[ Pobierz całość w formacie PDF ]
„Obciążacz” (aktywne obciążenie)
Do czego to służy?
Nazwa proponowanego układu może
wydać się dziwna wielu Czytelnikom. Ja−
ki jednak znaleźć antonim do słowa
„zasilacz”? Może „pobieracz” lub „za−
bieracz”? Brzmi to także paskudnie i wo−
bec tego pozostańmy przy naszym
„obciążaczu”, jako nazwę alternatywną
pozostawiając sobie „sztuczne obciąże−
nie”. Do czego jednak może służyć urzą−
dzenie, którego jedyną funkcją jest po−
bieranie energii elektrycznej i zamienia−
nie jej na ciepło? Może autor chce zapro−
ponować nam budowę najdroższego
i najmniej ekonomicznego piecyka w his−
torii techniki?
Nic podobnego, obciążacz nie jest by−
najmniej żartem w stylu osławionego
„Pipka dręczyciela”. Posiada on określo−
ne i bardzo ważne zastosowanie prak−
tyczne. Najlepiej posłużymy się przykła−
dem. Wyobraźmy sobie, że zbudowaliś−
my sobie nowy zasilacz laboratoryjny, np.
AVT−2001. Układ został zmontowany,
wstępnie uruchomiony i okazało się, że
prawdopodobnie pracuje on poprawnie.
Prawdopodobnie, ponieważ dość trudno
jest zbadać prawidłowość działania ukła−
du zabezpieczenia prądowego. Najczęś−
ciej do testowania zasilaczy używamy re−
zystorów o małej oporności i dużej mocy
strat, lub różnego typu żarówek. Szcze−
gólnie ta ostatnia metoda nie jest warta
polecania ze względu na bardzo nielinio−
wą charakterystykę rezystancji żarówki
w funkcji temperatury. A jak poradzić so−
bie w przypadku, kiedy wykonany zasi−
lacz nie jest wyposażony w miernik natę−
żenia pobieranego prądu i potrzebujemy
wykonać skalę przy potencjometrze ogra−
niczenia prądowego? Nie jest to proste,
ponieważ w tym przypadku potrzebna
jest płynna regulacja prądu pobieranego
z zasilacza. Oczywiście, możemy próbo−
wać sobie poradzić dołączając do wyjścia
badanego zasilacza tranzystor o odpo−
wiedniej dopuszczalnej mocy strat i regu−
lując prąd bazy za pomocą jakiegoś po−
tencjometru, spróbować w ten sposób
uzyskać płynną regulację prądu. Tylko że
za chwilę tranzystor zacznie się nagrze−
wać, trzeba go będzie umieścić na radia−
torze... no to chyba już lepiej skonstruo−
wać sobie wyspecjalizowane urządzenie
służące do testowania wszelkiego rodza−
ju zasilaczy. Przecież elektronika i nasze
konstrukcje mają zawsze służyć ułatwia−
niu sobie i innym życia!
Oczywiście, opis testowania zasilacza
sieciowego był tylko przykładem jednej
z wielu możliwości wykorzystania propo−
nowanego układu. Znajdzie on zastoso−
wanie przy badaniu wszystkich układów
elektronicznych i elektrycznych, z których
ma wypływać prąd i które mogą zawieść
w ekstremalnych warunkach. To zresztą
takie miłe uczucie: pobawić się czasami
w sadystę i poznęcać się nad wykonany−
mi układami. „Ciekawe, ile wytrzyma, za−
nim zadziała zabezpieczenie termiczne
(albo dym pójdzie z tranzystora wyko−
nawczego układu bez zabezpieczenia ter−
micznego)?
Zanim przejdziemy do szczegółowego
opisu układu, jeszcze jedna uwaga. Urzą−
dzenie, z którym za chwilę się zapozna−
my jest, oczywiście, w pełni funkcjonal−
nym i spełniającym zadane mu funkcje
układem. Aby jednak uzyskać naprawdę
wielki komfort pracy, warto dobudować
do niego jeszcze jeden układ: jakikolwiek
miliwoltomierz o zakresie 200mV (np.
AVT−2004). Szerzej omówimy tę sprawę
w dalszej części artykułu.
do masy wspólnej z badanym układem.
Na rezystorze R8 odkłada się napięcie,
zgodnie z prawem Ohma proporcjonalne
do płynącego przez ten rezystor prądu.
Napięcie to jest wzmacniane przez
wzmacniacz IC1A i następnie podawane
na wejście 5 komparatora zbudowanego
na drugiej „połówce” LM358 – IC1B.
Komparator porównuje to napięcie z na−
pięciem wzorcowym, pobieranym z su−
waka potencjometru regulacyjnego P1.
Jeżeli napięcie wzorcowe jest mniejsze
od napięcia na końcówce 5 to na wyjściu
wzmacniacza napięcie wzrasta, powodu−
jąc spolaryzowanie bazy tranzystora T1,
zwieranie do masy bazy tranzystora T2
i ograniczanie prądu wpływającego do
układu „obciążacza”.
Układ IC2 – LM385 możemy w na−
szym przypadku traktować jako wysoko
stabilną diodę Zenera o napięciu przewo−
dzenia 2,5V. Dostarcza on doskonale sta−
bilizowanego napięcia wzorcowego.
Przy wartości R5 takiej, jak na sche−
macie, maksymalny prąd jaki możemy
czerpać z badanego układu wynosi ok.
1A. Jeżeli ta wartość okaże się niewy−
starczająca, to możemy ją zwiększyć
przez wymianę R5 na inny, o mniejszej
wartości.
Drugim blokiem układu jest termostat,
którego zadaniem jest chronienie tran−
zystora wykonawczego przed przegrza−
niem. Jak już wspomnieliśmy, właściwie
jedyny zadaniem wykonywanym przez
nasz układ jest zamiana energii elektrycz−
nej w cieplną, tyle że w sposób dokładnie
regulowany. Jest oczywiste, że od ele−
mentu wykonawczego takiego urządze−
nia musimy odprowadzać ciepło, ponie−
Jak to działa?
Schemat elektryczny proponowanego
układu pokazany został na rysunku 1.
Układ możemy podzielić na trzy głów−
ne bloki funkcjonalne: blok właściwego
układu sztucznego obciążenia, blok ter−
mostatu chłodzącego radiator i nieco roz−
budowany układ zasilacza.
Blokiem podstawowym jest układ re−
gulacji prądu pobieranego z badanego
układu. Najważniejszym jego elementem
jest wzmacniacz operacyjny IC1 –
LM358. Prąd wpływający z badanego
układu płynie przez tranzystor T2, którego
baza spolaryzowana jest przez rezystor
R11 i dalej, przez rezystor pomiarowy R8,
54
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/97
Rys. 1. Schemat ideowy
waż w przeciwnym wypadku mógłby on
ulec uszkodzeniu na skutek przegrzania
złącza półprzewodnikowego. Powróciliś−
my tu do naszego pomysłu sprzed paru
miesięcy: zamiast stosować wielki, nie−
wygodny w montażu klasyczny radiator,
wykonamy radiator aktywny, z wymuszo−
nym chłodzeniem. W układzie modelo−
wym wykorzystany został radiator wraz
z wentylatorem, stosowany do chłodze−
nia procesorów w komputerach PC. Ta−
kie chłodzenie okazało się zupełnie wy−
starczające przy obciążeniach rzędu
20...30W. Jeżeli jednak ktoś będzie chciał
testować układy oddające większy prąd,
to będzie musiał zastosować większy ra−
diator i silniejszy wentylatorek. Po co jed−
nak wentylator ma pracować w momen−
tach, kiedy radiator jest zimny lub zaled−
wie ciepły? Wentylator przeznaczony do
chłodzenia procesora pracuje praktycznie
bezszelestnie, ale wentylatory większej
mocy generują nieprzyjemny szum, dob−
rze znany posiadaczom PC−tów. Zastoso−
waliśmy więc następujące rozwiązanie:
Podczas pracy z małym obciążeniem,
kiedy nie grozi jeszcze przegrzanie tran−
zystora mocy T2, wentylator nie pracuje.
W momencie przekroczenia zadanej tem−
peratury układ elektroniczny włącza wen−
tylator, który obniża temperaturę radiato−
ra i po osiągnięciu dolnej granicy tempe−
ratury wyłącza się. W układzie występuje
histereza rzędu kilku stopni Celsjusza. Jej
powiększanie nie ma większego sensu:
układy elektroniczne pracują najlepiej
w ustalonych warunkach cieplnych i usta−
wiczne ich nagrzewanie i chłodzenie
mogłoby niekorzystnie wpłynąć na ich
trwałość. Tak więc układ pracuje właści−
wie jako termostat.
Sercem tego fragmentu układu
sztucznego obciążenia jest popularny i ta−
ni wzmacniacz operacyjny typu TL081.
Wzmacniacz porównuje ze sobą dwa na−
pięcia: jedno tworzone przez dzielnik na−
pięcia zbudowany z rezystorów R14, PR1
i R13 i drugie odkładające się pomiędzy
rezystorem R15 i termistorem RT1. Ter−
mistor zamocowany jest do radiatora
w pobliżu chłodzonego elementu i jego
oporność maleje podczas nagrzewania
się. W momencie kiedy napięcie na koń−
cówce 2 wzmacniacza operacyjnego
spadnie poniżej napięcia ustawionego na
końcówce 3, to na wyjściu 6 pojawi się
napięcie prawie równe napięciu zasilania.
Konsekwencją tego faktu będzie przewo−
dzenie tranzystora T3 i włączenie silnika
wentylatora. Temperatura radiatora zacz−
nie spadać i kiedy dojdzie do wartości
o kilka stopni większej od progu zadziała−
nia wentylatora, na wyjściu wzmacniacza
napięcie spadnie do ok. 1,5V. Ponieważ
baza tranzystora T3 zasilana jest z dzielni−
ka napięcia R1 i R16, tranzystor ten zo−
stanie zatkany i wentylator wyłączy się.
Temperatura radiatora zacznie wzrastać,
osiągnie próg zadziałania wentylatora
i tak dalej, i tak dalej....
Ostatnim blokiem układu wymagają−
cym omówienia jest układ dwóch zasila−
czy. Jeden z nich, typowo zrealizowany
na scalonym stabilizatorze napięcia typu
7812 – IC3 zasila główny blok układu
sztucznego obciążenia i układ termosta−
tu. Drugi, zbudowany na stabilizatorze
IC5 typu 7805 przewidziany jest do zasi−
lania miliwoltomierza. I tu dochodzimy do
sprawy, sygnalizowanej na początku arty−
kułu. Nie ma najmniejszych przeszkód,
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/97
55
aby do pomiaru prądu pobieranego z ba−
danego układu zastosować miernik uni−
wersalny, stanowiący wyposażenie na−
wet najskromniejszego warsztatu elekt−
ronika. Tylko że takie rozwiązanie jest bar−
dzo niewygodne, powoduje konieczność
ciągłego przełączanie przewodów pomia−
rowych. Jeżeli w dodatku zajdzie koniecz−
ność zmierzenia jakiegoś napięcia w ba−
danym układzie, to sytuacja posiadacza
jednego tylko multimetru może stać się
beznadziejna. Można wprawdzie nanieść
skalę obok gałki potencjometru, ale wte−
dy regulacja prądu nie będzie zbyt dokład−
na. Rozwiązaniem idealnym jest wbudo−
wanie w nasze urządzenie specjalnego
przyrządu pomiarowego, najlepiej cyfro−
wego miliwoltomierza (tak właśnie wyko−
nany został układ prototypowy, widoczny
na fotografii 1). Mamy nawet taki układ
do dyspozycji: jest nim uniwersalny mo−
duł miliwoltomierza AVT−2004, lub mili−
woltomierz z wyświetlaczem LCD AVT−
2126 (ten ostatni układ opisany był
w Młodym Techniku). Właśnie do zasila−
nia modułu AVT−2004 służy drugi zasilacz
w naszym układzie. Zastosowanie rezys−
tora pomiarowego R8 o wartości 0,1
Ω
nie było, jak się okazuje, sprawą przypad−
ku. Po dołączeniu do jego końcówek do−
wolnego miliwoltomierza o zakresie
199,9mV otrzymamy bez żadnych dodat−
kowych zmian w układzie czy regulacji
wynik pomiaru w mA. W przypadku za−
stosowania modułu AVT−2126, którego
napięcie zasilania wynosi 9V, musimy
wymienić stabilizator 7805 IC5 na układ
7809, lub też ze względu na mały pobór
prądu, 78L09.
stała wykonana na laminacie jednostron−
nym, co pociągnęło za sobą konieczność
zastosowania dwóch zworek oznaczo−
nych na stronie opisowej płytki jako Z1.i
Z2 Od nich rozpoczniemy montaż układu,
w dalszej kolejności lutując rezystory,
a dalej elementy o coraz większych wy−
miarach. Pod układy scalone autor jak
zwykle zaleca zastosować podstawki. Ja−
ko ostatni lutujemy do płytki transforma−
tor sieciowy i jeżeli mamy zamiar zasto−
sować radiator od procesora, to napoty−
kamy na trudności. Radiator taki jest zna−
komitym elementem odprowadzającym
ciepło, ale wyjątkowo trudnym do zamo−
cowania do płytki. Kolegom mającym
smykałkę do mechaniki można polecić
zamocowanie radiatora za pomocą odpo−
wiednio zwymiarowanego kątownika.
Pozostałym autor zaleca metodę najpros−
tszą – przyklejenie radiatora do płytki za
pomocą kleju na gorąco, tak jak to zosta−
ło zrobione w układzie modelowym.
Zmontowany układ wymaga tylko jed−
nej czynności regulacyjnej i w wypadku
jeżeli nie zdecydujemy się na zastosowa−
nie osobnego miliwoltomierza – wykona−
nia skali przy gałce potencjometru.
Regulacja termostatu może okazać się
nieco uciążliwa, ze względu na trudności
z podgrzaniem termistora do określonej
temperatury. Ale zanim przejdziemy do
opisu regulacji, jedna ważna uwaga: pod−
czas czynności regulacyjnych nie zasilaj−
my jeszcze układu z sieci, ale z jakiegoś
pomocniczego zasilacza, dobrze od niej
odizolowanego. Licho nie śpi!
Problem podgrzania termistora po−
miarowego do określonej, znanej tem−
peratury można rozwiązać dwoma spo−
sobami: albo umieszczając termistor
w hermetycznej obudowie, a następnie
w naczyniu z podgrzaną wodą, lub też
nagrzewając „goły” termistor w naczy−
Wykaz elementów
Rezystory
PR1: 4,7k
Ω
Ω
Ω
/ 18°C
R1, R6, R7, R9: 1k
Ω
R2, R3: 560
Ω
Ω
R5, R15: 22k
Ω
/5W
R10, R16: 2,2k
Ω
Ω
R13, R11: 510
Ω
R12: 3,3k
Ω
R14: 1,8k
Ω
Ω
Kondensatory
C1: 470µF/16V
C2, C4, C6: 100nF
C3, C5: 100µF/10V
Półprzewodniki
BR1: mostek prostowniczy 1A
IC1: LM358
IC2: LM385
IC3: 7812
IC4: TL081
IC5: 7805
T3, T1: BC548 lub odpowiednik
T2: BD911
Pozostałe
CON1, CON2, CON3: ARK2
F1: bezpiecznik 100mA z podstawką
M1: radiator aktywny od procesora DX lub
PENTIUM (nie wchodzi w skład kitu, dostęp−
ny w ofercie handlowej AVT)
TR1: transformator sieciowy typu TS6/40
(nie wchodzi w skład kitu, dostępny w ofer−
cie handlowej AVT)
niu z cieczą nie przewodzącą prądu (np.
w zwykłej, dostępnej w każdej aptece
wodzie destylowanej). Niezależnie jaką
metodę wybierzemy, termistor umiesz−
czamy w naczyniu z płynem podgrza−
nym do temperatury ok. 80°C i pokręca−
jąc potencjometrem montażowym PR1
„łapiemy” moment włączenia wentyla−
tora. Po dokonaniu tej regulacji termis−
tor umieszczamy jak najbardziej dociś−
nięty do radiatora. Najlepiej po prostu
przykleić go za pomocą kleju silikono−
wego.
Jeżeli zdecydowaliśmy się na zastoso−
wanie miliwoltomierza, ta najlepiej cały
układ umieścić w obudowie typu KM
z czerwonym filtrem (tak, jak układ proto−
typowy). Pozwoli to na uniknięcie żmud−
nego wycinania otworów na wyświetla−
cze. Jest to jednak metoda dobra tylko
w przypadku zastosowania miliwoltomie−
rza z wyświetlaczami LED, natomiast je−
żeli użyjemy modułu AVT−2126, to nie
unikniemy konieczności wycinania otwo−
ru i wymiany stabilizatora IC5 na podob−
ny, ale pracujący przy napięciu 9V (7809).
Zaciski pomiarowe miliwoltomierza dołą−
czamy do punktów oznaczonych na płyt−
ce „LO” i „HI”.
W przypadku, kiedy oszczędność wzię−
ła górę nad chęcią zapewnienia sobie
komfortowych warunków pracy, musimy
wykonać skalę wokół gałki potencjometru.
c.d. na str. 58
Montaż i uruchomienie
Mozaika ścieżek płytki drukowanej
oraz rozmieszczenie na niej elementów
zostało pokazane na rysunku 2. Płytka zo−
Rys. 2. Schemat montażowy
56
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/97
P1: 4,7k
/A potencjometr obrotowy
RT1: termistor 22k
R4: 10k
R8: 0,1
R17: 1M
wyłącznie z tych, obecnie używanych
prawie tylko do sterowania układami wy−
konawczymi, elementów. Ach, łza się
w oku kręci! Nie zatrzymamy jednak za−
wrotnego postępu w elektronice (po co
zresztą byłoby to robić?), wracajmy więc
do naszego schematu.
Sygnał pochodzący bezpośrednio
z mikrofonu elektretowego byłby wielo−
krotnie za słaby dla naszych potrzeb.
Tak więc z tego i z innych powodów
musimy zastosować wzmacniacz mik−
rofonowy. Zawiera on trzy stopnie
wzmacniające, o sprzężeniu stałoprądo−
wym i zbudowany jest na trzech tran−
zystorach T1–T3. Dzięki zastosowaniu
dwóch filtrów wzmacniacz przenosi
sygnały w pasmie „telefonicznym”.
Filtr zbudowany z rezystora R11 i kon−
densatora C5 ogranicza wzmacniane
pasmo „od dołu” natomiast, górna
częstotliwość ograniczona jest przez
obwód pętli sprzężenia zwrotnego z re−
zystorem R10 i pojemnością C6.
Podczas projektowania układu najis−
totniejszą sprawą było, aby „zachowywał
się” on identycznie, jak stary mikrofon
węglowy. I tu pojawił się pierwszy prob−
lem: mikrofon węglowy jest elementem
o dowolnej polaryzacji, całkowicie nie−
wrażliwym na zmieniającą się bieguno−
wość zasilania słuchawki telefonu. Nato−
miast zachowanie prawidłowej polaryza−
cji zasilania naszego układu ma zasad−
nicze znaczenie. Zastosowano więc pros−
townik pełnookresowy, zbudowany
z diod D1–D4, uniezależniający pracę
układu od aktualnej polaryzacji sieci tele−
fonicznej. Zastosowano też diodę Zenera
D5, zwierającą do masy napięcia wyższe,
niż przewidziane do zasilania układu
wzmacniacza. Wyjściowe napięcie m. cz.
nakłada się na napięcie zasilania i nasz
układ zachowuje się jak rezystor zmienia−
jący swoją wartość w funkcji odbierane−
go przez mikrofon M1 sygnału, czyli do−
kładnie tak, jak mikrofon węglowy.
nie na niej elementów. Montaż układu
wykonujemy w całkowicie typowy spo−
sób, rozpoczynając od wlutowania jednej
zworki. Lutujemy kolejno diody, rezystory
i kondensatory, kończąc na zamontowa−
niu mikrofonu elektretowego. Element
ten nie posiada żadnych wyprowadzeń
do lutowania w płytkę, ponieważ zapro−
jektowany został do montażu na kablu.
Musimy zatem dorobić z obciętych koń−
cówek oporników potrzebne wyprowa−
dzenia i mikrofon zamontować w odleg−
łości kilku milimetrów od powierzchni
płytki.
Po zmontowaniu płytki powinniśmy
wypróbować naszą konstrukcję, jak na ra−
zie bez dołączania jej do telefonu. Potrzeb−
ny będzie do tego specjalny układ testują−
cy, pokazany na rysunku 3. Do „podsłuchi−
wania” naszego mikrofonu możemy wy−
korzystać mały głośniczek o dużej opor−
ności, słuchawki, lub, najlepiej, wkładkę
Wykaz elementów
Rezystory
R1: 30
Ω
R3: 510
Ω
R5: 15k
Ω
Ω
R7: 1,8k
Ω
R8, R9, R11: 68k
Ω
R10: 330k
Ω
(*)
Ω
Kondensatory
C1: 47nF
C2: 390pF
C3: 33pF
C4: 22uF/10
C5: 100nF
C6: 150pF
Półprzewodniki
D1, D2, D3, D4: 1N4148 lub odpowiednik
D5: dioda Zenera 9,1V
T1, T3: BC548 lub odpowiednik
T2: BC557 lub odpowiednik
Pozostałe
M1: mikrofon elektretowy 2−końcówkowy
Rys. 3. Układ testowy
w sieci handlowej AVT
lub w innym sklepie z ar−
tykułami chemicznymi
dla elektroniki. Autor
przestrzega jedynie
przed stosowaniem
„wynalazków” typu la−
kieru do paznokci czy też
lakieru nitro, który nie
jest odporny na wilgoć.
Ostatnią czynnością
będzie zamontowanie układu w słuchaw−
ce telefonicznej. Płytka drukowana jest
znacznie mniejsza od mikrofonów węglo−
wych produkowanych niegdyś w Polsce,
tak więc zmieści się doskonale w każdej
słuchawce aparatu telefonicznego krajo−
wej produkcji. Sposób umocowania płyt−
ki pozostawiamy już inwencji Czytelni−
ków, ponieważ będzie on różny w zależ−
ności od typu słuchawki. Godna polece−
nia wydaje się być metoda polegająca na
„upchaniu” wokół płytki kawałków waty,
lub, jeszcze lepiej gąbki. Poza pewnym
zamocowaniem pozwoli to na „miękkie”
zawieszenie mikrofonu.
sluchawkową od aparatu telefonicznego.
Układ powinien działać natychmiast popra−
wnie, bez konieczności jakiejkolwiek regu−
lacji. Perfekcjoniści mogą jedynie poeks−
perymentować z doborem wartości rezys−
tora R10 ( w zakresie od 270k
Ω
do
390k
Ω
), starając się uzyskać jak najwięk−
szą siłę nie zniekształconego głosu.
Jeżeli wszystko jest OK, to przystępu−
jemy do ostatniej fazy budowania nasze−
go mikrofonu: do zabezpieczenia płytki
przed korozją za pomocą lakieru poliure−
tanowego. Ale po co zabezpieczać przed
korozją układ pracujący w stojącym
w mieszkaniu aparacie telefonicznym? To
proste: oddech człowieka zawiera w so−
bie duże ilości pary wodnej i może powo−
dować korozję nie zabezpieczonej płytki,
a także wadliwe działanie układu na sku−
tek bocznikowania rezystorów przez wil−
goć. Potrzebny lakier możemy zakupić
Montaż i uruchomienie
Na rysunku 2 przedstawiono mozaikę
ścieżek płytki drukowanej i rozmieszcze−
Zbigniew Raabe
Komplet podzespołów z płytką jest
dostępny w sieci handlowej AVT jako
„kit szkolny” AVT−2255.
c.d. ze str. 56
Możemy tego dokonać dołączając poprzez
amperomierz wejście naszego układu do
wyjścia zasilacza o odpowiedniej wydajnoś−
ci prądowej. Obserwując wskazania ampe−
romierza nanosimy odpowiednie wartości
na skalę, wykonaną z kawałka grubego pa−
pieru, który najlepiej później zafoliować.
Z wartościami elementów podanymi
na schemacie, układ może pobierać ma−
ksymalny prąd ok. 1A. Jeżeli potrzebne
będą większe prądy, to możemy zmniej−
szyć wartość rezystora R5.
Zbigniew Raabe
Rys. 2. Schemat montażowy
Komplet podzespołów z płytką jest
dostępny w sieci handlowej AVT jako
„kit szkolny” AVT−2048.
58
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/97
Ω
R2, R4: 1,5k
R6: 1k
R12: 4,7k
[ Pobierz całość w formacie PDF ]