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Autor Tema: Carga Electronica multiusos (Electronic Load)  (Leído 8973 veces)
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COSMOS
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Earth:\España\Asturias\Gijon


« : 26 de Enero de 2013, 14:22:02 »

Hola:

Hace años que se me ocurrió construir una carga electrónica, si bien por unas razones u otras no llegue ni siquiera a diseñarla.

A día de hoy y con algo de tiempo libre me he puesto a terminar dicho dispositivo ya que aunque no lo parece es muy útil para los aeromodelistas, pues con el podemos comprobar y hacer muchas actividades que ningún otro aparato es capaz de hacer, además con bastante precisión.

En principio el diseño lo hice con transistores MosFet, arrojando unos resultados bastante buenos, pero como todos sabemos no son los ideales para estas cosas, ya que como reguladores serie se comportan de manera mucho menos eficiente que los transistores Bi-Polares, haciendo el diseño final en torno a estos, y con componentes muy asequibles y fáciles de encontrar, siendo asi fácil la localización de los mismos y además muy baratos.

Este dispositivo está diseñado de manera que se comporte como una carga resistiva variable o bien un regulador serie/paralelo en tensión. El circuito está construido en torno a una referencia de tensión TL431 que proporciona una tensión de referencia de 2,500V siendo de alguna manera el elemento principal o corazón del circuito ya que con ella se comparan bien la tensión o corriente que entran en sus bornes.

Al ser una carga regulable se pueden hacer muchas tareas que de otra forma necesitaríamos en algunos casos 3 dispositivos distintos. Por ejemplo se puede utilizar como regulador serie de alta potencia, (dependiendo de la tensión en algunos casos 20 A continuos), imaginemos que necesitamos tener una tensión de 12V y solo disponemos de una tensión continua de mas voltaje, pues el dispositivo en modo tensión nos hará de regulador serie tal y como lo haría una fuente de alimentación variable desde “0V” hasta el nivel que necesitemos, pudiendo manejar altas intensidades.

Por otro lado en el modo corriente se puede utilizar como regulador de corriente en serie para la carga de baterías, o bien conectado en paralelo se comportaría como una carga resistiva de hasta 20ª sirviéndonos para la carga (en modo serie) o bien para la descarga controlada de baterías (modo paralelo) ya que la intensidad es constante, si por ejemplo queremos probar las capacidades de las baterías podemos regular el dispositivo de manera que genere una carga constante de por ejemplo 2,0A con precisiones de 1 mA conectada en paralelo con la batería y haciendo los cálculos pertinentes en tiempo tensión y potencia sabríamos las capacidades de la batería en cuestión.

Otra aplicación, se comporta como un diodo Zenner de 20 A, pero de tensión constante, recordemos que si en caso de necesitar un regulador serie en modo corriente para la carga de una batería podremos conectar la carga en serie y asi regular la cantidad de corriente que fluye hasta la batería, cargándola en modo corriente constante.

Otra aplicación es la comprobación y ajuste de fuentes de alimentación, conectando esta carga en paralelo podemos ir ajustando la intensidad de consumo hasta llegar al límite de la fuente, de esta forma tendremos como ya cite una carga constante en la salida de la fuente con una precisión de 1 mA, que además no varía con la temperatura gracias a la referencia de tensión TL431 con la que se compara a través del operacional tanto la intensidad como la corriente, con ello a una intensidad próxima a la capacidad máxima de la fuente podemos medir el rizado y la caída de tensión, ya que como he dicho la carga se mantendrá en lo que se haya ajustado no variando como lo hacen las cargas resistivas puras que solemos utilizar para probar las fuentes de alimentación cuando estas alcanzan ciertas temperaturas, variando el consumo con relacion a la temperatura.

Hay un sinfín de utilidades más que le podemos dar, como la regulación de motores DC por ejemplo arrancadores o para hacer pruebas con baterías de mayor voltaje.  En si hay un montón de posibilidades que cada uno imagino sabrá darle según sus necesidades.



Todo el diseño en si está concebido para expandirlo en el futuro.

Se podrá disponer en futuras ampliaciones de:

2 Medidores digitales de tensión y corriente. También se podrá incorporar la posibilidad de medir la temperatura del paso final de los transistores. Incorporara la opción de poder medir la diferencia de tensión entre la entrada y la salida.

1 Entrada de modulación con el fin de probar fuentes bajo un consumo con pulsos variables (depende de la entrada de modulación).

1 Medidor basado en PIC que nos presentara en una sola pantalla tanto la tensión como la intensidad que estamos manejando.

Hay un montón de cosas más en el tintero que iré añadiendo en función del interés de los lectores.

Este diseño es totalmente de mi propiedad, por lo que si alguien quiere ponerlo en otros sitios públicos ha de hacerlo sin cambiar ni el contenido ni desligar la procedencia y autor.

Algunas fotos del prototipo final:



Esquema electrico:



Aqui el PCB lado pistas y algunos SMD.


Este es el layout de sus componentes cara superior.



Podeis descargar un PDF (4,7Mb) en formato alta resolucion de los diseños PCB y layout.https://www.dropbox.com/sh/wg6k9jvlv5rpka6/AABZyqHN9bVZLddNroZWBsvMa?dl=1


Espero sea de vuestro agrado y pregunteis vuestras inquietudes.

Saludos.

COSMOS.
« Última modificación: 22 de Julio de 2019, 14:32:14 por COSMOS » En línea

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« Respuesta #1 : 26 de Enero de 2013, 15:16:29 »

En este mensaje os dejo algunas fotos que creo hablan por sí solas, no haciendo comentarios sobre ellas si no es necesario, aunque si necesitáis alguna repuesta o queréis aconsejar alguna cosa agradecería que lo hicieseis.

Para el modo tensión se utiliza una referencia de tensión formada por el componente REF1 un TL431 que ataca la entrada negativa de IC1 A manteniendo una tensión constante en tal entrada, si nos fijamos en dicha configuración vemos que IC1A está funcionando en modo amplificador comparador tomando una referencia de la tensión de entrada después de L1 acondicionándola con el divisor de tensión formado por P2, RV2 y R14 y filtrándola y eliminando transitorios con C9 a la entrada positiva de IC1A y comparándola con la tensión de referencia, su funcionamiento es similar a una fuente de alimentación convencional, por lo que su explicación no va mas allá de lo que realmente es.

El modo corriente es aun más sencillo, ya que la tensión de referencia se toma a través de un potenciómetro P1 de la referencia de tensión, teniendo en la entrada positiva o patilla 5 de IC1 una tensión de referencia perfectamente estabilizada exenta de espureas y de rizado, utilizando la entrada negativa pin 6 como realimentación para su comparación con la entrada de la patilla 5, así en su salida habrá una tensión que maneja la base de T3 haciendo que conduzcan T4, T5 y T6 montados en paralelo o transistor emisor Ballast, formando los 4 transistores un Darlington de potencia, hasta que las entradas de IC1 estén igualadas, de esta manera aunque las resistencias R19, R20 y R21 calientan y varíen su valor IC1B siempre mantendrá la polarización correcta de T3 para conseguir la estabilidad en sus entradas, el funcionamiento es similar al descrito para la etapa de tensión constante. Para lograr más fiabilidad en las medidas de corriente se han montado las resistencias R16, R17 y R18 que toman la caída de tensión que se produce en R19, R20 y R21, de esta manera si la caída de tensión no es igual en cada una de las resistencias de potencia por medio de estas resistencias de 10 Ohm por así decirlo se hace una media logrando una buena linealidad en las medidas, en otros diseños solo se utiliza una en uno de los transistores no siendo de esta manera completamente lineal ni exacto.

Los transistores T1 y T2 funcionan en modo conmutación y su función es alimentar los LED de control a modo de información para que sea más fácil discernir el modo de funcionamiento que está activo en su momento, teniendo la particularidad de que si los potenciómetros de regulación están al mínimo el LED correspondiente estará apagado, encendiéndose en cuanto el circuito empiece a actuar.

Todo el circuito se alimenta con una tensión continua de al menos 15V con el fin de asegurar una buena regulación de REG1, al menos 3V por encima para una buena regulación, yo he empleado un alimentador conmutado de los utilizados en ordenadores personales que entrega unos 19,5V, la intensidad ha de ser suficiente para que el ventilador haga su trabajo sin achicar la alimentación, de ser así se generaran espurias y sobretensiones indeseables. También es válida la alimentación mediante un transformador de por lo menos 500mA alojado en la caja donde se monte la carga electrónica.

Después del interruptor ON/OFF hay un diodo 1N4002 o similar que conecta el ventilador casi a su máximo rendimiento, recordemos que tanto el evacuador de calor como el ventilador son los utilizados por los clásicos Pentium IV por el rendimiento bien probado que tienen y su “reducido tamaño” ya que los transistores T4, T5 y T6 no podemos dejar que su temperatura supere los 85~95º de ser así su rendimiento se verá afectado pudiendo destruirse.

Ya que el circuito va a calentar un poco al apagar el mismo se realimentara el ventilador por medio de R1 que su valor dependerá del ventilador utilizado y de su consumo, esto es así para evacuar calentones indeseables al desconectar el circuito y que refrigere por sí mismo, eligiendo esta resistencia de las de aproximadamente 1 o 2W de película metálica con el fin de que el ventilador funcione más o menos al 75% de su máximo valor alcanzado con el circuito conectado, así en pocos segundos haremos enfriar la carga si por necesidades le hemos hecho trabajar al límite de sus posibilidades.

Para la elección de T3, T4, T5 y T6 podemos elegir muchos transistores de la gama de baja tensión que manejan intensidades del orden (en algunos casos) de 25 A, si no disponemos de tales transistores nos servirá poner algunos en paralelo de características similares.
En mi caso he utilizado los BUV48A que creo que cumple más que de sobra con mis expectativas, sin ser ostentosos su funcionamiento y pretensiones y además muy asequibles y fáciles de encontrar.

Para los instrumentos de medida he utilizado 2 voltímetros del tipo más barato que he encontrado, su precio ronda los 6 u 8€ más o menos, dándole un aspecto más profesional y teniendo una visión de las medidas más fácil, para su alimentación se ha de utilizar una tensión aislada galvánicamente de la que han de medir no pudiendo compartir masas ni tensiones similares, para ello he utilizado un modulo de las antiguas tarjetas de RED que funcionaban con cable coaxial y llevan incorporado un convertidor de este tipo, su entrada son 5V y en su salida obtenemos 9V que se utilizan para la alimentación de los instrumentos digitales.

Para los que quieran utilizar instrumentos convencionales podemos excluir del montaje dicho convertidor y los componentes asociados.

Por supuesto si utilizamos instrumentos de aguja no tendremos la misma facilidad de lectura que con los digitales, pero son perfectamente utilizables si bien el amperímetro hemos de conectarlo en serie con el fusible o bien utilizar la conexión que hay en el circuito si se trata de un micro-amperímetro, en si el funcionamiento es perfectamente válido.
Para el fusible he optado por el tipo de automoción utilizando dos conectores Fast-On para hacer la conexión, recordemos que hemos de utilizar cables debidamente dimensionados para que las perdidas sean mínimas, así como para las conexiones externas, yo he utilizado cable de silicona utilizado en modelismo, es ignífugo y aguanta perfectamente intensidades de 30 y 40 A.

El conmutador S2 ha de ser imperativamente de 3 posiciones siendo una de ellas neutra o sin conexión y en los extremos seria, una corriente y otra tensión, se pueden utilizar perfectamente los rotativos, aunque yo he utilizado los del tipo de palanca comerciales.

En cuanto a la resistencia R16 hemos de construirla nosotros mismos, tendrá aproximadamente unos 0,1 o 100 mili Ohmios que podemos aproximar con algún multimetro que sea capaz de medir estos valores, aunque con una fuente de alimentación con regulación de intensidad y un multimetro podemos aproximarnos a su valor con bastante precisión. También podemos sustituirla por una resistencias de 1,0 Ohmios o 10,0 Ohmios con el fin de variar el alcance de las medidas que mas necesitemos aumentando por ello la resolución y la precisión de nuestra carga electrónica, así por ejemplo podemos medir y regular intensidades del orden de miliamperios que para algunos les vendrá más adaptado a sus necesidades, siempre y cuando las conexiones sean lo suficientemente dimensionadas para las intensidades que vamos a manejar.




















































Proximo Capitulo: Montaje y pruebas.

Saludos.

COSMOS.
« Última modificación: 22 de Julio de 2019, 14:57:51 por COSMOS » En línea

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« Respuesta #2 : 26 de Enero de 2013, 23:14:43 »

Cosmos, mis felicitaciones por tu proyecto!! Muy bien explicado y con todo detalle.
Espero poder leer pronto el siguiente "capítulo"...

Saludos.
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« Respuesta #3 : 28 de Enero de 2013, 00:13:43 »

Chapeau maestro !
Excelente trabajo. Espero con ansiedad el próximo capítulo.
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« Respuesta #4 : 29 de Enero de 2013, 01:44:48 »

Hola:

Claro que continuara, a diario estoy haciendo uso de ella, ya que como sabeis las cargas resistivas pasivas se calientan con el paso de la corriente y eso hace que tambien varie la intensidad por lo que ello no es valido para calibrar equipos de test, como multimetros amperimetros y en si todo lo relacionado.

En las actualizaciones inmediatas que hare sera ponerla dentro de una caja, con la alimentacion externa, para que si es utilizada en campo se pueda alimebntar con una Li-Po, ello implicara el cambio del ventilador para que sea capaz de refrigerar el paso final, pues realmente el resto del circuito a pesar de trabajar con 12V regulados tambien lo hace sin problema con 8V.

En mi caso y para utilizarla en laboratorio la alimentacion la hare con una fuente externa tipo a la de los ordenadores portatiles o similar que entregue por lo menos 15V para asegurar una estabilidad acorde con mis necesidades.

Otro cambio que hare sera ponerle un nuevo refrigerador, en este caso un Termaltake que llego a mis manos con sensor de temperatura asi si se sobrecalienta el ventilador se acelera para compensar.

Espero tener unos dias la semana que viene libres y probar un voltimetro/amperimetro  basado en PIC a ver si rula bien, aunque solo llega hasta 10A y 50V creo que para laboratorio servira sin problemas.

Intentare implementar opciones que me vengan a la mente y por supuesto tambien para los interesados en el tema, si teneis alguna idea me gustaria la compartieseis pues sera bienvenida y estare encantado de implementarla.

Un abrazo.
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« Respuesta #5 : 22 de Julio de 2019, 11:17:37 »

Hola:

Esta es la lista de componentes o "part list" de la carga y algunas indicaciones sobre algunos componentes.

Component list

C1   = 470µ (25V)
C2   = 0,1µ
C3   = 4,7µ (25V)
C4   = 0,1µ
C5   = 100µ (25V)
C6   = 1µ (25V)
C7   = 68n
C8   = 0,1µ
C9   = 1µ (25V)
C10   = 3,3µ (25V Tantalio SMD)
C11   = 100µ (100V minimo)
C12   = 0,1µ (100V)
C13   = 100n
C14   = 100n
C15   = 100n (Montar solo con instrumentos digitales)
C16   = 100n (Montar solo con instrumentos digitales)
C17   = 100n (Montar solo con instrumentos digitales)
C18   = 10µ (Colocar en los instrumentos Digitales)
C19   = 100n
C20   = 100n
C21   = 100n
C22   = 100n
C23   = 100n

CONV   = CFUS0509 (Montar solo con instrumentos digitales) Se puede sustituir por cualquier convertidor DC/DC que nos de en la salida entre 5 y 9V siempre que    este aislado electricamente de la entrada

D2   = Schottky (Diodo Schottky SMD)
D3   = 1N4148
D4   = 1N4148
D5   = Schottky (Diodo Schottky SMD)
D6   = Schottky (Diodo Schottky SMD)
D7   = Schottky (Diodo Schottky SMD)
D8   = 1N4002 (Diodo de 1A)

F1   = Conexion fusible
F2   = Conexion fusible

FERR1   = Perla de Ferrita
FERR2   = Perla de Ferrita
FERR3   = Perla de Ferrita
FERR4   = Perla de Ferrita
FERR5   = Perla de Ferrita
FERR6   = Perla de Ferrita

Fusible1   = 30A (Segun montaje 30 o 40A)

IC1 A   = LM358

IC1 B   = LM358

J1   = Positivo Potenciometro Corriente
J2   = Cursor Potenciometro Corriente
J3   = Negativo Potenciometro corriente
J4   = Positivo Comun LEDS
J5   = Conexion LED Corrinete
J6   = Conexion LED Tension
J7   = Salida Potenciometro Tension
J8   = Cursor Potenciometro Tension
J9   = Positivo Potenciometro Tension
J10   = Conexion Conmutador
J11   = Conexion Conmutador
J12   = Conexion Conmutador

L1   = 1µH (Toro de 20mm 15Espiras de 1,5mm)

LED1   = Rojo (Indicador de Corriente)
LED2   = Verde (Indicador de Tension)

El convertidor DC/DC ha de ser impreativamente aislado electricamente de la entrada, si no se producira un cortocircuito al compartir su masa o negativo. Sirve cualquiera que cumpla estos requisitos. Tambien se puede en su lugar (si se utiliza en el taller) poner un tranformador o alimentador independendiente para los instrumentos si se alimenta desde CA (corriente alterna) pero solo nos servira en este modo para trabajar en el taller, por ello aconsejo utilizar los convertidores DC/DC que he comentado, son faciles de encontrar y son adsequibles en cuanto a precio.

D5, D6 y D7 son diodos Schottky de proposito general, simplemente eliminan los transitorios de polaridad inversa y protegen las entradas de los transistores.

Las perlas de ferrita es conveniente ponerlas, pero no es necesario si no se va a utilizar el circuito para medidas de ruido o de altas precisiones, si bien mejoran mucho las interferencias electromagneticas (EMI).

Seguimos en linea

Saludos.
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« Respuesta #6 : 22 de Julio de 2019, 15:18:37 »

Añado:

Despues de varias pruebas con instrumentos de medida como voltímetros y amperímetros he llegado a varias conclusiones.
La utilización de voltímetros/amperímetros basados en PIC dificultan la expansión y  la precisión del instrumento, y yo lo utilizo exclusivamente en laboratorio por lo que además a las personas interesadas en aplicaciones de carga, verificación, y calculo de resistencia interna de baterías  estos instrumentos no son lo mas adecuado.

He encontrado en Amazon unos instrumentos de 5 digitos que he pedido, y creo que son los mas adecuados, ya que si queremos calcular mili-Ohmios estos instrumentos por lógica tienen que poder medir mili-voltios y mili-amperios, asi simplificamos las operaciones matematicas. Aquí les dejo el enlace a los instrumentos. https://www.amazon.es/gp/product/B07L6GK5V6/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o00_s00?ie=UTF8&psc=1

Yo no soy muy amigo de los aparatos chinos, pero en este caso he levantado un poco (Mas bien bastante) la mano en este sentido y solo por probar y el precio que tienen creo que puede ser interesante.

Una de las extensiones que voy a implementar es adaptarla para que sea también un generador de intensidad, añadiendo una fuente interna conmutada de 5V que es suficiente voltaje, pero esto esta a la elección del usuario ya que muchos seguro que cargaran baterías con el montaje. Tendra que tener una potencia similar a la potencia máxima de la carga, ubnos 20A mas o menos según necesidades, pondré el esquema final para que os hagáis una idea del tema.

Si necesitais información que no haya publicado ponerlo en este hilo y la subiré.

Saludos.
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« Respuesta #7 : 23 de Julio de 2019, 23:01:14 »

Gracias por reparar el post Cosmos, gran trabajo.
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« Respuesta #8 : 07 de Agosto de 2019, 01:20:14 »

Gracias Madcortina:

A vuestra disposicion.

Saludos.
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