При ремонте промышленных зарядных устройств (ЗУ), а также при разработке своих собственных ЗУ часто возникает потребность в имитаторе аккумуляторной батареи для отладки и проверки исправности устройства. Конечно, можно использовать для этого и реальные аккумуляторы, но это не всегда удобно. По нескольким причинам:
Аккумуляторы заряжаются и разряжаются достаточно медленно, поэтому, чтобы проверить поведение устройства при крайних значениях уровня заряда батареи, приходится долго ждать и при этом необходимо находиться рядом с испытуемым устройством чтобы не упустить нужный момент.
Реальные аккумуляторы являются накопителями энергии и при их существенной емкости представляют серьезную опасность при нештатных ситуациях, например, при коротком замыкании их клемм. Литиевые аккумуляторы, например, могут воспламениться и устроить серьезный пожар.
Тяговые аккумуляторные батареи, помимо вышеперечисленных пунктов, также имеют существенные габариты и вес, из-за чего их можно перемещать только с применением специальной техники. Что не очень удобно, поскольку обычно место ремонта аппаратуры находится далеко от места эксплуатации такой техники.
Имитаторы аккумуляторных батарей вполне себе производятся промышленно. Но это не самые ходовые приборы, потому они стоят существенно и достаточно редки. Поэтому изготовим такой прибор самостоятельно из доступных деталей.
В моем случае необходим эквивалент тяговой свинцовой аккумуляторной батареи напряжением 24 В для ремонта ее зарядного устройства, которое выдает зарядный ток до 30 А. Нетрудно подсчитать, что при максимальном напряжении на батарее 30 В и максимальном зарядном токе, устройство должно рассеивать мощность порядка 900 Вт.
В радиолюбительской практике для изготовления различного рода нагрузок и эквивалентов издревле применяют обычные резисторы. Если включать резисторы последовательно и параллельно, комбинируя их в различные схемы, можно относительно легко подобрать нужное сопротивление под определенную рассеиваемую мощность. Мной когда-то давно были изготовлены подобные нагрузки (на фото ниже) для испытания самодельных усилителей мощности. Нагрузка состоит из четырех секций по 10 двухваттных резисторов в каждой. Резисторы сопротивлением 10 Ом, соответственно, сопротивление одной секции – 1 Ом. Секции соединены последовательно, поэтому сопротивление всей сборки – 4 Ом (это одно из самых часто встречающихся сопротивлений акустических систем). Поскольку, ко всем резисторам есть свободный доступ, подпаиваясь проводами к разным точкам нагрузки можно получить сопротивления как 4, так и 3, 2 и 1 Ом. А если соединить концы нагрузки вместе и подключиться в середине, можно получить 0,5 Ом и даже 0,25 Ом (когда все секции включены параллельно). Очень удобная получилась штука, пользуюсь ими постоянно вот уже пару десятков лет.
Нагрузка обдувается вентилятором. Вентилятор может питаться от самой нагрузки, для этого стоит мостовой выпрямитель на ультрабыстрых диодах. Единственный момент – при измерении КНИ усилителя с такой нагрузкой, выпрямитель вентилятора необходимо отключать, так как нелинейность диодов вносит существенную погрешность в этом виде измерений. Номинальная мощность такой нагрузки – 40 х 2 Вт = 80 Вт, но благодаря принудительному обдуву она вполне может рассеивать и больше. Я полагаю, что даже мощность 100 – 120 Вт для нее будет вполне терпимой.
Однако, для рассеивания мощности в 1 кВт даже двух таких нагрузок будет совершенно недостаточно. Необходимо, как минимум, десять. Для десяти нагрузок придется приобрести 400 двухваттных резисторов, при цене за штуку 10-15 рублей, выглядит не очень бюджетно. И это не считая еще покупки вентиляторов и затрат на сборку всего этого. Если использовать мощные керамические резисторы, у них цена порядка 20-30 р за 10 Вт, их потребуется только 100, что уже выглядит выгоднее. Использовать мощные резисторы с ушками для крепления к радиатору вообще невыгодно, у них цена в разы больше, порядка 200 р за 25 Вт и порядка 800 за 100 Вт (примерные цены взяты с сайта чип-дип на текущий момент).
Да и вообще, использовать резисторы не очень удобно, поскольку аккумуляторная батарея, в отличие от простой нагрузки, обладает собственной ЭДС и чтобы ее сымитировать, необходимо подавать на резисторную сборку минимально необходимое напряжение для старта ЗУ, то есть, нужно иметь в наличии еще и источник питания, способный выдавать мощность, сравнимую с мощностью самого зарядного устройства. Такой источник питания не у каждого имеется под рукой.
Поскольку зарядные устройства по отношению к аккумуляторной батарее всегда являются источником тока (обеспечивают стабильный ток при зарядке), то имитатор батареи должен вести себя как стабилизатор напряжения. Грубо говоря – стабилитрон. Но стабилитронов на такую мощность я ни разу не встречал.
А на чем еще можно рассеять такую мощность, кроме резисторов? Например, на транзисторах. В интернете можно нагуглить такую схему имитатора мощного стабилитрона на биполярном транзисторе.
Схема проста, состоит из нескольких деталей и работает следующим образом: пороговым элементом является управляемый стабилитрон TL431. Делителем R1/R2 задается напряжение его открывания. Как только напряжение в точке их соединения превысит 2,5 В, стабилитрон откроется и свом током откроет мощный биполярный транзистор. Открытый транзистор, забирая на себя часть тока, будет стремиться уменьшить напряжение на делителе. Таким образом, напряжение стабилизируется.
Однако, в нашем случае необходимо рассеять мощность порядка одного киловатта, а биполярные транзисторы плохо с этим справляются. Типичный максимальный ток силового биполярного транзистора – 10…15 А, а типичная максимальная рассеиваемая мощность (в обычных корпусах типа ТО-220 и ТО-3) – 100…150 Вт. Иными словами, для рассеивания такой мощности нужно как минимум 10 штук таких транзисторов, огромного размера радиатор и обязательно надо заморочиться с тем, чтобы ток поделился между всеми транзисторами поровну, вне зависимости от разброса их параметров и особенно, температуры. Хорошо хоть такие транзисторы стоят недорого. Например, очень популярный 2N3055 (NPN, 60 В, 15 А, 115 Вт) стоит всего около 70 р. Правда, его корпус ТО-3 не очень удобный, но если есть большое количество радиаторов от старой советской техники, этот вариант можно и рассмотреть.
Гораздо лучше ситуация с рассеиваемой мощностью у полевых транзисторов. У многих экземпляров в корпусах ТО-3PN и To-247 заявляется мощность до 300…400 Вт и даже больше. Но тут необходимо смотреть даташит, а конкретно, на область безопасной работы при постоянном токе. Часто она очень мала и в нее даже не попадает наше относительно низкое напряжение 30 В. Если выбирать высоковольтные экземпляры, то там уже лучше. Например, транзистор SPW47N60CFD (600 В, 46 А, 417 Вт) как раз имеет подходящую для нас область безопасной работы (см. график). Если, к примеру, взять 3…4 таких транзистора, вполне можно попробовать рассеять киловатт. Но, опять же, для транзисторов необходим радиатор циклопических размеров и к нему в придачу такого же размера вентиляторы, чтобы удержать температуру в пределах 100 градусов на кристалле.
Вот схема, похожая на предыдущую, но с использованием полевого транзистора. Работает аналогично, только открывшийся биполярный транзистор открывает за собой еще и полевой, который и рассеивает на себе основную мощность.
Поигравшись немного с полевиками, этот путь был признан бесперспективным. Вообще, рассеивание тепла на активных электронных полупроводниковых компонентах, работающих в линейном режиме – бесперспективный путь. Во-первых, потому что надо очень серьезно заморачиваться с отводом тепла, иначе полупроводник перегреется и выйдет из строя. Затем необходимо заморачиваться с режимом работы прибора. Не допускать самовозбуждения и неравномерного распределения тока между отдельными компонентами, работающими параллельно. А это очень сильно усложняет схемотехнику. Ну и в третьих, это все хозяйство занимает очень много места, а хотелось бы иметь небольшое приспособление, которое можно было бы расположить на рабочем столе рядом с ремонтируемым устройством. Полупроводники в линейном режиме подойдут для совсем уж маломощных устройств.
Поэтому я начал искать, на чем еще можно рассеять такую мощность. Прежде всего, можно использовать различные нагревательные устройства – лампы накаливания, электрокомфорки, ТЭНы, обогреватели. Если лампы накаливания на мощность более 100 Вт сейчас найти проблематично, то остальные приборы – вполне реально и часто даже бесплатно, в составе неисправной бытовой техники. Электрокомфорка, у которой перегорела одна спираль, в быту уже бесполезна, а как нагрузка вполне сгодится. Единственный момент, который все портит – все эти нагреватели рассчитаны на питание от сети 230 В и имеют соответствующее этому напряжению довольно высокое активное сопротивление. Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения, то при нашем напряжении батареи 24 В, рассеиваемая мощность получается крошечной. Необходимо как-то или коммутировать различные нагревательные элементы в параллель, чтобы получить сопротивление пониже или повышать напряжение каким-либо преобразователем. Мне показался перспективным второй вариант.
А в качестве нагревателя я применил нагревательный элемент от малогабаритной стиральной машинки, когда-то выпускавшейся горьковским автозаводом (!!!). Эта машинка, помимо сложной механики и хитрой автоматики, имела еще и встроенную сушку. И этот нагревательный элемент как раз от нее. Он имеет мощность 900 Вт и размеры всего 110х55х35 мм. Разумеется, при такой мощности в таком объеме этот нагреватель необходимо интенсивно продувать воздухом, но это не составляет проблемы. С этим справляется обычный 24-вольтовый вентилятор 120х120мм. Аналогично, можно было бы применить нагреватель от сломанного бытового или промышленного фена. В них нагреватель также весьма компактный, достаточно мощный, и идет уже в сборе с вентилятором.
Осталась одна проблема – как преобразовать киловатт мощности напряжением 24…30 В в 220 В. По сути, не сказать что это задача со звездочкой. Такие преобразователи широко распространены в виде источников бесперебойного питания (ИБП) и походных инверторов. Последние не используют тяжелых и громоздких железных трансформаторов, а используют более легкие и компактные ферритовые трансформаторы. И преобразование происходит не на частоте сети 50 Гц, а значительно выше. Это напряжение потом выпрямляется в постоянное ~310 В и из него транзисторными ключами уже формируют переменное с частотой 50 Гц. Сейчас часто встречаются модели, даже формирующие чистый синус на выходе.
Но нам чистый синус не нужен. И переменный ток 50 Гц тоже. Даже выпрямлять высокочастотное напряжение не обязательно. Нагрузку можно подключить напрямую к повышающему трансформатору. Благодаря этому схему можно сильно упростить. В результате получилась такая схема:
Повышающий преобразователь собран на широко распространенной микросхеме TL494 (DA3) по прямоходовой схеме. Микросхема управляет силовыми ключами VT2 – VT5 через драйверы DA3, DA4. Ключи коммутируют обмотки трансформатора TV1. Трансформатор взят готовый из неисправного зарядного устройства и включен наоборот. Поскольку в исходной схеме трансформатор был включен в полумост, его коэффициент трансформации все равно получился меньше необходимого. Из-за чего нагрузку (R28) пришлось немного доработать. Исходно, ее сопротивление составляло 50 Ом. Я соединил концы спирали вместе к одному выводу, а вторым выводом подключился в середине. Результирующее сопротивление теперь составило 12,5 Ом. Теперь нагреватель может работать при напряжении 115 В, а именно такое напряжение получается снять с трансформатора. Демпферная цепочка С36R26 гасит выбросы самоиндукции трансформатора. Но даже при ее наличии, необходимо выбирать транзисторы VT2 – VT5 с допустимым напряжением на стоке не менее 100…150 В. Я взял транзисторы FTP23N10A из неисправного 24-вольтового компьютерного ИБП. Их параметры не впечатляют, 100 В, 57А и 23 мОм сопротивление открытого канала, поэтому поставил их по 2 шт в каждое плечо. До этого я пробовал IRFP4110, но с ними мне не повезло - попались контрафактные, с сопротивлением канала даже бОльшим, чем у FTP23N10A. При коэффициенте трансформации К=5, сопротивление нагрузки 12,5 Ом превращается в 0,5 Ом для транзистора. Поэтому коммутирующие транзисторы необходимо выбирать с сопротивлением открытого канала не более 5…10 мОм и с максимальным током не менее 100…120 А. Разумеется, эти транзисторы необходимо установить на приличного размера радиатор, а сам радиатор расположить так, чтобы его обдувало потоком воздуха от вентилятора.
Преобразуемое напряжение подается на среднюю точку трансформатора через фильтр. Фильтр необходим для сглаживания потребления тока преобразователем. Поскольку преобразователь работает на высокой частоте и нагружаемое им устройство также работает на высокой частоте, они не должны никак влиять друг на друга. Фильтр из индуктивности L1 с конденсаторами С19, C23, C26, С33 фильтруют высокочастотные помехи, а батарея электролитических конденсаторов C17, C18, C24, C25, C31, C32, C34, C35 фильтрует низкочастотные флуктуации. Мощный дроссель L1 и конденсаторы также взяты готовые из неисправного ЗУ. Мотать различные катушки и трансформаторы – к этому у меня давняя нелюбовь.
Логика работы обратной связи преобразователя как нагрузки отличается от таковой у обычного преобразователя. У обычного преобразователя обратная связь заводится с выхода и настраивается так, чтобы поддерживать на выходе стабильное напряжение или ток. Здесь же необходимо реализовать функцию ограничения напряжения на входе. При напряжении меньше некоторого порогового преобразователь должен быть выключен. При повышении напряжения выше порогового, преобразователь должен включаться и увеличивать скважность импульсов, нагружая вход так, чтобы напряжение на нем больше не росло. Для этого на плюсовой вход второго компаратора микросхемы TL494 подается опорное напряжение 5 В, а на минусовой вход – напряжение с делителя входного напряжения. Делитель образован резисторами R5, R6, R11, R14 и R1. R11 и R14 – переменные для грубой и точной установки напряжения. R1 подключается дополнительно тумблером. Если он подключен, то диапазон регулировки напряжения примерно 19…33 В, то есть, для имитации 24-вольтовых батарей. Если резистор отключен, то диапазон становится 10…15 В для имитации 12-вольтовых батарей. Второй режим мне как бы не нужен был, но поскольку он реализуется лишь одним дополнительным резистором и тумблером, то почему бы его и не сделать.
Имитацию внутреннего сопротивления батареи можно регулировать резистором обратной связи R7. Чем меньше его сопротивление, тем батарея «мягче», ее «сопротивление» больше. Это важно для тех зарядных устройств, которые заряжают пульсирующим током сетевой частоты.
А что будет, если на преобразователь будет подана мощность больше той, что он может преобразовать? В этом случае стабилизация перестанет работать, напряжение будет расти до тех пор, пока не сработает защита, о которой подробнее будет рассказано далее.
Микросхема TL494 питается от 12 В стабилизатора на DA1. От этого же стабилизатора питается узел защиты на микроконтроллере. На стабилизатор подается напряжение 15В от DC/DC преобразователя на стандартном модуле на основе LM2596. Напряжение 15 В также питает 24-вольтовый вентилятор. При этом напряжении вентилятор уже достаточно сильно дует и пока еще не так громко шумит. Это напряжение можно регулировать в небольших пределах DC/DC модулем, это никак не скажется на остальной схеме. DC/DC модуль питается от напряжения около 40 В.
Напряжение для имитации ЭДС батареи создается вторым DC/DC преобразователем. Этот преобразователь с помощью простой схемки на одном транзисторе превращен в источник тока порядка 0,5 А. Такого тока вполне достаточно чтобы зарядные устройства «почуяли» батарею. Напряжение питания 40 В берется от готового блока питания из какого-то вышедшего из строя лазерного МФУ.
Блок защиты, помимо самой защиты еще осуществляет индикацию текущих тока, напряжения, вычисляет мощность и считает ампер-часы. Напряжение измеряется обычным резистивным делителем. Ток – с помощью специальной микросхемы-усилителя напряжения шунта INA240. Напряжение и ток после простейших RC-фильтров оцифровываются встроенным АЦП. Поскольку и напряжение и ток не всегда могут быть постоянными, оцифрованные значения прогоняются через вычислитель RMS (средне-квадратичное значение). Если один из параметров – напряжение, ток или мощность выйдут за уставку, микроконтроллер на выход 10 выдаст логический 0, который заглушит преобразователь. При этом на экране зафиксируются последние измеренные цифры, а тот параметр, по которому произошло срабатывание защиты, начнет мигать. Выйти из этого состояния можно по нажатию кнопки «Сброс» на плате микроконтроллера. ПО доступно на гитхабе.
Поскольку устройство разрабатывается как приспособление, в единственном экземпляре, оно собрано из подручных деталей на нескольких небольших макетных платах.
Вопросы и замечания прошу писать в комментариях.
Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩
Перед оплатой в разделе «Бонусы и промокоды» в панели управления активируйте промокод и получите кэшбэк на баланс.
