Obciążenie aktywne z regulowanym prądem – moduł z Chin

Bohaterem tego materiału, będzie dość przydatny moduł w warsztacie elektronika – obciążenie aktywne. Teoretycznie urządzenie nie jest niezbędne, ale bardzo łatwo je docenić, gdyż w wielu sytuacjach zapewnia komfort pracy.

Obciążenie aktywne – do czego?

Ta część opisu przeznaczona jest dla elektroników (i nie tylko), którzy nie mają pomysłu na zastosowanie modułu. Otóż wcześniej czy później spotkamy się np. z zasilaczem, który niby działa, ale po podpięciu pod niego jakiegoś urządzenia, dzieją się cuda. Inny przykład to ładowarka do telefonu z wypinanym kablem – podczas ładowania cyklicznie rozłącza ładowanie. Albo uruchamiamy zasilacz laboratoryjny i sprawdzamy jak działa stabilizacja (ograniczenie) prądu, czy po prostu chcemy skalibrować amperomierz. lub zmierzyć pojemność akumulatora.

I zaczyna się kombinacja z dymiącymi rezystorami, parzącymi żarówkami H7 i innymi wynalazkami, Do tego jeszcze podłączone multimetry – jeden mierzący napięcie, drugi prąd. Przerabiałem to. Byłem już na etapie rozpoczęcia budowy sztucznego obciążenia z regulacją prądu, ale natrafiłem na gotowy moduł z aliexpress. Urządzenie umożliwia regulację prądu do 20A, przy czym moc strat to 150W.

Obciążenie aktywne z regulacją prądu

Obciążenie aktywne kupiłem w sklepie Hidance, który się specjalizuje w sprzedaży różnych modułów elektronicznych. W 2018 roku po przeliczeniu na złotówki zapłaciłem 90 zł. Link jest nadal aktywny, więc podaję zainteresowanym: https://bit.ly/2JUyYHH

Po kilku tygodniach dostałem paczkę, a w niej:

W paczce znajdował się sam moduł, zasilacz 9V/1A, krokodylki na krótkich kablach z pocynowanymi końcówkami do przykręcenia, krokodylki z wtykiem USB.

Od spodu wygląda to tak:

Sądząc po parametrach, tj. 150W, 20A, 200V przypuszczam, obciążeniem jest tranzystor IRFP240N. Jest to dość tani mosfet z kanałem n w obudowie TO-247. Jeśli ktoś już próbował wartości granicznych i wymieniał tranzystor, niech podzieli się w komentarzu co dokładnie tam siedzi :).

Tranzystor jest chłodzony radiatorem z wentylatorem przeznaczonym pierwotnie wprost do procesora, nie wiem dokładnie w jakim slocie. Punkt dla chińczyków za wykorzystanie gotowych rozwiązań. Na ekranie LCD mamy informację o temperaturze, a sam wiatrak kręci się z prędkością zależną od obciążenia.

Obciążenie aktywne – jak to działa?

Układ, prócz zgrubnej regulacji prądu 0-max (górny potencjometr) oraz precyzyjnej w zakresie 0-3A (dolny), posiada przycisk do nastaw ograniczeń i wyświetlacz parametrów. Na płycie jest też mikrokontroler, który mierzy prąd i napięcie oraz wylicza na ich podstawie watogodziny (Wh), ilość pobranych amperogodzin (Ah), rezystancję obciążenia (Ω) i moc (W).

Dodatkowym, niewątpliwym plusem jest możliwość ustawienia ograniczeń. Może od początku – zaraz po włączeniu widzimy ekran z opisem parametrów po chińsku, po przyciśnięciu przycisku, przechodzimy do kolejnego ekranu z opisami po angielsku (nr 1), znajdziemy tam napięcie, prąd, pojemność (Ah), Watogodziny (Wh), temperaturę radiatora i czas. Kolejne wciśnięcie to ekran (nr 2) z napięciem i prądem wypisanych dużą czcionką i reszta jak wyżej. Kolejne wciśnięcie to duża czcionka prądu i napięcia, moc, pojemność, energia, czas, temperatura i rezystancja obciążenia. Wciskamy znowu i mamy już ustawiania, BL:ON – podświetlenie (backlight) włączone pełną mocą, wciśnięcie długie zmniejsza wartość, podwójne szybkie wciśnięcie zwiększa.

Następny ekran (nr 5) to górne ograniczenie napięcia – układ wyłączy obciążenie, gdy napięcie wejściowe będzie większe niż ustawiona wartość. Na zdjęciu jest to 300V, ale radzę ustawić znacznie mniej, wg specyfikacji nie powinno to być więcej niż 200V. Kolejny ekran to przydatna opcja przy badaniu akumulatorów – napięcie, poniżej którego nastąpi wyłączenie obciążenia – na zdjęciu jest to 10,5V bo badałem akumulator samochodowy, ale może to być np. 3V dla ogniw Li-ion. Ustawia się to tak samo niewygodnie jak podświetlenie – długie przytrzymanie przycisku zmniejsza wartość, szybkie podwójne wciśnięcie zwiększa. Kolejny parametr to maksymalny prąd – ustawmy 20A, bo chwila nieuwagi i będziemy szukać tranzystora ;). Następny, równie istotny to moc strat, wg specyfikacji powinno to być 150W, proponuję ustawić nieco mniej, np. 120W, tym batdziej że chłodzenie poradzi sobie z mocą około 100W, później temperatura zaczyna niebezpiecznie rosnąć.

Warto powiedzieć nieco więcej o mocy strat. Definiuje ona jakie napięcie możemy doprowadzić do obciążenia i jakim prądem obciążyć. Teoretycznie górne granice to 200V i 20A, ale to daje w sumie 4000W, a możemy tylko 150W. Zrobiłem prosty wykres mocy, na którym odwzorowana jest zależność napięcia i prądu. Przestrzeganie tych wartości wydłuży życie tranzystora :).

Z wykresu wynika, że prąd 20A możemy ustawić dla napięcia od 0 do 7,5V. Wraz ze wzrostem napięcia prąd maleje, dla 15V będzie to 10A, dla 30V 5A, a dla granicznych 200V możemy ustawić prąd 0,75A – oczywiście w teorii.

Badane źródło prądu możemy podłączyć na kilka sposobów:

• złącze śrubowe,
• gniazdo USB A
• gniazdo mini USB
• gniazdo micro USB
• gniazdo USB C
• gniazdo 5,5/2,1mm

Daje nam to możliwość pomiaru np. rezystancji kabli do ładowania telefonów. a wierzcie mi, te tanie nadają się tylko na sznurówki, bo przy 1A napięcie na przewodzie może spaść np. o 3V!

Kolejna funkcja, to menu serwisowe. By je wywołać, należy wcisnąć klawisz i dopiero wtedy podłączyć zasilanie. Z tego poziomu możemy skalibrować woltomierz i amperomierz (chociaż i bez tego są bardzo dokładne), jest też możliwość resetu do nastaw fabrycznych, możemy też ustawić ograniczenia opisane wyżej.

Zamiast korzystać z dołączonego zasilacza, możemy podpiąć do obciążenia ładowarkę do telefonu – obok gniazdka zasilania 5,5/2,1 jest gniazdo microUSB.

Załączam skan oryginalnej instrukcji, w języku angielskim: Instrukcja obsługi – obciążenie aktywne.

Obciążenie aktywne w akcji

Jak pisałem wcześniej, układem bez problemu sprawdzimy np. pojemność akumulatora. Dla typowego ołowiowo-kwasowego, samochodowego norma opisująca pojemność przewiduje rozładowywanie akumulatora prądem, który wynika z podzielenia pojemności nominalnej przez 20 godzin. Wziąłem 12 letni akumulator o pojemności 60Ah. Prąd obciążenia to 60Ah/20h=3A. Akumulator powinien być rozładowywany do napięcia 10,5V. Efekt końcowy – 42Ah, całkiem nieźle, jak na takiego staruszka :).

Inny przykład zastosowania to test zasilacza:

Test akumulatora żelowego pod obciążeniem, sprawdzenie, czy napięcie wyjściowe nie przysiada za mocno (rezystancja wewnętrzna akumulatora):

Reasumując – żarówki rezystory, multimetry na bok, teraz wszystko to można zrobić wygodnie za pomocą urządzenia za ok. 100zł.

Podsumowanie

Przez dwa lata korzystałem z tego modułu kilkadziesiąt razy. Jeśli podchodzi się do tego z głową, nic złego się nie wydarzy. Trzeba pamiętać o kilku rzeczach:

• przed podłączeniem obciążanego źródła należy skręcić potencjometry w lewe skrajne położenie (ustawienie minimalnego prądu),
• nie należy przekraczać maksymalnej mocy 150W,
• należy obserwować temperaturę tranzystora, jeśli dochodzi do 80ºC, należy przerwać obciążanie, lub zmniejszyć prąd,
• na radiatorze występuje napięcie dołączone do obciążenia, powyżej 30V może być odczuwalne mrowienie.

Moduł sam w sobie jest wygodny, jednak ustawianie parametrów za pomocą jednego klawisza już nie. Czasem zdarza się, że układ reaguje odwrotnie – przy dłuższym przyciśnięciu klawisza zwiększa wartości zamiast zmniejszać. Pomaga wtedy reset (odłączenie i podłączenie zasilania).

W sklepie HiDance na aliexpress znalazłem jeszcze nowszą wersję z kolorowym wyświetlaczem, komunikacją bluetooth i aplikacją na PC i android. Wersja 150W jest droższa od tej opisanej o 5$, warto więc rozważyć jej zakup: https://bit.ly/3eatarn wersja 180W kosztuje 39$. Nie miałem z nimi styczności, ale jeśli posiadają cechy pierwowzoru + komunikacja z pc/telefonem, to są warte swojej ceny.