Электронная нагрузка 300W

Начинал этот проект больше года назад, но тогда он был собран практически полностью по схеме из этого видео. Печатная плата была изготовлена методом ЛУТ (Лазерно-Утюжная Технология) по макету из видео (спасибо Артуру за исходники платы). В моём случае применены 4 полевых транзистора IRFP054NPBF, которые без проблем держат ток 20A при напряжении 15V на входе нагрузки (ограничение мощности в 300W, которое связано с максимальной рассеиваемой мощностью корпуса транзисторов TO-247). Еще пришлось увеличить номинал керамических конденсаторов в цепи обратной связи ОУ (Операционный Усилитель) с 1nF до 100nF (с 1nF была паразитная генерация начиная с определенной мощности).

Регулировка мощности делалась переменным резистором и этого полностью хватало для проверки блоков питания, но в случае разрядки аккумуляторов для проверки их ёмкости нужно было следить за напряжением и вовремя отключать силовую часть. В доработанном варианте схемы измерения ёмкости использовалось реле, которое замыкало вход ОУ на землю при достижении минимального напряжения - это отключало силовую часть нагрузки.

В текущем варианте обе схемы объединены в одно устройство и вход ОУ на силовой плате соединён с выходом ЦАП (Цифро-Аналоговый Преобразователь) на плате управления.

Это позволяет менять настройку тока программно и в будущем реализовать больше режимов электронной нагрузки (сейчас есть только CC (Constant Current), но можно сделать еще CV (Constant Voltage), CR (Constant Resistance)). Сначала собрал простенький ЦАП в виде ШИМ+ФНЧ (подробности тут), но была проблема со стабильностью напряжения на выходе. Заказал MCP4725, который уже скоро должен прийти, но временно собран восьмибитный R-2R ЦАП на сопротивлениях 1% точности.

В нём используется сдвиговый регистр SN74HC595N и ОУ LMV358IDR с переменным резистором для согласования уровня напряжения управления с силовой платой.

Измерения делаются через INA226 в котором встроенный шунт заменён на внешний 20A 75mV и подобрано калибровочное значение чтобы показания тока совпадали с мультиметром. Максимальное измеряемое напряжение для INA226 - 36V, но его можно увеличить если применить резистивный делитель (максимальное напряжение для транзисторов 55V). В планах добавить защиты входа электронной нагрузки:

• Предохранитель для защиты от перегрузки по току. Нужно брать быстрый чтобы не сжечь вход INA226 в случае значительного превышения тока (например при пробое транзисторов). Всё "железо" будет настроено на 20A, но программно максимальный ток будет ограничен 15A - для моих задач этого более чем достаточно.
  
• Защита от обратной полярности. Диод в обратной полярности после предохранителя, который откроется в случае переполюсовки и предохранитель сгорит.
• Защита от перенапряжения. TVS диода на 36V после предохранителя должно быть достаточно.
  

Индикация выводится на LCD экран 20x4, который подключён к шине I2C через расширитель PCF8574. Настройки тока и напряжения выполняются энкодером для которого реализован антидребезг контактов на базе триггера Шмидта (SN74HC14N).

Для коммуникации с компьютером эмулируется протокол китайской электронной нагрузки, который позволил использовать уже существующее ПО. Позже нашёл упоминание что Sigrok поддерживает электронные нагрузки - возможно их вариант софта более функциональный.