Umělá odporová zátěž

Často při své práci potřebuji testovat různé napájecí zdroje, měniče, audio zesilovače nebo vybíjet baterie. Dříve jsem pro tyto účely vždy improvizoval se samostatnými výkonovými rezistory, které jsem musel pokaždé v šuplíku nalézt a vhodně kombinovat, abych dosáhl požadované zátěže. Takové řešení bylo nejen zdlouhavé a nepraktické, ale i z hlediska opakovatelnosti a přesnosti nevyhovující.

Současně jsem měl ve skříni k dispozici několik starších PC zdrojů, u nichž mi bylo jasné, že je na původní účel nikdy nevyužiji.

Tím vznikla myšlenka využít plechové, standardizované skříně z PC zdrojů, osadit je výkonovými rezistory z dostupných zásob a vytvořit tak kompaktní a univerzální umělé zátěže. Další výhodou těchto skříní je integrovaný ventilátor, který může být využit pro lepší chlazení výkonových rezistorů.

Volba odporů a výkonů zátěží

K testování audio zesilovačů je volba odporů zátěží jednoduchá: 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 nebyla využitelná (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 úvah vyšel odpor zátěží nejpraktičtější mezi 2 Ω – 20 Ω a ideálně více zátěží s různými hodnotami, které bude možné kombinovat dle potřeby. Doma jsem měl k dispozici mnoho 15W rezistorů TR509 s hodnotami 47 Ω a 56 Ω. Při paralelním zapojení sedmi rezistorů o hodnotě 56 Ω získáme výsledný odpor přibližně 8 Ω, což odpovídá požadované hodnotě. Obdobně při paralelním spojení osmi rezistorů o hodnotě 47 Ω vychází výsledný odpor přibližně 6 Ω. Maximální ztrátový výkon sedmi rezistorů TR509 vychází na 105 W, čehož s aktivním chlazením není problém dosáhnout. Každá zátěž bude mít nominální výkon 100 W a aby byly skříně od PC zdrojů dostatečně využity, do každé skříně přijdou vždy 2 oddělené zátěže, tzn. celkový výkon jedné zátěže bude 200 W. Kromě rezistorů TR509 jsem měl doma i větší množství jednoúčelových rezistorů Tesla bez označení typu, které se nechali poskládat na 4 Ω a zhruba 150 W a také 3 velké rezistory v hliníkovém pouzdře, které v součtu poskytují parametry 4 Ω / 200 W. Celkem jsem zatím sestavil 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 návrh takové zátěže je flexibilní a lze ji dimenzovat na libovolnou hodnotu odporu i ztrátového výkonu, dle potřeby.

Aktivní chlazení zátěží

Vestavěný ventilátor ve skříních od PC zdrojů jsem chtěl využít, zbývalo však vyřešit jeho řízení. Velmi jednoduché a elegantní řešení jsem převzal z tohoto článku, kde jsem se s ním setkal poprvé. Ventilátor je napájen přímo ze svorek zátěže, resp. je připojen paralelně k zátěži prostřednictvím jednoduchého předřadného obvodu, který omezuje napětí tak, aby nedošlo k jeho poškození při vyšších hodnotách.

Toto zapojení má navíc tu výhodu, že otáčky ventilátoru se přirozeně mění v závislosti na zatížení, čímž je zajištěna jednoduchá „automatická regulace“ chlazení.

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

Ke schématu. Rezistor R1 slouží ke snížení napětí zátěže na úroveň vhodnou pro napájení 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 jmenovitými 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 hotový diodový můstek.
Kondenzátor C1 – hodnota není kritická, já používal 47 μF a 100 μF, protože jsem je měl doma.

Na první zátěže jsem ještě paralelně k ventilátoru na DPS osazoval ochranné Zenerovy diody, pro omezení případných napěťových špiček. Toto opatření se však ukázalo jako zbytečné, a proto jsem u dalších zátěží Zenerovy diody nepoužíval. Zátěže i bez této ochrany zatím pracují bez problémů.

Na následujících obrázcích jsou jednotlivé předřadné moduly k ventilátorům. Zvažoval jsem také nechat si na tyto moduly vyrobit konkrétní DPS v JLCPCB, nicméně kvůli delší dodací době z Číny jsem od toho upustil. Navíc takto byla možnost využít různé zbytky cuprexitových desek.

Mechanická konstrukce

Jedním z klíčových požadavků byla minimalizace nákladů. I z toho důvodu jsem na propojení rezistorů do zátěže neobjednával speciální DPS, ale jednotlivé zátěže jsem realizoval na dostupných zbytcích cuprexitových desek nebo jen tak pospojoval vzduchem. Z hlediska funkce toto řešení zcela vyhovělo. 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 k dispozici ke stažení na konci článku.

První zátěž.

Druhá zátěž.

Třetí zátěž.

Čtvrtá zátěž.

Pátá zátěž.

Šestá zátěž.

Na závěr, všechny zátěže přehledně 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, odolné a ve skříních od PC zdrojů i praktické. Stavba není mechanicky ani časově náročná, takže stavbu takovéto umělé odporové zátěže naprosto doporučuji každému, kdo ji ještě nemá.