Блок живлення навиворіт або плата керування електронним навантаженням

Цей огляд — четвертий у серії матеріалів про складання доволі специфічного пристрою — потужного електронного навантаження. Опублікувати його я збирався вже давно, але все ніяк не вдавалося завершити цей пристрій.

Для початку — що таке електронне навантаження?
Програмоване електронне навантаження призначене для роботи як навантаження під час випробування, налаштування та регулювання блоків живлення, підсилювачів та інших радіотехнічних пристроїв

Так сталося, що поки я працював над цим пристроєм, плата зникла з продажу на Ali, тому ось посилання на знімок сторінки замовлення. Але щоб не засмучувати читачів, я знайшов місце, де вона є у продажу. Вона є і на ebay, але там ціна зовсім не тішить.
Цю плату можна знайти в інтернеті за ключовими словами M8 V6 electronic load. Зауважу, що йдеться саме про V6, адже V7 — це зовсім інший пристрій від того самого автора.
Також будуть додаткові матеріали, завдяки яким можна навіть спробувати зібрати її самостійно.
Коли шукав посилання на товар, то випадково натрапив навіть на мініогляд цієї плати.

Плату було нормально запаковано, але оскільки в продавця, у якого я її купував, її вже немає, фото пакування наводити не буду.
Зовні плата виглядає як єдине ціле з індикатором. До плати вже під’єднані енкодер, потужний транзистор і дроти живлення та входу.
Виходить, це вже готове рішення «з коробки»: треба лише додати блок живлення та встановити транзистор на радіатор.


Короткі характеристики плати:
Максимальна вхідна напруга — 50 В
Максимальний струм навантаження — 5 А (після доопрацювання — 15 А)
Крок установлення струму — 1 мА
Крок установлення напруги вимкнення — 10 мВ
Напруга живлення — 12–16 В (обмежена вхідним конденсатором)
Струм споживання з індикатором — близько 100 мА
Є можливість керувати вентилятором, але реалізовано це дуже примітивно.
Вимірювання ємності акумуляторів
Вимірювання опору низькоомних резисторів.
Схема підключення силового кола — трипровідна (цілком можливо доопрацювати до чотирипровідної).
Звуковий сигнал, коли вхідна напруга опускається нижче встановленого рівня.

Докладніше розповім уже в тексті огляду.
У комплекті з платою вже були:
Польовий транзистор PSMN020-150W, здивував навіть підібраний колір термоусадки — під колір дротів.
Енкодер на 20 положень із вбудованою кнопкою. Ручка також була в комплекті.


А далі — фото плати. Деякі фото будуть доступні для завантаження у повній роздільній здатності. Якщо потрібні інші фото, пишіть — надам.
Плата має розміри стандартного індикатора 2004 — 98.0 x 60.0мм.
Це далеко не останній варіант цієї плати, адже є версія з уже розведеним додатковим підсилювачем сигналу з шунта. Фото є в додаткових матеріалах.


Схема пристрою приблизно така. Приблизно — тому, що існує багато версій пристрою, але саме ця схема максимально відповідає дійсності, аж до позиційних позначень елементів (у вкладенні є файл зі списком компонентів).


На платі вказано розробника схеми та трасування, а також його сторінку на ТаоБао.


На платі використано один із найпопулярніших мікроконтролерів — Atmega8.
Флюс біля мікроконтролера не змито, хоча вся плата чиста.
Також на платі розведено виводи для підключення програматора (вони мені стали в пригоді), а також виводи для підключення до комп’ютера.
Загалом плата досить продумана: передбачено багато розведених контактів для підключення різних додаткових вузлів.
Кварц на 8 МГц.


Схема процесорного вузла, інтерфейсу з комп’ютером, підключення індикатора та решти обв’язки.


Можливість підключення до комп’ютера дуже потішила, також здивувала велика кількість різних пунктів меню програми, але дуже засмутило те, що програма повністю китайською і навіть англійської версії взагалі не існує :((((
Крім того, пункти меню відображаються навіть не ієрогліфами, а знаками питання.


А ось так має виглядати програма в робочому режимі.


Вузол керування польовим транзистором, підсилення сигналу з датчика струму та інтегрувальний ланцюг задання струму.
Керування польовим транзистором реалізовано за схемою —
Вихід ШІМ Atmega — інтегрувальний ланцюг із дільником 1/20, підсилювач-порівнювач (порівнює напругу регулювання з напругою на шунті).
Звідси й узялися 250 мВ для керування силовим модулем з мого огляду.

Далі з шунта знімається напруга, яка підсилюється у 10 або 100 разів (перемикання від Atmega) другим підсилювачем (здвоєний ОП) і надходить на вхід АЦП Atmega.


Схема вузла підсилювача датчика струму та керування польовим транзистором.


Вузол вимірювання опору, виконаний, до речі, за трипровідною схемою.
Особливо не вникав, бо поки не думав розширювати функціональність пристрою в цьому напрямку, але працює — перевіряв.
Наскільки я розумію, він цілком може вимірювати й ESR конденсаторів.


Схема вузла Rc, якщо комусь цікаво :)


Плату розраховано на кілька варіантів індикаторів — дрібниця, а приємно, автору залік. Передбачено регулювання контрастності індикатора.


На зворотному боці елементів значно менше, але переважно вони габаритні. До речі, в оригіналі кварц теж має бути з цього боку — тоді плата буде трохи пласкішою, адже бік із дрібними компонентами буде звернений назовні.


Загальне фото дрібних особливостей плати.
1. Резистори вимірювального шунта, схоже, навіть фірмові, номіналом 0.1 Ома, з’єднані паралельно.
2. Вузол термоконтролю вентилятора. Схема примітивна, замість терморезистора щось незрозуміле, транзистор був несправний. Нижче буде схема цього вузла; насправді резистора, послідовно з’єднаного з терморезистором, немає. Після заміни транзистора запрацювала, але не дуже добре — вузол буде замінено.
Також ліворуч видно роз’єм живлення.
3. Контакти для зовнішніх підключень: угорі вхід, нижче три контакти для підключення вимірювача опору.
4. Конденсатори вимірювача опору. Видно неполярний електролітичний конденсатор (зелений), але на платі передбачено місце для двох полярних, з’єднаних послідовно.


Схема вузла керування вентилятором.


У вузлі живлення використовується популярний DC-DC перетворювач KIS3R33, але трохи доопрацьований; вихідна напруга — 8.4 Вольта.
Оскільки споживання плати дуже мале, під час роботи він не нагрівається.
Від цієї напруги живляться операційні підсилювачі, решта схеми живиться від 5 Вольт, отриманих за допомогою стабілізатора 78L05, який живиться від 8.4 Вольта


Схема цього вузла, точніше обв’язки перетворювача.


До і після DC-DC перетворювача встановлено електролітичні конденсатори по 1000мкФ кожен, причому явно вживані, бо на одному навіть видно невеликі пошкодження.


Індикатор найзвичайнісінький: 4 рядки, 20 символів, підсвічування яскраве, навіть дуже яскраве.
Думаю, його цілком можна замінити на будь-який аналогічний.
Є прошивка для індикатора на 2 рядки по 20 символів, але не думаю, що ним буде зручно користуватися.


Під час увімкнення на індикаторі на кілька секунд з’являються назва пристрою, версія прошивки та електронна адреса автора — принаймні, так задумано, але я не впевнений.
Я пробував туди писати, але у відповідь — тиша :(


Але насправді не все було так гладко: власне, я й писав автору, бо буквально наступного дня після отримання плати вивів її з ладу. Пізніше я зрозумів, чому так сталося: через недоробку я знову зіткнувся з цією проблемою, щоправда, цього разу вона проявилася трохи інакше.
Причина проблеми в тому, що на платі вхід Reset процесора не підтягнутий до живлення; за певних обставин це може спричинити пошкодження прошивки.
Загалом отримав я ось таку картину —


Як усі розуміють, я був дуже засмучений :(((
Проблему треба було якось вирішувати. Продавець навряд чи допоміг би, та й отримання замовлення я вже підтвердив.
Після довгих пошуків я натрапив на китайський форум, де тусується розробник цього пристрою.
Але й тут усе виявилося не так просто.
Для початку треба було зареєструватися, а форум повністю китайською. Ба більше, у процесі з'ясувалося, що для реєстрації потрібне запрошення.
Подальші пошуки привели мене на сторінку, де можна отримати запрошення. Нагадаю, усе китайською.
Зрештою я зареєструвався, і тепер мій профіль на цьому сайті має такий вигляд —


На цьому проблеми не закінчилися: з'ясувалося, що як новачок я не можу створювати теми, відповідати можу, але не в усіх, вставляти посилання не можу, писати в особисті повідомлення теж не можу.
Суцільні обмеження, капець :((((
Усе це ще й ускладнювалося тим, що форум працює дууууже повільно — таке відчуття, ніби я повернувся до модему на 14400.
Та все ж мені вдалося викласти фото проблеми й пояснити, що мені потрібно. Мені без проблем дали прошивку для мого типу індикатора, це тішило :))))
Я знаю, що в Китаї дуже мало людей знають англійську, але в мене жевріла надія, що радіоаматори її таки знають, хай і з перекладачем. Даташити ж вони напевно читають не лише китайською. Мені пощастило.


Після цього я почав розбиратися, як отримати з плати 15 Ампер. Мене довго не розуміли, але, на щастя, я зв'язався з користувачем 100MHz (в інтернеті є чимало його розробок), який зрештою пояснив мені, що я роблю не так.


Щоправда, писав він далеко не завжди англійською.


Загалом здивувало нормальне ставлення до новачка з іншої країни й доволі доброзичлива атмосфера, щоправда, відповідали далеко не одразу.
Просто з цікавості виклав опис збирання тестера радіокомпонентів, а у відповідь отримав в особисті повідомлення пару прохань продати їм набори деталей для складання, бо купувати все окремо не дуже зручно. Уперше китайці просили мене щось продати, а не купити :)
А от розробник пристрою (GANDF) так і не вийшов на зв'язок, хоча згодом я писав йому в особисті повідомлення й брав участь у його ж темі. :(((

Далі йдуть режими пристрою, їх я сховаю під спойлер.

Далі перейду до застосування цієї плати.
Почну з переліку всього, що використовувалося (за винятком корпусу та проводів), із відповідними посиланнями на огляди.
1. Власне, плата, яку оглядаємо.
2. Силовий модуль — огляд
3. Блок живлення — огляд
4. Плата підсилювача датчика струму — огляд


Окремо — невеликий відступ щодо підключення плати підсилювача датчика струму.

Оскільки я вибрав досить невеликий корпус, то зіткнувся з проблемою: індикатор ніяк не хотів нормально вміщатися, довелося його трохи вкоротити :)
Для підключення я використав кольорові дротики з якогось відеокабелю, а для живлення індикатора — тонші проводи перерізом 0.22мм.
Про всяк випадок сфотографував підключення проводів до енкодера — раптом стане в пригоді.


Подовживши проводи до індикатора й енкодера, вирішив перевірити, а заразом показати, який вигляд має робота цього пристрою.
Навантаження вимкнене, на вході 5 Вольт, порогова напруга — 1 Вольт.


Напруга 5 Вольт, 10 Вольт, 20 і 25 Вольт. Вольтметр трохи занижує покази, треба буде відкалібрувати. Струм навантаження в усіх випадках — 1 Ампер.


Оскільки тут особливо нічого вигадувати не треба було, одразу взявся до складання.
Спочатку вирізав потрібні отвори в передній панелі, розмістив начиння в корпусі й прикинув, який вигляд усе це матиме.


Усередині навіть залишилося вільне місце.
Спочатку я хотів не розділяти плату керування та індикатор, але разом вони не хотіли поміщатися, а я не хотів, щоб вентилятор стирчав ззаду, тож плати довелося розділити.
В ідеалі в цьому блоці мали б стояти ще й чотири акумулятори, щоб живити електроніку, якщо вимкнуть електроенергію (тестування акумуляторів може тривати досить довго).


Проводи від вентиляторів спаяв разом і вивів за межі силового модуля, додатково ізолювавши їх.


Силовий модуль я вирішив закріпити в корпусі на невеликих текстолітових прокладках. Щоб вони не їздили по корпусу під час монтажу, приклеїв їх двостороннім скотчем.


Але повернімося до плати керування.
Вона також зазнала деяких змін і доопрацювань.
Для початку я впаяв контакти для підключення програматора та комп’ютера, причому контакти для програмування знадобилися мені буквально наступного дня.


Плата підсилювача стала на своє місце, ніби завжди там і була, щоправда, довелося трохи відігнути підлаштувальний резистор. Мінусовий контакт плати вдало збігся з одним із заземлювальних отворів основної плати, а саму плату приклеїв двостороннім скотчем.
Плюс живлення також підведений від одного з наявних контактів.


Власне, призначення контактів плати підсилювача.
Сигнал — вхід береться з одного із шунтів на силовому модулі: плюс під’єднується до з’єднання шунта з виводом польового транзистора, мінус — до спільного проводу тієї самої плати.
Вихід під’єднується до іншого боку основної плати.


На основній платі довелося дещо доробити, щоб під’єднати все це господарство :)
1. Другу ніжку операційного підсилювача піднято й з’єднано з першою — у такому режимі підсилювач працюватиме як повторювач.
2. Конденсатор між першою та другою ніжками випаяв, а припаяв його до одного контакту, щоб не загубити: раптом доведеться повернути все назад.
3. Жовтий провід (вихід) із плати підсилювача датчика струму під’єднано до резистора R12 (нижче буде докладніше фото).


На вході плати є діод для захисту від переполюсування. Оскільки для вентиляторів мені була потрібна максимально можлива напруга, я встановив перемичку від входу плати до живлення схеми керування вентилятором. Доріжку перед цим перерізав, але це місце закрила перемичка, тож його не видно.
Хоча, по суті, доріжку можна було й не перерізати, адже роз’єм має ключ, а в БЖ проводи впаяні.
Заодно замінив електролітичний конденсатор на вході підключення навантаження. Особливого сенсу в цьому не було, просто рідний мені не дуже сподобався. Крім того, знизу плати я впаяв паралельно до нього керамічний конденсатор 100нФ — для нього там було місце.


Ну і загальна картина переробок.
Переробки не минули безслідно: під час першого запуску з’ясувалося, що не працює відображення поточного струму, точніше, завжди показується 0.999 А.
Провівши розслідування, я з’ясував, що з плати підсилювача датчика струму надходить напруга 4.35 Вольта, яка потім підсилюється в 10 разів, але оскільки напруга живлення ОП, що підсилює в 10 (100) разів, становить 8.4 Вольта, на вхід Atmega надійшло значно більше ніж 5 Вольт.
Спочатку я думав, що несправний операційний підсилювач датчика струму, а крім того, я спалив вхід АЦП (на вході АЦП з’явилася напруга від Atmega, тобто вихідна). Але мені пощастило.
Купивши пару нових процесорів і підсилювачів, я спочатку замінив підсилювач, але це не допомогло. З’ясувалося, що в схемі є невелика помилка (я виправлю її у відповідному огляді). Після виправлення помилки підсилювач запрацював як слід. За порадою товариша я вирішив одразу не міняти Atmega, а спочатку спробувати перепрошити її — і це допомогло.
Мабуть, через викид напруги збилася конфігурація відповідного входу, і він став виходом.
Сталося це частково через вхід Reset, залишений непідключеним, тому після цього я підтягнув його до 5 Вольт.


З’єднань насправді не так багато, як здається. Я накидав блок-схему, щоб приблизно було зрозуміло, що і куди під’єднується.


Практично всі з’єднання виконано, залишилася передня панель — її краще під’єднувати в останню чергу.


Вхідні клеми я під’єднав за допомогою невеликого шматочка фольгованого склотекстоліту, до нього підведені дроти від силового модуля та вимірювальні дроти від блока керування.
Індикатор я спочатку хотів закріпити гвинтами, але потім наступив на горло своєму перфекціонізму й просто приклеїв його термоклеєм.


Плата керування та блок живлення стали на місце так, ніби завжди там і були. Я закріпив їх за допомогою невеликих ізольованих кутиків, до того ж плати навіть збіглися за висотою :)
Як видно на фото, з’єднань не так багато, є купа вільного простору для циркуляції повітря.
До речі, проблему вентиляції я вирішив, збільшивши кількість отворів, заодно насвердлив їх знизу та ззаду. Повітря, що надходить ззаду, охолоджує зовнішню частину силового модуля та встановлені на ньому плати.


Дроти, звісно, добре було б якось закріпити, але вони й так непогано тримаються завдяки своїй жорсткості. Ще був варіант установити решітку на цей вентилятор, але, примірявши її на місці, я зрозумів, що вона радше заважатиме, особливо через ризик щось закоротити, якщо на неї ляже плата індикатора (наприклад, під час налагодження). Тому залишив як є, зате насвердлив отворів знизу :)


Вигляд з боку встановлення плат керування та блока живлення.
На фото пристрій уже ввімкнений.



А ось ззаду я все-таки встановив захисну решітку, думаю, там вона точно не завадить.
Кабель живлення підключається за допомогою стандартного роз'єму, що залишився від розібраних комп'ютерних блоків живлення, знизу під ним планується роз'єм для зв'язку з комп'ютером.


Останній етап — складання.
Марка використаного корпусу — Z2A, посилання на опис
Оскільки ніжки корпусу разом із шурупами я десь удома успішно загубив, довелося підібрати їм заміну. Шурупи використав перші, що підійшли за розміром, а ніжки взяв на самоклейній основі — лежали в запасах якраз для таких випадків.



Так само покажу, як збирають такий пристрій у Китаї, але це я вже сховаю під ще один спойлер :)




Ну і велика тема з кількома варіантами застосування, є й доволі красиві.


Що ж у підсумку вийшло в мене.


Як ви зрозуміли, я зовсім не дарма морочився з маленьким корпусом: мета була не лише зробити робочий пристрій, а й виконати його в єдиному дизайні з блоком живлення.
Довелося трохи змістити кнопку живлення й енкодер через те, що в місцях їхнього розташування є стійки кріплення. У блоці живлення я їх зрештою вирізав, бо помітив цю проблему, коли було вже запізно; тут вирішив залишити стійки й змістити органи керування.


Ставити їх, звісно, можна й один на одного :)


Ззаду вони теж майже не відрізняються, але в пристрої, який ми розглядаємо, ще немає USB-порту, зате вже є додаткові вентиляційні отвори.


Ну і, звісно ж, трохи тестування отриманого результату.
Звісно, не все так гладко, як хотілося спочатку: ще треба налаштовувати. На щастя, можливостей для цього в плати достатньо, але робитиму це вже після деяких доробок.
А поки що — тест навантаження під час роботи з блоком живлення.
Оскільки блок живлення може видати максимум 5 Ампер, а максимальна вхідна напруга навантаження становить 50 Вольт, то я перевіряв його в режимі 50 Вольт, 5 Ампер.


Перевірив і з акумулятором — хотілося спробувати в режимі максимальних струмів.
Але тут на мене чекало невелике розчарування, щоправда, його легко виправити.
У режимі 14 Ампер треба скоригувати лише амперметр.


А от 15 Ампер отримати не вдалося. Причина, мабуть, у трохи завеликому опорі вимірювальних шунтів. Я зібрав їх із 10 паралельно з’єднаних резисторів по 1.33 Ома кожен, намагався підігнати під межу сигналу в 250мВ. Мабуть, доведеться припаяти паралельно ще по одному резистору й таким чином збільшити верхню межу на 10% — тоді буде 15 Ампер.


До речі, під час роботи з акумулятором помітив, що вимірювання внутрішнього опору теж цілком працює. Якщо я правильно зрозумів призначення показників у нижній лівій частині індикатора, у міру розряджання опір трохи зростав.


Ну, на цьому поки, здається, все. Нижче, як завжди, буде посилання на додаткові матеріали для завантаження, а я поки спробую перелічити плюси й мінуси цієї плати.

Підсумок.
Плюси
Плата — практично готове рішення: потрібно лише додати блок живлення та радіатор.
Широкі можливості для розширення
Можливість підключення до комп’ютера
Можливість використання як вимірювача ESR (принаймні для вимірювання низькоомних резисторів)
Тепер є можливість самостійно виготовити подібний пристрій.
Можливість керування як енкодером, так і клавіатурою (принаймні в деяких версіях прошивки).
Продумана конструкція друкованої плати.

Мінуси
Певні недопрацювання схемотехніки, але, на щастя, виправити їх просто й недорого.
Програмне забезпечення лише китайською мовою.
Трапився несправний транзистор у схемі керування вентилятором.

Моя думка. Плата дуже цікава: за її допомогою можна зібрати, звісно, не такий необхідний пристрій, як блок живлення, але не менш потрібний у певних ситуаціях.
Дуже хочеться розібратися з протоколом обміну, адже програма для комп’ютера — річ потрібна й корисна.
Є зауваження щодо деяких недоліків плати, але навіть у такому вигляді вона повністю працездатна.
Дуже хотілося збільшити максимальний струм до 30 Ампер (саме це було заявлено на сторінці продавця), але отримати прошивку мені не вдалося, а оскільки я не програміст, то й доопрацювати програму не зміг.
Також було цікаво поспілкуватися з китайськими радіоаматорами. І, як показала практика, це дало позитивний результат.

Звісно, це дуже простий варіант електронного навантаження. Професійні прилади вміють набагато більше, щоправда, і ціна в них зовсім інша.
Наприклад: стабілізація напруги CV, стабілізація струму CC, стабілізація опору CR, стабілізація потужності CW, комбіновані режими: CC+CV, CR+CW.
Але, як на мене, за належного бажання й уміння цілком можна додати ці режими й до цього пристрою, адже апаратно він це підтримує — питання лише в програмній частині.
Цілком припускаю, що програма для комп’ютера може розширити функціональність у цьому напрямку.

Сподіваюся, огляд був цікавим. Матеріалів накопичилося дуже багато, тож я намагався викласти лише найнеобхідніше. Якщо комусь цікава ця тема, можу допомогти сконструювати власний варіант або доопрацювати готову плату.

Найближчі плани щодо доопрацювання (можливо, частину буде опубліковано).
1. Додати роз’єм для підключення зовнішнього потужного резистора, який візьме на себе частину розсіюваної потужності. Він вмикається послідовно з плюсовим виводом силового модуля, але до точки контролю напруги.
2. Переробити схему керування вентиляторами; заодно буде додано індикацію кількох порогових значень температури радіаторів і автоматичне вимкнення в разі перегрівання (на додачу до апаратного захисту)
3. Встановити модуль для зв’язку з комп’ютером. Я ще не вирішив, буде з’єднання дротовим чи бездротовим.
4. Спробувати перекласти програмне забезпечення зрозумілою мовою, але тут, на жаль, самому мені це нереально :(
5. Можливо, все-таки виведу контакти для вимірювання низькоомних резисторів.
6. Переробити схему на три- або чотирипровідне підключення.