Carga minúscula - Carga de corriente constante: 4 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

He estado desarrollando una fuente de alimentación de banco y finalmente llegué al punto en el que quiero aplicarle una carga para ver cómo funciona. Después de ver el excelente video de Dave Jones y ver algunos otros recursos de Internet, se me ocurrió Tiny Load. Esta es una carga de corriente constante ajustable, que debería poder manejar aproximadamente 10 amperios. El voltaje y la corriente están limitados por los valores nominales del transistor de salida y el tamaño del disipador de calor.

Hay que decirlo, ¡hay algunos diseños realmente ingeniosos por ahí! Tiny Load es realmente básico y simple, una ligera modificación del diseño de Dave, pero aún disipará la potencia necesaria para probar una fuente de alimentación, siempre que no obtenga más energía de la que puede manejar.

Tiny Load no tiene un medidor de corriente conectado, pero puede conectar un amperímetro externo o monitorear el voltaje a través de la resistencia de retroalimentación.

Alteré ligeramente el diseño después de construirlo, por lo que la versión que se presenta aquí tiene un LED para indicarle que está encendido y un mejor patrón de PCB para el interruptor.

El esquema y el diseño de PCB se presentan aquí como archivos PDF y también como imágenes JPEG.

Paso 1: Principio de funcionamiento

Para aquellos que no conocen bien los principios electrónicos, aquí hay una explicación de cómo funciona el circuito. Si todo esto es bien conocido por usted, ¡no dude en seguir adelante!

El corazón del Tiny Load es un amplificador operacional dual LM358, que compara la corriente que fluye en la carga con un valor que establezca. Los amplificadores operacionales no pueden detectar la corriente directamente, por lo que la corriente se convierte en un voltaje, que el amplificador operacional puede detectar, mediante la resistencia, R3, conocida como resistencia de detección de corriente. Por cada amperio que fluye en R3, se producen 0,1 voltios. Esto se muestra en la ley de Ohm, V = I * R. Debido a que R3 es un valor realmente bajo, a 0.1 ohmios, no se calienta excesivamente (la potencia que disipa viene dada por I²R).

El valor que establece es una fracción de un voltaje de referencia; nuevamente, el voltaje se usa porque el amplificador operacional no puede detectar la corriente. El voltaje de referencia es producido por 2 diodos en serie. Cada diodo desarrollará un voltaje a través de él en la región de 0,65 voltios, cuando fluye una corriente a través de él. Este voltaje, que suele ser de hasta 0,1 voltios a cada lado de este valor, es una propiedad inherente de las uniones p-n de silicio. Entonces, el voltaje de referencia es de alrededor de 1.3 voltios. Debido a que este no es un instrumento de precisión, no es necesaria una gran precisión aquí. Los diodos obtienen su corriente a través de una resistencia. conectado a la batería. El voltaje de referencia es un poco alto para ajustar la carga a un máximo de 10 amperios, por lo que el potenciómetro que establece el voltaje de salida está conectado en serie con una resistencia de 3k que baja un poco el voltaje.

Debido a que la referencia y la resistencia de detección de corriente están conectadas juntas y conectadas a la conexión de cero voltios del amplificador operacional, el amplificador operacional puede detectar la diferencia entre los dos valores y ajustar su salida para que la diferencia se reduzca a casi cero. La regla general que se usa aquí es que un amplificador operacional siempre intentará ajustar su salida para que sus dos entradas estén al mismo voltaje.

Hay un condensador electrolítico conectado a través de la batería para eliminar cualquier ruido que llegue al suministro del amplificador operacional. Hay otro condensador conectado a través de los diodos para amortiguar el ruido que generan.

El extremo comercial de Tiny Load está formado por un MOSFET (Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico). Elegí este porque estaba en mi caja de basura y tenía valores de voltaje y corriente adecuados para este propósito, sin embargo, si está comprando uno nuevo, se pueden encontrar dispositivos mucho más adecuados.

El mosfet actúa como una resistencia variable, donde el drenaje está conectado al lado + del suministro que desea probar, la fuente está conectada a R3 y, a través de eso, al cable - del suministro que desea probar, y la puerta está conectada a la salida del amplificador operacional. Cuando no hay voltaje en la puerta, el mosfet actúa como un circuito abierto entre su drenaje y la fuente, sin embargo, cuando se aplica voltaje por encima de un cierto valor (el voltaje "umbral"), comienza a conducir. Aumente el voltaje de la puerta lo suficiente y su resistencia será muy baja.

Entonces, el amplificador operacional mantiene el voltaje de la puerta a un nivel en el que la corriente que fluye a través de R3 hace que se desarrolle un voltaje que es casi igual a la fracción del voltaje de referencia que estableció al girar el potenciómetro.

Debido a que el mosfet actúa como una resistencia, tiene voltaje a través de él y corriente que fluye a través de él, lo que hace que disipe energía en forma de calor. Este calor tiene que ir a alguna parte o de lo contrario destruiría el transistor muy rápidamente, por esta razón está atornillado a un disipador de calor. Las matemáticas para calcular el tamaño del disipador de calor son sencillas pero también un poco oscuras y misteriosas, pero se basan en las diversas resistencias térmicas que impiden el flujo de calor a través de cada parte desde la unión del semiconductor al aire exterior, y el aumento de temperatura aceptable. Entonces tiene la resistencia térmica desde la unión a la caja del transistor, desde la caja al disipador de calor, y a través del disipador de calor al aire, súmelos para obtener la resistencia térmica total. Esto se da en ° C / W, por lo que por cada vatio que se disipa, la temperatura aumentará en ese número de grados. Agregue esto a la temperatura ambiente y obtendrá la temperatura a la que funcionará su unión semiconductora.

Paso 2: Piezas y herramientas

Construí el Tiny Load principalmente usando partes de la caja de basura, ¡así que es un poco arbitrario!

El PCB está hecho de SRBP (FR2) que tengo porque era barato. Está recubierto con cobre de 1 oz. Los diodos, condensadores y mosfet son viejos usados, y el amplificador operacional es uno de un paquete de 10 que compré hace un tiempo porque eran baratos. El costo es la única razón para usar un dispositivo smd para esto: 10 dispositivos smd me cuestan lo mismo que 1 orificio pasante.

• 2 diodos 1N4148. Utilice más si desea poder cargar más corriente.
• Transistor MOSFET, utilicé un BUK453 porque eso es lo que tenía, pero elija lo que quiera, siempre que la clasificación de corriente sea superior a 10A, el voltaje de umbral sea inferior a aproximadamente 5v y el Vds sea más alto que el máximo que espera úselo en, debería estar bien. Intente elegir uno diseñado para aplicaciones lineales en lugar de para conmutación.
• Potenciómetro de 10k. Elegí este valor porque es lo que tenía, que es uno que desmantelé de un televisor viejo. Los que tienen el mismo espaciado de pines están ampliamente disponibles, pero no estoy seguro acerca de las orejetas de montaje. Puede que tenga que modificar el diseño de la placa para ello.
• Perilla para colocar el potenciómetro
• Resistencia de 3k. 3.3k debería funcionar igual de bien. Utilice un valor más bajo si desea poder cargar más corriente con la referencia de 2 diodos que se muestra.
• Amplificador operacional LM358. Realmente, cualquier tipo de suministro, de riel a riel, debería hacer el trabajo.
• Resistencia 22k
• Resistencia de 1k
• Condensador de 100nF. Esto realmente debería ser de cerámica, aunque usé una película.
• Condensador de 100uF. Debe tener una clasificación de al menos 10 V
• Resistencia de 0,1 ohmios, potencia mínima de 10 W. El que usé es demasiado grande, nuevamente el costo fue el factor abrumador aquí. Una resistencia con carcasa metálica de 25 W y 0,1 ohmios era más barata que los tipos de clasificación más adecuada. Extraño pero cierto.
• Disipador de calor: un disipador de calor de CPU antiguo funciona bien y tiene la ventaja de que está diseñado para tener un ventilador conectado si lo necesita.
• Compuesto de disipador térmico. Aprendí que los compuestos de base cerámica funcionan mejor que los de base metálica. Usé Arctic Cooling MX4 que tenía. ¡Funciona bien, es barato y obtienes mucho!
• Pequeña pieza de aluminio para soporte
• Pequeños tornillos y tuercas
• pequeño interruptor deslizante

Paso 3: construcción

Construí la pequeña carga con una caja de chatarra o piezas muy baratas.

El disipador de calor es un disipador de CPU antiguo de la era del Pentium. No sé cuál es su resistencia térmica, pero supongo que es de aproximadamente 1 o 2 ° C / W según las imágenes al final de esta guía: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc… aunque la experiencia sugiere ahora que es bastante mejor que esto.

Perforé un orificio en el medio del disipador de calor, lo golpeé y monté el transistor con compuesto térmico MX4 y atornillé el tornillo de montaje directamente en el orificio roscado. Si no tiene los medios para roscar agujeros, simplemente taladre un poco más grande y use una tuerca.

Originalmente pensé que esto se limitaría a una disipación de aproximadamente 20 W, sin embargo, lo he tenido funcionando a 75 W o más, donde se puso bastante caliente, pero aún no demasiado para usar. Con un ventilador de refrigeración conectado, esto sería aún mayor.

No hay una necesidad real de atornillar la resistencia de detección de corriente a la placa, pero ¿cuál es el punto de tener agujeros de pernos si no puedes atornillarles algo? Usé pequeños trozos de alambre grueso que quedaron de un trabajo eléctrico, para conectar la resistencia a la placa.

El interruptor de encendido provino de un juguete desaparecido. Me equivoqué con los espaciamientos de los orificios en mi PCB, pero el espaciado en el diseño de PCB que se proporciona aquí debería encajar si tiene el mismo tipo de interruptor SPDT en miniatura. No incluí un LED en el diseño original, para mostrar que Tiny Load es encendido, pero me di cuenta de que se trataba de una omisión tonta, así que lo agregué.

Las pistas gruesas tal como están no son lo suficientemente gruesas para 10 amperios con la placa revestida de cobre de 1 oz utilizada, por lo que está reforzada con un poco de cable de cobre. Cada una de las pistas tiene un trozo de alambre de cobre de 0,5 mm colocado a su alrededor y soldado por puntos a intervalos, excepto por el tramo corto que está conectado a tierra, ya que el plano de tierra agrega mucho volumen. Asegúrese de que el cable agregado vaya directamente al mosfet y a los pines de la resistencia.

Hice la PCB utilizando el método de transferencia de tóner. Hay una gran cantidad de literatura en la red sobre esto, así que no voy a entrar en ella, pero el principio básico es que se usa una impresora láser para imprimir el diseño en un papel brillante, luego se plancha en la pizarra y luego se graba. eso. Utilizo papel de transferencia de tóner amarillo barato de China y una plancha de ropa ajustada a un poco menos de 100 ° C. Utilizo acetona para limpiar el tóner. Simplemente siga limpiando con trapos con acetona nueva hasta que estén limpios. Tomé muchas fotos para ilustrar el proceso. Hay materiales mucho mejores disponibles para el trabajo, ¡pero un poco más allá de mi presupuesto! Normalmente tengo que retocar mis transferencias con un rotulador.

Taladre los agujeros con su método favorito, luego agregue el alambre de cobre a los rieles anchos. Si miras de cerca, puedes ver que arruiné un poco mi perforación (porque usé una perforadora experimental que es algo imperfecta. ¡Cuando funcione correctamente, haré un Instructable, lo prometo!)

Primero monte el amplificador operacional. Si no ha trabajado con smd antes, no se deje intimidar, es bastante fácil. Primero estañe una de las almohadillas de la placa con una pequeña cantidad de soldadura. Coloque el chip con mucho cuidado y fije el pasador correspondiente a la almohadilla que estañó. Bien, ahora el chip no se moverá, puedes soldar todos los demás pines. Si tiene algo de fundente líquido, aplicar una mancha de este facilita el proceso.

Coloque el resto de los componentes, el más pequeño primero, que probablemente sean los diodos. Asegúrese de obtenerlos de la manera correcta. Hice las cosas un poco al revés montando el transistor en el disipador de calor primero, porque lo usé inicialmente para experimentar.

Durante un tiempo, la batería se montó en la placa con almohadillas adhesivas, ¡que funcionaron muy bien! Se conectó mediante un conector pp3 estándar, sin embargo, la placa está diseñada para admitir un tipo de soporte más sustancial que se engancha en toda la batería. Tuve algunos problemas para arreglar el soporte de la batería, ya que se necesitan tornillos de 2,5 mm, que son escasos y no tengo tuercas para colocar. Taladré los orificios en el clip a 3,2 mm y los escarpé a 5,5 mm (¡no es un avellanado real, solo usé una broca!), Sin embargo, encontré que la broca más grande agarra el plástico con mucha fuerza y atraviesa uno de los orificios.. Por supuesto, podría usar almohadillas adhesivas para arreglarlo, lo que en retrospectiva puede ser mejor.

Recorte los cables del clip de la batería para que tenga aproximadamente una pulgada de cable, estañe los extremos, páselos a través de los orificios en la placa y suelde los extremos a través de la placa.

Si está utilizando una resistencia con carcasa metálica como la que se muestra, ajústela con cables gruesos. Necesita tener algún tipo de espaciadores entre él y la placa para que no sobrecaliente el amplificador operacional. Usé nueces, pero las fundas de metal o las pilas de arandelas pegadas al tablero hubieran sido mejores.

Uno de los pernos que fija el clip de la batería también pasa por una de las orejetas de la resistencia. Ha resultado ser una mala idea.

Paso 4: ponerlo en uso, mejoras, algunas ideas

Uso: Tiny Load está diseñado para extraer una corriente constante de un suministro, sin importar cuál sea el voltaje, por lo que no necesita conectar nada más, excepto un amperímetro, que debe colocar en serie con una de las entradas..

Gire la perilla a cero y encienda Tiny Load. Debería ver una pequeña cantidad de flujo de corriente, hasta aproximadamente 50 mA.

Ajuste lentamente la perilla hasta que fluya la corriente a la que desea probar, realice las pruebas que necesite hacer. Verifique que el disipador de calor no esté excesivamente caliente; la regla general aquí es que si le quema los dedos, está demasiado caliente. Tienes tres opciones en este caso:

1. Baje la tensión de alimentación
2. Rechazar Tiny Load
3. Ejecútelo por intervalos cortos con suficiente tiempo para enfriar entre ellos
4. Coloque un ventilador en el disipador de calor

Está bien, eso son cuatro opciones:)

No hay ninguna protección de entrada, así que tenga mucho cuidado de que las entradas estén conectadas correctamente. Hágalo mal y el diodo intrínseco del mosfet conducirá toda la corriente disponible y probablemente destruirá el mosfet en el proceso.

Mejoras: Rápidamente se hizo evidente que Tiny Load necesita tener sus propios medios para medir la corriente que consume. Hay tres formas de hacerlo.

1. La opción más sencilla es colocar un amperímetro en serie con la entrada positiva o negativa.
2. La opción más precisa es conectar un voltímetro a través de la resistencia de detección, calibrado a esa resistencia para que el voltaje que se muestra indique la corriente.
3. La opción más barata es hacer una escala de papel que encaje detrás de la perilla de control y marcar una escala calibrada en ella.

Potencialmente, la falta de protección inversa podría ser un gran problema. El diodo intrínseco del mosfet conducirá si Tiny Load está encendido o no. Nuevamente, hay varias opciones para resolver esto:

1. El método más simple y económico sería conectar un diodo (o algunos diodos en paralelo) en serie con la entrada.
2. Una opción más cara es utilizar un mosfet que tenga protección inversa incorporada. De acuerdo, ese también es el método más simple.
3. La opción más compleja es conectar un segundo mosfet en anti-serie con el primero, que conduce solo si la polaridad es correcta.

Me di cuenta de que a veces lo que realmente se necesita es una resistencia ajustable que pueda disipar mucha potencia. Es posible usar una modificación de este circuito para hacer eso, mucho más barato que comprar un reóstato grande. ¡Así que busque Tiny Load MK2 que podrá cambiarse al modo resistivo!

Pensamientos finales Tiny Load ha demostrado ser útil incluso antes de que estuviera terminado, y funciona muy bien. Sin embargo, tuve algunos problemas para construirlo, y luego me di cuenta de que un medidor y un indicador de "encendido" serían mejoras valiosas.