SBL-LOAD-150

Электронная нагрузка


Благодарности

Конструкция удалась только благодаря терпению и опыту neekeetos & yahoo.com, за что ему отдельная благодарность.

Характеристики

Смотри User Manual и в папке на Google disk, то же есть этот файл.

Стабильность параметров


    Для оценки стабильности параметров проводилось накопление данных измеренных самой же нагрузкой. На графике справа измеренные значения установленного тока в режиме CC 1000 ма (синий), ниже красный 100 ма (красный). Следующий график справа это спектр для значений 1000 ма.
   Слева график девиации Алана. Девиация Алана  показывает среднеквадратичное отклонение за указанный период. Накопление шло более 30 минут. Красная линия это измерение тока 100 ма, синяя ток 1А, два графика даны для сравнения.
Для тока 100 ма.
    Как видно кратковременная стабильность установки тока 2.0e-5 A (среднеквадратичное отклонение).  Долговременная стабильность не хуже 5.0e-5 A. Известно что измеренные значения находятся в промежутке +\- 3 сигма, т.е. значения находились в пределах +/- 0.15 ма  на за все время накопления, а это более 30 минут. 
Для тока 1000 ма
    Среднеквадратичное отклонение максимальное 8e-5A, т.е +/- 3 сигма это +/- 0.25 ма, что собственно и подтверждает правый верхний график, на котором видны границы блуждания измеренного значения тока 1 А. А если прогреть предварительно шунты, то стабильность будет еще лучше.

    Обращаю внимание что это ни стабильность относительно эталона, это стабильность между установленным и измеренным значением самого девайса, у меня нет мультиметра с выводом замеренных значений на компьютер.  Перед измерениями нагрузка была прогрета порядка 30 минут, шунты предварительно не прогревались, в процессе работы включался и выключался вентилятор, это даже видно на графиках. 

Описание

Блок схемы

Схемы, Документация, Прошивки

Платы

К сожалению DesignSpark несколько криво готовит файлы для ЛУТ (некоторые дырки закрашиваются). Поэтому я либо конвертирую pdf в jpg и там уже рисую недостающие дырки либо беру файл с именем preview и сверлю недостающие дырки на глазок.
Что бы инвертировать pdf для печати в негативе для фоторезиста, я использую AdobePhotoshop.
  • Опубликованы проекты DesigSpark, на основании которых можно готовить Gerber файлы.
Необходимо помнить. Проекты не готовились для гербер файлов, они готовились для фоторезиста. Поэтому вам необходимо расставить диаметры всех стилей отверстий, всех стилей линий. Убрать окантовку плат в виде дорожки, да и вообще проверить.
Проекты готовились в DesignSpark 8.0.
Ссылка для скачивания, логин guest, пароль пустой.

Описание конструкции

    История по созданию электронной нагрузки началась пару лет назад, когда возникла идея сделать контроллер для одной из электронных нагрузок купленных на АлиЭкспресс, обзор данной нагрузки вот тут. Данная нагрузка при ближайшем рассмотрении имела порт USART и была надежда, что можно будет получить хоть какие то доп данные по последовательному порту. Но после исследования реального образца, оказалось что это выводы с данными SPI и ни какой логики в выводимых данных я не нашел. В дальнейшем, в пылу экспериментов я спалил встроенный контроллер и это собственно и решило судьбу девайса. На данный момент все детали пошли в работу (Радиатор, силовые транзисторы и самое ценное шунты). Так же, есть отреверсированная схема нагрузки SOUSIM, ее можно взять вот тут.
    В силу данных обстоятельств прототип контроллера электронной нагрузки был написан до создания аналоговой части, а после вывода из строя китайской нагрузки было решено делать аналоговую часть заново. Многие идеи почерпнуты из обсуждения нагрузки ЛИ, но сама блок схема и реализация совершенно иные.
    На данный момент любой может собрать электронную нагрузку своими руками либо приметить в своей конструкции блок электронного управления.

Блок MCU.

    Аппаратная часть блока MCU получилась очень простая и по сути включает в себя только один контроллер STML151CBT6 (можно и с буквой А), ни каких внешних АЦП и ЦАП не используется и поэтому контроллер по сути может управлять любой электронной нагрузкой, при условии наличия линейных управляющих сигналов у аналоговой части.
    Сбор данных производится по двум каналам АЦП, один для тока один для напряжения. Данные собираются в циклический буфер через DMA всегда. Каждые 6 (шесть) накопленных отсчетов вызывается прерывание где идет обработка и дальнейшее накопление данных, Данное прерывание используется и для работы PID регулятора и для обработки событий и для событий защиты.  Данные в прерывании накапливаются как 45.5 тысяч замеров 12 разрядного АЦП, для каждого из каналов для одного замера. Всего замеров для отображения производится 4 каждую секунду.
    Для управления током и напряжением сделан программный 16 разрядный ЦАП используя технологию псевдошумовой генерации отсчетов (как точно назвать не знаю). ЦАП работает на частоте 2Мгц, данные посредством DMA по кругу выводятся на ЦАП из сгенерированной для нужного выходного значения таблицы. ЦАП постоянно выдает последовательность уровней, которые в среднем соответствуют разрядности 16 бит, на выходе стоит банальный LPF первого порядка на 30кГц. Итоговая частота смены отсчетов ЦАП может доходить до 125 кгц.
    В результате шаг установки ЦАП для тока режима CC:
  •     Диапазон LOW = 0.1 ma
  •     диапазон HIGH = 0.3 ma.
    Шаг установки ЦАПа для напряжения в режиме CV:    
  •     Диапазон LOW = 0.6 mV
  •     диапазон HIGH = 3 mV.
    Точность установки значений определяется только линейностью ЦАП, и соответственно не может быть лучше чем заявлено в даташите на МК.

Выходной блок.

    Наиболее важным узлом влияющим на стабильность и точность параметров является выходной силовой блок, который является еще и измерителем тока, поэтому стабильность очень важна. Для обеспечения термостабильности в измерительной части установлены ОУ U13, U14 ad8628 с экстремально низким уровнем температурного дрейфа и компенсацией. Это оказался единственный ОУ в доступе и с реальной ценой. Из недостатков данного ОУ только питание 5В, поэтому пришлось сделать отдельный источник смещенного напряжения питания (-1.25В /+3.75В ), но поверьте это того стоит.
    Вторым очень важным узлом как ни странно оказались шунты, ни когда бы не подумал что можно получить засаду используя константановые шунты, пока сам не убедился. Хотя константан имеет самое низкое значение ТКС, у него оказалось очень большая термо ЭДС. Когда я поставил шунты из константанового провода 40 мОм, то не мог понять почему все показания начали гулять и все плохо калибруется. Оказалось все дело в термо ЭДС. Хотя я знал о ее  наличии, но не предвидел такого эффекта :). А проявляется он следующим образом: Подается ток 5А, нагрузка работает..., а после отключения нагрузки показания прибора 15 - 20 ма и плавно спадают, по мере охлаждения шунтов и ощущение что есть ток в цепи. В общем, в конечной версии стоят Манганиновые шунты из китайской электронной нагрузки на 20 мОм диаметром 1.5мм.  На данный момент найдена манганиновая проволока E-KIT (манганин 1мм)E-Kit (манганин 2мм). Проведена лабораторная работа по возможности создания шунтов из данной проволоки. В идеале шунты должны быть 40 - 50 мОм в каждом канале, при этом пропорционально надо уменьшить усиление дифференциальных каскадов усиления снимающих сигнал с шунтов.
    Еще очень сильно повлиял на стабильность выходных параметров режим включения ЦАП микроконтроллера. Первоначально ЦАП были включены в режиме без использования внутренних буферов с внешней ОС, как собственно и описано в AppNotes на DAC. Но длительные поиски уплывания установленного тока после включения на 5 ма, показали что сдвиг обусловлен именно режимом ЦАП. Ток плавно плыл в течение 30 минут. После того как был включен внутренний буфер для ЦАП, термостабильность возросла на порядок. Почему данные цифры не сошлись с ДШ, для меня загадка до сих пор.

Аналоговый блок.
    Построение аналоговой части создавалось по аналогии с нагрузками Agilent (схемы прилагаются), только логика работы инвертирована.
    По большому счету в аналоговом блоке все понятно из блок схемы. Хочется отдельно остановится только на описании земли.
    Измерительная земля это земля MCU и соответственно это земля ЦАП и АЦП. Земля цифрового блока и аналогового блока AGND соединена в единое целое через разъемы двух плат. Земля AGND от блока питания заведена только со стороны цифрового блока (плата MCU).
    Земля выходного блока OUT_GND заведена со стороны БП отдельно, а измерительный сигнал тока снимается с выходного блока дифференциальным усилителем U5b, что бы исключить падение напряжения между блоками по проводу земли. Такая же схема применена для развязки земель DUT и выходного блока, где напряжение с шунтов снимаются дифференциальными усилителями U13, U14.
    Так же с помощью дифференциального усилителя U9a выходной сигнал монитора тока приведен к потенциалу DUT- или SENS_V-, в противном случае земли с DUT_GND потечет по измерительной земле и исказит показания. Особенно это актуально если подключен программатор к компьютеру.
    В аналоговой части применено много ОУ с прецизионными характеристиками, по большому счету многие на данный момент можно поставить и попроще, перепробовано тоже большое количество ОУ.  Просто приходилось искать стабильность то одного блока, то другого, что и привело к некоторым перегибам. Но все равно лучше поставить ОУ не хуже OPA2177, они являются разумным компромиссом по многим характеристикам и не экстремально дорогие.
    По ОУ хочется сразу предупредить что на АлиЭкспресс хороших ОУ вы не купите, только перемаркированные LM358 :).

Видео


Фото с примерами работы

Лицензия

1. Бесплатно, электронная нагрузка обеспечивает функциональность:
    - режимов ( CC, CV, BAT, CRC, CPC, CRV).
    - защиты OCP, OVP, OTP, OPP
    - функций Von, Voff.
    - вывод измеренных данных в COM порт.
    - и еще много плюшек.
2. Частично ограниченна функциональность без регистрации прошивки:
    - Выключены режимы TRC и LED.
    - Отключен тригерный скоростной программный монитор тока и напряжения.
    - Выключены функции CLI (set, get, частично events), т.е. посредством USART можно получать данные, включать|выключать нагрузку, а также менять режим работы. Изменение параметров и настроек без регистрации недоступно.
3. Информация по платам опубликована в полном объеме, в том числе опубликованы проекты для генерации гербер файлов.
4. Стоимость регистрации дополнительных функций одного девайса для жителей постсоветского пространства - 350р (5 у.е.). Для остальных - 10 у.е.

P.S. Если кто то захочет продавать наборы, то помогу чем смогу.

Обсуждение конструкции

Ссылки

1. Инструкция пользователя SBL-LOAD-150. (см. на GoogleDisk).
2. Схема электронной нагрузки Agilent 6060B (см. прилагаемые файлы).
3Схема электронной нагрузки Agilent N3304A (см. прилагаемые файлы).

Облако тегов

DIY, CC, CV, CRC, CPC, CPV, CRV, OCP, OVP, OTP, OPP,  Von, Voff, PID.