Zestaw do samodzielnego montażu prostej obciążnicy elektronicznej 150 W

Jakiś czas temu znajomy, który zajmuje się różnymi akumulatorami, poprosił mnie o zaprojektowanie stanowiska do testowania pakietów akumulatorowych. Jedną z jego ważnych funkcji miało być rozładowywanie tych pakietów. Początkowo planowałem zrobić wszystko samodzielnie, ale okazało się, że w Chinach można kupić niedrogi i całkiem niezły zestaw do samodzielnego montażu, a w niektórych sytuacjach jego użycie jest korzystniejsze niż budowanie wszystkiego od zera.


Mam już zresztą na koncie całkiem sporo recenzji różnych obciążeń elektronicznych, w tym także recenzję prostego, całkowicie samodzielnie zbudowanego obciążenia. Będę dziś do niej wielokrotnie nawiązywał, bo ten zestaw jest pod wieloma względami bardzo podobny.

Jak napisałem we wstępie, obciążenie jest potrzebne do rozładowywania pakietów akumulatorowych. Planuję zbudować urządzenie do testowania i balansowania pakietów do 19S, dlatego ta recenzja z pewnością nie będzie ostatnią.
Nie potrzebuję dużego prądu rozładowania. Planowana moc to około 120–130 W, co mieści się w deklarowanych przez producenta 150 W.

Poza tym wyjaśnię w tej recenzji, jak działa proste obciążenie elektroniczne i dlaczego spodobał mi się właśnie ten zestaw.

Na początek kilka słów o sprzedawcy. Na stronie produktu można wybrać kilka wariantów:
1. Sama płytka drukowana — około 1,6 dolara
2. Płytka drukowana i zestaw komponentów bez tranzystorów mocy — 3,8 dolara
3. Płytka drukowana i wszystkie komponenty, w tym tranzystory mocy — 4,9 dolara
4. Amperomierz z woltomierzem — 2,2 dolara.

W specyfikacji podano ponadto: 150 W, 15 V, 0–10 A / 72 V, 0–2 A. Oznacza to, że przewidziano dwie wersje urządzenia. O tym, a także o moim błędzie, opowiem później.

Nie mam zastrzeżeń do opakowania — ani tego sklepowego, ani od pośrednika. Zestaw składa się z płytki drukowanej i woreczka z komponentami.


Zamówiłem pełny zestaw, czyli płytkę drukowaną, wszystkie komponenty i tranzystory. Nie zamawiałem amperomierza z woltomierzem, bo nie jest mi potrzebny w tym projekcie.


Płytka drukowana ma wymiary 100 × 100 mm. Są na niej dodatkowe otwory do mocowania radiatora oraz samej płytki w obudowie urządzenia.


Część ścieżek prądowych poprowadzono po spodniej stronie płytki. Polecam wzmocnić je miedzianym przewodem i lutowiem, a przynajmniej samym lutowiem.


Jakość wykonania płytki jest znakomita. Łatwo się ją lutowało bez dodatkowego topnika (używałem tylko tego zawartego w lutowiu), a do tego ma porządną warstwę opisową z oznaczeniami miejsc na komponenty, ich numerami i wartościami. W praktyce do montażu nie jest potrzebny nawet schemat.


Lista komponentów
Rezystory
1 kΩ — 12 szt.
4,7 kΩ — 4 szt.
10 kΩ — 1 szt.
20 kΩ — 1 szt.
220 kΩ — 4 szt.
0,22 Ω, 5 W — 4 szt.
Potencjometr 4,7 kΩ — 1 szt.

Kondensatory
1 nF — 4 szt.
100 nF — 1 szt.
22 µF, 25 V — 1 szt.
220 µF, 16 V — 1 szt.
1000 µF, 16 V — 2 szt.

Diody 1N5408 — 4 szt.
Tranzystory 110N8F6 — 4 szt.
Układ scalony TL431A
Układ scalony LM324N

Różne złącza, wyłącznik i inne drobiazgi.

Wszystkie rezystory poza tymi mocy są precyzyjne, co jest na plus. Kondensatory elektrolityczne są najtańsze, ale nie wpływają na parametry urządzenia.


Na stronie produktu zamieszczono schemat ideowy tego obciążenia elektronicznego, ale moim zdaniem nie jest zbyt czytelny. Dlatego poniżej podzielę go na bloki, żeby łatwiej było go zrozumieć. Wyjaśnię też, jak zwiększyć moc lub zmienić parametry, za co odpowiadają poszczególne elementy i jak to wszystko działa.


Bardzo uproszczony schemat obciążenia elektronicznego stabilizującego prąd składa się z zaledwie kilku elementów:
1. Potencjometru
2. Wzmacniacza operacyjnego
3. Tranzystora
4. Bocznika.

Z potencjometru na wejście wzmacniacza operacyjnego podawane jest określone napięcie. Wzmacniacz podaje napięcie na tranzystor polowy, przez który zaczyna płynąć prąd obciążenia. Jednocześnie prąd płynie przez bocznik. Powstaje na nim określony spadek napięcia, który trafia na drugie wejście wzmacniacza operacyjnego. Gdy napięcia na obu wejściach wzmacniacza się wyrównają, ustawi on na wyjściu takie napięcie, by tranzystor był otwarty w stopniu wystarczającym do utrzymania na boczniku napięcia równego wartości ustawionej potencjometrem.
Ponieważ spadek napięcia na boczniku zależy bezpośrednio od płynącego przez niego prądu, układ będzie w efekcie stabilizował prąd.

Wynika z tego, że prąd obciążenia zależy od napięcia na wejściu.

Na przykład z potencjometru podano 0,4 V, a rezystancja bocznika wynosi 1 Ω, więc prąd będzie równy 0,4/1 = 0,4 A.
Utrudnijmy przykład: bocznik o rezystancji 0,15 Ω, napięcie z potencjometru 0,45 V, 0,45/0,15 = 3 A.

Na dokładność stabilizacji prądu wpływają głównie dwie rzeczy:
1. Stabilność napięcia zadającego
2. TWR (zależność rezystancji od temperatury) bocznika.


Pokazany wyżej układ najprawdopodobniej będzie działać, ale jego praca będzie niestabilna, dlatego w pełniejszej wersji schemat jest nieco bardziej rozbudowany.
Mała dygresja: oznaczenia pozycyjne elementów nie odpowiadają tym na płytce drukowanej i podano je wyłącznie jako przykład.

Widać tu te same elementy, które pokazywałem wyżej, ale doszło jeszcze kilka. Wyjaśnię, do czego służą.
Rezystor R1 służy do odseparowania kilku kanałów i poprawia stabilność pracy.
Rezystor R2 ogranicza prąd ładowania bramki tranzystora polowego, chroniąc wzmacniacz operacyjny.
Kondensator C1 oraz rezystory R3 i R4 zabezpieczają układ przed samowzbudzeniem, żeby obciążenie nie zamieniło się w generator.
Rezystor R5 zamyka tranzystor, gdy wzmacniacz operacyjny jest pozbawiony zasilania, a ponadto zapewnia niewielki prąd obciążenia dla wyjścia wzmacniacza operacyjnego i obwodu zabezpieczającego przed samowzbudzeniem.


Ponieważ obciążenie ma cztery kanały, wystarczy „dorysować” jeszcze trzy i otrzymujemy niemal kompletny schemat omawianej płytki.
Czterema kanałami zaznaczonymi na niebiesko widać, że są identyczne, więc można zwiększać ich liczbę. Wspólny dla wszystkich kanałów jest tylko poczwórny wzmacniacz operacyjny.
Na pomarańczowo zaznaczyłem obwód sterowania, a na czerwono i czarno odpowiednio obwody mocy.


W moim mocnym obciążeniu elektronicznym rozwiązanie jest dokładnie takie samo, tyle że zrobiłem 8 kanałów i użyłem dwukanałowych wzmacniaczy operacyjnych.


Jak jednak pisałem wyżej, na dokładność stabilizacji prądu wpływa dokładność stabilizacji napięcia zadającego. Dlatego w układzie znajduje się źródło napięcia odniesienia zbudowane na regulowanej diodzie Zenera TL431, której napięcie odniesienia wynosi 2,5 V.
Ponieważ 2,5 V to trochę za dużo, a jeśli na bocznikach odkładałoby się takie napięcie, to:
1. Moc strat byłaby duża
2. Minimalne napięcie obciążenia wyniosłoby 2,5 V plus spadek napięcia na tranzystorach.

Dlatego szeregowo z potencjometrem włączono rezystor stały R8 o rezystancji 22 kΩ. Razem tworzą dzielnik o przekładni około 1:5,5, dzięki czemu napięcie za potencjometrem zmienia się w zakresie około 0–0,45 V.
Zmieniając wartość dodatkowego rezystora, można zmienić zakres regulacji bez wymiany bocznika. To rozwiązanie ma jednak wadę: wzmacniaczom operacyjnym zasilanym napięciem jednobiegunowym łatwiej pracuje się przy wyższym napięciu niż przy niższym, więc lepiej nie obniżać zbytnio napięcia zadającego.
Rezystor R7 ogranicza prąd zasilający diodę Zenera.

Układ zasilania zawiera mostek prostowniczy i cztery kondensatory. Najwyraźniej początkowo planowano stabilizator zasilania wzmacniacza operacyjnego, ale z niego zrezygnowano, pozostawiając kondensator 220 µF, który znajdował się za nim. Nie potrafię inaczej wyjaśnić, dlaczego równolegle połączono dwa kondensatory 1000 µF i jeden 220 µF.

Z tego mostka prostowniczego zasilane są również złącza wentylatorów i amperomierza z woltomierzem.


Myślę, że teoria jest jasna, przejdźmy więc do praktyki, a dokładniej — do montażu. Tę część ukryję pod spoilerem, bo zainteresuje głównie początkujących. W trakcie wyjaśnię jednak niuanse związane z użyciem poszczególnych elementów i możliwości ich zamiany.


I to właściwie wszystko. Całą konstrukcję można złożyć w około godzinę, bez pośpiechu, nawet jeśli jest się początkującym. Wszystkie elementy pasują na swoje miejsca, ich rozmieszczenie jest opisane na płytce, a montaż jest intuicyjny.

Na koniec zostały mi jeszcze następujące elementy:
1. Wyłącznik
2. Gniazdo zasilania
3. Uszkodzony kondensator.

Drugie gniazdo zasilania jest chyba dołączone na wypadek, gdyby miało być zamontowane na obudowie. Wyłącznik prawdopodobnie również służy do włączania zasilania, ale w mojej wersji nie ma gdzie go przylutować. A uszkodzony kondensator? Cóż, tak się po prostu złożyło.


Po jednej stronie płytki znajdują się pola lutownicze do podłączenia wejścia, amperomierza, woltomierza i wyjścia zasilania.
Można zamontować złączki śrubowe albo po prostu przylutować przewody — jak komu wygodniej. Trzeba jednak pamiętać o kilku szczegółach dotyczących podłączenia.


Można podłączyć to na kilka sposobów, spróbuję omówić je wszystkie.
1. Sama płytka, bez mierników, złączy i innych dodatków.
2. Tak samo, ale jeśli chcemy zamontować złącze, prawdopodobnie trzeba będzie wstawić zworkę zamiast wyjścia na amperomierz.
3. Podłączenie niezależnego amperomierza i woltomierza: plus — czerwony, minus — niebieski.
4. Jeśli chcemy zamontować cyfrowy amperomierz z woltomierzem, podłączamy go tak:
Czarny — wspólny przewód prądowy
Żółty — wejście pomiaru prądu
Czerwony — wejście pomiaru napięcia
Cienki czerwony — zasilanie amperomierza z woltomierzem.



Kolory przewodów do podłączenia cyfrowego amperomierza z woltomierzem podaję zgodnie z tym, czego sam używałem. Mogą się różnić, dlatego przed podłączeniem lepiej to sprawdzić. Zwykle czarny przewód to minus, a wejście pomiaru prądu ma przejście do czarnego.


Można też zastosować taki amperomierz z woltomierzem. Jest bardziej „zaawansowany”, ale podłącza się go inaczej.
Gruby czarny — wspólny przewód prądowy
Gruby czerwony — wejście pomiaru prądu
Żółty — wejście pomiaru napięcia.
Cienki czerwony — zasilanie amperomierza z woltomierzem.

Zaletą tego wariantu jest też czujnik temperatury, który może się bardzo przydać w urządzeniu wydzielającym tyle ciepła.


Oba te amperomierze z woltomierzem były używane w niewielkim obciążeniu elektronicznym, choć drugi nadal jest w użyciu.


No i oczywiście kilka eksperymentów.
Podłączam płytkę do regulowanego zasilacza, ustawiam na próbę 32 V i zadaję prąd obciążenia 5 A. Płytka bez problemu wytrzymała 160 W, ale to już praca na granicy możliwości.


Sprawdziłem, jak nagrzewanie wpływa na ustawiony prąd. Zmiana nie jest duża, ale występuje. W miarę nagrzewania prąd maleje.


Eksperymentowałem chyba niedługo, ale już poczułem żar. Zmierzyłem temperaturę i zobaczyłem, że tranzystory nagrzały się do około 110 stopni. W żadnym wypadku nie można do tego dopuścić. Na przykład w moim mocnym obciążeniu zabezpieczenie przed przegrzaniem jest ustawione na 90 stopni na radiatorze albo około 95 stopni na tranzystorach.
Wzrost temperatury tranzystorów gwałtownie obniża niezawodność pracy, szczególnie w trybie liniowym.


W komentarzach często widzę wzmianki o zwykłych rezystorach używanych jako obciążenie. Oczywiście, ich też można użyć, ale trudniej za ich pomocą uzyskać na przykład to, co widać na tych zdjęciach.
Obniżałem tu napięcie od 40 do 1 V i obserwowałem, jak zmienia się prąd obciążenia. W podanym zakresie wahał się on od 2.017 do 2.026 A, co moim zdaniem jest całkiem niezłym wynikiem, biorąc pod uwagę prostotę układu.


Nie planuję wprawdzie używać zwykłego amperomierza z woltomierzem, ale postanowiłem sprawdzić, jak działa. Na początek warto zaznaczyć, że podłącza się go nieco inaczej niż w moim prostym, samodzielnie zbudowanym obciążeniu.


Przewody amperomierza z woltomierzem podłączone są w następującej kolejności:
Czarny
Żółty
Czerwony.

Podłączony jest tylko jeden przewód zasilający. Czarny musiałem odłączyć, bo wpływał na wynik pomiaru. W moim obciążeniu elektronicznym amperomierz z woltomierzem był podłączony szeregowo z bocznikiem pomiarowym, dlatego wspólny przewód amperomierza łączył się ze wspólnym przewodem układu. Tutaj jest on włączony szeregowo z badanym źródłem i moim zdaniem to mniej poprawne rozwiązanie.



Podczas pisania recenzji zapytano mnie o wymianę tranzystorów, więc spróbuję wyjaśnić to osobno.
1. Tranzystory dobieramy do rodzaju obudowy i wymaganej mocy: 30 W dla TO-220, 50 W dla TO-247.
2. Tranzystory można w zasadzie stosować nie tylko niemal dowolne, ale też różne jednocześnie.
3. Przy wyborze tranzystora najważniejsze jest przede wszystkim napięcie, na jakie jest przystosowany. Najlepiej, żeby było co najmniej dwa razy większe od napięcia wejściowego.
4. Rezystancja w stanie włączenia prawie na nic nie wpływa, chyba że zastosujemy tranzystory na bardzo wysokie napięcie, w których wynosi już kilka Ω.
5. Lepiej stosować tranzystory w obudowie nieizolowanej i nie izolować ich od radiatora.

Skąd takie ograniczenia dotyczące mocy? Zdecydowana większość współczesnych tranzystorów polowych jest przeznaczona do pracy kluczującej i słabo sprawdza się w trybie liniowym. A właściwie działa normalnie, ale z dużymi ograniczeniami dotyczącymi temperatury, mocy, napięcia i prądu. Istnieją tranzystory polowe, które dobrze pracują w takim trybie, ale są tak rzadkie, że nie ma sensu ich szukać.

Pytano mnie też, czym można je jeszcze zastąpić.
Na początek można zastosować tranzystory IGBT, będące w zasadzie hybrydą tranzystora polowego i bipolarnego, ale są droższe. Istnieje też odwrotna hybryda: tranzystora bipolarnego z polowym.

Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, żeby zastosować tranzystory bipolarne (właśnie dlatego IGBT tak dobrze się sprawdzają), których maksymalna katalogowa moc strat jest osiągalna również w trybie liniowym.
W tym układzie można je włączyć po prostu zamiast tranzystora polowego, ale potrzebny jest tranzystor o dużym wzmocnieniu, ponieważ w przeciwieństwie do polowych tranzystory bipolarne są sterowane prądem, a nie napięciem.
Można też zastosować układ złożony z tranzystorów (układ Darlingtona). Wtedy całkowite wzmocnienie będzie iloczynem wzmocnień pierwszego i drugiego tranzystora. Czyli jeśli pierwszy ma wzmocnienie 200, a drugi 70, to łączne wyniesie około 14000.

Chyba jedyną wadą tranzystorów bipolarnych (zwłaszcza złożonych) są trudności w pracy przy niskich napięciach, poniżej 1,5–2 V. Jeśli nie planujecie testować źródeł z takim napięciem, można zastosować tranzystory bipolarne, w przeciwnym razie używamy polowych.


Dobrze sprawdzą się popularne tranzystory KT827, ale prawie ich nie mam, dlatego na zdjęciu jest ich komplementarna para KT825. Mogą rozpraszać do 125 W.


Kiedyś używałem ich nawet z takimi radiatorami — akurat pasują rozmiarem :) Prawda, że nadają się raczej do pracy pasywnej.


W środku znajdują się dwa tranzystory połączone w układzie Darlingtona oraz dodatkowe elementy.

Przy okazji, podobne tranzystory świetnie nadają się również do liniowych zasilaczy, a często pytacie mnie o ich zamienniki produkcji zagranicznej. Trochę poszperałem w internecie i zebrałem listę zamienników.
Praktycznie pełne odpowiedniki tranzystora KT827: 2N6057, BDX87
KT827A: BDX65A, BDX67, BDX87C, MJ3521, MJ4035
KT827B 2N6058, 2N6283, BDX63, BDX65, BDX67, BDX85B, BDX87B, MJ3001, MJ4034
KT827V: 2N6057, 2N6282, BDX85, BDX85A, BDX87, BDX87A, MJ3000, MJ3520, MJ4033



Sprzedawca może wysłać zestaw z różnymi tranzystorami. Dostępna jest też wersja z tranzystorami w obudowie TO-247 (IRFP250. IRFP260), ale najpewniej za dopłatą. Moim zdaniem taka wersja byłaby znacznie ciekawsza.


Przy okazji wyjaśnię też kwestię wymiany pozostałych elementów.
Małe rezystory nie są krytyczne — najważniejsze, żeby ich wartość była zbliżona do wymaganej. To samo dotyczy kondensatorów.
Rezystory niskoomowe pełniące funkcję bocznika pomiarowego prądu lepiej wybierać z zapasem mocy. Będą się wtedy mniej nagrzewać, a co za tym idzie, ich rezystancja będzie się mniej zmieniać i prąd nie będzie „uciekał” w miarę nagrzewania. Można zastosować dokładniejsze i lepszej jakości rezystory, ale są drogie.
Wzmacniacz operacyjny również można zastąpić praktycznie dowolnym tanim modelem. Na przykład stosowałem LM358, ale jest dwukanałowy, więc potrzeba ich dwa razy więcej. Prościej jednak użyć LM324, który kosztuje grosze.

Obciążenie można zasilać zarówno prądem stałym, jak i przemiennym, ale trzeba pilnować, żeby napięcie zasilania wzmacniacza operacyjnego nie przekraczało 20 V. Sam wzmacniacz bez problemu wytrzymuje do 30–35 V, ale napięcie na bramce tranzystora polowego nie powinno przekraczać 18–20 V, a najlepiej ograniczyć je do 15 V. Można na przykład zasilać ten obwód z niewielkiego stabilizatora.



Podczas testów udało mi się jednak spalić jeden z tranzystorów. Stało się to przypadkiem: podałem 40 V i ustawiłem prąd obciążenia na 5 A, uzyskując moc 200 W. Zasilacz po prostu przeszedł w tryb zabezpieczenia przed zwarciem i na tym się skończyło.
Poza tym zauważyłem, że zakłócenia indukowane w potencjometrze mogą wyraźnie wpływać na ustawiony prąd. Na przykład gdy trzymałem potencjometr w ręku, prąd wynosił 4,1 A, a po położeniu go na stole spadł do 4 A. Problem może wystąpić, ale nie musi — zależy zarówno od zasilacza samego obciążenia, jak i od badanego urządzenia.

Recenzowane obciążenie w porównaniu z moją starą samoróbką, zbudowaną na bazie tego samego TL431, LM358 i jednego tranzystora. Co prawda mam stabilizator zasilania wzmacniacza operacyjnego.


Jakie modyfikacje można wprowadzić:
1. Sterowanie wentylatorami zależnie od temperatury, choćby za pomocą najprostszego termostatu.
2. Zmniejszyć dwukrotnie rezystancję boczników i zmienić wartości dzielnika potencjometru tak, aby napięcie zmieniało się w zakresie 0--0,25 V. Bocznik będzie się wtedy grzał dwa razy mniej.
3. Dodać tryb CV za pomocą drugiego wzmacniacza operacyjnego, ale pojawia się tu problem z zabezpieczeniem przed przeciążeniem.
4. Dodać stabilizator napięcia dla wzmacniacza operacyjnego, na przykład 7808 lub 7809.
5. W moim obciążeniu za TL431 znajduje się buforowy wzmacniacz operacyjny. Moim zdaniem to lepsze rozwiązanie, ale dodanie go tutaj byłoby bardzo niewygodne.
6. Połączyć dwie lub trzy podobne płytki, aby zwiększyć moc. Jedna płytka będzie wtedy nadrzędna, a pozostałe podrzędne.

Na razie nie mogę pokazać urządzenia w obudowie, bo jeszcze jej nie mam. Dobiorę ją do łącznych wymiarów całego zestawu. Poza tym będę używać go z bardziej zaawansowanym amperowoltomierzem, który będzie kontrolował dolne i górne napięcie itp.
Wideo z recenzją



To chyba wszystko, jeśli chodzi o opis. Starałem się o niczym nie zapomnieć, więc można już podsumować.
Moim zdaniem to całkiem niezły wariant: cena jest niewysoka, montaż prosty, a co najważniejsze, po złożeniu wszystko działa :)
Nie obyło się też bez drobnych problemów, na przykład uszkodzonego kondensatora czy niezbyt wygodnego rozmieszczenia otworów do mocowania radiatora.
W opisie podano moc 150 W. Moim zdaniem to wartość maksymalna. Zalecałbym nie obciążać układu długotrwale mocą większą niż 120 W bez wymiany tranzystorów na jakieś w obudowie TO-247. Koniecznie trzeba też zadbać o dobre chłodzenie.

Jeśli planujecie używać go przy napięciach do 30-40 V, można śmiało kupić zestaw z tranzystorami. Jeśli jednak zamierzacie testować zasilacze o wyższym napięciu, kupiłbym wszystko oprócz tranzystorów, a zamiast oryginalnych zamontowałbym jakieś o wyższym napięciu pracy.
Można też po prostu kupić samą płytkę drukowaną. Zastosowane komponenty nie są trudno dostępne, a jeśli się chce, można je znaleźć nawet w domu.
Zamawianie jednego zestawu chyba niezbyt się opłaca. Lepiej od razu kupić kilka — wtedy cena całości będzie korzystniejsza.


Ten sam zestaw na AliExpress — link

To już wszystko. Chętnie odpowiem na pytania, przeczytam komentarze i przyjmę rady.