Tải cực nhỏ - Tải hiện tại không đổi: 4 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Tôi đã tự phát triển cho mình một PSU băng ghế dự bị, và cuối cùng đã đạt đến mức tôi muốn áp dụng tải cho nó để xem nó hoạt động như thế nào. Sau khi xem video xuất sắc của Dave Jones và xem một số tài nguyên internet khác, tôi đã nghĩ ra Tiny Load. Đây là dòng tải không đổi có thể điều chỉnh được, có thể xử lý khoảng 10 ampe. Điện áp và dòng điện bị giới hạn bởi xếp hạng của bóng bán dẫn đầu ra và kích thước của bộ tản nhiệt.

Phải nói rằng, có một số thiết kế thực sự thông minh trên mạng! Tiny Load thực sự cơ bản và đơn giản, một sửa đổi nhỏ trong thiết kế của Dave, nhưng nó vẫn sẽ tiêu hao năng lượng cần thiết để kiểm tra psu, miễn là nó không nhận được nhiều nước hơn mức có thể xử lý.

Tiny Load không có đồng hồ đo dòng điện đi kèm, nhưng bạn có thể kết nối ampe kế bên ngoài hoặc theo dõi điện áp trên điện trở phản hồi.

Tôi đã thay đổi thiết kế một chút sau khi tôi xây dựng nó, vì vậy phiên bản được giới thiệu ở đây có đèn LED để cho bạn biết nó đã được bật và một mẫu pcb tốt hơn cho công tắc.

Sơ đồ và bố cục PCB được trình bày ở đây dưới dạng tệp PDF và cũng như hình ảnh JPEG.

Bước 1: Nguyên lý hoạt động

Đối với những người không thành thạo về nguyên lý điện tử, đây là giải thích về cách hoạt động của mạch. Nếu tất cả những điều này đã được biết đến với bạn, vui lòng bỏ qua!

Trung tâm của Tải nhỏ là một op-amp kép LM358, so sánh dòng điện chạy trong tải với giá trị bạn đặt. Op-amp không thể phát hiện trực tiếp dòng điện, do đó, dòng điện được biến thành điện áp, mà op-amp có thể phát hiện, bằng điện trở, R3, được gọi là điện trở cảm nhận dòng điện. Đối với mỗi amp chạy trong R3, 0,1 vôn được tạo ra. Điều này được thể hiện bằng định luật Ôm, V = I * R. Bởi vì R3 là một giá trị thực sự thấp, ở 0,1 ohms, nó không quá nóng (công suất nó tiêu tán được cung cấp bởi I²R).

Giá trị bạn đặt là một phần nhỏ của điện áp tham chiếu - một lần nữa, điện áp được sử dụng vì op-amp không thể phát hiện dòng điện. Điện áp tham chiếu được tạo ra bởi 2 điốt mắc nối tiếp. Mỗi diode sẽ phát triển một điện áp trên nó trong vùng 0,65 volt, khi có dòng điện chạy qua nó. Điện áp này, thường lên đến 0,1 vôn ở hai phía của giá trị này, là đặc tính cố hữu của các điểm nối silicon p-n. Vì vậy, điện áp tham chiếu là khoảng 1,3 vôn. Bởi vì đây không phải là một dụng cụ chính xác, không cần độ chính xác cao ở đây. Các điốt nhận được dòng điện của chúng thông qua một điện trở. kết nối với pin. Điện áp tham chiếu hơi cao để đặt tải lên tối đa 10 ampe, vì vậy chiết áp đặt điện áp đầu ra được kết nối nối tiếp với điện trở 3k làm giảm điện áp một chút.

Bởi vì tham chiếu và điện trở cảm nhận dòng điện được kết nối với nhau và được kết nối với kết nối không vôn của op-amp, op-amp có thể phát hiện sự khác biệt giữa hai giá trị và điều chỉnh đầu ra của nó để sự khác biệt được giảm xuống gần bằng không. Quy tắc ngón tay cái được sử dụng ở đây là op-amp sẽ luôn cố gắng điều chỉnh đầu ra của nó để hai đầu vào có cùng điện áp.

Có một tụ điện được kết nối qua pin để loại bỏ bất kỳ tiếng ồn nào tìm thấy nó vào nguồn cung cấp của op-amp. Có một tụ điện khác được kết nối qua các điốt để làm giảm tiếng ồn mà chúng tạo ra.

Đầu cuối kinh doanh của Tải nhỏ được hình thành bởi MOSFET (Bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại). Tôi chọn cái này vì nó nằm trong hộp rác của tôi và có xếp hạng điện áp và dòng điện thích hợp cho mục đích này, tuy nhiên nếu bạn mua một cái mới, có nhiều thiết bị phù hợp hơn sẽ được tìm thấy.

MOSFET hoạt động giống như một biến trở, trong đó cống được kết nối với + phía của nguồn cung cấp bạn muốn kiểm tra, nguồn được kết nối với R3, và thông qua đó với - dây dẫn của nguồn cung cấp bạn muốn kiểm tra và cổng được kết nối đến đầu ra của op-amp. Khi không có điện áp trên cổng, mosfet hoạt động giống như một mạch hở giữa cống và nguồn của nó, tuy nhiên khi điện áp được đặt trên một giá trị nhất định (điện áp "ngưỡng"), nó bắt đầu dẫn điện. Tăng điện áp cổng đủ và điện trở của nó sẽ trở nên rất thấp.

Vì vậy, op-amp giữ điện áp cổng ở mức mà dòng điện chạy qua R3 gây ra điện áp phát triển gần bằng phần nhỏ của điện áp tham chiếu mà bạn đã đặt bằng cách xoay chiết áp.

Bởi vì mosfet hoạt động giống như một điện trở, nó có điện áp trên nó và dòng điện chạy qua nó, làm cho nó tiêu tán điện dưới dạng nhiệt. Nhiệt này phải đi đến một nơi nào đó, nếu không nó sẽ phá hủy bóng bán dẫn rất nhanh, vì vậy vì lý do này, nó được gắn vào một bộ tản nhiệt. Các phép toán để tính toán kích thước tản nhiệt rất đơn giản nhưng cũng hơi tối và bí ẩn, nhưng dựa trên các điện trở nhiệt khác nhau cản trở luồng nhiệt qua từng bộ phận từ điểm nối bán dẫn ra không khí bên ngoài và nhiệt độ tăng lên ở mức chấp nhận được. Vì vậy, bạn có điện trở nhiệt từ đường giao nhau đến vỏ bóng bán dẫn, từ vỏ đến tản nhiệt và thông qua tản nhiệt với không khí, hãy cộng các điện trở này lại với nhau để có tổng điện trở nhiệt. Giá trị này được tính bằng ° C / W, vì vậy đối với mỗi watt đang bị tiêu tán, nhiệt độ sẽ tăng theo số độ đó. Thêm nhiệt độ này vào nhiệt độ môi trường xung quanh và bạn sẽ có được nhiệt độ mà điểm nối bán dẫn của bạn sẽ hoạt động.

Bước 2: Các bộ phận và công cụ

Tôi đã xây dựng Tải nhỏ chủ yếu bằng cách sử dụng các bộ phận hộp rác, vì vậy nó hơi tùy tiện!

PCB được làm từ SRBP (FR2) mà tôi tình cờ có vì nó rẻ. Nó được phủ một lớp đồng 1oz. Điốt và tụ điện và mosfet là những cái đã qua sử dụng cũ, và op-amp là một trong số 10 chiếc tôi đã mua cách đây ít lâu vì chúng rẻ. Chi phí là lý do duy nhất để sử dụng một thiết bị smd cho việc này - 10 thiết bị smd có giá tương đương với tôi 1 lỗ thông qua một lỗ.

• 2 x 1N4148 điốt. Sử dụng nhiều hơn nếu bạn muốn có thể tải thêm dòng điện.
• Bóng bán dẫn MOSFET, tôi đã sử dụng BUK453 vì đó là những gì tôi đã tình cờ có, nhưng hãy chọn thứ bạn thích, miễn là định mức hiện tại trên 10A, điện áp ngưỡng dưới khoảng 5v và Vds cao hơn mức tối đa bạn mong đợi sử dụng nó tại, nó sẽ được tốt. Cố gắng chọn một thiết bị được thiết kế cho các ứng dụng tuyến tính hơn là để chuyển đổi.
• Chiết áp 10k. Tôi đã chọn giá trị này vì đó là giá trị mà tôi tình cờ có được, là giá trị mà tôi đã tháo dỡ từ một chiếc TV cũ. Các loại có cùng khoảng cách chân cắm được bán rộng rãi, nhưng tôi không chắc về các vấu lắp. Bạn có thể phải sửa đổi bố cục bảng cho điều này.
• Núm để lắp chiết áp
• Điện trở 3k. 3,3k cũng nên hoạt động tốt. Sử dụng giá trị thấp hơn nếu bạn muốn có thể tải thêm dòng điện với tham chiếu 2 diode được hiển thị.
• Bộ khuếch đại LM358. Thực sự, bất kỳ nguồn cung cấp duy nhất nào, loại đường sắt đến đường ray đều sẽ thực hiện được công việc.
• Điện trở 22k
• Điện trở 1k
• Tụ điện 100nF. Đây thực sự phải là gốm, mặc dù tôi đã sử dụng một bộ phim
• Tụ điện 100uF. Cần được đánh giá đến ít nhất 10V
• Điện trở 0,1 ohm, định mức tối thiểu 10W. Cái tôi đã sử dụng có kích thước quá lớn, một lần nữa chi phí là yếu tố áp đảo ở đây. Điện trở 25W 0,1 ohm vỏ kim loại rẻ hơn so với các loại được đánh giá thích hợp hơn. Lạ nhưng có thật.
• Heatsink - một bộ tản nhiệt CPU cũ hoạt động tốt, và có ưu điểm là nó được thiết kế để có một quạt đi kèm nếu bạn cần.
• Hợp chất tản nhiệt. Tôi biết được rằng các hợp chất làm từ gốm sứ hoạt động tốt hơn các hợp chất làm từ kim loại. Tôi đã sử dụng Arctic Cooling MX4 mà tôi tình cờ có. Nó hoạt động tốt, rẻ và bạn nhận được rất nhiều!
• Miếng nhôm nhỏ làm giá đỡ
• Vít và đai ốc nhỏ
• công tắc trượt nhỏ

Bước 3: Thi công

Tôi đã tạo ra một tải nhỏ từ hộp rác hoặc các bộ phận rất rẻ

Bộ tản nhiệt là một bộ tản nhiệt CPU cũ của thời đại pentium. Tôi không biết điện trở nhiệt là gì, nhưng tôi đoán nó khoảng 1 hoặc 2 ° C / W dựa trên các hình ảnh ở cuối hướng dẫn này: https://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/ thcalc… mặc dù kinh nghiệm bây giờ cho thấy nó tốt hơn thế này.

Tôi khoan một lỗ ở giữa tản nhiệt, chạm vào nó và gắn bóng bán dẫn lên đó bằng hợp chất nhiệt MX4 và vặn vít gắn trực tiếp vào lỗ đã được khai thác. Nếu bạn không có phương tiện để khai thác lỗ, chỉ cần khoan nó lớn hơn một chút và sử dụng một đai ốc.

Ban đầu tôi nghĩ rằng điều này sẽ bị giới hạn ở mức tản nhiệt khoảng 20W, tuy nhiên tôi đã cho nó chạy ở mức 75W hoặc cao hơn, nơi nó khá nóng, nhưng vẫn không quá nóng để sử dụng. Với một quạt làm mát đi kèm, điều này vẫn sẽ cao hơn.

Thực tế không cần thiết phải bắt vít điện trở cảm nhận hiện tại vào bảng, nhưng có ích lợi gì khi có lỗ bu lông nếu bạn không thể bắt một thứ gì đó vào chúng? Tôi đã sử dụng những đoạn dây dày nhỏ còn sót lại từ một số công việc điện, để kết nối điện trở với bảng.

Công tắc nguồn đến từ một món đồ chơi không còn tồn tại. Tôi đã nhận sai khoảng cách lỗ trên pcb của mình, nhưng khoảng cách trên bố cục pcb được đưa ra ở đây sẽ phù hợp nếu bạn có cùng loại công tắc SPDT thu nhỏ. Tôi không bao gồm đèn LED trong thiết kế ban đầu, để cho thấy rằng Tải nhỏ là được bật, tuy nhiên nhận ra rằng đây là một thiếu sót ngu ngốc, vì vậy tôi đã thêm nó vào.

Các rãnh dày khi chúng đứng không thực sự đủ dày cho 10 ampe với bảng đồngclad 1oz được sử dụng, vì vậy nó được làm phồng lên bằng một số dây đồng. Mỗi đường ray có một đoạn dây đồng 0,5mm được đặt xung quanh nó và được hàn nối theo từng khoảng thời gian, ngoại trừ đoạn ngắn được nối với mặt đất, vì mặt phẳng mặt đất thêm nhiều khối lượng. Đảm bảo rằng dây được thêm vào đi đúng vào chân mosfet và điện trở.

Tôi đã tạo pcb bằng cách sử dụng phương pháp truyền mực. Có rất nhiều tài liệu trên mạng về vấn đề này nên tôi sẽ không đi sâu vào nó, nhưng nguyên tắc cơ bản là bạn sử dụng máy in laser để in thiết kế lên một loại giấy bóng nào đó, sau đó ủi nó lên bảng, sau đó khắc. nó. Tôi sử dụng một số giấy chuyển mực màu vàng rẻ tiền từ Trung Quốc và bàn ủi quần áo đặt ở nhiệt độ dưới 100 ° C một chút. Tôi sử dụng axeton để làm sạch mực. Chỉ cần tiếp tục lau bằng giẻ với axeton mới cho đến khi sạch. Tôi đã chụp rất nhiều ảnh để minh họa quá trình này. Có nhiều tài liệu tốt hơn có sẵn cho công việc, nhưng hơi vượt quá ngân sách của tôi! Tôi thường phải chỉnh sửa các khoản chuyển khoản của mình bằng bút đánh dấu.

Khoan các lỗ bằng phương pháp yêu thích của bạn, sau đó thêm dây đồng vào các rãnh rộng. Nếu bạn quan sát kỹ, bạn có thể thấy tôi đã làm hỏng việc khoan của mình một chút (vì tôi đã sử dụng một máy khoan thử nghiệm có phần không hoàn hảo. Khi nó hoạt động tốt, tôi hứa sẽ thực hiện một bài có thể hướng dẫn!)

Đầu tiên hãy lắp op-amp. Nếu bạn chưa từng làm việc với smd's trước đây, đừng lo lắng, nó khá dễ dàng. Đầu tiên hãy thiếc một trong những miếng đệm trên bảng với một lượng hàn cực nhỏ. Định vị con chip thật cẩn thận và gài chốt có liên quan xuống miếng đệm mà bạn đã mài. Ok bây giờ chip sẽ không di chuyển xung quanh, bạn có thể hàn tất cả các chân khác. Nếu bạn có một số chất lỏng chảy ra, bôi một chất bôi trơn này sẽ giúp quá trình dễ dàng hơn.

Lắp các bộ phận còn lại, nhỏ nhất trước, rất có thể là điốt. Hãy chắc chắn rằng bạn nhận được chúng đúng cách. Tôi đã làm mọi thứ hơi ngược lại bằng cách lắp bóng bán dẫn trên bộ tản nhiệt trước, bởi vì tôi đã sử dụng nó để thử nghiệm ban đầu.

Trong một thời gian, pin được gắn vào bảng bằng các miếng dính, hoạt động rất tốt! Nó được kết nối bằng đầu nối pp3 tiêu chuẩn, tuy nhiên bo mạch được thiết kế để sử dụng một loại giá đỡ đáng kể hơn có thể kẹp toàn bộ pin. Tôi đã gặp một số vấn đề khi sửa giá đỡ pin vì nó cần vít 2,5mm, tôi thiếu nguồn cung cấp và không có đai ốc để lắp. Tôi đã khoan các lỗ trong clip thành 3.2mm và đối chứng chúng thành 5.5mm (không phải đối công thực, tôi chỉ sử dụng một mũi khoan!), Tuy nhiên, mũi khoan lớn hơn lấy nhựa rất mạnh và xuyên qua một trong các lỗ.. Tất nhiên, bạn có thể sử dụng miếng dán để sửa nó, điều này có thể tốt hơn trong nhận thức muộn màng.

Cắt dây kẹp pin để bạn có khoảng 1 inch dây, thiếc các đầu, luồn chúng qua các lỗ trên bảng và hàn các đầu lại qua bảng.

Nếu bạn đang sử dụng điện trở có vỏ kim loại như hình minh họa, hãy lắp nó với dây dẫn dày. Nó cần phải có một số loại đệm lót giữa nó và bo mạch để nó không làm op-amp quá nóng. Tôi đã sử dụng đai ốc, nhưng tay áo bằng kim loại hoặc chồng vòng đệm được dán vào bảng sẽ tốt hơn.

Một trong những bu lông cố định kẹp pin cũng đi qua một trong các vấu điện trở. Điều này đã trở thành một ý tưởng tồi.

Bước 4: Đưa nó vào sử dụng, cải tiến, một số suy nghĩ

Cách sử dụng: Tải nhỏ được thiết kế để tạo ra dòng điện không đổi từ nguồn cung cấp, bất kể điện áp là bao nhiêu, vì vậy bạn không cần kết nối bất kỳ thứ gì khác với nó, ngoại trừ một ampe kế, bạn nên đặt nối tiếp với một trong các đầu vào.

Xoay núm xuống 0 và bật Tải nhỏ. Bạn sẽ thấy một lượng dòng điện nhỏ, lên đến khoảng 50mA.

Từ từ điều chỉnh núm cho đến khi dòng điện bạn muốn kiểm tra chạy qua, thực hiện bất kỳ kiểm tra nào bạn cần làm. Kiểm tra xem bộ tản nhiệt không quá nóng - nguyên tắc chung ở đây là nếu nó làm bỏng các ngón tay của bạn, tức là nó quá nóng. Bạn có ba lựa chọn trong trường hợp này:

1. Giảm điện áp cung cấp
2. Giảm tải nhỏ
3. Chạy nó trong khoảng thời gian ngắn với nhiều thời gian để làm mát ở giữa
4. Lắp quạt vào tản nhiệt

OK, đó là bốn lựa chọn:)

Không có bất kỳ bảo vệ đầu vào nào, vì vậy hãy hết sức cẩn thận để các đầu vào được kết nối đúng cách. Làm sai và diode nội tại của mosfet sẽ dẫn tất cả dòng điện có sẵn và có thể phá hủy mosfet trong quá trình này.

Cải tiến: Rõ ràng là Tiny Load cần phải có phương tiện riêng để đo dòng điện mà nó rút ra. Có ba cách để làm điều này.

1. Tùy chọn đơn giản nhất là mắc nối tiếp một ampe kế với đầu vào dương hoặc âm.
2. Tùy chọn chính xác nhất là kết nối một vôn kế qua điện trở giác, được hiệu chỉnh với điện trở đó để điện áp hiển thị cho biết dòng điện.
3. Lựa chọn rẻ nhất là tạo một cân giấy vừa vặn phía sau núm điều khiển và đánh dấu một thang đo đã hiệu chuẩn trên đó.

Có thể là việc thiếu bảo vệ ngược có thể là một vấn đề lớn. Diode nội tại của mosfet sẽ tiến hành xem Tải nhỏ có được bật hay không. Một lần nữa, có một số tùy chọn để giải quyết vấn đề này:

1. Phương pháp đơn giản nhất và rẻ nhất là kết nối một điốt (hoặc một số điốt song song) nối tiếp với đầu vào.
2. Một lựa chọn đắt tiền hơn là sử dụng một mosfet được tích hợp tính năng bảo vệ ngược. OK vì vậy đó cũng là phương pháp đơn giản nhất.
3. Tùy chọn phức tạp nhất là kết nối một mosfet thứ hai trong bộ chống nối tiếp với bộ đầu tiên, chỉ dẫn nếu cực tính là chính xác.

Tôi nhận ra rằng đôi khi thứ thực sự cần thiết là một điện trở có thể điều chỉnh được có thể làm tiêu hao rất nhiều điện năng. Có thể sử dụng một bản sửa đổi của mạch này để làm điều đó, rẻ hơn nhiều so với việc mua một biến trở lớn. Vì vậy, hãy chú ý đến Tiny Load MK2 sẽ có thể được chuyển sang chế độ điện trở!

Suy nghĩ cuối cùngTiny Load đã chứng tỏ bản thân nó hữu ích ngay cả trước khi nó được hoàn thành và hoạt động rất tốt. Tuy nhiên, tôi đã gặp một số vấn đề khi xây dựng nó và sau đó nhận ra rằng đồng hồ đo và chỉ báo "bật" sẽ là những cải tiến đáng giá.