mit einem Markerstift nachbessern.

Bohren Sie die Löcher mit Ihrer bevorzugten Methode und fügen Sie dann den Kupferdraht zu den breiten Spuren hinzu. Wenn Sie genau hinschauen, können Sie sehen, dass ich mein Bohren ein wenig durcheinander gebracht habe (weil ich eine experimentelle Bohrmaschine verwendet habe, die etwas unvollkommen ist. Wenn es richtig funktioniert, mache ich ein Instructable darauf, das verspreche ich!)

Montieren Sie zuerst den Operationsverstärker. Wenn Sie noch nie mit SMDs gearbeitet haben, lassen Sie sich nicht einschüchtern, es ist ganz einfach. Verzinnen Sie zuerst eines der Pads auf der Platine mit einer wirklich winzigen Menge Lötzinn. Positionieren Sie den Chip sehr vorsichtig und heften Sie den entsprechenden Stift auf das von Ihnen verzinnte Pad. Ok jetzt bewegt sich der Chip nicht mehr, Sie können alle anderen Pins löten. Wenn Sie flüssiges Flussmittel haben, erleichtert das Auftragen eines Abstrichs den Prozess.

Montieren Sie den Rest der Komponenten, die kleinsten zuerst, die höchstwahrscheinlich die Dioden sind. Stellen Sie sicher, dass Sie sie auf die richtige Weise erhalten. Ich habe die Dinge etwas rückwärts gemacht, indem ich den Transistor zuerst auf dem Kühlkörper montiert habe, weil ich ihn anfangs experimentiert habe.

Eine Zeitlang wurde der Akku mit Klebepads auf dem Board befestigt, was bemerkenswert gut funktionierte! Es wurde mit einem Standard-PP3-Anschluss verbunden, aber die Platine ist so konzipiert, dass sie einen größeren Haltertyp aufnehmen kann, der den gesamten Akku einrastet. Ich hatte einige Probleme, den Batteriehalter zu befestigen, da er 2,5-mm-Schrauben benötigt, die ich knapp habe und keine Muttern passen. Ich habe die Löcher im Clip auf 3,2 mm gebohrt und sie auf 5,5 mm angesenkt (kein echtes Senken, ich habe nur einen Bohrer verwendet!), fand jedoch heraus, dass der größere Bohrer den Kunststoff sehr scharf greift und direkt durch eines der Löcher ging. Natürlich könnte man es mit Klebepads fixieren, was im Nachhinein vielleicht besser ist.

Schneiden Sie die Batterieklemmendrähte so ab, dass Sie etwa einen Zoll Draht haben, verzinnen Sie die Enden, fädeln Sie sie durch die Löcher in der Platine und löten Sie die Enden wieder durch die Platine.

Wenn Sie einen Widerstand mit Metallgehäuse wie den abgebildeten verwenden, passen Sie ihn mit dicken Leitungen an. Es muss eine Art Abstandshalter zwischen ihm und der Platine haben, damit der Operationsverstärker nicht überhitzt wird. Ich habe Muttern verwendet, aber Metallhülsen oder Stapel von Unterlegscheiben, die auf die Platine geklebt werden, wären besser gewesen.

Einer der Bolzen, der den Batterieclip befestigt, geht auch durch eine der Widerstandsnasen. Dies hat sich als schlechte Idee herausgestellt.

Schritt 4: Einsatz, Verbesserungen, einige Gedanken

Verwendung: Tiny Load ist so konzipiert, dass es unabhängig von der Spannung einen konstanten Strom aus einer Stromversorgung zieht. Sie müssen also nichts anderes daran anschließen, außer einem Amperemeter, das Sie in Reihe mit einem der Eingänge schalten sollten.

Drehen Sie den Knopf auf Null und schalten Sie Tiny Load ein. Sie sollten einen kleinen Stromfluss von bis zu 50 mA sehen.

Stellen Sie den Knopf langsam ein, bis der Strom fließt, mit dem Sie testen möchten, und führen Sie alle erforderlichen Tests durch. Vergewissern Sie sich, dass der Kühlkörper nicht zu heiß ist. Als Faustregel gilt, dass er zu heiß ist, wenn er sich die Finger verbrennt. Sie haben in diesem Fall drei Möglichkeiten:

1. Verringern Sie die Versorgungsspannung
2. Reduziere Tiny Load
3. Betreiben Sie es in kurzen Abständen mit viel Zeit zum Abkühlen zwischendurch
4. Bringen Sie einen Lüfter am Kühlkörper an

Okay, das sind vier Möglichkeiten:)

Es gibt keinen Eingangsschutz, achten Sie also sehr darauf, dass die Eingänge richtig herum angeschlossen sind. Wenn Sie es falsch machen, leitet die intrinsische Diode des Mosfet den gesamten verfügbaren Strom und zerstört wahrscheinlich den Mosfet dabei.

Verbesserungen: Es wurde schnell klar, dass Tiny Load eigene Mittel zur Messung der Stromaufnahme benötigt. Dazu gibt es drei Möglichkeiten.

1. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, ein Amperemeter in Reihe mit dem positiven oder negativen Eingang zu schalten.
2. Die genaueste Option besteht darin, ein Voltmeter über den Messwiderstand anzuschließen, das auf diesen Widerstand kalibriert ist, sodass die angezeigte Spannung den Strom anzeigt.
3. Am günstigsten ist es, eine Papierskala hinter dem Bedienknopf anzufertigen und eine kalibrierte Skala darauf zu markieren.

Möglicherweise kann der fehlende Rückwärtsschutz ein großes Problem sein. Die intrinsische Diode des Mosfets leitet unabhängig davon, ob Tiny Load eingeschaltet ist oder nicht. Auch hier gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, dies zu beheben:

1. Die einfachste und billigste Methode wäre, eine Diode (oder einige Dioden parallel) in Reihe mit dem Eingang zu schalten.
2. Eine teurere Option ist die Verwendung eines Mosfets mit eingebautem Rückwärtsschutz. OK, das ist auch die einfachste Methode.
3. Die aufwendigste Möglichkeit besteht darin, einen zweiten Mosfet in Anti-Serie mit dem ersten zu verbinden, der nur bei richtiger Polarität leitet.

Mir wurde klar, dass manchmal wirklich ein einstellbarer Widerstand benötigt wird, der viel Leistung abführen kann. Es ist möglich, eine Modifikation dieser Schaltung zu verwenden, um dies zu tun, viel billiger als der Kauf eines großen Rheostaten. Achten Sie also auf Tiny Load MK2, das in den Widerstandsmodus geschaltet werden kann!

Abschließende GedankenTiny Load hat sich schon vor der Fertigstellung bewährt und funktioniert sehr gut. Ich hatte jedoch einige Probleme bei der Konstruktion und erkannte später, dass ein Messgerät und eine "Ein"-Anzeige wertvolle Verbesserungen darstellen würden.