Umělá odporová zátěž

Celkem často při své práci potřebuji testovat různé napájecí zdroje, měniče, audio zesilovače nebo vybíjet baterie. Dříve jsem vždy na každou takovou práci musel vyhrabat v šuplíku nějaké výkonové rezistory a z nich si poskládat požadovanou zátěž. Jistě nemusím zdůrazňovat, že to bylo otravné, zdlouhavé a neprofesionální 😀 Zároveň se mi ve skříni válelo několik starých PC zdrojů, o kterých jsem věděl, že je zřejmě nikdy jako napájecí zdroje nevyužiji.

A tak se zrodil nápad využít alespoň plechové, standardizované krabičky od těch PC zdrojů, vestavět do nich rezistory ze šuplíku a vytvořit si tak kompaktní a univerzální umělé zátěže. Další výhodou krabiček od PC zdrojů je to, že v nich je rovnou vestavěný ventilátor, který může být využit pro lepší chlazení rezistorů v zátěži 🙂

Volba odporů a výkonů zátěží

Na testování zesilovačů je volba odporů zátěží jednoznačná: 4 Ω, 8 Ω, eventuálně 16 Ω, s výkony do 100 W na kanál. Dále vzhledem k tomu, že většinou pracuji s napětím do 60 V by stejně menší zátěž než cca 30 Ω nedávala smysl (30 Ω při 60 V vychází na 120 W, ale při 24 V vychází výkon 30 Ω zátěže pouze na necelých 20 W).

Z těchto myšlenek vyšla volba odporů zátěží nejrozumnější a nejpraktičtější mezi 2 Ω – 20 Ω a ideálně více zátěží s různými hodnotami, které bude možné různě kombinovat. Doma se mi válelo mnoho 15 wattových rezistorů TR509 s hodnotami 47 Ω a 56 Ω. Spojíme-li paralelně 7 rezistorů o hodnotě 56 Ω, vyjde nám výsledný odpor 8 Ω, což je naprosto ideální! 🙂 Dále při paralelním spojení 8 rezistorů o hodnotě 47 Ω, dostaneme výsledný odpor cca 6 Ω. Maximální ztrátový výkon rezistorů 7 rezistorů TR509 vychází na 105 W, což s aktivním chlazení ventilátorem není žádný problém. A tím jsou vyřešeny prakticky všechny neznámé 🙂 Každá zátěž bude mít výkon 100 W a aby byly krabičky od PC zdrojů dostatečně využity, tak do každé krabičky přijdou vždy 2 oddělené zátěže, tzn. celkový výkon zátěže v krabičce bude 200 W. Kromě rezistorů TR509 jsem měl doma i spoustu nějakých jednoúčelových rezistorů Tesla bez označení typu, které se nechali poskládat na 4 Ω a zhruba 150 W a také 3 velké rezistory v hliníkovém pouzdru, které daly dohromady 4 Ω / 200 W. Celkem jsem zatím poskládal tyto zátěže:

2 x 6 Ω / 100 W
2 x 6 Ω / 100 W
2 x 8 Ω / 100 W
1 x 4 Ω / 150 W
1 x 4 Ω / 150 W
1 x 4 Ω / 200 W

Nicméně fantazii se meze nekladou a takovouto zátěž je možné poskládat na libovolný odpor a libovolný výkon, jednoduše dle potřeby 🙂

Aktivní chlazení zátěží

Ventilátor v krabičkách od PC zdrojů jsem zcela jistě chtěl využít, zbývalo jen vymyslet, jak ho ovládat. Velice jednoduché a elegantní řešení vymyslel autor zde, nebo alespoň v tomto článku jsem si toho všiml poprvé. Ventilátor může být napájen přímo od zátěže, resp. připojen paralelně k zátěži s jednoduchým předřadným obvodem, který sráží napětí zátěže, aby nedošlo k poškození ventilátoru příliš velkým napětím (i když 12 V ventilátory z PC většinou bez problémů vydrží i 20 V 😀 ) Tímto připojením ventilátoru bude zároveň zajištěna „automatická regulace“ otáček ventilátoru dle zatížení zátěže – geniální! 😀

Toto zapojení má však dvě malé nevýhody. První nevýhoda je, že připojený ventilátor snižuje odpor té sekce zátěže, ke které je připojen. Druhá malá nevýhoda spočívá v připojení ventilátoru pouze k jedné sekci zátěže – aby bylo chlazení funkční je nutné zatěžovat tuto sekci (u mě první) přednostně.

Ke schématu, rezistor R1 sráží napětí z napětí na zátěži pro napětí ventilátoru. Usměrňovač, tvořený diodami D1-D4 je použit kvůli univerzálnosti zátěže, aby bylo možné zátěž připojit i na střídavý proud a nebo u proudu stejnosměrného nemuset hlídat polaritu. Kondenzátor C1 slouží jako filtr.

Volba hodnot součástek:

Rezistor R1 – příklad: ventilátor 12 V, 0,18 A, napětí na zátěži při jmenovitém výkonu např. 24,5 V. Úbytek na R1: 24,5 – 12 – 1,2 (na diodách) = 11,3 V -> odpor 11,3 / 0,18 = 63 Ω. Ztrátový výkon na rezistoru: 11,3 * 0,18 = 2 W. Tím bude zajištěno, že se ventilátor při maximálním výkonu zátěže bude točit svými maximálními otáčkami.
Diody v usměrňovači – libovolné, které vydrží dané napětí a proud ventilátoru a také které zvládnou frekvence, ve kterých se zátěž bude provozovat. Já použil univerzální, rychlé diody US1J – 600 V, 1 A a v jednom případě nějaký celý diodový můstek.
Kondenzátor C1 – libovolný, já používal 47 uF a 100 uF, protože jsem je měl doma.

Ze začátku jsem ještě paralelně k ventilátoru na DPS osazoval ochranné zenerovy diody, kvůli možným napěťovým špičkám, ale pak mi to přišlo zbytečné 🙂 a na poslední zátěže jsem tyto diody nedával a zátěže zatím fungují 🙂

Níže na obrázkách jsou jednotlivé předřadné moduly k ventilátorům. Napadla mě i myšlenka nechat si na tyto moduly vyrobit speciální DPS v Číně, ale nakonec se mi na to nechtělo čekat a navíc takto byla možnost využít nějaké odpadní kousky cuprexitových desek 🙂

Mechanická konstrukce

Jeden z klíčových požadavků byl samozřejmě na to, aby to bylo levné 🙂 Tudíž jsem ani na spojení rezistorů do zátěže neobjednával žádné speciální DPS, ale každou zátěž jsem „zbastlil“ 😀 na různých starých cuprexitových deskách nebo jen tak pospojoval na drátkách vzduchem. Myslím, že účel to zcela splnilo. Více prozradí fotky samotných zátěží níže 🙂 Čelní panely, do kterých jsem umístil staré bakelitové svorky pro připojení zátěže, jsem vytiskl na 3D tiskárně. Data pro 3D tisk jsou ke stažení na konci článku.

První zátěž.

Druhá zátěž.

Třetí zátěž.

Čtvrtá zátěž.

Pátá zátěž.

Šestá zátěž.

A všechny zátěže pěkně pohromadě.

3D tištěné komponenty

Zde jsou k dispozici 3D modely všeho, co jsem potřeboval ke stavbě jednotlivých zátěží – čelní panely, podložky pod přístrojové svorky, různé držáky. Všechno jsem tiskl z materiálu ASA.

Shrnutí

Umělé odporové zátěže se u mě rychle zařadily mezi nejčastěji používaná zařízení. Jsou velice jednoduché, univerzální, myslím i blbuvzdorné 🙂 a v krabičkách od PC zdrojů i celkem praktické. Stavba není mechanicky ani časově náročná, takže stavbu takovéto umělé odporové zátěže naprosto doporučuji každému, kdo ji ještě nemá 😀