Изготовление электронной нагрузки постоянного тока и мощности на Arduino

Одной из характеристик большого количества промышленных электронных нагрузок является способность рассеивать постоянную мощность. Постоянная мощность может быть полезной при измерении емкости батарей (Вт/час) или тестировании источников электропитания. Для выполнения данных задач я решил использовать микроконтроллер Arduino (ATmega328p).

На рисунке ниже показана схема электронной нагрузки. Чтобы сильно не перегружать схему лишними элементами, я намеренно решил не использовать фильтрующие и развязывающие конденсаторы. Я также не показал на схеме цепи микроконтроллера, поскольку все выполняется стандартным способом. Все соединения к стандартной плате Arduino четко обозначены для удобного подключения. Исходный код программы для Arduino можно загрузить по сноске в конце статьи.

Для управления нагрузкой используется 6 транзисторов IRFP150N. Данные 6 MOSFET-ов разделяются на три группы: каждая группа состоит из двух MOSFET-транзисторов, которые размещаются параллельно друг другу с отдельными управляющими резисторами на затворе. Далее эти три группы управляются независимо с помощью трех операционных усилителей. Подобное схемное решение гарантирует равномерное распределение тока в нагрузке среди этих трех групп MOSFET-транзисторов. В данной конфигурации максимальная мощность электронной нагрузки может рассеивать, по скромной оценке, около 200 Ватт.

На представленной схеме усилитель IC1A образует повторитель напряжения, который буферизирует выход ЦАП и входы трех управляющих операционных усилителей. Усилитель LM324 используется здесь для трех операционных усилителей. Разумеется, выбор операционного усилителя не является критическим моментом, и вы можете заменить его на любой другой усилитель общего назначения. В схеме используется ЦАП MCP4921 от компании Microchip. MCP4921 сходен по характеристикам с MCP4821. Главная разница в том, что MCP4921 использует внешний источник опорного напряжения, в то время как MCP4821 имеет встроенный источник напряжением 2.048В. Это главная причина, почему использовался ЦАП MCP4921. При изменении внешнего опорного напряжения мы можем нарушить баланс между максимальным током, допустимым электронной нагрузкой, и разрешением регулировки тока.

В данном проекте опорное напряжение подается на ЦАП через резисторный делитель от источника опорного напряжения IC TL431. Внешний источник опорного напряжения для ЦАП сконфигурирован как буферизированный вход для высокого импеданса так, что вход опорного сигнала ЦАП не влияет на точность источника опорного напряжения, устанавливаемого резисторным делителем. Когда внешний источник опорного напряжения установлен в значение 0.5В, ток нагрузки может регулироваться до 15A (0.5 В / 0.1 Oм * 3). Выходное напряжение ЦАП MCP4921 может быть отрегулировано как 1 x Vref либо как 2 x Vref; таким образом, диапазон тока может быть удвоен через программную команду без необходимости изменения опорного напряжения. Если вам не нужен такой широкий диапазон тока, тогда вы можете понизить опорное напряжение. Это обеспечит наилучшее разрешение тока (Vref / 4096 на один шаг регулировки).

Для регулировки тока используется энкодер. По умолчанию, ток может быть отрегулирован с разрешением приблизительно 1мA/шаг. При нажатии кнопки энкодера, данное разрешение может быть изменено до 10мA/шаг и 100мA/шаг соответственно. Это позволит выполнить грубую регулировку.

Режим постоянной мощности достигается путем вычисления желаемого установленного значения тока через измеренное напряжение нагрузки.

На фотографиях ниже показана конструкция электронной нагрузки. В качестве радиатора используется большой алюминиевый блок. Размер радиатора действительно впечатляет, однако обеспечивает надежность  работы устройства без использования принудительного воздушного охлаждения.

Вся схема собрана на макетной плате. Я использовал плату Arduino, изготовленную ранее, и разъемы для соединения с основной платой.

На фото ниже показана законченная плата контроллера:

Как упоминалось ранее, радиатор имеет огромный размер, на фото он отображается в перспективном виде:

На данной фотографии показана работа электронной нагрузки в режиме постоянной мощности, поглощая более 200 Ватт при напряжении более 60 вольт.

Поскольку в схеме использовался микроконтроллер, мы можем легко добавить новые функции. Все что не было добавлено в микропрограммный код, вы можете легко дополнить самостоятельно, например режим постоянного сопротивления. Также вы можете обеспечить регистрацию данных, путем записи значений тока и напряжения в определенные интервалы времени.

Видео ниже демонстрирует вкратце функциональные возможности электронной нагрузки

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• AVR
• Arduino
• Микроконтроллер
• ЦАП
• Перевод