Diseño de una carga electrónica.

A veces quieres probar la capacidad de una de tus fuentes de laboratorio (en mi caso la Korad K3005D), o de alguna de tus baterías. Quieres comprobar cuánta corriente pueden dar? ¿Quieres comprobar si alguna de tus fuentes falla bajo una corriente más elevada?

Entonces, lo que necesitas es una carga activa/dummy load/carga electrónica variable, todas son lo mismo. Un dispositivo que conectas a la salida de una fuente de voltaje, y con la cual eliges cuánta corriente pedirle a la fuente.

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1 En vídeo!

2 Teoría y Diseño

3 Análisis del circuito (Limitaciones)

3.1 Efecto de la resistencia

3.2 Consideraciones del MOSFET

3.3 Eligiendo el Amplificador Operacional

4 Vamos a diseñar algo de verdad

4.1 Disipación en el peor caso.

5 Ajuste de la Intensidad.

6 Selección del OpAmp

7 Circuito final

8 ¿Y si queremos manejar más potencia?

9 Otras mejoras

En vídeo!

He sacado un vídeo para explicar el funcionamiento del circuito y el montaje de un ejemplo básico! No te lo pierdas!

Teoría y Diseño

Vamos a ver como es el circuito básico que nos permitirá implementar la Carga electrónica.

Circuito básico de una Carga Electrónica — Esquema del Circuito básico de una *Dummy Load.*

Cómo puedes ver el circuito es bastante sencillo, un par de componentes y a correr! Pero antes, vamos a ver cómo obtenemos este circuito. Solo nos basta conocer la Ley de Ohm, que nos dice que si por una resistencia de valor R, pasamos una intensidad I, obtenemos un voltaje V. Entonces, si tenemos una resistencia de 1 $\Omega$ y le ponemos 1 voltio, tendremos una corriente de 1 Amperio.

Parece sencillo, y lo es, todo el resto del circuito está hecho para hacer que en la resistencia R, se genere el voltaje que nosotros queremos, y que elegimos con el potenciómetro de la izquierda. El amplificador operacional, está en configuración seguidor, por lo tanto el voltaje en las patas ‘+’ y ‘-‘ será el mismo.

Es decir, en la resistencia habrá el voltaje que haya a la salida del potenciómetro, y la corriente que pasará por R será de $V_{pot}/R$ . Si, sabemos cuánto vale R, es muy fácil saber la corriente que está circulando.

Análisis del circuito (Limitaciones)

El análisis es bastante sencillo, en la parte izquierda (antes del amplificador) no hay nada raro, así que pasando. Sin embargo, en el lazo por el que circula la corriente hay más miga. Lo que nos interesa saber es:

¿Cuánta Corriente( $I$ ) podemos pedir?
¿Cuánto voltaje( $V_{in}$ ) tiene que tener la fuente que conectemos?

Aplicando lo básico:

$V_{in} = V_{MOSFET} + V_R$

Además. la potencia que va a caer tanto en la resistencia como en el MOSFET:

$P_M = V_{in}*I - R*I^2$

$P_R = R*I^2$

Tenemos que fijarnos que el voltaje que cae en el MOSFET, depende del voltaje $V_{gs}$ que nos lo da el OpAmp. Por lo tanto, es importante que el amplificador sea capaz de sacar un voltaje suficiente para encender el MOSFET completamente.

Además, un último apunte en esta sección, es que la potencia que gasta el MOSFET no aumenta lineal con la intensidad. Es decir, habrá un momento en el cual la potencia que disipa la resistencia es mayor que el MOSFET.

Se puede ver que el máximo de potencia que tiene que soportar el MOSFET, en el peor caso, es cuando la intensidad vale:

$I_{P_{max}} = \frac{V_{in}}{2\cdot R}$

Por ejemplo, si el voltaje es 5V, y la R vale 1, entonces la intensidad que hace que la potencia en el MOSFET sea máxima es 2.5A.

Es decir, para calcular el peor caso del MOSFET, nos tenemos que fijar que es menor: la intensidad que acabamos de calcular, o el límite que nos hemos puesto nosotros.

Efecto de la resistencia

De todas estas ecuaciones, sólo la resistencia depende de nosotros, así que vamos a ver cómo afecta al rendimiento. Teniendo en cuenta que el $V_{M}$ puede ser muy cercano a cero, si R aumenta:

$V_R = R\cdot I$ aumenta, por lo tanto el $V_{in}$ mínimo aumenta o la corriente máxima disminuye.
Si el amplificador tiene un pequeño error de offset entonces un pequeño voltaje en R nos generará una corriente mayor. Por lo tanto, si aumenta la R, aumenta la corriente mínima que tendremos.
Por otro lado la potencia que tiene que soportar el MOSFET es menor (R está restando en $P_M$ ) y se reparte más potencia hacia la resistencia.

Consideraciones del MOSFET

Generalmente, el MOSFET va a ser el componente que más sufra en nuestro circuito. Tiene que soportar mucha corriente y a veces, tiene que comerse gran parte del voltaje de entrada. Por lo tanto, vamos a necesitar elegir bien nuestro transistor y nuestro disipador.

En este post vamos a usar lo que vimos en este post sobre el cálculo de disipadores para MOSFETs.

Los parámetros más importantes a la hora de calcular el disipador de un MOSFET, eran la $R_{JC}$ del transistor. Además, considerando la resistencia térmica de la unión de 1.5 C/W, y el 1.3 de factor de seguridad del disipador, el C/W del disipador tiene que ser:

$$R_{disipador} = 1.3\cdot( {\Delta T}/W - $R_{JC} - 1.5)$

Por ejemplo, con los datos de nuestro amigo el IRLZ44N ( $R_{JC}$ = 1.4), y dejando un $\Delta T$ de 60 grados:

Potencia (W)	Disipador necesario (C/W)
1	74.23
3	22.23
5	11.83
10	4.03
20	0.13

De la tabla podemos ver que ya a partir de 3W, necesitamos un disipadorcillo. Entre 3 y 10W podemos tirar con disipadores pasivos, un radiador y poco más. Sin embargo, si subimos de 10W, ya habría que ir tirando a disipadores con ventiladores. (Si no sabes cómo elegir un disipador mira aquí)

Una forma de mejorar estos cálculos es buscando un MOSFET con un $R_{JC}$ más bajo (1.4 del IRLZ44N es bastante medriocre), De esta manera el mosfet aumentará menos su temperatura con la potencia disipada, y nos soportará más potencia.

Eligiendo el Amplificador Operacional

En esta parte no vamos a entrar demasiado ya que no va a ser algo crucial. Únicamente hay que fijarse en un campo, y este es muy importante. Y es el rango de salida (en inglés Voltaje Swing). Ya que necesitamos que el OpAmp sea capaz de superar el $V_{gs}$ de nuestro MOSFET.

Generalmente los Amplificadores Operacionales, tienen el voltaje de salida limitado por el voltaje de alimentación menos un factor, que depende del modelo. Por ejemplo, en los TL072, si está alimentado entre +5V y GND, la salida solo puede estar entre 3.5V y 1.5V.

Si intentamos usar el TL072, y nuestro MOSFET se enciende con más de 3.5V, pues vamos a tener que alimentar el amplificador con 1.5V más del $V_{gs}$ y eso… pues no mola. Por lo tanto, lo ideal es buscar los amplificadores que llaman rail-to-rail. Algunos ejemplos:

MCP602 (0.18€/unidad)
TLV2371 (0.56€/unidad)
LM6142 (0.38€/unidad)

Vamos a diseñar algo de verdad

Mucha ecuación y mucha cosa pero… Cómo diseñamos y montamos uno? Lo primero, vamos a usar un IRLZ44N (Por si los quieres), ya que es el MOSFET más común y es muy parecido a los IRFZ44N. Aunque esto nos limite un poco la potencia, si decides mejorar tu Carga Electrónica, los cálculos son los mismos.

Como no queremos que se vaya de madre la plaquita, vamos elegir unas especificaciones bastante modestas, que como mucho nos darán para probar alguna batería, fuentes USB, cargadores de móvil…

Voltaje: 7V
Amperaje: 2A
Potencia: 14W

Para hacer las cosas más sencillas, vamos a poner una resistencia de 1 $\Omega$ . La potencia de la resistencia tiene que ser $P_R = R\cdot I^2$ . que en el peor caso serían 4W.

Truco: Si en vez de poner una resistencia de 1 $\Omega$ y 4W, pones 10 resistencias de 10 $\Omega$ y 1/4 W en paralelo, lo consigues igual y de manera más barata 😉

Disipación en el peor caso.

Como hemos visto, antes lo primero es calcular la intensidad para la cual, el MOSFET va a sufrir más y esa intensidad es $I=V/(2\cdot R) = 4.5$ , cómo 4.5A es menor que el límite de 2 amperios, el peor caso va a ser con la intensidad de 2 amperios.

En este caso, 2 amperios y 1 $\Omega$ de resistencia, tenemos que la potencia disipada en el mosfet es $P_M = V_{in}*I - R*I^2 = 10W$

Para 10 vatios necesitamos, según la tabla que hemos visto por arriba, un disipador de 4 C/W, lo cual no es ninguna locura, lo podemos encontrar, por lo que el diseño no va mal,

De momento tenemos:

Resistencia de 1 $\Omega$ y 4W (mejor si le ponemos unos pocos más W)
El MOSFET soportará máximo 10W (a 7V y 2A)
Con un disipador de 4 C/W debería funcionar correctamente.

Ajuste de la Intensidad.

Para ajustar la corriente, tenemos que cambiar el voltaje que va a haber en la resistencia. En nuestro caso lo ajustamos con un potenciómetro, si vamos a tener 5V de alimentación del circuito, necesitamos que el potenciómetro solo nos deje elegir entre 0V y 2V, para que la resistencia de 1 $\Omega$ genere entre 0 y 2 amperios.

Selección del OpAmp

En este caso, va a ser sencillo, necesitamos un rail-to-rail, que supere el $V_{gs}$ de nuestro MOSFET. En los IRLZ44N, el valor máximo de $V_{gs}$ es de 4V, así que, alimentando la electrónica con 5V, cualquier opamp rail-to-rail nos valdrá.

Recordad, que es importante que si el OpAmp no es rail-to-rail e intentais montar este circuito, puede que no llegue a encender de todo el MOSFET y hará que se caliente más o incluso que no os funcione bien el circuito.

Vamos a decantarnos por un MCP602 de los que hemos visto antes, ya que cumple con todo lo que necesitamos, y además es bastante asequible.

Circuito final

El listado de componentes para nuestra carga activa de 14W (7V, 2A) serían:

Transistor IRLZ44N (0.13€)
Opamp MCP602 (0.18€)
10 Resistencias de 10 $\Omega$ y 1W cada una (0.26€ las 10)
1 Potenciometro de 2K $\Omega$ (0.19€)
PCB para montar el circuito (0.22€)
Disipador (1.1€)
Total: Aprox 2€ + envío

Por poco menos de 2€, tenéis todos los materiales que necesitáis para hacer vuestra carga electrónica. Recordad, que si usais los links de arriba, estáis apoyando este blog y su contenido 🙂

Pues así, como que no quiere la cosa, con menos de lo que cuesta una cerveza en una capital europea, y un poco de ganas, nos hemos hecho nuestra Carga Electrónica.

¿Y si queremos manejar más potencia?

Existen varias cosas a mejoras que podemos hacer para aumentar la potencia a disipar:

Usar un MOSFET con menor $R_{JC}$ , por ejemplo el IRFP460, que como ya se vé solo con la forma, es más grande, lo que ayuda a disipar mejor el calor. Este transistor concretamente tiene $R_{JC} = 0.45C/W$ un 67% menos que el IRLZ44N.
Si además, usamos pasta térmica para unir el MOSFET al disipador, podemos bajar la resistencia térmica de la unión hasta 0.3-0-4 C/W, esto junto con lo anterior, nos bajan la resistencia térmica de 3 C/W que teníamos ahora, a tan solo 0.7 C/W. Echad las cuentas, y veréis qué mejora!
Además, también podemos añadirle un ventilador al disipador para mejorar muchísimo su resistencia térmica, podéis ver como afecta un ventilador, en el post anterior.
Y por último, podemos usar múltiples mosfets, de esta manera, cada MOSFET, se repartirá la potencia. Eso sí cada MOSFET tiene que tener su resistencia, y su OpAmp.

Otras mejoras

Las siguientes mejoras, ya son orientadas a la utilidad. Ahora mismo, más que pedir corriente, poco más podemos hacer. Sin embargo, podemos añadirle un Arduino e ir midiendo el voltaje y corriente, para calcular cuánta potencia nos ha entregado la fuente. O también podemos hacer que no sea una carga de resistencia constante, sino que pida siempre la misma potencia…

Bueno esto ya es las ideas locas de cada uno, y cómo lo aplique, pero la funcionalidad básica sería lo que hemos visto aquí.

Espero que os haya servido, nos vemos!

Diseño de una carga electrónica.

Publicado por Gluón en 16/07/202016/07/2020

En vídeo!

Teoría y Diseño