Электронная нагрузка

Всех приветствую Это статья не будет как таковой от слова совсем. Учить кого-то я в ней не буду, поскольку она растянется просто до бесконечности. Здесь можно будет посмотреть как я мучился с изготовлением электронной нагрузки.

Когда ты более-менее занимаешься радиоэлектроникой или ремонтом техники, периодически нужно испытывать всякие блоки питания, DC-DC преобразователи, аккумуляторы и тд. Раньше для этой цели я использовал автомобильные лампы: для маленькой нагрузки - из плафона освещения, для большой - из фар. Понятно что это неудобно - нужно подбирать лампы, и выше 14 вольт ничего испытывать нельзя - лампы сгорали.

Я взял за основу наверное самую распространенную схему на lm324 + куча полевиков:

Взято из интернета, одна из первых попавшихся картинок.

Схема простая и масштабируемая - на одну микросхему lm324 можно повесить 4 транзистора, не хватает 4-х - бери две (3,4,5,100500) lm-ки и так до бесконечности.
Единственное что мне хотелось добавить от себя - это умное охлаждение - чтоб кулер вращался пропорционально температуре на транзисторах. И вот об этом будет статья.

Перерисовывем схему в Протеусе и проверяем ее там - все отлично работает:

Поскольку рассмотреть тут ничего не выйдет - ловите проект протеуса.
test_load_no_cooler.zip
  Там даже в комплекте первая версия разводки платы - она сейчас трудится на работе и проверяет блоки питания.

Теперь нужно разобраться с охлаждением. Для начала я взял термопару, операционник, attiny13 и написал для нее прошивку. Суть такова - операционный усилитель lm324 усиливает сигнал с термопары и подает ее на вход АЦП в attiny13, а та уже управляет полевиком через драйвер, который управляет кулером.

Ну и по традиции схема, проект Протеуса, прошивка для attiny13 и исходник прошивки.
протеуса - ШИМ + термопара.zip
Attiny13 -ШИМ + Термопара.zip

Исходный код

Исходный код

[копировать] [скачать]

1. #define F_CPU 9600000UL
2. #include <avr/io.h>
3. #include <util/delay.h>
4.  
5. #define PWM0 PB0 // OC0A
6.  
7. int data;
8. int temp;
9.  
10. #define MIN_TEMP 44 //АЦП при котором срабатывает кулер, примерно 50 гр
11. #define MAX_TEMP 208 // АЦП выхода на 100% - примерно 100%
12.  
13. int min_pwm = 75; //PWM при котором кулер начинает вращаться
14. int max_pwm = 255; //Максимальный PWM, скважность 100%
15. int koef_decimal;
16. int between_pwm;
17.  
18. int main(void)
19. {
20.   DDRB |= (1 << PWM0); // выход = 1
21.   PORTB &= ~(1 << PWM0); // по умолчанию отключены = 0
22.   TCCR0A = 0xB1;
23.   TCCR0B = 001;
24.   TCNT0=0x00;
25.   OCR0A=0;
26.  
27.  
28.   //DDRB |= (1 << PB3); // выход = 1
29.   //PORTB &= ~(1<<PB3); // отключаем порт
30.   //PORTB |= 1<<PB3;  //подключаем порт
31.  
32.   ACSR=0x80;            //конфигурируем компаратор
33.   ADMUX=0b00000010;     //назначаем ADC2 как вход АЦП и напряжение питания ATTiny13A для сравнения с нашим напряжением
34.   ADCSRA=0b10000101;       //разрешаем работу АЦП, но не включаем его, выставляем делитель на 32
35.  
36.   int diff_temp = MAX_TEMP - MIN_TEMP; //разница межту температурами
37.   int diff_pwm = max_pwm - min_pwm; //диапазон скважности ШИМ
38.  
39.   koef_decimal = diff_pwm*10/diff_temp; //умножаем на 10 чтоб получить большую точность и избежать float
40.  
41.   OCR0A = 0;
42.  
43.   _delay_ms(50);
44.  
45.   for(;;)
46.   {
47.      ADCSRA |= 0b01000000; //включаем АЦП
48.  
49.      while ((ADCSRA & (1 << ADIF)) == 0); //ждем окончания преобразования, только после этого идем дальше
50.      data = ADCW;
51.      temp = data;
52.      // = (data - 157)*10/27; //Получаем температуру в градусах
53.  
54.  
55.      if(temp > MAX_TEMP)
56.      {
57.          OCR0A = 255; //Включаем кулер на максимум, если превышен заданный предел
58.      }
59.      if((temp > MIN_TEMP) && (temp <= MAX_TEMP))
60.      {
61.          between_pwm = min_pwm + ((temp-MIN_TEMP)*koef_decimal/10);
62.          if(between_pwm > 255)
63.              between_pwm = 255;
64.  
65.          OCR0A = between_pwm;
66.  
67.      }
68.      if(temp <= MIN_TEMP)
69.      {
70.  
71.          OCR0A = 0; //Отключаем шим
72.      }
73.  
74.     _delay_ms(5); // Пауза
75.  
76.   }
77. }

И знаете в чем прикол? Отдельно все работает прекрасно - нагрузка рассеивает энергию в тепло, а attiny при выключенной нагрузке отлично следит за температурой, но как только все это объединяешь - включаешь нагрузку, даешь каких 2 ампера - и кулер стоит колом. И вот тут я может неделю втыкал и смотрел какого лешего ничего не работает. Слабым местом оказался операционный усилитель, он то-ли наводки какие ловит от нагрузки, но отказывается усиливать сигнал. В общем я психанул и переделал всю схему на датчик DS18B20 - он цифровой и там операционник просто не нужен.

Единственное с чем возникли сложности - это с прошивкой. В attiny13 можно запихнуть только 1кб, поэтому пришлось отрезать самое необходимое от либы ардуино, а не юзать все целиком. Но часик времени и все готово.

Проект и прошивка + исходник:
+DS18B20.zip
test_pwm_ds18b20.zip

Исходник

Исходник

[копировать] [скачать]

1. #define F_CPU 9600000UL
2. #include <avr/io.h>
3. #include <util/delay.h>
4.  
5. // порт для датчика
6. #define SENSOR_PIN PB3 // вывод датчика
7. #define SENSOR_PORTReg PORTB
8. #define SENSOR_DDRReg DDRB
9. #define SENSOR_PINReg PINB
10. int8_t actualTemp; // текущая температура
11. int now_temp = 0;
12. int min_temp = 40;  //Минимальная температура срабатывания
13. int max_temp = 75;  //Температура при которой PWM будет 100%
14. int temp_diff= 0;
15. int interval_temp = 0;
16.  
17. //Запуск  шима
18. #define PWM0 PB0 // OC0A
19. int min_pwm = 60;
20. int now_pwm = 0;
21.  
22. // Сброс линии 1Wire
23. uint8_t oneWire_reset(void)
24. {
25.   uint8_t sensor_OK;
26.   uint8_t retries = 125;
27.   // Ждем 250мкс установки высокого уровня на линии.
28.   do
29.   {
30.     if (--retries == 0) return 0;
31.     _delay_us(2);
32.   }
33.   while ( !(SENSOR_PINReg & (1 << SENSOR_PIN)));
34.  
35.   SENSOR_PORTReg &= ~(1 << SENSOR_PIN); // устанавливаем на линии LOW
36.   SENSOR_DDRReg |= (1 << SENSOR_PIN); // устанавливаем линию как выход
37.   _delay_us(490);
38.   SENSOR_DDRReg &= ~(1 << SENSOR_PIN); // устанавливаем линию как вход
39.   _delay_us(70);
40.   sensor_OK = !(SENSOR_PINReg & (1 << SENSOR_PIN)); // проверяем присутствие датчика
41.   _delay_us(410);
42.   return sensor_OK; // если получили ответный импульс от датчика, возвращаем 1, если нет - возвращаем 0
43. }
44.  
45.  
46. // Чтение байта из датчика
47. uint8_t oneWire_readByte(void)
48. {
49.   uint8_t i;
50.   uint8_t data = 0;
51.   for(i=0; i<8; i++)
52.   {
53.     SENSOR_PORTReg &= ~(1 << SENSOR_PIN); // устанавливаем на линии LOW
54.     SENSOR_DDRReg |= (1 << SENSOR_PIN); // устанавливаем линию как выход
55.     _delay_us(3);
56.     SENSOR_DDRReg &= ~(1 << SENSOR_PIN); // устанавливаем линию как вход
57.     _delay_us(10);
58.     data >>= 1; // сдвигаем данные на один разряд вправо
59.     if(SENSOR_PINReg & (1 << SENSOR_PIN)) data |= 0x80; // считываем бит данных
60.     _delay_us(53);
61.   }
62.   return data;
63. }
64.  
65.  
66. // Запись байта в датчик
67. void oneWire_writeByte(uint8_t data)
68. {
69.   uint8_t i;
70.   for( i=0; i<8; i++)
71.   {
72.     SENSOR_PORTReg &= ~(1 << SENSOR_PIN); // устанавливаем на линии LOW
73.     SENSOR_DDRReg |= (1 << SENSOR_PIN); // устанавливаем линию как выход
74.     if (data & 0x01)
75.     {
76.       // Запись 1
77.       _delay_us(10);
78.       SENSOR_DDRReg &= ~(1 << SENSOR_PIN); // устанавливаем линию как вход
79.       _delay_us(55);
80.     }
81.     else
82.     {
83.       // Запись 0
84.       _delay_us(65);
85.       SENSOR_DDRReg &= ~(1 << SENSOR_PIN); // устанавливаем линию как вход
86.       _delay_us(5);
87.     }
88.     data >>= 1; // сдвигаем данные на один разряд вправо
89.   }
90. }
91.  
92.  
93. // Обновляет значение контольной суммы crc применением всех бит байта b.
94. // Возвращает обновлённое значение контрольной суммы
95. uint8_t oneWire_crc_update(uint8_t crc, uint8_t b) {
96.   uint8_t p = 8;
97.   for (p = 8; p; p--) {
98.     crc = ((crc ^ b) & 1) ? (crc >> 1) ^ 0b10001100 : (crc >> 1);
99.     b >>= 1;
100.   }
101.   return crc;
102. }
103.  
104.  
105. int get_now_temp()
106. {
107.     uint8_t data[8]; // буфер для считываемых из датчика данных
108.     uint8_t crc = 0; // контрольная сумма CRC полученных данных
109.     oneWire_reset(); // сброс линии 1wire
110.     oneWire_writeByte(0xCC); // пропуск ROM
111.     oneWire_writeByte(0x44); // запуск температурного преобразования
112.  
113.     _delay_ms(800);
114.  
115.     if (!oneWire_reset()) // сброс шины
116.     {
117.       //emergencyModeOn(); // если не получен сигнал присутствия, запускаем аварийный режим
118.       //continue; // перезапускаем цикл
119.     }
120.     oneWire_writeByte(0xCC); // пропуск ROM
121.     oneWire_writeByte(0xBE); // запрос содержимого ОЗУ
122.     // Последовательно считываем 8 байт данных из датчика и обновляем CRC
123.     uint8_t i = 0;
124.     for (i = 0; i < 8; i++)
125.     {
126.       uint8_t b = oneWire_readByte();
127.       data[i] = b;
128.       crc = oneWire_crc_update(crc, b);
129.     }
130.     // Проверяем контрольную сумму
131.     if (oneWire_readByte() != crc) // если контрольная сумма не совпала
132.     {
133.       //emergencyModeOn(); // запускаем аварийный режим
134.       //continue; // перезапускаем цикл
135.     }
136.     //else emergencyModeOff(); // если контрольная сумма в порядке, отключаем аварийный режим
137.  
138.     actualTemp = ((data[1] << 8) | data[0]) / 16; // преобразуем значение температуры в градусы Цельсия
139.     now_temp = (int) actualTemp;
140.     return now_temp;
141. }
142.  
143.  
144.  
145. int main(void)
146. {
147.   // Светидиоды:
148.   DDRB |= (1 << PWM0); // выход = 1
149.   PORTB &= ~(1 << PWM0); // по умолчанию отключены = 0
150.   // Таймер для ШИМ:
151.   TCCR0A = 0xB1; // режим ШИМ, неинверсный сигнал на выходе OC0A, инверсный - на выходе OC0B
152.   TCCR0B = 001; // предделитель тактовой частоты CLK/8
153.   TCNT0=0; // начальное значение счётчика
154.   OCR0A=0; // регистр совпадения A
155.  
156.   while(1)
157.   {
158.  
159.     now_temp = get_now_temp();
160.     if(now_temp > min_temp)
161.     {
162.       temp_diff = now_temp - min_temp;
163.       interval_temp = (int) (255-min_pwm)/(max_temp-min_temp);
164.  
165.       now_pwm = min_pwm + (temp_diff*interval_temp);
166.       if(now_pwm > 255)
167.         now_pwm = 255;
168.  
169.     }
170.     else
171.       now_pwm = 0;
172.  
173.     //now_pwm = 25;
174.  
175.     OCR0A= now_pwm; // Уровень шим от 0 до 255
176.     _delay_ms(30);
177.   }
178. }

В итоге обьединяем это все в протеусе, добавляем еще 2 транзистора, и получаем уже огромную схему. Ну и пытаемся все это развести на плате, да еще не абы как, а так чтоб стал кулер:


А так выглядит разводка платы. Таки вечерок пришлось посидеть:


Травим ЛУТом нашу плату:


И начинаем собирать. Единственное скажу как компонавались транзисторы. Был взят неисправный процессор АМД, скальпирован. Немного обточена крышка, в ней просверлено 6 отверстий, там нарезана резьба. И все 6 транзисторов прикручены к ней. В итоге получаем конструкцию, к которой по дефолту потходит любой кулер для амд. Кулер можно брать любой 2 или 3 пиновый. 4-х пиновые НЕ ПОДОЙДУТ, поскольку там полевик встроен уже в кулер и управлять им ШИМом так не получится.



Ну и собираем все до кучи, подключаем китайский вольтметр-ампреметр, калибруем его и проверяем на работоспособность всю конструкцию - и вуаля:



Ну и все окончательные исходники проекта в одном архиве:
Электронная_нагрузка.zip

PS: Прошивка писалась в AVRStudio 4
PPS: Чем воротить все это, проще заказать кит из китая, но мы легких путей не ищем. Плюсом за наши старания будет пассивный режим работы при низкой нагрузке.

Может быть потом я таки соберусь и сделаю цикл уже полезных статей о работе в протеусе, о том как правильно дрыгать полевиком, как начать работать с AVR (В частности моей любимой attiny13) и всем прочем. Не теряйте надежды!