Цифровая лампа накаливания: Лампа накаливания. Электронагревательные приборы — урок. Физика, 8 класс.

Регулируемая электронная нагрузка с использованием ламп накаливания

» Перейти к разделу «Дополнительно»

Скромная лампочка накаливания больше не пользуется уважением. Находясь на грани исчезновения во многих странах и заменяясь более современными и эффективными альтернативами, такими как светодиоды, эти лампы накаливания в наши дни мало используются. Давний любитель электроники (как и я) часто остается с ящиками, полными лампочек, которым нет очевидной пользы. И все же, несмотря на все свои недостатки и неэффективность, лампы накаливания по-прежнему вызывают ностальгию в сердцах многих любителей электроники, которые до сих пор любят мягкое теплое свечение лампочки. Можем ли мы спасти их от их судьбы и дать им новую жизнь?

Это история о том, как я спас несколько своих лампочек от вымирания, соорудив из них полезный лабораторный прибор: регулируемую электронную нагрузку.

Необходимость в регулируемых электронных нагрузках

Регулируемая электронная (мощная) нагрузка является очень удобной частью испытательного оборудования при разработке проектов в области электроники. Например, когда вы создаете источник питания, наступит время, когда вам нужно «симулировать» нагрузку, чтобы увидеть, насколько хорошо работает ваша конструкция. Чтобы правильно протестировать источник питания, регулируемая нагрузка — это как раз то, что нужно. Он позволяет измерять ток, который источник питания может обеспечить при заданном выходном и входном напряжении, а также измерять важные параметры, такие как КПД, регулирование и пульсации при различных условиях нагрузки.

Раньше я иногда использовал лампочку накаливания в качестве грубой нагрузки при тестировании блока питания. Лампочки было легко найти, и они могли потреблять много тока — что на самом деле является преимуществом в этом приложении. Тем не менее, я часто был бы ограничен выбором лампочек, имеющихся под рукой.

РИСУНОК 1. Лампы накаливания.

Контроль величины тока, потребляемого тестируемым источником питания, в лучшем случае был методом проб и ошибок. Затем мне пришло в голову: что, если бы я мог сделать что-то вроде «переменной нагрузки постоянного тока накаливания?» Это был бы очень полезный инструмент для меня, и я бы использовал свои давно заброшенные лампы накаливания . .. беспроигрышный вариант!

Традиционные и регулируемые нагрузки с ШИМ

Существует несколько различных способов создания регулируемой электронной нагрузки. Традиционный подход (и тот, который я разработал сам в более раннем проекте [1]) использует один или несколько мощных полевых МОП-транзисторов параллельно в качестве элемента(ов) нагрузки. На верхней схеме Рис. 2 показана упрощенная версия этого традиционного устройства. Регулируя напряжение затвора MOSFET (обычно с помощью сигнала постоянного тока), сопротивление MOSFET от стока к истоку изменяется, поэтому вы эффективно получаете регулируемую нагрузку (сопротивление) с точки зрения «ВХОД».

Обратите внимание, что в этих типах схем полевые МОП-транзисторы рассеивают большую часть мощности и тепла, поэтому их необходимо оснастить соответствующими радиаторами. Возможно, вам даже понадобятся охлаждающие вентиляторы. (В схеме может также потребоваться резистор измерения мощности, если реализована какая-то петля обратной связи или измерение, но для простоты я буду придерживаться стратегии разомкнутой цепи. )

Нижняя схема в Рис. нанят вместо этого.

РИСУНОК 2. Традиционные и регулируемые нагрузки с ШИМ.

Лампы накаливания включены последовательно с полевым МОП-транзистором. Вместо того, чтобы подавать на затвор схему управления постоянным током, я применил ШИМ-сигнал с переменной скважностью. По мере увеличения рабочего цикла увеличивается и средний ток через лампы, так что вы, по сути, получаете «регулируемую нагрузку». Однако эта схема не была бы очень полезной, если бы мы не отфильтровывали резкие изменения тока от нагрузки при включении и выключении полевого МОП-транзистора. Это функция последовательных индуктора и конденсатора на рисунке, которые образуют LC-фильтр нижних частот. Эти компоненты здесь абсолютно необходимы.

Чтобы проиллюстрировать это, я измерил ток в этой цепи с последовательной катушкой индуктивности и без нее, используя небольшой последовательный измерительный резистор 0,1 Ом и осциллограф (конденсатор остался в цепи). Результаты показаны на рис. 3 . Без катушки индуктивности размах пульсирующего тока составляет более 1 А (одно деление по вертикали в рис. 3 соответствует 1 А).

РИСУНОК 3. Ток нагрузки с дросселем и без него.

Как видно из этого рисунка, катушка индуктивности заставляет всю цепь нагрузки вести себя как переменный резистор с точки зрения ВХОДА «испытываемого источника» (помните, что катушки индуктивности имеют тенденцию «противостоять» внезапным изменениям тока). Измеренный входной ток представляет собой сигнал постоянного тока без заметных пульсаций, что и является нашей целью.

Важно отметить, что, в отличие от традиционного подхода, большая часть тепла в этой схеме рассеивается в лампах накаливания, а не в МОП-транзисторах. Поскольку МОП-транзистор либо выключен (близко к бесконечному сопротивлению), либо включен (близко к нулевому сопротивлению), мощность, рассеиваемая в устройстве, намного ниже, чем в традиционной схеме. Лампы накаливания делают здесь тяжелую работу и рассеивают большую часть тепла. Кроме того, в отличие от МОП-транзисторов, лампам накаливания не нужны большие радиаторы!

Кроме того, вы получаете визуальную индикацию того, что ток течет через лампы, что, на мой взгляд, является удовлетворительным и полезным для пользователей тестового оборудования такого типа.

Принципиальная схема

На рис. 4 показана блок-схема цепи, тогда как на рис. 5 показана принципиальная схема.

РИСУНОК 4. Блок-схема .

Восьмиконтактный микроконтроллер PIC12F683 (U2) используется для подачи ШИМ-сигнала на затвор MOSFET. Внутренний АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) считывает напряжение с многооборотного потенциометра (POT) и пропорционально регулирует рабочий цикл ШИМ. Вместо этого вы можете использовать два последовательных потенциометра (один для «грубой» регулировки, а другой для «точной» регулировки), но я считаю, что многооборотный потенциометр обеспечивает лучший пользовательский опыт при практическом использовании.

Одним из недостатков ламп накаливания является то, что они нелинейны; при изменении тока их сопротивление резко меняется. Вот почему важно иметь ШИМ-сигнал хорошего разрешения (в данном случае 10-битный) и многооборотный потенциометр, чтобы вы могли точно управлять схемой в широком диапазоне выбираемых токов нагрузки.

Я также добавил кнопку (SW2), подключенную к микроконтроллеру, которая включает и выключает нагрузку каждый раз, когда пользователь нажимает ее. Микроконтроллер определяет, когда переключатель нажат, и соответствующим образом управляет реле, включенным последовательно с нагрузкой (программное обеспечение по умолчанию отключает нагрузку при первом включении цепи). Эта функция полезна, когда вы хотите быстро отключить нагрузку; скажем, в состоянии перегрузки.

Поскольку я хотел, чтобы регулируемая нагрузка была портативной, чтобы я мог легко перемещать ее по лабораторному столу, я решил использовать питание от 9-вольтовой батареи. Линейный стабилизатор 78L05 (U1) преобразует напряжение батареи в 5 В, необходимые микроконтроллеру.

РИСУНОК 5. Принципиальная схема.

Соответствующая схема моей последней схемы показана на рис. 5 . Я использовал три лампы накаливания, такие же, как в автомобильных стоп-сигналах, и соединил их параллельно (подробнее о выборе ламп позже). Эти лампочки могут выдерживать большие токи и рассчитаны на напряжение около 12 В, хотя я без проблем смог зажечь их с напряжением до 20 В.

Мощный МОП-транзистор, который я выбрал для этой схемы (Q2), представляет собой IRF540N, который имеет очень низкое сопротивление в открытом состоянии (около 44 мОм), поэтому он рассеивает небольшую мощность при включении. IRF540N имеет пороговое напряжение затвора ниже 4 В, поэтому он может управляться непосредственно микроконтроллером 5 В с помощью только последовательного резистора (R3) для ограничения входного тока и скорости фронта. Подтягивающий резистор R5 гарантирует, что полевой МОП-транзистор по умолчанию выключен.

Выход GP1 микроконтроллера управляет транзистором 2N2222 (Q1), который, в свою очередь, активирует катушку реле, подключенную к 9подача В. Он также включает светодиод, сигнализирующий пользователю о подключении нагрузки. Диод D2 защищает транзистор от индуктивных «обратных» напряжений.

Я использовал параллельно три разных конденсатора (C5, C6 и C7), чтобы уменьшить эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в широком диапазоне частот. Низкий ESR важен в этом приложении для эффективной фильтрации нижних частот и для уменьшения тепла, рассеиваемого в самих электролитических конденсаторах (что со временем может привести к отказам).

Цепь демпфера RC, образованная резисторами R6 и C4, снижает пики напряжения и шумы, возникающие при включении и выключении полевого МОП-транзистора (см. врезку , RC снаббер).

RC Демпфер

Распространенная проблема при быстром переключении мощного полевого МОП-транзистора заключается в том, что это может привести к значительному шуму и звону, когда МОП-транзистор резко включается и выключается. Это вызвано паразитной индуктивностью и емкостью в цепи, которая образует цепь RLC-бака, которая, по сути, реагирует на «ступенчатый» вход. Чтобы свести к минимуму результирующие пики и колебания напряжения VDS (Drain to Source), можно поместить RC-демпфер между выводами стока и истока MOSFET.

На рис. A показан скачок I напряжения переходного процесса VDS, измеренный с демпфером RC, образованным R6 и C4, и без него. Хотя здесь еще есть место для оптимизации, вы можете видеть, что пик всплеска напряжения значительно уменьшен, как и колебательное поведение. Резистивно-емкостные демпферы защищают МОП-транзистор от перенапряжения и снижают уровень шума, который в противном случае мог бы возникнуть в чувствительных цепях, подключенных к этой нагрузке.

Для получения дополнительной информации см. ссылку [2].

РИСУНОК A.

Выбор лампы накаливания

В этом проекте я повторно использовал автомобильные стоп-сигналы, которые уже были в моих корзинах с деталями. Однако для тех, у кого их еще нет под рукой, эти лампочки легко найти в любом магазине автомобильных запчастей. Лампочки для автомобильных приложений физически малы (по сравнению с мощностью, которую они могут выдержать), а также относительно недороги. Подойдет любая лампочка мощностью 12 В, 20 Вт или 50 Вт. Выбор в основном зависит от максимального тока, необходимого для напряжения питания, которое вы планируете тестировать. Чем выше номинальная мощность лампочки, тем больший ток вы сможете потреблять в своей нагрузке.

Например, одна лампа мощностью 20 Вт 12 В номинально потребляет около 20/12 = 1,67 А при 12 В. Эта схема позволяет потреблять на 90 263 меньше тока 90 264, чем эта, путем регулировки потенциометра, но не на 90 263 больше тока 90 264. Вот почему я запараллелил три лампочки, так как хотел потреблять не менее 4 А максимум при 12 В (и у меня было довольно много неиспользуемых лампочек). Однако, если вам не нужно регулярно тестировать источники питания с таким большим током, вам может понадобиться только одна или две лампочки.

Вы также должны быть осторожны, чтобы не сжечь лампочки, применяя напряжение выше их номинального (выше 12 В в данном случае) в течение длительных периодов времени при максимальном токе. Вы всегда можете разместить больше лампочек последовательно, если это необходимо для вас, или использовать вместо них лампы на 24 В.

Предупреждение о безопасности: Лампы накаливания сильно нагреваются и могут обжечь вас! Убедитесь, что вы не прикасаетесь к лампочкам во время работы, и позаботьтесь о том, чтобы закрыть их, чтобы свести к минимуму риск случайного прикосновения.

Конструкция

Так как это относительно простая схема, использующая только сквозные компоненты, я решил построить ее, используя плату-прототип (также известную как перфорированная плата). На рис. 6 показан вид сверху на собранную перфорированную плату с выделением основных компонентов. Несмотря на то, что использованный мною полевой МОП-транзистор не рассеивает большую часть мощности (как это делают лампочки), я оснастил его небольшим радиатором, так как он может слегка нагреваться при подаче больших токов (свыше 3 А).

РИСУНОК 6. Собранная перфорированная плата.

На рис. 7 показана нижняя сторона платы. Обратите особое внимание на части цепи, где протекает потенциально высокий ток нагрузки (это часть цепи, представленная в нижней части , рис. 3 ).

РИСУНОК 7. Задняя часть платы.

Убедитесь, что калибр провода достаточно толстый, чтобы выдержать ток через эти пути. Это также помогает укрепить (с помощью припоя) пути протекания сильного тока, поскольку это снижает общее электрическое сопротивление. Также старайтесь, чтобы эти соединения были как можно короче.

На рис. 8 показан ранний прототип, каким он был до того, как я поместил схему в соответствующий корпус.

РИСУНОК 8. Ранний прототип.

Здесь вы можете увидеть многооборотный потенциометр и три лампы, подключенные к основной плате.

На рис. 9 показана схема внутри небольшого пластикового корпуса. Обратите внимание на батарею 9 В, установленную в нижней левой части коробки.

РИСУНОК 9. Схема внутри небольшого пластикового корпуса.

На рис. 10 показана передняя панель конечного продукта и выделены основные элементы управления и индикаторы.

РИСУНОК 10. Передняя панель с органами управления и индикаторами.

Программное обеспечение

PIC запускает программное обеспечение, разработанное с использованием компилятора ME Labs PICBASIC PRO©. Полный код доступен в загрузках. Доступны как исходный код, так и скомпилированные файлы. Если у вас есть программатор PIC и вам не нужно вносить какие-либо изменения в код, вы можете просто запрограммировать PIC с помощью файла .hex без необходимости перекомпилировать код.

Блок-схема в На рисунке 11 показана структура программы. Он начинается с определения некоторых констант и выполнения инициализации на уровне блоков.

РИСУНОК 11. Блок-схема программы.

Внутренний АЦП подключен к входу GP4 и настроен на 10-битный режим. ШИМ инициализируется и также устанавливается в 10-битный режим, чтобы его разрешение было максимальным и соответствовало разрешению АЦП. Как отмечалось ранее, это разрешение важно для точного управления в широком диапазоне токов нагрузки. К сожалению, в этом микроконтроллере существует компромисс между разрешением и частотой ШИМ (что не редкость).

Из-за этого компромисса — хотя я предпочел бы использовать частоту ШИМ выше 40 кГц, поскольку это упростило бы фильтрацию LC — я в итоге установил ее примерно на 8 кГц. Однако при используемых значениях индуктивности и конденсатора эта скорость переключения достаточно высока для эффективной фильтрации.

В основной части программы мы входим в основной цикл, который начинается со считывания напряжения АЦП (подключенного к потенциометру). Для чтения АЦП я решил взять восемь выборок и отбросить крайние выборки, чтобы избежать проблем с шумом. Это делается путем сортировки восьми выборок и последующего усреднения только внутренних выборок (это можно назвать «усеченным средним»). Полученное (отфильтрованное) значение затем используется для регулировки рабочего цикла ШИМ пропорционально показанию напряжения потенциометра/АЦП.

Затем программа опрашивает вход тумблера, чтобы определить, был ли он нажат. Обратите внимание, что здесь выполняется код устранения дребезга, чтобы избежать нестабильности. Если обнаружено нажатие переключателя, релейный выход переключается и нагрузка включается (или выключается).

Результаты

С тремя параллельными лампочками, которые я использовал, я смог потреблять более 3 А при напряжении 3,3 В и меньше 4 А при входном напряжении 5 В. Этого более чем достаточно для большинства моих применений. Как я объяснил в разделе «Выбор лампы накаливания», Максимальный ток , который можно потреблять с этой регулируемой нагрузкой, определяется номинальной мощностью лампочки и изменяется нелинейно с напряжением.

Для справки читателю я построил измеренный график зависимости максимального тока от входного напряжения в Рисунок 12 .

РИСУНОК 12. Максимальный ток в зависимости от входного напряжения.

Я наложил линию тренда (используя Microsoft© Excel) и соответствующее уравнение, которое позволяет пользователю оценить максимальный ток для напряжений, отличных от измеренных мной.

Обратите внимание, что эта кривая была бы другой, если бы использовались разные лампочки, и представляет только максимальный ток, который нагрузка способна потреблять при каждом входном напряжении. Меньшие токи — от нуля до максимума — достигаются простой регулировкой потенциометра.

Выводы и будущие улучшения

Хотя я вполне доволен текущей реализацией, и она уже оказалась очень полезной в моем хобби, в любом проекте всегда есть место для улучшения. Вот некоторые мысли о будущих улучшениях, которые читатель может рассмотреть:

Привод затвора — Для работы с высокой мощностью смещение уровня привода затвора MOSFET на 9 В приведет к более высокому напряжению VGS, что приведет к снижению сопротивления и, возможно, к еще меньшему рассеиванию мощности в MOSFET. Это следует учитывать, если требуются очень высокие токи нагрузки.

Частота ШИМ — Если считыватель использует другой микроконтроллер или даже выделенную схему ШИМ, вы можете увеличить частоту ШИМ до 40 кГц или выше. Это должно улучшить фильтрацию и/или позволить вам использовать меньшую катушку индуктивности для тех же пульсаций тока.

Ограничитель пускового тока — Одним из недостатков ламп накаливания является то, что их сопротивление в холодном состоянии намного ниже, чем при «нормальной» работе (часто упоминается 10-кратный коэффициент). Это низкое «холодное сопротивление» приводит к всплеску тока (перерегулированию) при первом подключении нагрузки к тестируемому источнику. Хотя это не было серьезной проблемой для моих целей, читатель должен знать об этом, поскольку это может (в некоторых случаях) вызвать срабатывание схем защиты от перегрузки по току в тестируемых источниках питания.

Добавление небольшого последовательного резистора или даже более сложной схемы ограничения тока только при запуске может улучшить эту ситуацию. Например, вы можете добавить еще одно реле, управляемое тем же микроконтроллером, который удерживает последовательный резистор в цепи в течение нескольких миллисекунд после включения нагрузки, а затем закорачивает их для работы в установившемся режиме.

РИСУНОК 13. Регулируемая нагрузка в действии.

Этот проект оказался полезным не только потому, что он оказался очень полезным на моем рабочем столе, но и потому, что он позволил мне спасти и перепрофилировать некоторые из моих старых ламп накаливания. Мне нравится видеть визуальную обратную связь, обеспечиваемую световым свечением, когда ток проходит по цепи (см. 9).0151 Рисунок 13 ).

Это несколько уникальная функция, которую вы не получите с подходами на основе MOSFET; это похоже на сравнение старого доброго лампового усилителя с современным транзисторным усилителем. Надеюсь, вам тоже понравится. NV

СПИСОК ЗАПЧАСТЕЙ

ПОЗИЦИЯ	ОПИСАНИЕ
АКТИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
У1	78L05 Линейный регулятор 5 В
У2	PIC12F683 Микроконтроллер
Q2	N-канальный силовой МОП-транзистор
Q1	2N2222 НПН Транзистор
Д2	1N4001 Диод
D1	Красный светодиод
РЕЗИСТОРЫ — 1/4 Вт 5% аксиальная углеродная пленка
Р1	10К
Р2	4. 7К
Р3	220R
Р4	3,3К
Р5	22К
Р6	4.7R
КОНДЕНСАТОРЫ
С1	0,1 мкФ / 100 В Керамика
С2	10 мкФ / 16 В электролитический
С3	0,1 мкФ / 100 В Керамика
С4	4,7 нФ / 100 В Пленочный
С5	470 мкФ / 50 В Электролитический
С6	680 мкФ / 50 В Электролитический
С7	0,1 мкФ / 100 В Керамика
РАЗНОЕ
L1	Индуктор с тороидальным сердечником 220 мкГн, 4 А или выше
РЕЛЕ	Реле SPDT 10A
РВ1	Многооборотный потенциометр 10K
Перфопанель
Лампочки	(см. ➜