Сегодня речь пойдет об ещё одной моей самоделке – электронной нагрузке. Собрана она в корпусе от старого советского электросчетчика, выглядит примерно следующим образом:
Внутри всё закреплено на родной стойке электросчетчика, радиодетали соединены навесным монтажом:
Схема построена вокруг стабилизатора тока на LM317.
Видео по теме:
Характеристики получилось весьма спорные, но для моих текущих задач хватает.
Основные характеристики:
• Стабилизация тока при изменении входного напряжения
• Нагрузка не требует отдельного питания
• Диапазон регулировки тока 1,8 - 10 А при входном напряжении 16,5В (максимальный ток ограничен в моем случае возможностями амперметра и характеристиками токового шунта, транзисторы позволяют рассеять до 200 Ватт мощности)
• Диапазон входного напряжения 5 – 20В (в принципе можно и больше до 30В, важно понимать какая мощность будет рассеиваться и следить за током, т.е. при 30В ток не должен превышать 6,5А )
• Стабилизация адекватно работает при напряжении от 13В (но об этом позже)
• Защита от переполюсовки
Перед выбором схемы я рассматривал 2 варианта:
1. Стабилизатор тока на операционном усилителе LM358.
Обладает неплохим качеством стабилизации и регулировкой почти от нуля. Но данная схема требует независимого источника питания операционного усилителя.
2. Простой регулятор мощности только на транзисторах, без стабилизации. При изменении входного напряжения нагрузка будет себя вести как обычный резистор, т.е. при увеличении напряжения, ток тоже будет увеличиваться.
В обоих случаях стоит вопрос внешнего дополнительного питания для прибора и вентиляторов.
В итоге я решил поэкспериментировать и собрать электронную нагрузку на базе стабилизатора тока на микросхеме LM317, усиленной PNP транзисторами. С одной стороны LM317 не требует независимого стабильного источника питания ( в отличие от операционного усилителя). С другой это хоть и средненький, но вся таки стабилизатор тока. Все остальные потребители (вентиляторы и прибор) подключены напрямую к входу нагрузки через стабилизатор напряжения 7812.
Полностью схема выглядит следующим образом:
LM317 усилена двумя мощными PNP транзисторами VT1 и VT2 в корпусе TO-3 - MJ2955. Каждый из таких транзисторов способен пропускать ток до 15 А и рассеивать до 100 Ватт мощности. Транзисторы имеют выравнивающие резисторы. На каждый транзистор приходится по два 5 Ваттных резистора номиналом 0,1 Ом, соединённых последовательно. Резистор R1 на 10 Ом, служит, чтобы до определённого момента ток шел через LM317, а при превышении порога, открывались транзисторы. Это стандартное решение для схем, где LM317 усиливается PNP транзисторами. Чем больше номинал резистора R1, тем раньше откроются транзисторы. В схемах встречал разные варианты номиналов от 0,1 Ома до 2,2к. Самый распространенный номинал 10-30 Ом. Мощность резистора взята с большим запасом на 10 Ватт, т.к. у меня было много таких резисторов. Резистор R2 – это по сути нихромовый токовый шунт. Сопротивление в холодном состоянии 1,2 Ом. Особенность стабилизатора тока на LM317 состоит в том, что чем больше сопротивление шунта, тем меньше ток стабилизации. Шунт дает нам некий ограниченный диапазон, в котором мы можем регулировать ток, подключив параллельно шунту потенциометр R3 номиналом 5к Ом. Можно снизить минимальный ток, увеличив сопротивление шунта, но при этом и максимальный ток уменьшится. Аналогично в обратную сторону. Также максимальный ток зависит от входного напряжения. Если при 12В – максимальный ток будет в районе 6-7А, то при 20В перевалит за 12А. Я подобрал шунт, чтобы диапазон был 1,8 - 10 А при 16,5В. Плюсом данного решения является то, что шунт физически может пропустить только ограниченный ток, что спасет наши транзисторы от перегрузки. Резистор R4 нужен для корректировки диапазона регулировки. Без него если вращать ручку потенциометра в сторону уменьшения, после прохождения минимального значения тока, ток опять начнет постепенно увеличиваться. Добавление резистора устраняет этот недостаток.
Вентиляторы для охлаждения и цифровой вольтамперметр подключены на вход через линейный стабилизатор напряжения 7812. Это решение тоже довольно спорное. Пока линейный стабилизатор не начнет ограничивать напряжение (а ограничивать он его начнет при входном напряжении примерно 12В-13В, все зависит от потерь на проводах.), качество стабилизации тока в электронной нагрузки в целом будет не высокое. При изменении входного напряжения, например в диапазоне от 5 до 12В, вентиляторы будут крутиться с разной скоростью и потребляемый ток будет меняться. Изменения эти будут в районе 500 мА, что не смертельно, но радости не добавляет. И да цифровой вольтамперметр включается от напряжения - 6В и более. При более низких напряжениях, нормально пользоваться нагрузкой не получится.
Защиту от переполюсовки я реализовал по довольно топорной схеме (топорнее только диодный мост на входе). Принцип простейший: сдвоенный диод Шоттки пропускает ток, только в одном направлении. Если перепутать полярность и подать плюс на минусовую клемму, то ток через диод не пойдет, а пойдет он по пути через резистор R9 и светодиод D5, который засветится, сигнализировав о неправильном подключении источника питания. На диоде Шоттки естественно будет падение напряжения и он будет греться . Учитывая, что электронная нагрузка – это по сути преобразователь электрической энергии в тепловую, то пусть греется.
Процесс сборки:
После того, как разобрался со схемой, я собрал все компоненты и провел тесты.
Далее я приступил к оформлению устройства в корпус. В конструкции полно греющихся элементов (особенно сильно греется нихромовый шунт), поэтому про пластиковый корпус можно было забыть. Плюс ко всему т.к. транзисторы установлены на радиатор без изолирующих прокладок, на радиаторе будет находиться выходное напряжение. В качестве корпуса отлично подошел корпус от старого советского электросчетчика.
Материал диэлектрический и теплоустойчивый, внутри есть стойка, которая тоже в какой-то мере служит радиатором.
Начал я с того, что пропилил окошко под вольамперметр. Пилил мини дрелью. Материал поддается плохо, очень много пыли и дыма. Без респиратора и очков работать противопоказано.
После того как установил прибор, просверлили отверстия под клеммы, потенциометр и выключатель.
Стекло изъял и на его место поставил решетку с вентилятором, который будет выдувать горячий воздух из корпуса.
Транзисторы я закрепил на радиатор и снизу радиатора установил 2 вентилятора.
Крышка будет крепиться на латунных стойках, чтобы корпус не закрывался вплотную и снизу были щели, куда будет поступать свежий воздух.
Также внизу есть отверстия, где раньше были контакты счетчика.
Получается сквозной продув греющихся частей: воздух поступает снизу, маленькие вентиляторы прогоняют его вверх через радиатор, нагретый воздух выбрасывается наружу вентилятором побольше.
Дальнейшие тесты показали, что после 30 минут работы на 16,5В и токе 10А (165 Ватт), температура внутренних частей не превысила 50 градусов.
Дело осталось за малым: закрепить все элементы внутри корпуса и соединить всё проводами.
Диод Шоттки я закрепил через изолирующие прокладку и втулку. Фланец стабилизатора 7812 покрыт пластиком, поэтому дополнительная изоляция не требуется. Выход LM317 по схеме соединен с коллекторами транзисторов, поэтому можно смело крепить LM317 с ними на один радиатор без дополнительной изоляции.
Нихромовый шунт я закрепил на кусках из макетки, чтобы изолировать его от основного корпуса.
Далее протестировал нагрузку с разными блоками питания. То, как ведет себя нагрузка при разных условиях было описано выше.
В заключении хотелось бы сказать, что это был для меня интересный опыт. С одной стороны я понимаю, что до электронной нагрузки мечты, моему изделию далеко. С другой стороны она закрывает 80% моих текущих потребностей (т.к. большинство тестов я провожу в диапазоне напряжений 12-20В и токов 2-7А) и имеет потенциал для доработки. Также интересно было понять, на что способен стабилизатор тока на LM317.
Нагрузкой данной пользуюсь уже пол года сказать могу следующее: в целом штука рабочая, но есть недостатки:
• Регулировка тока не от нуля
• Иногда не хватает тока (пару раз нужно было больше 10А)
• Стабилизации на напряжении до 13В слабенькая
Сначала хотел её доработать, но потом сделал новый "лабораторник" (правильнее наверное будет сказать регулируемый блок со стабилизацией тока и напряжения) на 400 Ватт и понял, что нужна новая нагрузка на такую же мощность, как и у блока питания, и в текущий корпус от счетчика она не поместится. Поэтому собрал новую нагрузку.
При ее проектировании использовал ряд решений, которые могут пригодится тем, кто захочет доработать эту версию нагрузки или сделать свою:
• Нужно использовать операционный усилитель, я использовал LM358. Дает нормальный диапазон регулировки и приемлемую стабилизацию.
• Есть способ запитать операционный усилитель и вольтамперметр от входа нагрузки. На вход ставим повышающий преобразователь МТ3608, настраиваем на 27В, на его выход ставим 7812 + фильтры из конденсаторов. Получаем стабильное питание операционного усилителя при напряжениях от 2 до 24В. Мне этого более чем достаточно.
• Вентиляторы снабжаем ещё одним 7812, подключаем через 6 контактный выключатель: питание либо со входа нагрузки, либо со входа для отдельного источника питания для вентиляторов. Логика следующая: если на входе нагрузки больше 13В переключаем вентиляторы на питание от входа. При этом напряжении потребление тока стабильно и 12Ватт пойдут, не на нагрев, а наоборот на охлаждение. Если меньше, то переключаем на отдельный источник питания, чтобы не портить стабилизацию.
• И не стоит использовать шунты с большим сопротивлением (больше 0,1 Ома), особенно при больших токах.
В общем вот такие вот идеи. Всем спасибо за внимание! Надеюсь, мой опыт и идеи будут кому-то интересны. И как всегда жду с нетерпением вопросов, комментариев и конструктивной критики от старожил данного сайта).
Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.
