Aihearkisto: Dummy load

Dummy load

Versio 1.0 toimii ja sitten voikin alkaakin suunnitella versiota 2.0.

Suunnitelmissahan oli alunperin tehdä 100w Led-virtalähteen testaukseen soveltuva laite, mutta matkan aikana suunnitelmat muuttuivat. Hetkellisesti toki kestää toikin 100w, mutta jo ekan testauksen 36w lämmitti jäähdytysrivat liian kuumiksi koskea. Laskennallisesti maksimi jatkuva teho on noin 40w. 5v käyttö jännitteellä maksimi virta on noin 3,2A, mikä on ihan suunniteltu arvo. Periaatteessa kuorma kestää virtaa huomattavasti enemmänkin, mutta jännitettä pitää pudottaa siinä tapauksessa. Enemmän säätövaraa kuorman virtaan saa vaihtamalla vastukset R4 ja R5 sopiviin.

Suunnittelu mokia kuormassa on useampia. Piirilevy on suunniteltu niin pieneksi, että kokoamisessa oli muutamia haasteita mm. kuorma/sensorivastukset olisi pitänyt asentaa eri vaiheessa.  Käyttöjännitteen vaihtelut näkyvät suoraan kuorman ottamassa tehossa. Tarkoitus oli myös saada banaani liittimet kuormaan kiinni mutta reijstä tuli väärän kokoiset.

Mittailin oskilloskoopilla soiko kuorma ja kyllähän se soi ja kovasti! IMG_20150806_131038Hetken aikaa meni päätä raapiessa, että ei voi olla totta! Ja eikä se sitten lopulta totta ollutkaan. Kuorma itsessään on ihan suhteellisen nätisti käyttäytyvä, mutta jännitelähde jolla testasin kuormaa ei käyttäydy ollenkaan hyvin. Halpa kiinalainen ebaysta, mitä muuta oli odotettavissakaan toisaalta. Kuvassa on minkä näköistä jännitettä jännitelähde antaa resistiiviseen kuormaan 6A virralla. No ledinauhoille minä itseasiassa tuon jännitelähteen ostin, joten siinä mielessä ripple ei niin haittaa, kun eipä tuota silmällä ledeistä huomaa. Ostoslistalle siis päätyi sopiva säädettävä virtalähde. Minulla on itse tehty LM317 regulaattoriin perustuva säädettävä jännitelähde, mutta 1A maksimivirralla se näkyy olevan liian pieni, eikä siinä muutenkaan ole juuri ominaisuuksilla pilattu.

Maksimi virta on suunniteltu ja periaatteessa minimi virtakin on suunniteltu, mutta minimin suunnittelu oli lähinnä tasolla ” no ei se ihan nollaan mene, mutta katsotaan mihin se jää”. Vastaus on luokkaa 90mA, korkeampi kuin olisin halunnut, mutta vähemmän kuin pelkäsin. 90mA virralla yksittäisen kuormavastuksen läpi kulkee n. 30mA virta, jolloin jännitehäviö on 0,1Ohm*30mA=3mV . Menee liian pieneksi ollakseen millään tavalla järkevä näissä olosuhteissa. LM324 input offset jännite on jo tuota luokkaa. Maksimi kuormalla 0,1Ohm*1A=100mV , joka on jo järkevämpi arvo.  Seuraavaan versioon siis pitää laittaa enemmän ohmeja, jotta homma toimii pienemmilläkin virroilla.

Arduino tms.  ohjaus on myös mahdollista kuormassa. Laitoin erikseen pinnit, johon kaikki oleellinen tulee. Erillisellä ohjauksella saa vakiovirtakuorman lisäksi vaikkapa vakio teho kuorman aikaiseksi.

Jos joku haluaa ykkösversion kytkentää ja piirilevyä tutkia ne löytyvät git-hubista.

Ledejä, virtalähteitä ja dummyload

Laiskuus ja kärsimättömyys taitaa löytyä monen keksinnön takaa. Tilasin eBaysta 100w ledejä ja niihin sopivia virtalähteitä. Tilasin ledit ja virtalähteet yhtä aikaa, mutta virtalähteet tulivat nopeasti ja vastaavasti ledit tulivat hitaasti….

Minulla siis oli hetken aikaa virtalähteitä, joita minä en oikeastaan mitenkään voinut testata. Jännitteen mittaus ei onnistunut, koska suojapiiri nappasi lähteestä virrat pois heti, kun jännite nousi riittävästi. Samoin suojapiiri nappasi virrat pois, kun yritti mitata virtaa yleismittarilla. Ilmeisesti suojapiiri vaatii jonkin verran jännitettä ennen kuin se antaa ottaa virtaa ja näinhän yleismittarissa ei ole vaan se näkyy oikosulkuna virtalähteelle(, jos siis piirissä ei ole muuta). Eikä minulla ollut mitään soveltuvaa 100w kestävää vastusta/kuormaa.

Siitä lähti sitten idea tehdä keinokuorma, joka kestää 100w ledin virtalähteen testaamisen.  Lopulta ihan jatkuvaa 100w tehoa kestävää en tehnyt, kun tarkoitus on/oli käyttää niitä osia mitä sattuu löytymään valmiina ja sen takia esimerkiksi jäähdytysrivat jäi sen verran pieneksi, että laskeskelin niiden 100w teholla  lämpenevän teoriassa yli 350 astetta ympäristöä lämpimämmäksi. Ei ihan onnistu, kun tinakin jo alkaa noissa lämmöissä sulaa varsin nätisti. No kyllä se hetken aikaa kestää kuitenkin sitä 100w tehoakin. 100w Ledin virtalähteestä saa siis noin 3A virtaa ja jännite on maksimissaan luokkaa 36V.

Lopulta tuli kuitenkin suunniteltua ihan kunnon piirilevykin ja tilattua iTeadilta. Ei mitään tietoa onko mitään järkeä tehdä kuormaa niin kuin sen tein, mutta periaatteessa pitäisi toimia. Enkä siis myöskään kokeillut leipälaudalla, kuin vain yhdellä mosfetillä toiminnan. Tarkoitus ei ollut alunperinkään tehdä mitään super tarkkaa, kunhan vain suunnilleen on jotain sinne suuntaan kuorma. Ei liene mitenkään vaikea arvata kenen videosta sain osittain idean ja otin mallia.

Eikä Martinin videoidenkaan katsomisesta ainakaan haittaa ollut, vaikka ovatkin pikkasen pitkähköjä. Martin oli tehnyt muutamia laskelmia, joita en itse ollut tehnyt ja joihin ensi kuulemalta suhtauduin hiukan skeptisesti, mutta todellakin oikeassahan hän oli,

Kuorman ottama teho eri virroilla.
Kuorman ottama teho eri virroilla.

jossain vaiheessa mosfetissa tapahtuva teho häviö alkaa laskea ja kaikki teho häviää vastuksessa.  Kun P=R*I^2 niin vaikka virta koko ajan kasvaa, menee mosfetin vastus R jossain vaiheessa niin pieneksi, että teho alkaa häipyä. Omassa kuormassa ei ole tarkoitus käyttää noin isoja tehoja.

Kuorman säätö on toteutettu potentiometrillä ja operaatiovahvistimen (LM324) ohjaamilla mosfeteilla (IRLZ24N).

Ensimmäinen versio koekytkentä levyllä. Vastus ei näy.
Ensimmäinen versio koekytkentä levyllä. Vastus ei näy tässä.

Periaatteessa potentiometrin olisi voinut laittaa suoraankin kiinni mosfetteja ohjaavaan operaatiovahvistimeen, mutta lm324 oparissa jäi käyttämättä yksi lohko, joten käytin sen puskurina. Lisäksi säädöstä löytyy jännitteen jako, jolla voi tarvittaessa muuttaa säädön vahvistusta.

Masiinassa on siis kolme mosfettia, jokaisella oma jäähdytys ripa. Jokaisella mosfetilla on oma vastus, jonka jännitehäviötä mitataan ja ohjataan sen perusteella mosfettia.

Kuorma vastuksena ja “tunnustelu” vastuksena on tarkoitus käyttää  3 x 0,1 tai

Piiri kaavio.
Piirikaavio.

3x1ohmin 5% tehovastusta. Ledi virtalähteen arvoilla (siis 3A ja max. n.40V)  tulee siis per vastus ja mosfetti kulutetuksi tehoksi

0,1 ohm vastuksilla

0,1V*1A=0,1W

mosfetit

(40V-0,1V)*1A=39,9W

39,9W*9C/W=360C

 

ja 1 ohm vastuksilla

1V*1A=1W

mosfetit

(40V-1V)*1A=39W

39W*9C/W=350C

40 volttia on periaatteessa enemmän kuin mitä lähteestä pitäisi saada irti, mutta laskeskelimpa worst case tilanteen kuitenkin. Kovin pitkää aikaa siis ei voi kuormaa tuolla teholla käyttää tällä jäähdytyksellä, mutta sen verran, että voi leditevirtalähteen testata. Tosin ledit saapuivat postissa ennen kuin sain kuorman valmiiksi, joten siinä mielessä ei enää tarvitse kuormaa, mutta hällä väliä, saattaa sitä johonkin muuhunkin tarvita.

En ole vielä päättänyt kumpia vastuksia käytän. Luultavasti 0,1 ohmin, koska yön vähinä pimeinä tunteina piirilevyä suunnitellessa vastusten kohdalle jäi väärä vastus ja en taida saada noita 1 ohmin vastuksia nätisti kiinni piirilevyyn.

Jo tässä vaiheessa tiedän useammankin jutun joita pitää lisätä tai korjata seuraavaan versioon. Laitteessa ei esimerkiksi ole lainkaan mitään suojaukseen viittaavaakaan. Esimerkiksi vastukset mosfettien ja operaatiovahvistimien välillä olisi ehkä hyvä idea, samoin sinne voisi laittaa alasvetovastuksen, jotta mosfetteihin ei jää virtakatkossa tms. jännitettä gate pinniin. Kakkos versioon voisin harkita näytön laittamista ja vaikkapa joku mikrokontrollerikin, jolloin laitteesta saa muunkinlaisia kuormia kuin pelkän vakio virran.

Toiminta periaate on varsin yksinkertainen. Se perustuu täysin ohmin lakiin. Vastuksen yli vaikuttavaan jännitteeseen vaikuttaa vain virta, joka kulkee vastuksen lävitse. Kun tiedetään jännite ja vastus voidaan varsin helposti laskea virta vastuksen läpi. Sen jälkeen tarvitsee vain ohjata operaatiovahvistimella mosfettia pitämään jännite vastuksen yli siinä mihin se on potikalla säädetty.

Jännityksellä odotellaan miten äijän taas käy, kun piirilevyt saapuvat. Ne ovat tänään lähteneet Hong kongista, että en ihan usko, että ne tälle viikkoa ehtivät tänne. Kirjoittelen kuormasta lisää siinä vaiheessa, kun olen saanut kuorman rakennettua ja vähän testailtuakin.