Charge minuscule - Charge de courant constante : 4 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

J'ai développé moi-même un bloc d'alimentation de banc et j'ai finalement atteint le point où je veux lui appliquer une charge pour voir comment il fonctionne. Après avoir regardé l'excellente vidéo de Dave Jones et consulté quelques autres ressources Internet, j'ai créé Tiny Load. Il s'agit d'une charge de courant constant réglable, qui devrait pouvoir supporter environ 10 ampères. La tension et le courant sont limités par les valeurs nominales du transistor de sortie et la taille du dissipateur thermique.

Il faut le dire, il existe des designs vraiment intelligents! Tiny Load est vraiment basique et simple, une légère modification de la conception de Dave, mais il dissipera toujours la puissance nécessaire pour tester un bloc d'alimentation, tant qu'il n'obtient pas plus de jus qu'il ne peut en gérer.

Tiny Load n'a pas de compteur de courant connecté, mais vous pouvez connecter un ampèremètre externe ou surveiller la tension aux bornes de la résistance de rétroaction.

J'ai légèrement modifié le design après l'avoir construit, donc la version présentée ici a une LED pour vous dire qu'elle est allumée et un meilleur schéma de circuit imprimé pour le commutateur.

Le schéma et la disposition du PCB sont présentés ici sous forme de fichiers PDF et également d'images JPEG.

Étape 1: Principe de fonctionnement

Pour ceux qui ne connaissent pas bien les principes électroniques, voici une explication du fonctionnement du circuit. Si tout cela vous est bien connu, n'hésitez pas à sauter le pas !

Le cœur du Tiny Load est un double amplificateur opérationnel LM358, qui compare le courant circulant dans la charge avec une valeur que vous définissez. Les amplis-op ne peuvent pas détecter le courant directement, donc le courant est transformé en une tension, que l'ampli-op peut détecter, par la résistance, R3, connue sous le nom de résistance de détection de courant. Pour chaque ampli qui circule dans R3, 0,1 volt est produit. Ceci est montré par la loi d'Ohm, V=I*R. Parce que R3 est une valeur vraiment basse, à 0,1 ohm, il ne chauffe pas excessivement (la puissance qu'il dissipe est donnée par I²R).

La valeur que vous définissez est une fraction d'une tension de référence - encore une fois, la tension est utilisée car l'amplificateur opérationnel ne peut pas détecter le courant. La tension de référence est produite par 2 diodes en série. Chaque diode développera une tension à ses bornes dans la région de 0,65 volts, lorsqu'un courant la traverse. Cette tension, qui va généralement jusqu'à 0,1 volt de part et d'autre de cette valeur, est une propriété inhérente aux jonctions p-n en silicium. La tension de référence est donc d'environ 1,3 volt. Parce que ce n'est pas un instrument de précision, il n'y a pas besoin d'une grande précision ici. Les diodes reçoivent leur courant via une résistance. connecté à la batterie. La tension de référence est un peu élevée pour régler la charge à un maximum de 10 ampères, donc le potentiomètre qui règle la tension de sortie est connecté en série avec une résistance de 3k qui fait chuter un peu la tension.

Étant donné que la référence et la résistance de détection de courant sont connectées ensemble et connectées à la connexion zéro volt de l'amplificateur opérationnel, l'amplificateur opérationnel peut détecter la différence entre les deux valeurs et ajuster sa sortie afin que la différence soit réduite à près de zéro. La règle d'or utilisée ici est qu'un ampli-op essaiera toujours d'ajuster sa sortie de sorte que ses deux entrées soient à la même tension.

Il y a un condensateur électrolytique connecté à travers la batterie pour se débarrasser de tout bruit qui se retrouve dans l'alimentation de l'amplificateur opérationnel. Il y a un autre condensateur connecté aux diodes pour amortir le bruit qu'elles génèrent.

La partie commerciale de la Tiny Load est formée par un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). J'ai choisi celui-ci parce qu'il se trouvait dans ma boîte à ordures et qu'il avait des valeurs nominales de tension et de courant adéquates à cet effet, mais si vous en achetez un nouveau, il existe des appareils beaucoup plus appropriés.

Le mosfet agit comme une résistance variable, où le drain est connecté au côté + de l'alimentation que vous souhaitez tester, la source est connectée à R3, et à travers cela au fil - de l'alimentation que vous souhaitez tester, et la porte est connectée à la sortie de l'ampli-op. Lorsqu'il n'y a pas de tension sur la grille, le mosfet agit comme un circuit ouvert entre son drain et sa source, mais lorsque la tension est appliquée au-dessus d'une certaine valeur (la tension "seuil"), il commence à conduire. Augmentez suffisamment la tension de grille et sa résistance deviendra très faible.

Ainsi, l'amplificateur opérationnel maintient la tension de grille à un niveau où le courant traversant R3 provoque le développement d'une tension presque égale à la fraction de la tension de référence que vous avez définie en tournant le potentiomètre.

Parce que le mosfet agit comme une résistance, il est traversé par une tension et un courant qui le traverse, ce qui l'amène à dissiper de la puissance, sous forme de chaleur. Cette chaleur doit aller quelque part, sinon elle détruirait le transistor très rapidement, c'est pourquoi il est boulonné à un dissipateur thermique. Les mathématiques pour calculer la taille du dissipateur thermique sont simples mais aussi un peu sombres et mystérieuses, mais sont basées sur les différentes résistances thermiques qui empêchent le flux de chaleur à travers chaque partie de la jonction semi-conductrice à l'air extérieur, et l'augmentation de température acceptable. Vous avez donc la résistance thermique de la jonction au boîtier du transistor, du boîtier au dissipateur thermique, et à travers le dissipateur thermique à l'air, ajoutez-les ensemble pour la résistance thermique totale. Ceci est donné en °C/W, donc pour chaque watt qui est dissipé, la température augmentera de ce nombre de degrés. Ajoutez cela à la température ambiante et vous obtenez la température à laquelle votre jonction semi-conductrice fonctionnera.

Étape 2: Pièces et outils

J'ai construit le Tiny Load principalement en utilisant des pièces de poubelle, donc c'est un peu arbitraire !

Le PCB est fait de SRBP (FR2) que j'ai parce qu'il était bon marché. Il est recouvert de cuivre de 1 once. Les diodes, les condensateurs et les mosfet sont d'anciens usagés, et l'ampli-op fait partie d'un paquet de 10 que j'ai eu il y a quelque temps parce qu'ils étaient bon marché. Le coût est la seule raison d'utiliser un appareil smd pour cela - 10 appareils smd me coûtent le même prix qu'un trou traversant.

• 2 diodes 1N4148. Utilisez plus si vous voulez pouvoir charger plus de courant.
• Transistor MOSFET, j'ai utilisé un BUK453 parce que c'est ce que j'avais, mais choisissez ce que vous aimez, tant que le courant nominal est supérieur à 10A, la tension de seuil est inférieure à environ 5v et le Vds est supérieur au maximum auquel vous vous attendez l'utiliser à, ça devrait aller. Essayez d'en choisir un conçu pour les applications linéaires plutôt que pour la commutation.
• Potentiomètre 10k. J'ai choisi cette valeur parce que c'est ce que j'avais, c'est une valeur que j'ai démontée d'un vieux téléviseur. Ceux avec le même espacement des broches sont largement disponibles, mais je ne suis pas sûr des pattes de montage. Vous devrez peut-être modifier la disposition du tableau pour cela.
• Bouton pour monter le potentiomètre
• Résistance 3k. 3.3k devrait fonctionner aussi bien. Utilisez une valeur inférieure si vous souhaitez pouvoir charger plus de courant avec la référence à 2 diodes indiquée.
• ampli-op LM358. Vraiment, n'importe quel type d'approvisionnement rail-à-rail devrait faire l'affaire.
• résistance 22k
• résistance 1k
• Condensateur 100nF. Cela devrait vraiment être en céramique, même si j'ai utilisé un film
• Condensateur 100uF. Doit être évalué à au moins 10V
• Résistance de 0,1 ohm, puissance minimale de 10W. Celui que j'ai utilisé est surdimensionné, encore une fois le coût était le facteur déterminant ici. Une résistance à boîtier métallique de 25 W 0,1 ohm était moins chère que les types mieux évalués. Etrange mais vrai.
• Dissipateur thermique - un ancien dissipateur thermique du processeur fonctionne bien et présente l'avantage d'être conçu pour être équipé d'un ventilateur si vous en avez besoin.
• Composé de dissipateur thermique. J'ai appris que les composés à base de céramique fonctionnent mieux que ceux à base de métal. J'ai utilisé Arctic Cooling MX4 que j'avais. Cela fonctionne bien, est bon marché et vous obtenez beaucoup !
• Petit morceau d'aluminium pour support
• Petites vis et écrous
• petit interrupteur à glissière

Étape 3: Construction

J'ai construit la petite charge à partir d'une boîte à ordures ou de pièces très bon marché

Le dissipateur thermique est un ancien dissipateur thermique CPU de l'ère pentium. Je ne sais pas quelle est sa résistance thermique, mais je suppose qu'elle est d'environ 1 ou 2°C/W d'après les images au bas de ce guide: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc… bien que l'expérience suggère maintenant que c'est plutôt mieux que cela.

J'ai percé un trou au milieu du dissipateur thermique, l'ai taraudé et j'ai monté le transistor dessus avec du composé thermique MX4 et j'ai vissé la vis de montage directement dans le trou taraudé. Si vous n'avez pas les moyens de percer des trous, il suffit de le percer un peu plus gros et d'utiliser un écrou.

Au départ, je pensais que cela allait être limité à une dissipation d'environ 20 W, mais je l'ai fait fonctionner à 75 W ou plus, où il faisait assez chaud, mais toujours pas trop chaud pour être utilisé. Avec un ventilateur de refroidissement attaché, ce serait encore plus élevé.

Il n'y a pas vraiment besoin de boulonner la résistance de détection de courant sur la carte, mais quel est l'intérêt d'avoir des trous de boulons si vous ne pouvez pas y boulonner quelque chose ? J'ai utilisé de petits morceaux de fil épais laissés par des travaux électriques pour connecter la résistance à la carte.

L'interrupteur d'alimentation provenait d'un jouet défunt. Je me suis trompé sur l'espacement des trous sur mon circuit imprimé, mais l'espacement sur la disposition du circuit imprimé donné ici devrait convenir si vous avez le même type de commutateur SPDT miniature. Je n'ai pas inclus de LED dans la conception d'origine, pour montrer que Tiny Load est allumé, mais j'ai réalisé que c'était une omission stupide, alors je l'ai ajouté.

Les pistes épaisses telles qu'elles se présentent ne sont pas vraiment assez épaisses pour 10 ampères avec la carte plaquée de cuivre de 1 oz utilisée, elle est donc gonflée avec du fil de cuivre. Chacune des pistes est entourée d'un fil de cuivre de 0,5 mm et soudé par points à intervalles, à l'exception du court tronçon qui est connecté à la terre, car le plan de masse ajoute beaucoup de volume. Assurez-vous que le fil ajouté va directement aux broches du mosfet et de la résistance.

J'ai fait le PCB en utilisant la méthode de transfert de toner. Il y a une énorme quantité de littérature sur le net à ce sujet donc je n'entrerai pas dans les détails, mais le principe de base est que vous utilisez une imprimante laser pour imprimer le dessin sur du papier brillant, puis le repasser sur la planche, puis graver ce. J'utilise du papier transfert de toner jaune bon marché en provenance de Chine et un fer à repasser réglé à un peu moins de 100°C. J'utilise de l'acétone pour nettoyer le toner. Continuez simplement à essuyer avec des chiffons avec de l'acétone fraîche jusqu'à ce qu'ils soient propres. J'ai pris beaucoup de photos pour illustrer le processus. Il existe de bien meilleurs matériaux disponibles pour le travail, mais un peu au-delà de mon budget ! Je dois généralement retoucher mes transferts avec un marqueur.

Percez les trous en utilisant votre méthode préférée, puis ajoutez le fil de cuivre aux pistes larges. Si vous regardez de près, vous pouvez voir que j'ai un peu foiré mon forage (parce que j'ai utilisé une perceuse expérimentale qui est quelque peu imparfaite. Quand cela fonctionnera correctement, je ferai un Instructable dessus, promis!)

Montez d'abord l'ampli-op. Si vous n'avez jamais travaillé avec smd's auparavant, ne vous laissez pas intimider, c'est assez facile. Commencez par étamer l'un des plots de la carte avec une très petite quantité de soudure. Positionnez la puce très soigneusement et fixez la broche appropriée au tampon que vous avez étamé. Ok maintenant la puce ne bougera pas, vous pouvez souder toutes les autres broches. Si vous avez du flux liquide, appliquer un frottis de celui-ci facilite le processus.

Montez le reste des composants, le plus petit en premier, qui est très probablement les diodes. Assurez-vous de les obtenir de la bonne façon. J'ai fait les choses légèrement à l'envers en montant d'abord le transistor sur le dissipateur thermique, car je l'ai utilisé initialement pour expérimenter.

Pendant un certain temps, la batterie a été montée sur la carte à l'aide de tampons collants, ce qui a remarquablement bien fonctionné ! Il a été connecté à l'aide d'un connecteur pp3 standard, mais la carte est conçue pour recevoir un type de support plus important qui se clipse dans toute la batterie. J'ai eu quelques problèmes pour fixer le support de batterie car il faut des vis de 2,5 mm, que j'ai en nombre insuffisant et aucun écrou à installer. J'ai percé les trous dans le clip à 3,2 mm et les ai lamés à 5,5 mm (ce n'est pas un vrai lamage, j'ai juste utilisé un foret !), mais j'ai trouvé que le foret le plus gros attrapait le plastique très fortement et passait à travers l'un des trous. Bien sûr, vous pouvez utiliser des tampons collants pour le réparer, ce qui avec le recul peut être mieux.

Coupez les fils de la pince de batterie de manière à avoir environ un pouce de fil, étamez les extrémités, enfilez-les dans les trous de la carte et soudez les extrémités à travers la carte.

Si vous utilisez une résistance à boîtier métallique comme celle illustrée, équipez-la de fils épais. Il doit y avoir une sorte d'entretoises entre lui et la carte afin qu'il ne surchauffe pas l'ampli-op. J'ai utilisé des écrous, mais des manchons métalliques ou des piles de rondelles collées à la planche auraient été mieux.

L'un des boulons qui fixe le clip de la batterie passe également par l'une des cosses de la résistance. Cela s'est avéré être une mauvaise idée.

Étape 4: Mise en service, améliorations, quelques réflexions

Utilisation: Tiny Load est conçu pour tirer un courant constant d'une alimentation, quelle que soit la tension, vous n'avez donc pas besoin de lui connecter quoi que ce soit d'autre, à l'exception d'un ampèremètre, que vous devez placer en série avec l'une des entrées.

Tournez le bouton vers zéro et activez Tiny Load. Vous devriez voir une petite quantité de courant, jusqu'à environ 50 mA.

Ajustez lentement le bouton jusqu'à ce que le courant que vous souhaitez tester circule, faites tous les tests que vous devez faire. Vérifiez que le dissipateur thermique n'est pas excessivement chaud - la règle d'or ici est que s'il vous brûle les doigts, il est trop chaud. Vous avez trois options dans ce cas:

1. Baisser la tension d'alimentation
2. Baissez Tiny Load
3. Faites-le fonctionner pendant de courts intervalles avec suffisamment de temps pour refroidir entre les deux
4. Installer un ventilateur sur le dissipateur thermique

OK OK c'est quatre options:)

Il n'y a pas de protection d'entrée, alors faites très attention à ce que les entrées soient connectées dans le bon sens. Si vous vous trompez, la diode intrinsèque du mosfet conduira tout le courant disponible et détruira probablement le mosfet au cours du processus.

Améliorations: Il est rapidement devenu évident que Tiny Load doit avoir ses propres moyens de mesurer le courant qu'il consomme. Il y a trois façons d'y parvenir.

1. L'option la plus simple est de monter un ampèremètre en série avec l'entrée positive ou négative.
2. L'option la plus précise consiste à connecter un voltmètre aux bornes de la résistance de détection, calibré sur cette résistance de sorte que la tension indiquée indique le courant.
3. L'option la moins chère consiste à fabriquer une balance en papier qui s'insère derrière le bouton de commande et à marquer une balance calibrée dessus.

Potentiellement, le manque de protection inversée pourrait être un gros problème. La diode intrinsèque du mosfet sera conductrice, que Tiny Load soit allumé ou non. Encore une fois, il existe un certain nombre d'options pour résoudre ce problème:

1. La méthode la plus simple et la moins chère serait de connecter une diode (ou quelques diodes en parallèle) en série avec l'entrée.
2. Une option plus coûteuse consiste à utiliser un mosfet doté d'une protection inversée. OK donc c'est aussi la méthode la plus simple.
3. L'option la plus complexe est de connecter un deuxième mosfet en anti-série avec le premier, qui ne conduit que si la polarité est correcte.

J'ai réalisé que parfois, ce qui est vraiment nécessaire, c'est une résistance réglable qui peut dissiper beaucoup de puissance. Il est possible d'utiliser une modification de ce circuit pour faire cela, beaucoup moins cher que d'acheter un gros rhéostat. Attention donc au Tiny Load MK2 qui pourra basculer en mode résistif !

Réflexions finalesTiny Load s'est avéré utile avant même d'être terminé et fonctionne très bien. Cependant, j'ai eu quelques problèmes pour le construire, et j'ai réalisé par la suite qu'un compteur et un indicateur « on » seraient des améliorations précieuses.