Regulowane sztuczne obciążenie jest urządzeniem, które staje się przydatne przy projektowaniu wielu innych układów elektronicznych. Na przykład, w czasie konstruowania zasilacza laboratoryjnego za pomocą sztucznego obciążenia można sprawdzać jego wydajność pod różnymi obciążeniami. Generowanie obciążenia za pomocą przyłączanych do wyjść zasilacza rezystorów mocy też często się sprawdza, ale też równie często nie dysponujemy rezystorami o odpowiedniej mocy czy wartości. Użycie sztucznego obciążenia niweluje ten problem. Poniżej zostanie zaprezentowany opis budowy takiego urządzenia – jest ono łatwe do skonstruowania przez elektroników-hobbystów.
Stałoprądowe sztuczne obciążenie zbudowane w oparciu o sędziwy już, poczwórny wzmacniacz operacyjny LM324 stało się popularne w kręgach hobbystów, od kiedy D. Jones na stronie eevblog zaprezentował pomysł jego zbudowania. Takie sztuczne obciążenie to nic innego, jak urządzenie zbudowane w oparciu o wykorzystujące wzmacniacz operacyjny źródło prądowe. Dodatkowo, w swojej konstrukcji, autor wykorzystał dwa wzmacniacze w kości LM324 do sterowania wentylatorem chłodzącym i do zabezpieczenia termicznego układu.
Na powyższym rysunku można zobaczyć schemat całości. Fragment opisany jako źródło prądowe („current source”) powinien być znany użytkownikom. Wzmacniacz U2D pracuje jako wtórnik napięciowy, który gwarantuje, że napięcie na rezystorze 0,1 Ω jest takie samo, jak to podane na wejście nieodwracające wzmacniacza. Prąd płynący przez rezystor wynosi I = Vi / 0,1 Ω = 10Vi. Autor zdecydował się wykorzystać rezystor o wartości 0,1 Ω – zamiast często spotykanych w podobnych konstrukcjach rezystorów 1 Ω – co pozwala pracować z większymi prądami. Dodatkowo, mniejsza wartość oporności oznacza mniejszą ilość mocy wytracaną w rezystorze. Także różnica napięcia źródła od masy (Vgs) jest utrzymywana poniżej dopuszczalnych wartości dla tranzystorów MOSFET. Autor wykorzystał dwa tranzystory MOSFET typu N 50N60 połączone równolegle, co pozwala zmniejszyć rezystancję włączenia tranzystora Ron i zwiększyć niezawodność urządzenia. W zaprojektowanym układzie maksymalny prąd nie powinien przekraczać 7A – jest on ograniczany przez rezystor o mocy 5W. Większe prądy można osiągnąć, stosując rezystory o mocy 10 lub 20W. Napięcie wejściowe nie powinno przekraczać 60V (maksymalne napięcie dren-źródło Vds dla zastosowanych tranzystorów). Dodatkowo, wejście pomiarowe zabezpieczone jest warystorem (na schemacie oznaczonym „MOV”).
Wzmacniacz U2A pracuje jako bufor – wtórnik napięciowy dla napięcia odniesienia generowanego w dzielniku składającego się z rezystora 1 MΩ i potencjometru wieloobrotowego RV1. Napięcie ze wzmacniacza U2A podawane jest na jeszcze jeden dzielnik rezystorowy, zanim trafi do miernika. Było to konieczne w przypadku miernika stosowanego przez autora, aby wskazywał on poprawnie mierzone napięcia i prądy – w przypadku użycia innego miernika elementy te można pominąć. Przełącznik SW2 służy do przełączania pomiędzy pomiarami napięcia i prądu, co umożliwia też łatwe wyliczenie mocy. Wskazywany prąd zależy od ustalonej wartości – za pomocą wzmiankowanego dzielnika napięciowego – nawet, jeśli urządzenie nie jest podpięte do badanego układu. Pozwala to na odczyt ustalonej wartości prądu przed podłączeniem badanego obwodu, co jest bardzo dużą zaletą w użytkowaniu urządzenia.
Jak wspomniano we wstępie, dwa dodatkowe wzmacniacze sterują obwodami zabezpieczającymi i wentylatorem. W oparciu o wzmacniacz U2C zbudowano prosty komparator, porównujący napięcie na dzielniku R8-termistor i na dzielniku referencyjnym R5-R6. Histereza kontrolowana jest poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego, zawierającą rezystor R4. Termistor należy umieścić na radiatorze razem z tranzystorami MOSFET, element powinien być typu NTC. Kiedy temperatura przekroczy ustalony poziom, na wyjściu wzmacniacza U2C pojawia się napięcie, które powoduje załączenie tranzystora MOSFET BS170. Tranzystor ten powoduje przyłączenie do masy wejścia wzmacniacza U2D, na które podawane jest napięcie odniesienia – i w wyniku tego odcięcie przyłączonego układu od obciążenia. Wartości rezystorów R5 i R6 można wyliczyć (jak w przypadku autora) na podstawie danych tranzystorów. Należy dobrać je tak, żeby odcięcie obciążenia następowało dla temperatury niższej niż dopuszczalna maksymalna temperatura pracy złącza tranzystora. W ich miejsce można zastosować też regulowany potencjometr. Dioda D2 sygnalizuje zadziałanie zabezpieczenia.
Wzmacniacz U2B pracuje również jako komparator z histerezą i służy do sterowania wentylatorem (ze starego komputera). Dioda 1N4001 zabezpiecza tranzystor przed przepięciami. Poziom temperatury powodujący uruchomienie wentylatora regulowany jest za pomocą potencjometru RV2 i powinien być ustalony na niższy niż ten, który powoduje zadziałanie opisanego wyżej zabezpieczenia.
Autor swoją wersję urządzenia zbudował na płytce uniwersalnej – co z perspektywy czasu okazało się błędem. Pojemność pasożytnicza takiej płytki czyni czasami układ niestabilnym. Poskutkowało to koniecznością zastosowania kompensacji dwubiegunowej, zrealizowanej za pomocą dodania kondensatorów C6 i C7 do obwodów bramek tranzystorów 50N60. Kolejnym problemem były kwestie związane z obwodem masy, które na pewno byłyby wyeliminowane w przypadku płytki zaprojektowanej specjalnie dla urządzenia. Problem pojawiał się w momencie uruchomienia wentylatora – wskazania miernika nagle rosły. Okazało się, że pętla masy w obwodzie wentylatora i potencjometru POT1. Dodanie dodatkowej ścieżki masy od tranzystora Q2 do masy zasilania. Dzięki temu, nawet w przypadku relatywnie prostych układów można napotkać niespodziewane problemy – ale też zdobyć dużą wiedzę w czasie ich eliminowania!
Całość została zmontowana w odzyskanej, aluminiowej obudowie. Autor użył gotowych zasilaczy do zasilania układu i miernika (miernik wymagał osobnej masy zasilania).
Na przednim panelu umieszczono miernik, potencjometr regulacji prądu i przełączniki SW1 i SW2, oraz diodę sygnalizującą przeciążenie.
Na poniższej fotografii widać urządzenie w czasie testu zasilacza. Napięcie zasilacza ustalono na 5V, wskazania prądu są identyczne, a dodatkowo podłączony woltomierz umożliwia pomiar zmian napięcia bezpośrednio na wejściu sztucznego obciążenia.
Zaprezentowane sztuczne obciążenie jest prostym i przydatnym urządzeniem – powinno także służyć każdemu bezawaryjnie przez długi czas.
Źródło
Cool? Ranking DIY
. Oczywiście że układ zastosowano jako filtr wygładzający jednak wątpię czy na serio się zajęto symulacją i zagadnieniem stałej czasowej a to jest dość ważne gdyż może dojść do generacji tętnień zamiast do ich wygaszania jeśli układ się wzbudzi na skutek np. tętnienia źródła badanego. Myślę że mogło być tak że pierwotnie użyte zostały zwykłe tranzystory. Kolejnym etapem było wywalenie rezystorów ustanawiających punkt pracy przy zmianie na Mosfety jednak kondensator ktoś zostawił. Zmontowałem kilka podobnych źródeł prądowych i jakoś nigdy nie stosowałem kondensatorów w obwodzie bramki. Czasami stosuję dołączane przekaźnikiem kondensatory ale na wejściu jeśli układ się wzbudza bo tętni badane źródło (bardzo częste zjawisko zwłaszcza jak się zasilacz nie wyrabia i przy zasilaczach impulsowych). 