Electronic Load - Carico elettronico - Attivo.Tensione o corrente costante. |
"Fai da te" di R.Chirio |
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Prefazione |
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Per chi costruisce alimentatori, la principale esigenza è collaudarli per le caratteristiche di progetto. Molto spesso non c'è a disposizione il carico con i giusti valori richiesti dall'uscita, bisogna pertanto usare resistenze e/o lampadine fino a raggiungere il valore necessario, purtroppo non sempre si ha a disposizione il valore o la potenza necessaria, inoltre la loro stabilità termica non è garantita.
E' molto comodo un carico elettronico che si possa regolare/programmare per infiniti valori di carico.
Andiamo ad analizzare quali sono le esigenze richieste dalla pratica:
Alimentatori con uscita a tensione fissa: vanno testati con un carico a corrente costante.
Alimentatori a corrente costante: hanno bisogno di un carico che presenti una tensione costante.
Carica batteria: hanno bisogno di un carico che presenti una tensione costante per simulare la batteria.
Test di scarica su batterie ed accumulatori: vanno testati con un carico a corrente costante.
Pannelli Solari Fotovoltaico: hanno bisogno di un carico che presenti una tensione costante.
Generatori Eolici ed Idroelettrici a CC: hanno bisogno di un carico che presenti una tensione costante.
In pratica per testare un Power Supply ATX per PC, serve un carico che simuli il massimo assorbimento in uscita per le varie tensioni, da 3,3 a 5,0 a 12,0 Volt, è necessario un carico a corrente costante, con il valore massimo settato come richiesto della misura.
La prova degli alimentatori per led, deve essere fatta con un carico che presenta la stessa tensione del led sotto corrente, pertanto un carico elettronico con Tensione stabilizzata è molto utile. (Tipicamente 3,6V per simulare il carico di un led da 3W)
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Carico Elettronico da 0,40-40V 0,30-20A Corrente e Tensione costante. |
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Gennaio 2008.
Questa è una configurazione semplice, robusta e stabile. Per i componenti fare riferimento allo schema elettrico ingrandito. Elementi di carico sono 2 MosFet IRFP250 da 30A 200V (180WPd) collegati in parallelo, devono essere montati su un robusto radiatore di alluminio e raffreddati da una ventola a 12V. In funzione del tipo di radiatore si può arrivare a oltre 200W dissipati. Si possono usare la gran parte dei power Mos-fet, per aumentare la potenza dissipabile, basta fare parallelo di Mosfet fino a raggiungere la potenza desiderata. Modificando la R2 è possibile utilizzare valori di ingresso anche più alti come 60V, è bene in questo caso non superare i 200W di potenza. E' possibile arrivare fino a potenze di 400W, ma è necessario mettere almeno 4 Mosfet per distribuire meglio la corrente e la dissipazione, il radiatore deve essere del tipo profilato pesante da almeno 30cm con robusta ventola da 160x160. Il riferimento di tensione (voltage reference) è rappresentato da un TL431 collegato per dare 2,50V, con a seguire un partitore da 0,40V, dove prenderanno riferimento il comparatore di tensione e il comparatore di corrente. (Tale valore è settabile con precisione attraverso la R11, trimmer cermet multigiro) Entrambi i comparatori possono pilotare il carico di Mosfet, in funzione della regolazione dei rispettivi potenziometri. Con il deviatore S1 potremmo quindi selezionare un funzionamento in corrente costante oppure a tensione costante. L'accensione dei led rosso (corrente) e verde (tensione) ci informa quale tipo di intervento si sta attuando. Molto importante avere in uscita un voltmetro da 40V e un amperometro da 20A per controllare i valori sotto carico. Per una precisa regolazione consiglio potenziometri di precisione da 10 giri. Per evitare danni da cortocircuito è bene mettere un Fuse da 25/30A in serie all'ingresso. Il tutto può essere facilmente inserito all'interno di un case ATX recuperato, sfruttando la ventola da 12V e inserendo all'interno un trasformatore da 5VA 220/12V per alimentare il pilotaggio + un altro trasformatore da 2VA per alimentare gli strumenti LCD che richiedono un'alimentazione isolata e separata da 12V 10mA. Prima di accendere posizionare sempre al minimo (0) il potenziometro corrente e posizionare a fondo scala (massimo 40V o +) il potenziometro regolazione tensione. Tenere sotto controllo le temperature raggiunte dai Power MosFet. Utile montare un Klixon da 75°C sul radiatore, collegato a un cicalino, per segnalare una temperatura pericolosa, o meglio ancora fare staccare il pilotaggio in caso di temperature sopra i 75°. Mettendo in serie all'ingresso un ponte raddrizzante da 25A 100V sarà possibile testare direttamente trasformatori a 50hz con potenze fino a 200/400VA
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Realizzazione |
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La realizzazione dello Carico Elettronico comporta avere delle buone conoscenze di elettronica, è necessaria un'attrezzatura ed esperienza nei montaggi elettronici. E chiare competenze nell'uso dei dispositivi a 220V.
Non si risponde per danni a cose e persone e per un uso improprio della realizzazione.
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Versione 2008.3 - E' necessario realizzare un CS, per comodità sono state usate le stesse misure e interassi di foratura, per inserire il tutto dentro un case ATX. - Per i collegamenti esterni prevedere delle torrette dove saldare i terminali, o meglio un connettore. - Il collegamento di Potenza (20A) deve essere fatto con una adeguata morsettiera, o anche solo con più cavi in parallelo come avviene per gli alimentatori ATX. - Per il dissipatore è stato usato un gruppo per CPU recuperato da un PC, in pratica si è rivelata una ottima soluzione, in grado di dissipare tranquillamente in poco spazio oltre 200W. |
Circuito stampato completo di trasformatore e radiatore.
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Vista dell'interno a montaggio ultimato. Sul coperchio si notano i potenziometri e gli strumenti LCD. |
Particolare sul fissaggio dei MosFet IRFZ45.(1° versione) Usando gli IRFP250 bastano solo 2 MosFet.(2008.3) |
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- Il dissipatore si trova sotto tensione, in quanto per avere un buon rendimento termico, non è conveniente montare gli isolatori. Va pertanto fissato al CS con tiranti basetta isolati. Usare materiali adatti alle alte temperature (100°). - Sul piccolo nucleo in rame non è stato possibile montare più di tre MosFet, risultano comunque sufficienti per il carico da 20A, nella seconda versione sono stati usati solo due IRFP250, con il vantaggio di poter salire in tensione (40V). |
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Particolare sui deviatori, entrambi con off centrale. |
Particolare sulle connessioni di potenza. |
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- Utilizzando un case
ATX con doppio ventilatore (meglio) non c'è molto posto per il pannello
comandi, bisogna quindi posizionare i deviatori vicino alla morsettiera di
uscita, come pure il led rosso e il led verde.
- I deviatori devono essere del tipo on-off-on così che nella posizione centrale rimangono aperti. - La morsettiera di uscita deve essere del tipo da 20A così da poter fissare cavi da 4mmq muniti di capocorda. - All'interno vicino alla resistenza R8 di Current Sensing si notano le ferriti, necessarie a bloccare i disturbi. |
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Particolare sulla resistenza di sensing R8 e l'induttanza di filtro. |
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- La resistenza di
Current Sensing R8 è realizzata con un parallelo di fili di costantana e poi
saldati a un capicorda, il suo valore è di 0,020 Ohm. Al posto si possono
mettere 5 resistenze commerciali da 0,1 Ohm 3W in parallelo. E' posizionata
direttamente sul flusso di aria, questo per portare via il calore
dissipato 8W @ 20A. - La bobina da 1uH usata per bloccare i disturbi HF è recuperata da una piastra Motherboard. Il valore di induttanza non è critico, importante è la sezione dell'avvolgimento, deve essere in grado di sopportare 20A.
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| Lettura corrente | |
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- Per evitare di mettere un ulteriore shunt per la misura della corrente, è facile collegare un voltmetro digitale da 200mV FS, direttamente sulla resistenza di sensing. Per la taratura della lettura di corrente dobbiamo mettere in serie al carico un buon Multimetro da 20A e semplicemente tarare il trimmer cermet da 10K per visualizzare sul millivoltmetro la stessa cifra letta sul multimetro. Il condensatore serve a ridurre eventuali disturbi presenti. |
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| Versione BJTs 40A 40V | |
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Utilizzando transistor in
configurazione Darlington è possibile salire di potenza ottenendo un
certo risparmio economico nei confronti dei MOSFET. Il gruppo realizzato
si può sostituire ai MOSFET nello schema generale. La R6 diventa 1k5 ohm.
Il 2N3772 è un transistor da 20A 150W robusto e affidabile, mentre il MJ3001 è un ottimo Darlington da 10A 4000 hFE. Collegando come da schema il guadagno totale è di 25000 quindi con 1,6mA possiamo pilotare 40A. Addirittura è possibile collegare 4 x 2N3772 in parallelo, per ottenere una corrente massima di 80A, e quasi 500W dissipabili, sempre con un solo MJ3001 come pilotaggio. |
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Prove con Electronic Load |
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Prova di scarica con accumulatore 12V 7,2A/h - Per verificare la capacita dell'accumulatore bisogna scaricare a 0,2 C pertanto in questo caso 7,2/5 = 1,44A. - La prova si considera finita quando la tensione batteria raggiunge 10,80V - La scarica è durata 3h 30m pari a una capacità reale di 5,04A/h
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Prova di scarica con accumulatore 12V 60A/h - Per verificare la capacita dell'accumulatore bisogna scaricare a 0,2 C pertanto in questo caso 60/5 = 12A. - La prova si considera finita quando la tensione batteria raggiunge 10,80V in questo caso letti direttamente sui poli della batteria, per evitare le cadute di tensione sui cavi da 2.5mmq. - La scarica è durata 3h 55m pari a una capacità reale di 47A/h
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- Con la batteria da
60A/h test di potenza dissipata con il Carico Elettronico.
- Leggiamo 11,61V e 19,39A pari a una potenza di 225W - Con la ventola in posizione Turbo 16V, dopo 15 min. non si superano i 60° sul radiatore interno. - Chiaramente i cavi da 2,5 mmq se pur in silicone non sono adatti per questa corrente, bisogna usare 6mmq. - Ottima prestazione.
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Simulazione di Batteria con Caricabatteria. - Il Carico Elettronico funzionante a tensione costante, led verde acceso. - Vengono simulate le varie tensioni di batteria durante la carica e si verifica quale corrente può erogare il carica batteria. - Con questo carica batteria sotto esame, possiamo caricare 15A fino a 12,5V e 7,5A con tensione batteria 13,80V. - Simulando le varie tensioni, da 10 a 15V con step di 0,5V si può tracciare un grafico relativo alle varie correnti massime che può fornire in uscita il Battery Charger.
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