Programowalne aktywne obciążenie

Programowalne aktywne obciążenie
Pobierz PDF Download icon

Aktywne obciążenie to urządzenie przydatne w warsztacie każdego konstruktora elektronika. Pozwala testować układy zasilające jeszcze przed zamontowaniem ich w docelowej aplikacji, dzięki czemu w prosty sposób można sprawdzić, czy zastosowane rozwiązanie ma wystarczającą wydajność prądową. Cechą wyróżniającą zaprezentowane w artykule urządzenie jest jego programowalność - obciążenie nastawiane jest z poziomu komputera, za pomocą aplikacji.

Podstawowe parametry:
  • prąd obciążenia ustawiany w zakresie 0,05...1 A z krokiem 0,05 A,
  • maksymalne napięcie badanego źródła: 24 V,
  • zasilanie i sterowanie poprzez USB i dedykowaną aplikację,
  • skrajne wymiary płytki: 3×5 cm.

Budowa i działanie

Schemat blokowy został pokazany na rysunku 1. Sercem układu jest mikrokontroler z przetwornikiem DAC. Wyjście przetwornika cyfrowo-analogowego jest podłączone do wzmacniacza operacyjnego, który z kolei steruję bramką tranzystora N-MOS. Sprzężeniem zwrotnym jest napięcie odkładające się na rezystorze pomiarowym, proporcjonalne do natężenia prądu pobieranego z testowanego układu zasilającego. Mikrokontroler komunikuje się z komputerem za pośrednictwem interfejsu szeregowego UART, który następnie za pomocą układu scalonego konwertowany jest do standardu USB.

Rysunek 1. Schemat blokowy

Schemat elektryczny został pokazany na rysunku 2. Najistotniejszym elementem jest U2 - mikrokontroler EFM32TG110 od firmy Silicon Labs, który ma wbudowany przetwornik DAC. Układ scalony U1 to podwójny wzmacniacz operacyjny, U1A pracuje w konfiguracji wtórnika napięciowego, natomiast U1B w konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego. Steruje on stopniem otwarcia tranzystora Q1, od czego bezpośrednio zależy prąd, jaki jest pobierany z zasilacza. Rezystorem pomiarowym jest R11, dostarcza odpowiednie sprzężenie zwrotne do wzmacniacza U1B. Testowany zasilacz podłączany jest do złączy J3 (strona gorąca) oraz J1 (masa). Układ U3 to konwerter UART-USB, natomiast J4 jest złączem USB.

Rysunek 2. Schemat elektryczny

Aplikacja sterująca

Na rysunku 3 pokazany jest interfejs użytkownika - prosta aplikacja okienkowa przygotowana specjalnie dla tego projektu. W lewej górnej ćwiartce należy wprowadzić numer portu szeregowego, do którego podłączone jest urządzenie, oraz prędkość transmisji (domyślnie 19200 kbps). W prawej górnej ćwiartce znajduje się pole do wprowadzania oczekiwanego natężenia prądu (rozdzielczość wynosi 10 mA) oraz przyciski umożliwiające załączenie i wyłączenie obciążenia. Na dole okienka znajduje się terminal portu szeregowego, który wyświetla odpowiedzi otrzymane od mikrokontrolera. Terminal może być używany również niezależnie - do komunikacji z innymi urządzeniami.

Rysunek 3. Widok okna aplikacji sterującej

Montaż

Zaprojektowana płytka PCB jest pokazana na rysunku 4, wymiary to 3×5 cm. Ścieżki znajdują się po obu stronach, natomiast elementy tylko na warstwie górnej. Złącze komunikacyjne zostało umieszczone w taki sposób, aby możliwe było bezpośrednie wpięcie do gniazda USB w komputerze. Zmontowany prototyp urządzenia pokazuje fotografia tytułowa. W trakcie montażu szczególnej uwagi wymagały układy scalone U2 oraz U3 - oba w obudowie QFN.

Rysunek 4. Schemat płytki PCB

Testy funkcjonalne

W celu sprawdzenia prawidłowego funkcjonowania układu wykonano następujące pomiary:

  • zmiana prądu obciążenia przy stałym napięciu testowanego układu zasilania. Rysunek 5 prezentuje wyniki pomiaru dla napięcia testowanego wynoszącego 3,3 V oraz prądu obciążenia zmienianego od 0,05 A do 1 A z krokiem 0,05 A.
  • zmiana napięcia testowanego układu zasilania przy stałym prądzie obciążenia. Rysunek 6 pokazuje wyniki pomiaru dla prądu obciążenia wynoszącego 200 mA oraz napięcia zmienianego od 1 V do 10 V z krokiem 0,1 V.
Rysunek 5. Wyniki pomiarów - zmiana prądu obciążenia przy stałym napięciu testowanego układu zasilania
Rysunek 6. Wyniki pomiarów - zmiana napięcia testowanego układu zasilania przy stałym prądzie obciążenia

Na obu oscylogramach kolorem żółtym oznaczono napięcie (2 V na działkę), natomiast kolorem zielonym przepływający prąd (0,2 A na działkę). Układ zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami - przepływ prądu utrzymany jest na jednakowym poziomie niezależnie od napięcia zasilania a zmiana natężenia jest precyzyjna i szybka.

Krzysztof Pawula
krzysiek790@wp.pl

Wykaz elementów:
Rezystory:
  • R1: 0 Ω SMD0603
  • R2, R4, R5: nie montować
  • R3, R7, R8, R14: 1 kΩ SMD0603
  • R6, R12: 1 Ω SMD603
  • R9: 200 Ω SMD0603
  • R10: 47 kΩ SMD0603
  • R11: 100 mΩ SMD0612 1,5 W
Kondensatory:
  • C1: nie montować
  • C2, C3, C7, C8, C15, C17, C21, C23: 100 nF SMD0603
  • C4: zamontować rezystor 0 Ω SMD0603
  • C5: 22 pF SMD0603
  • C6, C11, C22: 2,2 μF SMD0805
  • C9, C10, C18: nie montować
  • C12, C13: 10 nF SMD0603
  • C14, C16, C20: 4,7 μF SMD0805
  • C19: 1 μF SMD0603
Półprzewodniki:
  • D1: nie montować
  • D4, D5: nie montować
  • D9: LED SMD0603
  • Q1: IRFH8330
  • U1: MCP6422E
  • U2: EFM32TG110F32
  • U3: CP2102N
Inne:
  • L1, L2: koralik ferrytowy, SMD0603
  • F1: bezpiecznik 0,2 A SMD1206
  • SW1: mikroswitch 3×6
  • J2: goldpin 2×5
  • J4: złącze USB męskie typu A
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
styczeń 2020
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio październik 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów