Набір для складання простого електронного навантаження на 150 Вт

Деякий час тому товариш, який займається різними акумуляторами, попросив мене придумати для нього стенд для тестування акумуляторних збірок. Однією з важливих функцій цього стенда є розряджання збірок. Спочатку планувалося зробити все самотужки, але з’ясувалося, що в Китаї продається недорогий і непоганий набір для складання, тож у деяких ситуаціях вигідніше скористатися ним, ніж робити все з нуля.


Загалом у мене вже є чимало оглядів різних електронних навантажень, зокрема огляд простого, повністю саморобного, і сьогодні я не раз до нього звертатимуся, адже цей набір багато в чому на нього схожий.

Як я написав у передмові, навантаження знадобилося для розряджання акумуляторних збірок. У планах — зробити прилад для тестування та балансування збірок до 19S, тож цей огляд буде далеко не останнім.
Великий струм розряду не потрібен, запланована потужність — близько 120–130 Вт, що вкладається в заявлені виробником 150 Вт.

Крім того, у цьому огляді я поясню, як узагалі працює просте електронне навантаження і чому мені сподобався саме цей набір.

Спочатку — про продавця. На сторінці товару можна вибрати кілька варіантів:
1. Лише друкована плата — близько 1,6 долара
2. Друкована плата й набір компонентів без силових транзисторів — 3,8 долара
3. Друкована плата й усі компоненти, включно із силовими транзисторами, — 4,9 долара
4. Ампервольтметр — 2,2 долара.

Крім того, у характеристиках заявлено: 150 Вт 15 В 0–10A / 72V 0–2A, тобто передбачено два варіанти виконання. Про це, а також про свою помилку я розповім пізніше.

До пакування претензій не виникло — ані до магазинного, ані до пакування посередника. Комплект складається з друкованої плати й пакета з компонентами.


Я замовляв повний комплект: друковану плату, усі компоненти й транзистори. Ампервольтметр замовляти не став, бо для мого проєкту він не потрібен.


Розміри друкованої плати — 100х100мм. Є додаткові отвори для кріплення радіатора та самої плати в корпусі пристрою.


Частину силових доріжок виведено на нижній бік друкованої плати. Рекомендую продублювати їх мідним дротом і припоєм або хоча б припоєм.


Якість виготовлення друкованої плати чудова: вона легко паялася без додаткового флюсу (використовував лише той, що є в припої), до того ж на ній є нормальний шовкографічний друк із позначеннями місць для компонентів, їхніх порядкових номерів і номіналів. Фактично для складання навіть не потрібна схема.


Список компонентів
Резистори
1 кОм — 12шт
4.7 кОм — 4шт.
10 кОм — 1шт
20 кОм — 1шт
220 кОм — 4шт
0.22 Ома 5 Ватт — 4шт
Змінний резистор 4.7 кОм — 1шт

Конденсатори
1 нФ — 4шт
100 нФ — 1шт
22мкФ 25 Вольт — 1шт
220 мкФ 16 Вольт — 1шт
1000мкФ 16 Вольт — 2шт

Діоди 1N5408 — 4шт
Транзистори 110N8F6 — 4шт
Мікросхема TL431A
Мікросхема LM324N

Різні роз’єми, вимикач та інші дрібниці.

Усі резистори, крім потужних, прецизійні — це добре. Електролітичні конденсатори найдешевші, але на параметри вони не впливають.


На сторінці товару була принципова схема цього електронного навантаження, але, на мій погляд, вона не надто інформативна, тому нижче я розберу її на складові частини, щоб було простіше зрозуміти. Крім того, поясню, як можна збільшити потужність або змінити параметри, за що відповідають різні елементи та як усе це працює.


Сильно спрощена схема електронного навантаження, що стабілізує струм, складається лише з кількох компонентів:
1. Змінного резистора
2. Операційного підсилювача
3. Транзистора
4. Шунта.

Зі змінного резистора на вхід операційного підсилювача подається певна напруга. Операційний підсилювач подає напругу на польовий транзистор, і через нього починає текти струм навантаження, який водночас проходить через шунт. На шунті виникає певне падіння напруги, яке подається на другий вхід операційного підсилювача. Щойно напруга на входах операційного підсилювача стане однаковою, він встановить на своєму виході таку напругу, за якої транзистор буде відкритий настільки, щоб підтримувати напругу на шунті на рівні, заданому змінним резистором.
А оскільки падіння напруги на шунті безпосередньо залежить від струму через нього, то зрештою схема підтримуватиме струм.

При цьому виходить, що струм навантаження залежить від напруги на вході.

Наприклад, зі змінного резистора подали 0.4 Вольта, опір шунта становить 1 Ом, відповідно, струм буде 0,4/1=0.4 Ампера.
Ускладнимо приклад: шунт опором 0.15 Ома, напруга з потенціометра — 0.45 Вольта, 0.45/0.15=3 Ампери.

На точність підтримання струму впливають переважно дві речі:
1. Стабільність задавальної напруги
2. ТКС (залежність опору від температури) шунта.


Показана вище схема, найімовірніше, працюватиме, але нестабільно, тому в повнішому вигляді схема дещо складніша.
Невеликий відступ: позиційні номери компонентів не відповідають номерам на друкованій платі й наведені просто для прикладу.

Тут видно ті самі компоненти, які я показував вище, але до них додалися ще деякі — поясню їхнє призначення.
Резистор R1 потрібен для розв’язки кількох каналів і для підвищення стабільності роботи.
Резистор R2 обмежує струм заряджання затвора польового транзистора, захищаючи операційний підсилювач.
Конденсатор С1, резистори R3 і R4 захищають схему від самозбудження, щоб навантаження не перетворилося на генератор.
Резистор R5 закриває транзистор, коли операційний підсилювач знеструмлений, а крім того, забезпечує невеликий струм навантаження для виходу операційного підсилювача та кола захисту від самозбудження.


Оскільки навантаження чотириканальне, просто «домальовуємо» ще три канали й отримуємо майже повний вигляд плати, яку розглядаємо.
Синім кольором я виділив чотири канали: видно, що вони абсолютно однакові, тож їхню кількість можна збільшувати й далі. Спільним для всіх каналів є лише здвоєний операційний підсилювач.
Помаранчевим виділено коло керування, червоним і чорним — відповідно силові кола.


У моєму потужному електронному навантаженні все реалізовано саме так, тільки я зробив 8 каналів і використав двоканальні операційні підсилювачі.


Але, як я писав вище, на точність підтримання струму впливає точність стабілізації задавальної напруги, і для цього в схемі є джерело опорної напруги на основі регульованого стабілітрона TL431, його основна напруга — 2.5 Вольта.
Оскільки 2.5 Вольта — це дещо забагато, і якщо на шунтах падатиме така напруга, то:
1. Розсіювана потужність буде великою
2. Мінімальна напруга навантаження становитиме 2.5 Вольта + падіння напруги на транзисторах.

Тому послідовно з потенціометром увімкнено постійний резистор R8 опором 22 кОм; разом вони утворюють подільник приблизно 1:5.5, і після потенціометра напруга змінюється вже в діапазоні близько 0-0.45 Вольта.
Змінюючи номінал додаткового резистора, можна змінювати діапазон регулювання без заміни шунта, але цей спосіб має і свій мінус: операційним підсилювачам за однополярного живлення простіше працювати з більшою напругою, ніж із меншою, тож задавальну напругу краще не знижувати надто сильно.
Резистор R7 обмежує струм живлення стабілітрона.

Вузол живлення містить діодний міст і чотири конденсатори. Судячи з усього, спочатку планували стабілізатор живлення операційного підсилювача, але від нього відмовилися, а конденсатор ємністю 220 мкФ, який стояв після нього, залишили. Інакше я не можу пояснити, навіщо паралельно з’єднали два конденсатори по 1000мкФ і один на 220мкФ.

Також від цього діодного моста живляться роз’єми для підключення вентиляторів і ампервольтметра.


З теорією, думаю, зрозуміло, перейдемо до практики, а точніше — до складання. Цю частину сховаю під спойлер, оскільки вона буде цікавіша переважно початківцям, хоча в процесі я пояснюватиму нюанси використання тих чи інших компонентів, а також можливості їхньої заміни.


Оце, власне, і все. Усю конструкцію реально зібрати приблизно за годину, не поспішаючи, навіть новачкові: усі компоненти встановлюються як треба, усе позначено на платі, а збирається вона інтуїтивно.

У результаті в мене ще залишилися компоненти:
1. Вимикач
2. Роз'єм живлення
3. Несправний конденсатор.

Другий роз'єм живлення, мабуть, додається в комплект на випадок, якщо його виводять на кришку корпусу. Вимикач, найімовірніше, також використовують для ввімкнення живлення, але в моєму варіанті його нікуди припаяти. Ну а несправний конденсатор — просто так зійшлися зорі.


На одному з боків плати виведено контактні майданчики для підключення входу, амперметра, вольтметра та виходу живлення.
Загалом можна встановити клемники, а можна просто припаяти дроти — кому як зручніше, але є деякі нюанси підключення.


Підключити можна різними способами, спробую розповісти про всі.
1. Просто плата без вимірювальних приладів, роз'ємів тощо.
2. Те саме, але якщо хочеться встановити роз'єм, то, найімовірніше, доведеться поставити перемичку замість виходу на амперметр.
3. Підключення незалежних амперметра й вольтметра: плюс — червоний, мінус — синій.
4. Якщо хочеться встановити цифровий ампервольтметр, підключаємо так:
Чорний — загальний силовий
Жовтий — вхід вимірювання струму
Червоний — вхід вимірювання напруги
Тонкий червоний — живлення ампервольтметра.



Кольорове маркування дротів для підключення цифрового ампервольтметра наведено відповідно до того, що я вже використовував, і воно може відрізнятися. Тому перед підключенням краще все перевірити: зазвичай чорний — це все-таки мінус, а вхід вимірювання струму продзвонюється накоротко з чорним дротом.


Як варіант, можна встановити й такий ампервольтметр. Він більш «просунутий», але підключається інакше.
Товстий чорний — загальний силовий
Товстий червоний — вхід вимірювання струму
Жовтий — вхід вимірювання напруги.
Тонкий червоний — живлення ампервольтметра.

Перевага такого варіанта — наявність термодатчика, який може бути дуже корисним у пристрої з таким тепловиділенням.


Обидва ці ампервольтметри використовувалися в невеликому електронному навантаженні, хоча другий використовується й досі.


І, звісно, трохи експериментів.
Підключаємо плату до регульованого блока живлення, для проби виставляємо 32 Вольти й задаємо струм навантаження 5 Ампер. Плата без проблем витримала 160 Ватт, але це вже граничний режим.


Перевірив, як змінюється встановлений струм залежно від нагрівання. Зміна невелика, але є: у міру нагрівання струм падає.


Експериментував начебто недовго, але вже відчув жар. Виміряв температуру й побачив, що транзистори нагрілися приблизно до 110 градусів. Такого в жодному разі не можна допускати: наприклад, у моєму потужному навантаженні захист від перегрівання спрацьовує за температури 90 градусів на радіаторі або близько 95 на транзисторах.
Підвищення температури транзисторів різко знижує надійність роботи, особливо в лінійному режимі.


У коментарях часто бачу згадки про звичайні резистори як навантаження. Так, звісно, їх теж можна використовувати, але за допомогою резисторів важче досягти, наприклад, того, що показано на цих фото.
Тут я знижував напругу від 40 до 1 Вольта й дивився, як змінюється струм навантаження. У зазначеному діапазоні коливання становили 2.017-2.026 Ампера, що, на мій погляд, досить непогано з огляду на просту схемотехніку.


Хоча й не планую використовувати звичайний ампервольтметр, усе-таки вирішив перевірити, як він працює. Спершу варто сказати, що підключається він трохи інакше, ніж у простому саморобному навантаженні, яке я збирав.


Дроти ампервольтметра підключені в такому порядку —
Чорний
Жовтий
Червоний.

Підключено лише один дріт живлення, чорний довелося від'єднати, оскільки він впливав на результат вимірювань. Річ у тім, що в моєму електронному навантаженні ампервольтметр підключався послідовно зі шунтом для вимірювання струму, тому загальний дріт амперметра з'єднувався із загальним дротом схеми. Тут же він вмикається послідовно з джерелом, яке перевіряють, і, на мій погляд, це менш коректно.



Під час написання огляду мене запитали про заміну транзисторів, тож спробую пояснити окремо.
1. Транзистори вибираємо з огляду на тип корпусу й потрібну потужність: 30 Ватт — ТО-220, 50 Ватт — ТО-247.
2. Транзистори, по суті, можна використовувати не лише майже будь-які, а й різні одночасно.
3. Головне під час вибору транзистора — напруга, на яку він розрахований. Бажано, щоб вона щонайменше вдвічі перевищувала вхідну.
4. Опір у відкритому стані майже ні на що не впливає, хіба що якщо встановити зовсім високовольтні транзистори, у яких він уже вимірюється одиницями Ом.
5. Краще використовувати транзистори в неізольованому корпусі й не ізолювати їх від радіатора.

Чому такі обмеження щодо потужності? Переважна більшість сучасних польових транзисторів розрахована на ключовий режим роботи й погано працює в лінійному режимі. Точніше, працює нормально, але з великими обмеженнями за температурою, потужністю, напругою та струмом. Є польові транзистори, які нормально працюють у такому режимі, але вони настільки рідкісні, що немає сенсу їх шукати.

Також мене запитували, на що їх іще можна замінити.
Для початку можна використати транзистори IGBT — по суті, гібрид польового й біполярного транзистора, але вони дорожчі. До речі, існує й зворотний гібрид — біполярного з польовим.

Але ніхто не заважає використовувати біполярні транзистори (власне, тому IGBT і добре підходять), у яких максимальна паспортна потужність розсіювання забезпечується і в лінійному режимі.
У цій схемі їх можна ввімкнути просто замість польового, але потрібен транзистор із великим коефіцієнтом підсилення, адже, на відміну від польових, біполярні керуються струмом, а не напругою.
Або можна застосувати складену схему ввімкнення транзисторів (схему Дарлінгтона), тоді загальний коефіцієнт підсилення дорівнюватиме добутку коефіцієнтів підсилення першого й другого транзисторів. Тобто якщо в першого підсилення 200, а в другого 70, то загальне буде близько 14000.

Мабуть, єдиний недолік біполярних (особливо складених) транзисторів — складнощі під час роботи з малими напругами, нижчими за 1.5-2 Вольта. Якщо ви не плануєте тестувати джерела з такою напругою, можна використовувати біполярні, а в іншому разі — польові.


Добре підійдуть відомі транзистори КТ827, але в мене їх майже немає, тому на фото їхня комплементарна пара КТ825. Вони можуть розсіювати до 125 Ватт.


Колись я навіть використовував їх у комплекті з такими радіаторами — розмір саме той :) Щоправда, вони все-таки більше підходять для пасивного режиму.


Усередині в них два транзистори, з’єднані за схемою Дарлінгтона, а також додаткові компоненти.

До речі, подібні транзистори також чудово підходять для лінійних блоків живлення, і мене часто запитують про варіанти їх заміни на імпортні. Я трохи пошукав в інтернеті й склав список замін.
Практично повні аналоги транзистора КТ827: 2N6057, BDX87
КТ827А: BDX65A, BDX67, BDX87C, MJ3521, MJ4035
КТ827Б 2N6058, 2N6283, BDX63, BDX65, BDX67, BDX85B, BDX87B, MJ3001, MJ4034
КТ827В: 2N6057, 2N6282, BDX85, BDX85A, BDX87, BDX87A, MJ3000, MJ3520, MJ4033



До речі, продавець може надіслати плату з різними транзисторами. Є варіант із транзисторами в корпусі TO-247 (IRFP250. IRFP260), але, найімовірніше, за додаткову плату. Як на мене, такий варіант був би значно цікавішим.


Ну і заодно поясню щодо заміни решти компонентів.
Малі резистори не критичні, головне — приблизно влучити в номінал. Те саме стосується й конденсаторів.
Низькоомні резистори, які виконують функцію струмовимірювального шунта, краще вибирати із запасом за потужністю, адже тоді вони менше нагріватимуться, а отже, їхній опір змінюватиметься менше й у міру нагрівання струм не «попливе». Можна встановити точніші й якісніші резистори, але вони дорогі.
Операційний підсилювач також можна замінити практично на будь-який дешевий. Наприклад, я використовував LM358, але він двоканальний, тож їх потрібно вдвічі більше. Простіше використати той самий LM324 — він коштує копійки.

Живити навантаження можна як постійним, так і змінним струмом, але важливо стежити, щоб напруга живлення операційного підсилювача не перевищувала 20 Вольт. Сам ОП спокійно витримує до 30-35 Вольт, але напруга на затворі польового транзистора не повинна перевищувати 18-20 Вольт, а краще — 15, тому я б обмежив її цим рівнем. Як варіант, можна живити цей ланцюг від невеликого стабілізатора.



Під час тестів я все-таки спалив один із транзисторів. Сталося це випадково: я подав 40 Вольт і встановив струм навантаження 5 Ампер, отримавши потужність 200 Ватт. У результаті блок живлення просто перейшов у захист від КЗ, і на цьому все закінчилося.
Крім того, з’ясувалося, що наведення на змінний резистор можуть помітно впливати на встановлений струм. Наприклад, коли я тримав резистор у руках, струм становив 4.1 Ампера, а коли поклав його на стіл — став 4 Ампера. Ця неприємність може проявитися, а може й ні — залежить і від блока живлення самого навантаження, і від пристрою, який перевіряють.

Оглядуване навантаження в порівнянні з моєю старенькою саморобкою, зібраною на базі тієї самої TL431, LM358 і одного транзистора. щоправда, у мене є стабілізатор живлення операційного підсилювача.


Які доопрацювання можна виконати:
1. Керування вентиляторами залежно від температури, хоча б за допомогою найпростішого термореле.
2. Удвічі зменшити опір шунтів і змінити номінали дільника змінного резистора так, щоб напруга змінювалася в діапазоні 0–0.25 В, тоді шунти нагріватимуться вдвічі менше.
3. Додати режим CV за допомогою другого ОП, але тут є проблема із захистом від перевантаження.
4. Додати стабілізатор напруги для ОП, наприклад 7808 або 7809.
5. У моєму навантаженні після TL431 стоїть буферний операційний підсилювач. На мій погляд, таке рішення краще, але додати його сюди дуже незручно.
6. Об’єднати дві-три подібні плати для збільшення потужності: одна плата буде ведучою, решта — веденими.

Поки що не можу показати пристрій у корпусі, бо його ще немає. Корпус підбиратиму з огляду на загальні розміри всього комплекту. Крім того, використовуватиму його з досконалішим ампервольтметром, який контролюватиме нижню та верхню межі напруги тощо.
Відеоверсія огляду



З описом, здається, все. Постарався нічого не забути, тож тепер можна підбити підсумки.
Як на мене, варіант дуже непоганий: ціна невисока, збирається легко, а головне — після складання працює :)
Не обійшлося й без нюансів: наприклад, пошкоджений конденсатор або не дуже зручне розташування отворів для кріплення радіатора.
В описі заявлено 150 Вт. На мій погляд, це максимальна потужність; я б радив не навантажувати пристрій тривалий час понад 120 Вт без заміни транзисторів на якісь у корпусі TO-247 і обов’язково використовувати якісне охолодження.

Якщо плануєте використовувати пристрій за напруги до 30–40 В, цілком можна купувати комплект із транзисторами. Але якщо плануєте тестувати джерела з вищою напругою, я б купив усе, крім транзисторів, а замість штатних установив щось із вищою допустимою напругою.
Як варіант, можна просто купити друковану плату: використані компоненти не дефіцитні, і за бажання їх можна знайти навіть удома.
Замовляти лише один комплект, мабуть, буде не дуже вигідно — краще одразу купити кілька, тоді загальна ціна буде вигіднішою.


Цей самий набір на AliExpress — посилання

На цьому все. Буду радий запитанням, коментарям і порадам.