Il carico elettronico, o dummy load – parte #2

Il carico elettronico, o dummy load – parte #2

Avevo anticipato la volta scorsa che avrei parlato del carico elettronico a resistenza variabile, ma dovrò ancora rimandare perché in questo episodio voglio presentare una modesta miglioria al carico a resistenza fissa di cui ho spiegato i princìpi. Avevo infatti presentato immagini e schema di un carico “brutale”, messo insieme alla buona e con pezzi di recupero. Per chi volesse costruirsene uno ho pensato di rendere la cosa un po’ meno rustica.

Cadsoft Eagle CadIl progettino è semplice ma prevede che sappiate farvi un circuito stampato a singola faccia e che sappiate usare trapano e maschio da filettatura. Non siete in grado? Consiglio di imparare, è da qui che si parte quando si vuol fare qualcosa “da sé”. Qui sotto trovate lo schema e il layout del PCB (printed circuit board, il circuito stampato insomma) in formato PDF, in modo che possiate stamparlo su un lucido così com’è. Questa scelta è data dal fatto che molti principianti e hobbisti usato la versione free di Eagle Cad, che non permette lo sviluppo di schede maggiori di 100 x 80 mm. La nostra scheda è di 160 x 100 mm, il cosiddetto formato europeo standard, fatta con Eagle Cad versione commerciale, quindi se vi avessi allegato il file non avreste potuto aprirlo. Come potrete vedere la scheda è molto semplice ed è facilmente realizzabile in casa, sia con un bromografo e le piastre presensibilizzate, sia con i trasferibili o il print & peel, sia con una fresa per lavorare direttamente sul rame in positivo.

Download disponibili:

Dummy load di base – PCB layout
Dummy load di base – schematic

Dummy load - PCB Layout

Dummy load – PCB Layout

Le piste sono volutamente ciccione perché così non abbiamo problemi nel flusso di corrente. Per la connessione delle resistenze al PCB ho usato un vecchio trucchetto che evita fastidiose saldature di pioli, piedini, terminali, strip-line cavi o quant’altro. Ho infatti usato il connettore Faston da 6,3 mm a saldare (Eagle footprint con-rib ST6,3) sfalsato di circa un millimetro rispetto all’asse dei terminali delle resistenze. In tal modo è possibile montare tutta la scheda, saldare i connettori facilmente e col rame rivolto verso l’alto senza bisogno di bloccaggi o nastro di tenuta o altre diavolerie per evitare che i pioli / terminali si sfilino e cadano. Soprattutto, non dimentichiamolo, con una connessione di questo tipo non corriamo il rischio di fondere qualcosa: i terminali da 6,3 x 0,8 mm portano infatti fino a 24 Ampere di corrente.

L’aletta di raffreddamento è di recupero, presa dal ferrivecchi per pochi spiccioli. Non era molto bella e aveva già qualche foro, ma per questo lavoretto era più che sufficiente. Gli ho dato una pulita con la mola flessibile e poi l’ho verniciata con vernice acrilica spray nera per alte temperature, quella per stufe o marmitte (non che sia necessaria per il progetto, ma è una vernice che trovate in qualsiasi colorificio o fai-da-te, aderisce molto bene sull’alluminio e non fa odori). Un consiglio: appena verniciata, soffiate l’aletta con un soffiatore ad aria calda a 350°C per una ventina di secondi. La vernice asciuga immediatamente e aderisce in modo perfetto. Resterà così senza spellare o “spolverare” per lungo tempo.

Montaggio step by step

1 Preparare il PCB (per chi non sapesse come fare consiglio di guardare uno dei tantissimi tutorial che si trovano in rete, qui un esempio)

Il PCB dopo lo sviluppo col bromografo

Il PCB dopo lo sviluppo col bromografo

2 Forare i segnaposto dei distanziali e delle asole delle resistenze con una punta da 2 mm (al quinto step capirete il motivo)
3 Posizionare la scheda col rame rivolto verso il basso sull’aletta di raffreddamento e centrarla (o metterla nella posizione finale desiderata)

Centratura della basetta prima della punzonatura

Centratura della basetta prima della punzonatura

4 Fissare con del nastro la basetta in modo che non muova dalla posizione impostata

Punzonatura con PCB bloccato dal nastro

Punzonatura con PCB bloccato dal nastro

5 Marcare l’alluminio con un punzone a scatto diam. 2 mm (tipo questo, venduto come rivettatrice ma nato come punzone). Vedere immagine del punto 4.

L'aletta dopo la punzonatura

L’aletta dopo la punzonatura

6 Forare nuovamente la basetta, allargando i precedenti fori da 2 mm (che servivano per fare un bel lavoro al passaggio 5). I fori per i distanziali vanno diam. 3,5 mm, quelli per le asole delle resistenze vanno da 4 o 5 mm, dipende da quale tipo di vite userete per fissare le resistenze all’aletta.

PCB pronto al montaggio

PCB pronto al montaggio

7 Forare gli spazi per i connettori a banana: quelle che ho usato io chiedevano un foro da 6 mm (un “quasi” standard). Misurate col calibro prima di forare, vi eviterà di andare a casaccio.

Una misurata al filetto delle banane non guasta mai

Una misurata al filetto delle banane non guasta mai

8  Con una punta da 2,5 mm, forare l’aletta di raffreddamento nelle marcature precedentemente segnate (al passaggio 5). Prima di forare se volete potete dare una controllata se le punzonature sono nella posizione corretta, mettendovi sopra le resistenze nel loro layout finale.

Prova di posizionamento delle resistenze

Prova di posizionamento delle resistenze

9 Montare su un avvitatore il maschio da 3 mm: io uso quello con inserto rapido esagonale, molto comodo e robustissimo. Filettare tutti i fori dell’aletta. Se si sente un “affaticamento” del maschio, bagnare con un po’ d’olio meccanico per facilitare la rotazione. Si può così procedere a posizionare le resistenze per una prima prova.

Proviamo se i nostri fori sono precisi

Proviamo se i nostri fori sono precisi

10 Ok, ve lo dovevo dire prima, ma ora smontate di nuovo le resistenze (se è tutto ok con fori e filetti) e prendete la pasta termoconduttiva a base siliconica e una spatolina.

Pasta termoconduttiva

Pasta termoconduttiva

11 Posizionare le resistenze sull’aletta partendo da sinistra con la 4,7 ohm e via via le altre da 1 ohm. Date una bella spalmata di pasta (senza esagerare). Anche se qui non è indispensabile, è buona norma utilizzarla in tutti i casi in cui ci sia calore da dissipare su un’aletta.

Una lieve spalmata di pasta termoconduttiva

Una lieve spalmata di pasta termoconduttiva

12  Fissare le resistenze con bulloncini M3 x 6mm. Io uso quelli di tipo TCEI (testa cava esagono interno) perché ho i caccaviti con brugola da 2,5 mm. Se preferite testa a croce o a taglio non c’è problema, badate solo che siano filetti M3 passo 0,5 mm

Fissiamo le resistenze (lo so, la foto è la stessa di prima ma non ne avevo una specifica. Il concetto si capisce lo stesso)

Fissiamo le resistenze (lo so, la foto è la stessa di prima ma non ne avevo una specifica. Il concetto si capisce lo stesso)

13  Posizionare e stringere (non troppo) i distanziali 5 x 20 mm. La delicatezza è d’obbligo altrimenti un filetto da 3 mm nell’alluminio sottile salterebbe via e dovremmo rifare tutto. Nell’alluminio più spesso invece si spacca il filetto del distanziale, e poi a toglierlo son dolori…

Dettaglio del montaggio

Dettaglio del montaggio

14  Assemblare e saldare i terminali Faston sulla scheda LATO RAME: con distanziali da 20 mm servono Faston da 15 mm, se usiamo distanziali da 15 mm i Faston saranno da 8 / 10 mm max.

Saldatura dei faston lato rame

Saldatura dei faston lato rame

15 Tagliare le sporgenze dei reofori dei Faston, in modo da avere una superficie pulita e liscia (vedrete al punto 20 il perché)

Resta solo da mettere l'etichetta

Resta solo da mettere l’etichetta

16 Posizionare la scheda sull’aletta: se non abbiamo fatto casini, i fori dei distanziali corrisponderanno con precisione, e i terminali Faston andranno accanto (a contatto, praticamente) ai terminali delle resistenze.

Posizionamento dei faston

Posizionamento dei faston

17  Fissare la scheda sui distanziali con bulloncini M3 x 6mm

dettaglio vite M3

dettaglio vite M3

18  Saldare i reofori delle resistenze ai terminali Faston

I faston saldati alle resistenze

I faston saldati alle resistenze

19  Posizionare le banane nei fori precedentemente fatti, mettendo la rondella a contatto col rame. Chiudere aiutandosi con una chiave da 8 mm.

Montaggio delle banane

Montaggio delle banane

20  Stampare su adesivo per laser la tabella dei valori (di cui nel precedente episodio) e le diciture identificative delle banane.

Il nostro dummy load completato

Il nostro dummy load completato

 

Et voila. Il montaggio è fatto, ora non ci resta che fare qualche test. Come vedrete dalle immagini, i valori sono molto vicini a quelli teorizzati e stampati sull’etichetta. Se la tabella non è precisissima non importa, ci serve solo come riferimento di massima e ci evita ogni volta di prendere la calcolatrice. Semplice, no? Arrivederci al prossimo episodio.

 

 

Il carico elettronico, o dummy load – parte #1

Il carico elettronico, o dummy load – parte #1

Quando ci troviamo per le mani un alimentatore, se siamo animati dallo spirito della ricerca e della curiosità è normale che ci poniamo delle domande: è davvero in grado di erogare la potenza dichiarata sulla targhetta? La tensione nominale sarà uguale a quella effettiva? La corrente continua sarà davvero “continua” oppure ci sarà un residuo di alternata? E quanto sarà “grande” questo residuo in alternata, o ripple? Un alimentatore con cosa va misurato? Posso farlo da me o devo comprare strumenti costosi? Sarebbe utile un carico elettronico?

Costo stimato: circa 25 €

Difficoltà: principiante

Per avere queste risposte basta relativamente poco, dove il “poco” dipende da quale scala di valori vogliamo ottenere. Se il nostro obiettivo è capire se c’è un residuo di alternata in un alimentatore ci basta un multimetro da 40 euro, se invece vogliamo distinguere il ripple dal rumore (noise) in maniera precisa dobbiamo salire di prezzo fino a poter disporre di oscilloscopi, carichi elettronici e delicatissime sonde differenziali che costano più della somma degli strumenti in grado di leggerle.

Uno strumento indispensabile per qualsiasi test di base su un alimentatore è il carico elettronico, o dummy load. Si tratta di un “simulatore di resistenza” che, applicato all’uscita dell’alimentatore sotto test, permette di applicare appunto una resistenza di carico e far erogare all’alimentatore la corrente desiderata. Uhm, scritto così potrebbe sembrare un po’ complicato (o stupido, dipende da come lo si guarda). Diciamo che è una vera e propria resistenza (ho usato il termine “simulatore” perché la maggior parte dei carichi elettronici usa le proprietà dei mosfet di potenza per simulare appunto una resistenza variabile, ma di questo parleremo altrove) che viene messa fra il polo positivo e quello negativo di un alimentatore, facendo sì che scorra una determinata corrente attraverso essa. È come se mettessimo una lampada, o un motore, ovvero un cosiddetto carico.

Facciamo due calcoli

Veniamo alle cifre. Avete presente la legge di Ohm? Bene. In base ad essa, se voglio far erogare 1 Ampere ad un alimentatore da 5 Volt, devo applicare una resistenza da 5 Ohm (R = V/I ovvero 5 V / 1 A = 5 ohm). Facile, no? Certo, ma oltre al valore in Ohm non dimentichiamo un altro parametro fondamentale: la potenza, o capacità di dissipazione, espressa in Watt. I Watt nella corrente continua sono il risultato di Volt x Ampere, quindi nel nostro esempio avremo 5 Volt x 1 Ampere = 5 Watt. Pertanto ecco che abbiamo costruito il nostro primo carico elettronico: una resistenza da 5 Ohm e 5 Watt posta fra polo positivo e polo negativo dell’alimentatore. Ma è davvero così facile? In teoria sì, in pratica dobbia prestare attenzione ad alcuni altri aspetti.

Se applico alla lettera l’esempio precedente, la mia resistenza arriverà a una temperatura prossima agli 80/90°C in pochi secondi. Se fate come facevo io da ragazzo per capire se una resistenza scaldava (il metodo “proviamo a toccarla col dito indice”), a quelle temperature è quasi garantita la scottatura, quindi prestate parecchia attenzione. Questo accade perché la potenza nominale della nostra resistenza è al suo limite massimo. Se vogliamo dimensionare adeguatamente il nostro primo carico fittizio, dobbiamo scegliere una resistenza da 10 Watt: scalderà di meno e durerà più a lungo. Come per tutti i componenti, anche per le resistenze di potenza (così si chiamano in autodidattese le resistenze con valori superiori a 2 Watt) è opportuno stare larghi coi valori di dissipazione massima e corrente massima. Se sono previsti 5 Watt di potenza dissipata, mettete la resistenza da 10 Watt. Se ne sono previsti 50, mettete quella da 100. Non lesinate su queste cose, ne trarrete solo vantaggi.

Complicazioni

Cosa succede però quando il mio alimentatore non è a 5 Volt come nell’esempio? Prendiamo un alimentatore che eroghi 12 V a 10 A massimi. Per fargli tirar fuori la massima potenza dobbiamo applicare una resistenza pari a 12 V / 10 A = 1,2 Ohm con una capacità di dissipazione di almeno 120 W (12 V x 10 A). E qui comincia a farsi problematica: se una resistenza da 5 W la troviamo da qualsiasi rivenditore, quella da 120 W (minimo, ricordate) è più difficile da reperire. In questi casi ci si mette a fare i conti per tre motivi:

  • trovare il valore di resistenza adeguato
  • trovare la capacità di dissipazione adeguata
  • trovare il compromesso meno costoso, salvando il portafogli

Calcolatrice alla mano, vediamo come si può risolvere la questione: sapendo che con le resistenze poste in serie i valori in Ohm si sommano, e poste in parallelo si dividono secondo le note formule che trovate ovunque sul web, possiamo trovare un compromesso consistente in 4 resistenze da 4,8 Ohm / 50 W poste in parallelo. Il valore ottenuto sarà di 1,2 Ohm con una “portata” di 200 W massimi. Peccato che le resistenze da 4,8 Ohm non siano standard, dovremmo sceglierle da 4,7 Ohm, ottenendo un valore di 1,17 Ohm circa, che con la tolleranza media delle resistenze di potenza (5%) potrebbe diventare 1,22 ohm o 1,11 ohm. Per un test di massima possono andare bene, ma se vogliamo la precisione non è questa la strada giusta.

Non dimentichiamo poi che dissipare 120W non è un gioco. Le resistenze di potenza (quelle corazzate, soprattutto) sono in grado di sopportare tale potenza perché hanno il filamento annegato in una specie di cemento antifiamma. Se però non vogliamo trasformare il nostro dummy load in una stufetta, o fare gli aloni marroni sul nostro banco da lavoro, o peggio ancora fare i nostri polpastrelli al barbecue, è opportuno che fissiamo le nostre resistenze su un’aletta di raffreddamento di adeguate dimensioni. Insomma, la vita è difficile anche per un modesto hobbista!

Costruzione di un semplicissimo dummy load

Come fare, dunque? Ecco la mia soluzione “da battaglia”, un semplice carico resistivo costruito su un’aletta di raffreddamento recuperata dal rottamaio usando una manciata i resistenze che avevo nel cassetto. Non è variabile in modo continuo, come potrebbe essere un carico elettronico, ma permette con pochi passaggi di applicare una resistenza espressa in una scala di valori abbastanza standard per i test su piccoli alimentatori a tensione fissa. Per costruirlo dovete procurarvi il seguente materiale (i link sono suggerimenti basati sui miei gusti personali e sulla qualità del rivenditore citato, ognuno si senta libero di acquistare ciò che desidera e dove desidera farlo):

Il dimensionamento delle resistenze è persin esagerato, se vogliamo fare un appunto. In questa configurazione è in grado infatti di dissipare da un minimo di 50 W a un massimo di 210 W. Ma mi sono tenuto largo perché magari usandolo con tensioni maggiori, fino a 12 V con 12 A per esempio, potremmo arrivare anche a 144 Watt di potenza dissipata (che non è sopportabile dalla singola resistenza, vedere avvertenze e tabella di riferimento). Come vedrete dalla tabella sotto riportata (calcolata sulle tre tensioni di alimentazione più comuni: 12 Volt, 5 Volt, 3,3 Volt), a seconda di dove posizionerò le mie sonde sulle banane di uscita, otterrò un carico resistivo di valore diverso e compreso da 1 Ohm a 8,7 Ohm. Per ognuno dei valori avrò il corrispondente in Watt e Ampere. Per praticità, se vorrete potrete stampare questa tabella su carta adesiva e applicarla sul carico, così da aver sempre sotto mano il massimo raggiungibile senza pericolo di overheating (sovrariscaldamento).

Attenzione: nel caso vogliate costruire il carico esattamente come rappresentato in questo post, non applicate carichi superiori a 50W per ogni singola resistenza! Pericolo di sovratemperatura! Vedere tabella di riferimento.

 

Tabella calcolo per carico resistivo

Tabella calcolo per carico resistivo

Schema dummy load base

Schema dummy load base

 

Lo schema è semplice (vedere figura a lato): le resistenze sono collegate in serie e a ogni giunzione c’è una presa fatta col cavo da 2,5 mm² che porta alla rispettiva banana. Alle banane vanno collegati i classici cavi con spina “a listello” in grado di portare la corrente prevista. Non usate cavi di sezione troppo piccola perché, oltre ad applicare essi stessi una resistenza aggiuntiva, scalderanno e si fonderanno (e non è bello, fidatevi). Con un multimetro posizionato sulla massima misura di corrente (tipicamente 10 Ampere) collegato in serie sul polo positivo, potremo controllare il reale assorbimento di corrente: questo valore è indispensabile se il nostro alimentatore non ha un display o un indicatore a lancetta con la misura della corrente erogata.

Nella fotogallery potrete vedere varie fasi e configurazioni utili al vostro scopo. Le resistenze usate nel mio prototipo sono di potenza inferiore a quella descritta nel progetto, ma erano le sole a mia disposizione.

Nella prossima puntata

E se volessi mettere sotto carico un alimentatore a tensione variabile, ad esempio per coprire il range da 1,5 a 24 V, con una resistenza fissa come quella usata nel primo esempio? L’impresa è fattibile ma poco edificante: ammesso che il nostro alimentatore possa erogare così tanti Ampere, succederebbe che verrebbe applicato un carico di 1,5 V / 1,2 Ohm = 1,25 A sulla tensione minima, e 24 / 1,2 = 20 A alla tensione massima (con una dissipazione potenziale di 480 W)! Come direbbe il buon Dave Jones: “Hopeless!”. Senza speranza! Per poter risolvere il problema dobbiamo applicare una resistenza di carico che mantiene invariata la corrente al variare della tensione, pertanto bisogna per forza usare un dummy load a corrente costante. Di questo però parleremo la prossima volta.

Risorse

Un po’ di link utili per facilitare il calcolo delle resistenze in parallelo e in serie, con una fondamentale aggiunta: il calcolo esatto della dissipazione

Gallery