Pasywne obciążenie z żarówki halogenowej na 24 V/150 W

Witam,

Chciałbym dzisiaj zaprezentować wszystkim wykonane przeze mnie urządzenie, które jest prostym pasywnym obciążeniem, zbudowanym przy użyciu żarówki halogenowej na 24 V o mocy 150 W chłodzonej przy pomocy wentylatora z regulacją obrotów. Urządzenie to posiada układ czasowy załączający dodatkowe gniazda podłączeniowe, przeznaczone do zewnętrznego zasilania żarówki.

Pomysł i założenia na wykonanie tego projektu:

Pomysł na wykonanie tego urządzenia pojawił się jakiś czas temu, kiedy to miałem już dosyć podłączania na krótko różnych obciążeń (np. żarówki) podczas sprawdzania, naprawiania i testowania zasilaczy, prostowników, itp. urządzeń.
W związku z tym, postanowiłem z tym skończyć i wykorzystując posiadaną żarówkę halogenową o mocy 150 W, która zalegała mi od x czasu w szufladzie, zbudować to urządzenie.
Założenie podczas realizacji tego projektu było jedno: wykorzystać jak największą liczbę części z demontażu, dzięki czemu projekt ten nie wygenerował zbyt dużych kosztów.
Za dawcę obudowy do budowy pasywnego obciążenia posłużył mi stary już wysłużony i w dodatku zepsuty zasilacz komputerowy. Wystarczyło wszystko wymontować, wyczyścić z brudu i kurzu tylko potrzebne części, a następnie nawiercić i po wycinać otwory w obudowie.
Jak wiadomo, każdy element który wytwarza sporą ilość ciepła, powinien posiadać wymuszone chłodzenie wraz z ewentualną ręczną bądź automatyczną regulacją prędkości obrotowej samego wentylatora.
W moim projekcie zdecydowałem się jednak na układ z ręczną regulacją obrotów wiatraka przy pomocy potencjometru.
Dodatkowo urządzenie to rozbudowałem o układ włącznika czasowego z regulowanym czasem wysterowania cewki przekaźnika, który odpowiada za załączanie dodatkowej pary gniazd przeznaczonej do bezpośredniego podłączenia żarówki do zewnętrznego napięcia zasilania np. pochodzącego z badanego układu.
Dlaczego zdecydowałem się na wykorzystanie żarówki halogenowej do budowy mojego urządzenia, która jak wiadomo ma nieliniową charakterystykę rezystancji i nie zawsze jest najlepszym elementem do testowania, a nie np. samych rezystorów dużej mocy bądź budowy samego sztucznego obciążenia z regulowanym prądem?
Odpowiedź jest prosta:
Po pierwsze, bo miałem wolną zalegającą żarówkę i flakon po perfumach żony.
Po drugie, bo zamiast rezystorów dużej mocy chciałem skorzystać z rzeczywistego obciążenia, które oprócz wydzielania ciepła mogło sygnalizować swoje działanie: świecąc.
Po trzecie – w przyszłości planuję zbudować swoje własne sztuczne obciążenie z regulacją prądową.

Zdjęcia poszczególnych elementów i układów tworzących pasywne obciążenie:

Zdjęcia płytki PCB oraz samej elektroniki dla prototypu układu regulatora:



Niestety płytka prototypowa posiadała trzy błędy związane z rozmieszczeniem elementów, przez co nie mogła zostać użyta w tej konstrukcji (metalowa obudowa). Sam układ działa do dziś prawidłowo i to na nim wykonywałem swoje pierwsze testy.
Wracając do błędów:
1. Nieodpowiednie umiejscowienie układu scalonego MCY74541 na płytce PCB – zbyt blisko wspornika mocującego potencjometry umieściłem układ scalony, przez co możliwe byłyby ewentualne zwarcia samego układu do uziemienia. Zastosowanie przekładek izolujących, nie wchodziło w grę z powodu dużego ryzyka dla wystąpienia takiego zwarcia, które mogłoby powstać podczas częstego przenoszenia tego urządzenia.

2. Po złej stronie płytki PCB zamontowałem przekaźnik, który poprzez swoją wagę mocno naprężał samą płytkę ku dołowi, w takiej konfiguracji mocowania jej do obudowy.

3. Nie do końca właściwy sposób przylutowania 3 kondensatorów elektrolitycznych mogący utrudnić ewentualne serwisowanie samego układu regulatora. Sprawdzone podczas wprowadzania zmian w samym prototypie, kiedy to zaistniała konieczność wylutowania kilku elementów.

Oddzielna płytka z obwodem bezpieczników i filtrem przeciwzakłóceniowym plus transformator.



Całe urządzenie zabezpieczone jest:
1. Dwoma bezpiecznikami topikowymi 0,5 A na przewodzie fazowym (L) oraz neutralnym (N).
2. Obudowa urządzenia została uziemiona.
3. Transformatorem TS 5/5 z odseparowanym galwanicznie uzwojeniem pierwotnym od wtórnego.

Płytka zawiera 2 bezpieczniki topikowe (B1, B2) oraz 3 kondensatory (C1, C2, C3) tworzące prosty filtr przeciwzakłóceniowy podłączony bezpośrednio do transformatora Tr1.
Napięcie po stronie pierwotnej transformatora Tr1 wynosi ~230 V, a po stronie wtórnej około ~17 V.

Płytka regulatora bez podłączenia:



Płytka regulatora składa się z 4 głównych układów:

1. Układ prostownika całofalowego dla wszystkich obwodów, dający na swoim wyjściu napięcie + 18 V.
2. Układ prostego regulatora obrotów dla wentylatora S1 (z elementami zabezpieczającymi D1, D2) przy wykorzystaniu układu US1 = LM317N jako regulator napięcia wyjściowego od 5,08 do 13,57 V (w stanie jałowym). Układ regulatora napięcia po obciążeniu wentylatorem S1 dostarcza max napięcie wyjściowe nie przekraczające 12 V.
3. Układ stabilizatora napięcia na +12V zrealizowany przy pomocy układu US2 wraz z elementami zabezpieczającymi (D3, D4) oraz sygnalizacją pracy diodą LED 1.
4. Układ czasowy sterujący pośrednio załączaniem styków zwiernych przekaźnika P1, zrealizowany przy pomocy układu US3 wraz z elementami zabezpieczającymi (R4 i DZ1).
Sam obwód czasowy został zrealizowany na starym układzie scalonym MCY74541 wraz dobranymi zewnętrznymi elementami (Pr.2, Pr.3 = const., R5, R6, C15) dobranymi tak, by regulacja czasu załączania przekaźnika mieściła się od 10s do około 60s (potwierdzone pomiarami).
Potencjometr montażowy Pr.3 służy do skalibrowania stałego zakresu dla min. i max. czasów generowanych impulsów służących do wysterowania tranzystora T1.
Wartość rezystancji dla PR.3 ustalamy tylko raz podczas kalibracji całego układu czasowego, po czym pozostaje bez zmian – stąd opis Pr.3 = const.
Do zmiany czasu załączania w tym układzie służy potencjometr obrotowy Pr.2.
Dodatkowe kondensatory (C13 i C14) montowane przy układzie US3 mają zapewnić jego stabilne warunki pracy. Element R7 i T1 zostały użyte do bezpośredniego wysterowania cewki przekaźnika P1 oraz obwodu sygnalizacji diodą LED 2 dla załączenia dodatkowych zewnętrznych gniazd (G4, G5) przy pomocy styków zwiernych przekaźnika P1. Jak wiadomo układ MCY74541 (pin 8) ma małą wydajność prądową, stąd zastosowanie starego poczciwego tranzystora bipolarnego typu NPN.
Zadaniem diody D8 jest zabezpieczenie elementów półprzewodnikowych (T1 i US3) przed ewentualnym ich uszkodzeniem podczas pojawienia się przepięć wygenerowanych przez cewkę przekaźnika.

Drobne sprostowanie co do dwóch zdjęć:

Z głównego przewodu zasilającego (~230 V) został zdjęty pierścień ferromagnetyczny.
Płytka regulatora od strony druku ma odizolowane śruby mocujące podwójnymi podkładkami z bakelitu.

Zdjęcia urządzenia prawie złożonego:



Zdjęcia gotowego urządzenia:



Zdjęcia obciążenia podczas pomiarów rezystancji włókna żarówki:

Rezystancja niewygrzanego włókna żarówki wyniosła 1,2 Ω;
Rezystancja wygrzanego włókna żarówki po 5 min. wyniosła 1,7 Ω przy napięciu zasilania 12V i prądzie 4A.



Zdjęcia obciążenia podczas pomiarów: minimalnego i maksymalnego czasu załączania styków zwiernych przekaźnika:

Pomiar min. i max. czasu dla załączenia się z opóźnieniem styków przekaźnika wyniósł: tzmin. = 10s, a tzmax. = 60s



Zdjęcia obciążenia przy różnych wartościach prądu i napięcia zasilania żarówki halogenowej:



Zdjęcia pasywnego obciążenia podczas pomiarów: temperatury pracy samej lampy, temperatury pracy regulatora, napięcia oraz prądu:

Moje spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych pomiarów temperatury na lampie oraz z wnętrza urządzenia podczas godzinnej ciągłej pracy urządzenia dla napięcia 12V i lekko ponad 4A:
1. Początkowa temperatura w całym urządzeniu wahała się pomiędzy 20 oC a 21 oC.
2. Temperatura lampy (tuż przy samej żarówce) osiągnęła w miarę stabilny poziom już po około 10 min. wynoszący około 160 oC przy max. obrotach wentylatora. Temperatura na radiatorze regulatora dochodziła max. do około 40 oC. Niestety niebieski multimetr jak się później okazało wskazywał cały czas temperaturę otoczenia, a nie z czujnika.
3. Max. temperatura lampy wyniosła 220 oC dla 1h pracy przy min. obrotach wiatraka.
4. Układ potrzebował około 4 min. aby zejść z temperaturą z 220 oC do 174 oC przy ponownym ustawieniu max. obrotów dla wentylatora.



Tryby pracy dla mojego urządzenia:

1. Pierwszy tryb pracy jest bardzo prosty, gdyż nie wymaga żadnego zewnętrznego źródła zasilania. Wystarczy podłączyć badany/testowany układ do gniazd (G2 i G3), które są podpięte bezpośrednio do żarówki halogenowej Ż1 i rozpocząć pracę. Warunek jest tylko jeden: Taki test dopuszczalny jest tylko do kilku minut ciągłej pracy, szczególnie przy pracy z max. napięciem zasilania zewnętrznego, które nie powinno przekraczać 24V. Powód jest tylko jeden: skrócenie żywotności samej żarówki lub jej nawet uszkodzenie oraz ewentualne przegrzanie elementów w układzie regulatora.
2. Drugi tryb pracy polega na dołączeniu badanego/testowanego źródła zasilania do gniazd G2 i G3 (bezpośrednie połączenie do żarówki halogenowej Ż1) lub do gniazd G4 i G5 (pośrednie połączenie do żarówki Z1), a następnie włączenie urządzenia włącznikiem Wl.1.
Czas opóźnienia dla załączanie styków zwiernych łączących gniazdo G2 i jeden z odczepów żarówki Ż1 z gniazdem G4 oraz gniazdo G3 i drugi z odczepów żarówki Ż2 z gniazdem G5 może by regulowany potencjometrem obrotowym (oznaczenie: CZAS) od 10s do 60s.
Prędkość regulacji obrotów wentylatora możliwa przy pomocy potencjometru obrotowego (oznaczenie: OBROTY) w zależności od potrzeb, tzn. od stopnia nagrzania urządzenia oraz ewentualnie od wydzielanego hałasu przez wentylator.

Dokumentacja techniczna:
- schemat elektryczny;
- wykaz elementów;
- specyfikację dla układu MCY74541.

Wady urządzenia:

W przyszłości planuję zmienić sposób mocowania żarówki halogenowej do szklanej obudowy, zastępując dotychczasowe rozwiązanie (z klejonego) na możliwość szybkiej i bezproblemowej jej wymiany w razie spalenia.

Koszty:

Kwestia kosztów, jak to zwykle bywa w moich projektach jest trudna do dokładnego oszacowania, gdyż większość użytych przez mnie części pochodziła z odzysku, a reszta nowych elementów takich jak: (4 gniazda zaciskowe, 4 metalowe spinki oczkowe oraz koszulki termokurczliwe) pozostała mi jako spadek po innych projektach albo po prostu zapasy warsztatowe.
Jednakże wydaje mi się, że koszt całego projektu zamknął się w około 10 zł.


Zapraszam do czytania, zadawania pytań i wyrażania swoich opinii.

Pozdrawiam
Sewa2007