Набор для сборки простой электронной нагрузки 150 Ватт

Некоторое время назад товарищ, который занимается разными аккумуляторами, попросил меня придумать ему некий стенд для тестирования аккумуляторных сборок и одной из важных функций данного стенда является операция разряда этих сборок. Изначально планировалось все сделать самому, но выяснилось что в Китае продается дешевый и неплохой набор для сборки и в некоторых ситуациях выгоднее использовать его, чем делать все с нуля.


Вообще у меня уже довольно много обзоров разных электронных нагрузок, есть также обзор простой, полностью самодельной и я сегодня буду неоднократно к нему обращаться, так как данный набор во многом очень с ней похож.

Как я написал в предисловии, нагрузка понадобилась для разряда аккумуляторных сборок, в планах сделать прибор для тестирования и балансировки сборок до 19S и потому данный обзор будет далеко не последним.
Ток разряда большой не нужен, мощность планируется порядка 120-130 Ватт что вписывается в заявленные производителем 150 Ватт.

Кроме того в данном обзоре я объясню как вообще работает простая электронная нагрузка и почему мне понравился именно данный набор.

Для начала о продавце. На странице товара можео выбрать несколько вариантов:
1. Только печатная плата, цена около 1.6 доллара
2. Печатная плата и набор компонентов без силовых транзисторов — 3.8 доллара
3. Печатная плата и все компоненты включая силовые транзисторы — 4.9 доллара
4. Ампервольтметр — 2.2 доллара.

Кроме того в характеристиках заявлено — 150 Вт 15 В 0-10A / 72V 0-2A, т.е. предполагается наличие двух вариантов исполнения и об этом, а также о моей ошибке я расскажу позже.

К упаковке вопросов не возникло, как к магазинной, так и посредника. Комплект состоит из печатной платы и пакета с компонентами.


Я заказывал полный комплект, т.е. печатная плата, все компоненты и транзисторы. Ампервольтметр не стал заказывать так как мне он для проекта не нужен.


Размеры печатной платы 100х100мм, присутствуют дополнительные отверстия для крепления радиатора и самой платы в корпусе устройства.


Часть силовых дорожек вынесена на нижнюю сторону печатной платы, я рекомендую продублировать их медным проводом и припоем или хотя бы припоем.


Качество изготовления печатной платы отличное, помимо того что она легко паялась без дополнительного флюса (использовал только тот что в припое), так еще есть нормальная шелкография где обозначены места под компоненты, их порядковый номер и номинал. Фактически для сборки не нужна даже схема.


Список компонентов
Резисторы
1 кОм — 12шт
4.7 кОм — 4шт.
10 кОм — 1шт
20 кОм — 1шт
220 кОм — 4шт
0.22 Ома 5 Ватт — 4шт
Переменный резистор 4.7 кОм — 1шт

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

Диоды 1N5408 — 4шт
Транзисторы 110N8F6 — 4шт
Микросхема TL431A
Микросхема LM324N

Разные разъемы, выключатель и прочие мелочи.

Все резисторы кроме мощных, прецизионные, это хорошо, электролитические конденсаторы самые дешевые, но они на параметры не влияют.


На странице товара была принципиальная схема данной электронной нагрузки, но на мой взгляд она не очень информативна, потому ниже я разложу ее на составляющие части для более простого восприятия. Кроме того дам пояснения как можно увеличить мощность или изменить параметры и вообще какие элементы за что отвечают и как это все работает.


Сильно упрощенная схема электронной нагрузки обеспечивающей стабилизацию тока состоит из всего нескольких компонентов:
1. Переменного резистора
2. Операционного усилителя
3. Транзистора
4. Шунта.

С переменного резистора на вход операционного усилителя подается некое напряжение, операционный усилитель подает напряжение на полевой транзистор и через него начинает течь ток нагрузки, при этом ток попутно течет через шунт. На шунте падает некое напряжение, которое подается на второй вход операционного усилителя. Как только напряжение на входах операционного усилителя станет одинаковым, он выставит на своем выходе напряжение при котором транзистор будет открыт насколько чтобы поддерживать напряжение на шунте одинаковым с установленным при помощи переменного резисторе.
А так как напряжение падения на шунте напрямую зависит от тока через него, то в итоге схема будет поддерживать ток.

При этом получается, что ток нагрузки зависит от напряжения на входе.

Например с переменного резистора подали 0.4 Вольта, шунт имеет сопротивление 1 Ом, соответственно ток будет 0,4/1=0.4 Ампера.
Усложним пример, шунт сопротивлением 0.15 Ома, напряжение с переменного резистора 0.45 Вольта, 0.45/0.15=3 Ампера.

На точность поддержания тока влияют в основном две вещи:
1. Стабильность задающего напряжения
2. ТКС (зависимость сопротивления от температуры) шунта.


Показанная выше схема скорее всего будет работать, но делать это она будет неустойчиво, потому в более полном виде схема выглядит несколько больше.
Небольшое отступление, позиционные номера компонентов не соответствуют таковым на печатной плате и приведены просто для примера.

Здесь видны те же компоненты что я показывал выше, но к ним добавились еще некоторые, поясню их назначение.
Резистор R1, нужен для развязки нескольких каналов и для улучшения стабильности работы.
Резистор R2, ограничивает ток заряда затвора полевого транзистора защищая операционный усилитель.
Конденсатор С1, резистор R3 и R4 обеспечивают защиту от самовозбуждения схемы, чтобы нагрузка не превратилась в генератор.
Резистор R5 закрывает транзистор когда операционный усилитель обесточен, а кроме того обеспечивает небольшой ток нагрузки для выхода операционного усилителя и цепи защиты от самовозбуждения.


Так как нагрузка четырехканальная, то просто «дорисовываем» еще три канала и получаем почти полный вид обозреваемой платы.
Синим цветом я выделил четыре канала, видно что они абсолютно идентичны и соответственно можно их количество увеличивать и дальше. Общим для всех каналов является только счетверенный операционный усилитель.
Оранжевым выделена цепь управления, красный и черный соответственно силовые цепи.


В моей мощной электронной нагрузке именно так все и реализовано, только я делал 8 каналов и использовал двухканальные операционные усилители.


Но как я писал выше, на точность поддержания тока влияет точность стабилизации задающего напряжения и для этого в схеме есть источник опорного напряжения, выполненный на базе регулируемого стабилитрона TL431, его основное напряжение 2.5 Вольта.
А так как 2.5 Вольта это несколько многовато и если на шунтах будет падать такое напряжение то:
1. Будет большая рассеиваемая мощность
2. Минимальное напряжение нагрузки составит 2.5 Вольта + падение на транзисторах.

То последовательно с переменным резистором включен постоянный резистор R8 сопротивлением 22 кОм, вместе они образуют делитель примерно 1:5.5 и после переменного резистора напряжение меняется уже в диапазоне около 0-0.45 Вольта.
Меняя номиналы дополнительного резистора можно изменять диапазон регулировки без замены шунта, но такой способ имеет и свой минус — операционным усилителям при однополярном питании проще работать с большим напряжением, чем с меньшим и лучше сильно не снижать задающее напряжение.
Резистор R7 ограничивает ток питания стабилитрона.

Узел питания содержит диодный мост и четыре конденсатора, судя по всему изначально планировался стабилизатор питания операционного усилителя но его упразднили, а конденсатор емкостью 220 мкФ, который стоял после него, оставили. Ничем другим я не могу объяснить причину параллельного включения двух конденсаторов 1000мкФ и одного 220мкФ.

Также от этого диодного моста идет питание на разъемы подключения вентиляторов и ампервольтметра.


С теорией думаю понятно, перейдем к практике, а точнее — к сборке. Данная часть будет спрятана под спойлер, так как больше будет интересна только начинающим, хотя в процессе я буду пояснять нюансы использования тех или иных компонентов, а также их возможной замены.


Вот собственно и все. Реально собрать всю конструкцию примерно за час без спешки даже для новичка, все компоненты ставтся как надо, все отмечено на плате и собирается интуитивно.

В итоге у меня еще остались компоненты:
1. Выключатель
2. Разъем питания
3. Неисправный конденсатор.

Второй разъем питания видимо дается в комплекте на случай если он выносится на крышку корпуса, выключатель скорее всего также используется для включения питания, но в моем варианте его паять некуда, ну а неисправный конденсатор, да просто звезды так сошлись.


На одну из сторон платы вынесены контактные площадки для подключения входа, амперметра, вольтметра и выход питания.
В принципе можно поставить клеммники, а можно просто припаять провода, кому как удобно, но есть некоторые нюансы подключения.


Подключать можно разными способами, попробую рассказать обо всех.
1. Просто плата без измерителей, разъемов и прочего.
2. То же самое, но если хочется поставить разъем, то скорее всего придется ставить перемычку вместо выхода на амперметр.
3. Подключение независимых амперметра и вольтметра, плюс — красный, минус — синий.
4. Если хочется установить цифровой ампервольтметр, то подключаем так:
Черный — общий силовой
Желтый — вход измерения тока
Красный — вход измерения напряжения
Красный тонкий — питание ампервольтметра.



Цветовая маркировка проводов подключения цифрового ампервольтметра дана соответственно тому, что я уже применял и в принципе может отличаться, потому лучше перепроверить перед подключением, обычно черный все таки это минус, а вход измерения тока звонится накоротко с черным.


Как вариант можно поставить и такой ампервольтметр, он более «продвинутый» но его подключение отличается.
Черный толстый — общий силовой
Красный толстый — Вход измерения тока
Желтый — вход измерения напряжения.
Красный тонкий — питание ампервольтметра.

Плюс у такого варианта есть термодатчик, что может быть очень полезным в устройстве с таким тепловыделением.


Оба этих ампервольтметра использовались в небольшой электронной нагрузке, хотя второй используется и сейчас.


И конечно немножко экспериментов.
Подключаем плату к регулируемому блоку питания, выставляем для пробы 32 Вольта и задаем ток нагрузки 5 Ампер, плата без проблем осилила 160 Ватт, но это уже предельный режим.


Проверил уход установки тока в зависимости от прогрева, не очень большой, но есть. По мере прогрева ток падает.


Вроде недолго экспериментировал, но уже почувствовал жар, измерил температуру и увидел что транзисторы прогрелись примерно до 110 градусов. Такого допускать ни в коем случае нельзя, например у моей мощной нагрузки защита от перегрева установлена на 90 градусов на радиаторе или около 95 на транзисторах.
Увеличение температуры транзисторов резко снижает надежность работы, особенно в линейном режиме.


Часто в комментариях вижу упоминание обычных резисторов в качестве нагрузки. Да, конечно их тоже можно применять, но при помощи резисторов труднее добиться например того, что показано на этих фото.
Здесь я понижал напряжение от 40 до 1 Вольта и смотрел как меняется ток нагрузки. В указанном диапазоне колебания составили 2.017-2.026 Ампера, что на мой взгляд довольно неплохо с учетом простой схемотехники.


Хотя и не планирую применять обычный ампервольтметр, но решил все таки проверить работу с ним. Для начала стоит сказать, что его подключение немного отличается от того, что я использовал в простой самодельной нагрузке.


Провода ампервольтметра подключены согласно порядку —
Черный
Желтый
Красный.

Провод питания подключен только один, черный пришлось отключить так как он влиял на результат измерений. Дело в том, что у моей электронной нагрузки ампервольтметр подключался последовательно с токоизмерительным шунтом, потому общий провод амперметра соединялся с общим проводом схемы. Здесь он включается последовательно с проверяемым источником и на мой взгляд это менее корректно.


В процессе написания обзора мне задали вопрос по поводу замены транзисторов, попробую пояснить отдельно.
1. Транзисторы выбираем исходя из типа корпуса и требуемой мощности, 30 Ватт ТО-220, 50 Ватт ТО-247.
2. Транзисторы по сути можно применять не только почти любые, а и разные одновременно.
3. Главным при выборе транзистора в основном является напряжение на которое он рассчитан, желательно чтобы оно было минимум в два раза больше входного.
4. Сопротивление в открытом состоянии почти ни на что не влияет, если разве что не поставить совсем высоковольтные транзисторы где оно идет уже на единицы Ом.
5. Лучше применять транзисторы в не изолированном корпусе и не изолировать их от радиатора.

Почему такие ограничения в плане мощности. Подавляющее большинство современных полевых транзисторов рассчитаны на ключевой режим работы и плохо работают в линейном режиме. Вернее работают они нормально, но с большими ограничениями по температуре, мощности, напряжению и току. Существуют полевые транзисторы которые нормально работают в таком режиме, но они настолько редки, что нет смысла их искать.

Также меня спрашивали, а на что их можно еще заменить.
Ну для начала можно применить транзисторы IGBT, по сути гибрид полевого и биполярного транзистора, но они стоят дороже. Кстати существует и обратный гибрид, биполярного с полевым.

Но никто не мешает применять биполярные транзисторы (собственно потому и хорошо подходят IGBT), у которых максимальная паспортная рассеиваемая мощность обеспечивается и в линейном режиме.
Включить в данной схеме их можно просто вместо полевого, но нужен транзистор с большим коэффициентом усиления, так как в отличии от полевого биполярные управляются током, а не напряжением.
Либо применить составную схему включения транзисторов (схема Дарлингтона), тогда общий коэффициент усиления будет произведением усиления первого и второго. Т.е. если у первого усиление 200, а у второго 70, то общий будет около 14000.

Пожалуй единственный недостаток биполярных (особенно составных) транзисторов — сложности при работе с малыми напряжениями, ниже чем 1.5-2 Вольта. Если вы не планируете тестировать источники с таким напряжением, то можно применить биполярные, в противном случае используем полевые.


Отлично подойдут известные транзисторы КТ827, но у меня их почти нет потому на фото их комплементарная пара КТ825. Они могут рассеивать до 125 Ватт.


Когда-то я даже использовал их в комплекте с такими радиаторами, как раз их размерчик :) Правда они больше все таки под пассивный режим.


Внутри у них находится два транзистора включенные по схеме Дарлингтона плюс дополнительные компоненты.

Кстати подобные транзисторы также отлично подходят для линейных блоков питания и меня часто спрашивают о вариантах замены их на импортные. Я немного полазил по интернету и набрал список замен.
Практически полные 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


Кстати продавец может высылать с разными транзисторами, при этом есть вариант с транзисторами в корпусе TO-247 (IRFP250. IRFP260), но скорее всего за дополнительные деньги. Как по мне, такой вариант был бы куда более интересен.


Ну и попутно поясню по поводу замены остальных компонентов.
Мелкие резисторы не критичны, главное примерно попасть в номинал, то же самое касается и конденсаторов.
Низкоомные резисторы которые выполняют функцию токоизмерительного шунта лучше выбирать с запасом по мощности так как тогда они будут меньше греться а следовательно у них будет меньше изменяться сопротивление и по мере прогрева ток не будет «убегать». Можно поставить более точные и качественные резисторы, но они стоят дорого.
Операционный усилитель также можно заменить на практически любой дешевый, например я применял LM358, но он двухканальный и их надо в два раза больше, но проще применить тот же LM324 благо стоит он копейки.

Питать нагрузку можно как от постоянного, так и от переменного тока, но важно следить чтобы напряжение питания операционного усилителя не превышало 20 Вольт. Сам по себе ОУ выдерживает спокойно до 30-35 Вольт, но напряжение на затворе полевого транзистора не должно быть выше 18-20 Вольт, а лучше до 15 потому я бы ограничил на этом уровне. Как вариант, питать эту цепь от небольшого стабилизатора.

В процессе тестов я все таки спалил один из транзисторов, произошло это случайно, я подал 40 Вольт и выставил ток нагрузки 5 Ампер получив при этом мощность в 200 Ватт. В итоге блок питания просто перешел в защиту от КЗ и на этом все закончилось.
Кроме этого выяснил что наводки на переменный резистор могут заметно влиять на установленный ток. Например когда я держал резистор в руках, ток был 4.1 Ампера, положил на стол, ток стал 4 Ампера. Неприятность может проявляться, а может нет, зависит как от БП самой нагрузки, так и от проверяемого.

Обозревая нагрузка в сравнении с моей старенькой самоделкой, которая со, рана на базе той же TL431, LM358 и одного транзистора. правда у меня есть стабилизатор питания операционного усилителя.


Какие доработки можно провести:
1. Управление вентиляторами от температуры, хотя бы при помощи простейшего термореле.
2. Уменьшить в два раза сопротивление шунтов и изменить номиналы делителя переменного резистора так, чтобы напряжение менялось в диапазоне 0--0.25 Вольта, шунты будут греться в два раза меньше.
3. Добавить режим CV при помощи второго ОУ, но здесь есть проблема с защитой от перегрузки.
4. Добавить стабилизатор напряжения для ОУ, например 7808 или 7809.
5. В моей нагрузке после TL431 стоит буферный операционный усилитель, на мой взгляд такое решение лучше, но добавлять сюда его очень неудобно.
6. Объединить две-три подобные платы для увеличения мощности, при этом одна плата будет ведущей, остальные ведомыми.

В корпусе показать пока не могу, так как его еще нет в наличии, он будет подбираться исходя из общих размеров всего комплекта. Кроме того я буду использовать с более продвинутым ампервольтметром, где будет контроль нижнего/верхнего напряжения и т.п.

С описанием вроде все, постарался ничего не забыть и теперь можно подвести итоги.
Как по мне, то вариант весьма неплохой, цена небольшая, собирается легко и самое главное, после сборки работает :)
Не обошлось и без нюансов, например поврежденный конденсатор или не очень удобное расположение отверстий для крепления радиатора.
В описании заявлено 150 Ватт, на мой взгляд это максимальная мощность, я бы рекомендовал не нагружать больше 120 Ватт длительно без замены транзисторов на какие нибудь в корпусе TO-247 и обязательно использовать хорошее охлаждение.

Если планируется применять при напряжениях до 30-40 Вольт, то вполне можно покупать в комплекте с транзисторами. Но если планируете тестировать источники с большим напряжением, то я бы купил все кроме транзисторов, а вместо родных поставил что-то более высоковольтное.
Как вариант, можно просто купить печатную плату, компоненты применены не дефицитные и при желании можно найти их и дома.
Один комплект заказывать наверное будет не очень выгодно, лучше купить сразу несколько, тогда общая цена будет выгоднее.

Спонсором обзора выступил посредник yoybuy.com, который взял на себя оплату доставки, стоимость с доставкой по Китаю около 6.8 доллара, общая стоимость доставки зависит от страны. Точную стоимость услуг посчитать не могу, так как в посылке было 4 товара от четырех продавцов.

На этом все, буду рад вопросам, комментариям и советам.