Electronic DC load

[finos]

Σήμερα θα σας παρουσιάσω ένα DC φορτίο που σχεδίασα και κατασκευάσαμε παρέα με κάποιους συνάδελφους από τη σχολή!

Κατά τη σχεδίαση και κατασκευή ενός γραμμικού εργαστηριακού τροφοδοτικού, βρέθηκα να χρειάζομαι έναν τρόπο να τραβήξω, μια σταθερή τιμή ρεύματος από το υπό δοκιμή κύκλωμα για να ελέγξω διάφορες παραμέτρους. Αν η σταθεροποίηση είναι καλή , εάν φέρνει θόρυβο κτλ. Ενώ ταυτόχρονα έχω μια σχετικά καλή ακρίβεια στον έλεγχο αυτής της τιμής. Το να έβαζα παράλληλα αντιστάσεις ισχύος ήταν απλά εκτός συζήτησης γιατί και δε θα μπορούσα ευκολά να ελέγχω το ρεύμα που θα περνούσε από αυτές αλλά και δεν θα είχα τη απαιτούμενη ακρίβεια καθώς όσο θερμαινόταν οι αντιστάσεις θα άλλαζε και τη τιμή αντίστασής τους αρά θα μεταβαλλόταν και το ρεύμα που τις διαρρέει.

Τότε αποφάσισα να σχεδιάσω ένα DC φορτίο . Το οποίο με τη ενσωμάτωση ψηφιακού ελέγχου, προσφέρει περισσότερες λειτουργίες από απλά τη ρύθμιση του επιθυμητού ρεύματος.:
Συνημμένο Αρχείο 87509


Μερικά από τα χαρακτηριστικά του οργάνου είναι τα παρακάτω:

• 40VDC /20 A, Μέγιστη συνεχομένη ισχύς 700 W peak 800W

• Ανάλυση ADC: 0.01 mV, 0.1 mA

• Ανάλυση DAC: 0.1 mV, 0.1 mA

• 4 στατικές λειτουργίες: CC, CV, CR, CP

• Ανάλυση μπαταριών (χωρητικότητα , εσωτερική αντίσταση)

• Overvoltage, Current, Power, Temperature Protection

• Ενσωματωμένο LxI/LAN με υποστήριξη εντολών SCPI για datalogging από εφαρμογή στο PC.

Η κατανάλωση του ρεύματος γίνεται από μια συστοιχία τεσσάρων irfp3206pbf N-Channel mosfet τα οποία είναι συνδεμένα σε Τελεστικό ενισχυτή LM358 στη διάταξη "voltage controlled resistor" ανά 2 παράλληλα,
διαμορφώνοντας έτσι 2 «κανάλια» ελέγχου.


Τον ψηφιακό έλεγχο τον αναλαμβάνουν 2 12bit MCP4725 DAC, η έξοδος από το κάθε ένα συνδέεται με τη αντίστοιχη μη αναστρέφων είσοδο της διάταξης του τελεστικού , και προσφέρει μια πολύ καλή ακρίβεια κάτω από το mA,
Για το feedback της τάσης και του ρεύματος χρησιμοποιήσαμε το 16Bit ADC ADS1115
Για τη μέτρηση του ρεύματος τη αναλαμβάνει το ACS712 , κρίθηκε απαραίτητη η χρήση hall effect αισθητήρα για διάφορους λογούς , αρχικά μέγεθος και τη θερμότητα που θα είχαμε να διαχειριστούμε από μια current shunt αντίσταση, το κόστος της καθώς και το drift. Από τη εμπειρία μου με αυτό το ολοκληρωμένο δε είχα ποτέ τα παραπάνω θέματα και για άλλη μια φορά μας έβγαλε ασπροπρόσωπους.

Η διαχείριση της εκλυόμενης θερμότητας σε αυτό το project ήταν πραγματικά ένας εφιάλτης, Η χρήση mika για απομόνωση του transistor από τη ψήκτρα δεν ήταν επιλογή καθώς η θερμική αντίσταση της ήταν αρκετά υψηλή οπού μας κατέστρεφε τα transistor . Τελικά καταλήξαμε στο να αφήσουμε να έχει κατευθείαν επαφή το mosfet με το μέταλλο , προσέχοντας να είναι καλά μονωμένη η ψήκτρα από το σασί μαζί με αισθητήρες θερμότητας στις ψήκτρες οι οποίοι θα κόψουν το test εάν η θερμοκρασία ανεβεί επικίνδυνα . Για προστασία και του οργάνου αλλά και του DUT καθώς τα mosfet αποτυχαίνουν ως βραχυκύκλωμα , Συνταγή της επιτυχίας για να κάψεις τροφοδοτικά κλπ. εάν δε υλοποιήσεις προστασίες.


Η μέτρηση τάσης πραγματοποιείται μέσα από έναν διαιρέτη τάσης με αντιστάσεις ακρίβειας , καθώς επίσης έχουν προσδεθεί και clamping diodes για προστασία του ADC από ανεπιθύμητες ή ανάστροφες τάσεις.
Φυσικά υπάρχει η επιλογή για εξωτερικό voltage sensor , που μας επιτρέπει να μελετάμε τη επίπτωση της πτώσης τάσης πάνω στα καλώδια .

Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιήσαμε είναι το καινούριο , ATMega4809 συσκευασμένο και συμβατό με το πακέτο του Arduino nano με τη καινούρια ονομασία Arduino Nano Every.
Ο λόγος που επιλέχθηκε αυτός ο mcu αντί του κλασικού atmega328p είναι η υπερδιπλάσια Ram & flash που προσέφερε και χρειαζόμασταν για το project .

schematics , κώδικα καθώς κι εξτρα φωτογραφίες μπορειτε να τις βρειτε στο github του project

[SProg]

Μία ερώτηση, εφόσον 'ουσιαστικά' υπάρχει shunt-resistor στο κύκλωμα για την οδήγηση των Mosfets, γιατί δεν βάλατε μία (όχι 4) αντίσταση ακριβείας με ένα current sense amplifier αλλά επιλέξατε να βάλατε ένα hall sensor με output error 1.5% για τη μέτρηση του ρεύματος;

Για τη μέτρηση του ρεύματος τη αναλαμβάνει το ACS712 , κρίθηκε απαραίτητη η χρήση hall effect αισθητήρα για διάφορους λογούς , αρχικά μέγεθος και τη θερμότητα που θα είχαμε να διαχειριστούμε από μια current shunt αντίσταση, το κόστος της καθώς και το drift. Από τη εμπειρία μου με αυτό το ολοκληρωμένο δε είχα ποτέ τα παραπάνω θέματα και για άλλη μια φορά μας έβγαλε ασπροπρόσωπους

Δυστυχώς, τα παραπάνω δεν ισχύουν. Άλλοι είναι οι λόγοι που επιλέγουμε hall-sensors σε εφαρμογές.

[finos]

Μία ερώτηση, εφόσον 'ουσιαστικά' υπάρχει shunt-resistor στο κύκλωμα για την οδήγηση των Mosfets, γιατί δεν βάλατε μία (όχι 4) αντίσταση ακριβείας με ένα current sense amplifier αλλά επιλέξατε να βάλατε ένα hall sensor με output error 1.5% για τη μέτρηση του ρεύματος;


Δυστυχώς, τα παραπάνω δεν ισχύουν. Άλλοι είναι οι λόγοι που επιλέγουμε hall-sensors σε εφαρμογές.

Ξερω πως τα hall effect sensors εχουν ιδιότητες που εμεις δε κάνουμε χρήση εδώ , όπως πχ γαλβανική απομόνωση και για να είμαι ειλικρινείς αυτό που αναφέρεις (τη χρήση Τελεστικού για τη μέτρηση του ρεύματος από τις shunt ) το σκεφτήκαμε «στη μεση» του prototyping , αλλά καθώς η πλακέτα ειχε ηδη προχωρήσει πάρα πολύ , δε μπορούσε να γινει αλλαγή .


Πάντως βάζοντας διπλά το χειροποίητο όργανο από 5 ½ Πολύμετρο για να ελέγξουμε ακρίβεια και αξιοπιστία δε μπορώ να πω πως είχαμε σφάλμα στη μέτρηση .

[744]

Στο σχέδιο με τα τροφοδοτικά, το U3 κανονικά πρέπει να βγάζει 3.3v και όχι 5v. Μήπως αυτά τα δύο +5v είναι ενωμένα σε σημεία που δεν πρέπει;

Πέρα από αυτή τη σημείωση, ένα μεγάλο μπράβο για το project.

Ερώτηση: από πόσο ρεύμα και τάση ξεκινά να λειτουργεί το φορτίο;

[nestoras]

Συγχαρητήρια για την ολοκληρωμένη κατασκευή και παρουσίαση!
Μπράβο Βαγγέλη!

Για την παρατηρηση του 744, μαλλον εχει γινει καποιο λάθος στα net names αλλιώς παρακάμπτεται εντελώς ο ldo.

[andrewsweet4]

Έφτιαξα και εγώ κάτι παρόμοιο σαν τη διπλωματική μου στο μεταπτυχιακό, με τη διαφορά πως το δικό μου φορτίο ήταν σχεδιασμένο να εξάγει χαρακτηριστικές καμπύλες από φωτοβολταικά πάνελ. Επίσης το user interface το είχα απομακρυσμένα από οθόνη αφής στο δικό μου. Μια ερώτηση: όπως είναι συνδεδεμένα τα τελικά mosfet του φορτίου σου ανα 2, δεν παρατηρείς διαφορά στο ρεύμα που διαρρέει το καθένα mosfet του ζευγαριού; Εγώ είχα ένα τέτοιο θέμα και το έλυσα με active κυκλωματάκι στις πύλες των φετ για εξισορρόπηση φορτίου μεταξύ τους.
Παραθέτω και ένα σχηματικό από το δικό μου.