2A Active Load (Læst 8584x)

Offline janengelbrecht

  • Op-amp
  • ***
  • Indlæg: 211
  • Antal brugbare Indlæg: 23
    • Vis profil
    • Personlig hjemmeside
2A Active Load
« Dato: November 12, 2014, 23:57:06 »
Skal bruge en 2A dummy load til bl.a. test af hjemmebyggede strømforsyninger (Switch Mode og Lineære).
Principielt enkelt at lave :
Simuleringen viser det virker :)
Men æh...går skidtet i sving ? Er det et problem at det ikke er rail-to-rail opamp ?
Anyway det er jo bare at bygge det på et veroboard og teste skidtet :)

Nu kommer I ind......vi skal da have designet forbedret så fl.g. kan opfyldes:

Uin må være op til 40V
4A active loading
Som det er nu er det dyre 10 turn pot metre (RV1 og RV2)  der bruges....kan vi lave en anden regulering billigere så man stadig kan regulere fint ?
En mere præcis reference spænding end LM317 kan levere er ønskelig. Den æder desuden for megen strøm til batteridrift. (Man kan selvklart bruge en 9V Netadpter istedet!)

Måling af kølepladens temperatur hvor MOSFET og shunt modstand sidder er selvklart ønkelig: Opamp koblet på wheatstone bro med NTC modstand monteret på køleplade. Når NTC modstanden f.eks. måler 100 grader slår den systemet fra.

Måske bør sikringen erstattes af en polyfuse (PTC) ...eller suppleres med en elektronisk sikring ?

Tænker at denne artikel skal laves som noget der løbende udvikler sig hvor bidrag vil blive tilført diagrammer...simulerings resultater påført osv.

Lad os starte med funktionsbeskrivelsen:

U1B : Bare en buffer - glem den er der :)
Spændingen på U1As positive indgang sammenlignes med spændingen over shunt modstanden R1.
Er spændingen over shunt modstanden mindre end referencespændingen indstillet med R1 og RV2 går U1A imod sin positive forsyning og MOSFETens Rds falder: Der løber mere strøm. Når de to spændinger er ens: så vil U1A placere sig ca imellem sin positive forsyningsspænding (9V) og Stel. Når spændingen er højere over shuntmodstanden end referencespændingen vil U1A gå imod nul og lukke MOSFETen.

Stationært varierer U1As udgangsspænding imellem: 5.01 og 5.85V. Burde egentlig ligge på 4.5 V konstant men det er jo ikke en Rail-to-rail opamp der kan operere med kun en forsyningsspænding. Det fungerer dog fint. Der er endvidere offset spændinger i spil da de to udgange ikke kigger ud i samme impedans størrelse.


« Senest Redigeret: November 15, 2014, 01:05:35 af janengelbrecht »

 

Offline janengelbrecht

  • Op-amp
  • ***
  • Indlæg: 211
  • Antal brugbare Indlæg: 23
    • Vis profil
    • Personlig hjemmeside
Sv: 2A Active Load
« Svar #1 Dato: November 13, 2014, 05:01:00 »
Man kunne gå ud i sådant noget her bare som eks.:

Bufferen er nu væk. Den var unødvendig.

Wheatstone bro med NTC modstand: Når NTC modstanden falder tilstrækkeligt (ved 92 grader) går U1C opampen lav og dermed den ene indgang på NAND gaten U4A og dermed bliver NAND gaten U4A høj på udgangen og transistoren Q2 går on og relæet RL1 trækker hvorved strømmen afbrydes: essentielt en elektronisk termosikring.

Når spændingen på R1 overstiger 3V svarende til en strøm på 3A igennem R1 på 3A vil spændingen på U1D opampens inverterende indgang overstige dens spænding på dens ikke inverterende indgang og opampen vil blive lav på udgangen hvorved NAND gaten U4A vil gå høj på dens udgang og transistoren Q2 går on og relæet RL1 trækker hvorved strømmen afbrydes: Essentielt en elektronisk sikring!

Vi har brugt resterende NAND gates i pakken til at lave LED drivere med til indikering af termo sikring ON, Elektronisk sikring ON og POWER ON.

Et stk Op Amp i TL074 pakken bruges stadig ikke. Den må vi finde en anvendelse for eller koble dens inverterende indgang til dens udgang og dens ikke inverterende indgang til stel.

Det er nu pga. strømforbruget vigtigt , at de 9V leveres fra en netadapter !

4A Sikring med Sand (Træg) som ekstra sikring.
Nu har kredsløbet så 3 sikringskredsløb: 1) 4A Sikring, 2) Elektronisk 3A sikring og 3) Termosikring (NTC Monteret på kølepladen!) der afbryder ved kølepladetemperatur over 92 grd. Celcius.

Stadig ikke 40V inputsspændings mulighed, stadig ikke 4A og stadig dyre 10 turns potmetre til regulering af strømmen. Ikke helt godt nok :)

Måske heller ikke helt optimalt med en 1 Ohms modstand i serie med belastningen....
0.1 Ohm ville være bedre (har 0.1 Ohm på lager til køleplade montage...men ikke 1 Ohm :) )

Hvad bruges sådan en aktiv load så til ?
Man bruger dem eksempelvis når man designer strømforsyninger eller tester disse.
Så kan man undersøge funktionen ved en masse forskellige strømstyrker.
Ligeledes bruges de ved design af LED konstruktioner.
Generelt ved når man har brug for at noget udstyr skal kunne trække større strømme
med en ren ohmsk belastning.

Er der alternativer til en Active Load ? Ja da: https://www.youtube.com/watch?v=WECW88rJYrE&list=PL0KZLmPyL6AlXGKv4MEZrpgyzSho5u9L3

Designet er lavet så kølepladen max må blive 92 grader varm. Kan det kun lade sig gøre ved tvungen konvektion (med blæser) må vi re-designe wheatstone broen. Det skal altså måles eller der skal laves termiske beregninger ud fra køleplade data (og data for compound/kølepasta , MOSFET og effekt modstand!).
Der kan dog blive tale om at finde en anden MOSFET stadig og måske en anden effektmodstand. Så det skal afvente dette.
« Senest Redigeret: November 13, 2014, 15:57:52 af janengelbrecht »

 

Offline janengelbrecht

  • Op-amp
  • ***
  • Indlæg: 211
  • Antal brugbare Indlæg: 23
    • Vis profil
    • Personlig hjemmeside
Sv: 2A Active Load
« Svar #2 Dato: November 13, 2014, 23:19:42 »
Jeg har nu ændret lidt i kredsløbet: 2 parallele MOSFETS istedet for 1. Dvs. hver leder 2A.
Tilsammen kan der nu løbe 4A i vores active load.
For at det kunne lykkes skulle reference spændingen hæves. Det krævede en ny Zener diode på 10V. Og det krævede igen at forsyningsspændingen blev hævet fra 9V til 12V.

Samtidig blev der indført lidt hysterese i LED driverne dvs. skift fra 4011 til 4093.
Istedet for en modstand fra MOSFET driver opampen til stel er der nu 2 små modstande fra udgangen til hver gate på de to MOSFETs.
LED krævede lidt mere strøm så der skiftes fra 78L05 til 7805. (0.1A til 1A udgave).
Der er samtidig beregnet nye LED formodstande da vi anvender 20mA LED typer.

Der skal laves en analyse af komponentpriserne og hvor nemt det er at skaffe komponenterne. Viser der sig problemer skal designet rettes til med nye komponenter og endeligt laves køleplade beregninger med evt. nye MOSFETs.

Afslutningsvis skal der vælges en metal apparatkasse så der kan monteres den nødvendige køleplade. Det skal være en apparatkasse hvor man selv kan designe sin forplade. Denne laves nemlig som et print: nemt og billigt med tryk og alle nødvendige huller lavet af Print fabrikanten.
Forplade designet laves når der alligevel skal lægges print ud til projektet.



Nu mangler vi at lave køleplade beregninger og sikre os at MOSFET og shunt modstanden ikke udsættes for for megen varme.

Stadig er de anvendte 10 turn/multiturn potentiometre meget dyre. Det ville være rart med en anden mulighed for præcitions indstilling af reference spændingen.

En OpAmp i TL074 pakken anvendes stadig ikke. Så dens indgange bør lægges til stel.

Ideen med at skifte til 0.1Ohm shunt modstand droppes. Mest fordi det er meget
komfortabelt at 1A svarer til 1V på meteret der skal måle strømmen.

Der er to fejl på diagrammet: Der står 2.5A selv om den aktive load faktisk kan trække 4A nu.
Derudover så er spændingen nu 4V max over shunt modstanden så der afsættes max 4*4 = 16W i denne så der skal vælges en større der kan tåle mere effekt. F.eks. en 60W type i metalhus.

Har I kommentarer er I meget velkomne til at komme med dem herunder :) Husk I selv får brug for en aktiv load hvis i på et tidspunkt skal lave seriøse laboratorie strømforsyninger f.eks.
« Senest Redigeret: November 14, 2014, 00:59:43 af janengelbrecht »

 

Offline janengelbrecht

  • Op-amp
  • ***
  • Indlæg: 211
  • Antal brugbare Indlæg: 23
    • Vis profil
    • Personlig hjemmeside
Sv: 2A Active Load
« Svar #3 Dato: November 14, 2014, 21:01:28 »
Ok projektet realiseres så ikke udover veroboard stadiet : ingen PCB produktionsplanlægning osv pga denne latterlige pris på et langt bedre kinesisk produkt: http://www.ebay.com/itm/300W-80V-30A-Dual-channel-Adjustable-LCD-DC-Electronic-load-instrument-220V-/181259263034?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item2a33e4dc3a - damn.... de er skarpe på deres prissætning de kinesere :P Her ville man i et kommercielt firma gøre sig nogle overvejelser. Kan vi lave det bedre så vi kan forsvare en højere pris end kineserne: Så skal man op i højere strøm end 10A (eks 50A) og systemet skal dobles: 2 aktive loads i en apparat kasse.

Men her er endeligt design med nye MOSFETs (svarende til dem jeg har i skuffen) og et redesign af NTC Wheatstone målebroen der nu er variabel. Dvs. man skal igang med at måle temperatur på kølepladen ved max. load=4A. Wheatstonebroen er gjort variabel for at tage højde for forskellige scenarier: med og uden blæser.

Der er endvidere indsat en SR-Flip flop imellem strømmåler opamp U1D og U5:B
således at der ikke opstår svingninger.

LED D4 : CURRENT LIMITER tidligere - nu : C/OFF lyser når systemet er OFF dvs. enten når der endnu ikke er trykket på START knappen eller når der trækkes for megen strøm.

Systemet startes ved at trykke på START knappen afbryder det igen er det fordi der trækkes for stor strøm så man må indstille til en lavere på RV1 og RV2. Derefter trykkes START igen.
Designet anses nu som færdigt.



Håber beskrivelsen af design fasen her kunne bruges af brugerne. Ændringerne i designet undervejs skulle gerne afspejle de mellemstationer man ender op på undervejs i en hardware design proces.

Skal lige siges at dette projekt er et livrem og seler projekt udover alle grænser:
1) Spændingsreferencen kan ikke levere spænding højere end at Iload max kan være 4.5A
2) Strømbegrænser kredsløbet slår fra ved ca. 4.5A
3) Sikringen er en 6A sand type så går alt andet galt springer denne :)
4) Termosikringskredsløbet indstilles til at slå fra ved en MOSFET temperatur svarende til at der løber 4A i MOSFETs. Monterer man blæsere så ved samme scenarie hvor disse kører. Hvis de af en eller anden grund så ophører med at virke slår termosikringskredsløbet fra ved større strømme 2-3A.
Så fåes det vist ikke mere sikkert :P
Aktive Loads har det med at gå i sving. Der skulle gerne være taget højde for dette med de anvendte kondensatorer.
At kredsløbet har en START knap skulle gerne medføre man lige tænker sig om en ekstra gang inden man tilslutter den Aktive Load til det kredsløb man vil teste. Dvs. det bliver ikke tilsluttet ved en fejl umiddelbart.....igen livrem og seler :P

Vil man virkelig være 100% sikker: så 4 parallele MOSFETS....de er så flere om at dele effekten.....man kan gå helt overboard også og give dem hver deres opamp driver med gate serie modstand......så er vi altså også rimelig sikre på at skidtet ikke laver en Tjernobyl :P
« Senest Redigeret: November 15, 2014, 16:09:42 af janengelbrecht »

 

Offline janengelbrecht

  • Op-amp
  • ***
  • Indlæg: 211
  • Antal brugbare Indlæg: 23
    • Vis profil
    • Personlig hjemmeside
Sv: 2A Active Load
« Svar #4 Dato: November 16, 2014, 00:25:55 »


Ok en MOSFET mere...og lidt finpudsning af modstandsværdier og lidt pænere tegning :)
Der er indsat 1 Ohms modstande i alle Source på MOSFETs for at sikre sig imod variationer i MOSFETs karakteristikker således at de trækker samme strøm hver især. (Ikke nødvendigt ved udmålte MOSFETs!)

Ønsker man at dykke ned i emnet kan man gøre det her: https://www.youtube.com/playlist?list=PLDBuVMDVJaX29FdhwEDVX5TS01ianiKto
« Senest Redigeret: November 17, 2014, 23:18:47 af janengelbrecht »

 

Offline janengelbrecht

  • Op-amp
  • ***
  • Indlæg: 211
  • Antal brugbare Indlæg: 23
    • Vis profil
    • Personlig hjemmeside
Sv: 2A Active Load
« Svar #5 Dato: November 18, 2014, 22:11:31 »
Den simple løsning: 
Denne kræver umiddelbart ikke ekstern strømforsyning hvis der anvendes drejespoleinstrumenter som Voltmeter og ampere meter.

Der arbejdes pt. på en Arduino styret udgave med:
 - Constant Current
 - Constant Power
 - Constant Resistance
 - Pulsed Load
Denne vil være konkurencedygtig med de kommercielle udgaver!

Her er en appatitvækker:
« Senest Redigeret: November 20, 2014, 09:09:04 af janengelbrecht »