Svenska ElektronikForumet

Alla som fipplar med elektronik skall traditionsenligt utföra ett gesällprov genom att bygga en Elektronisk last.
Turen har nu kommit till mig.

Tanken är att jag skall göra det med några små tvistar.

Konstlaster är ju bra till mycket och på senare tid så blir det allt mer aktuellt att profilera batteri lösningar.
Troligtvis blir det någon form av "Batteri Test läge" där man kan mäta ett batteri över tid och självklart slå av lasten vid specifik spänning.

Även om ett av kraven är att jag skall använda komponenter jag redan har så kommer detta projekt att ta en del löptid, då vissa saker måste beställas.
Dessutom vill jag sätta upp en del av konstruktionerna i platta innan beställning av PCB.

Det mesta är dock redan i dag simulerat.

Det kommer bli många moment typ.
- Krets design
- PCB Routing
- WEB Sidor med primärt JavaScript som kommunicerar i realtid med lasten via JSON.
- Kod till MCU (asynkron WEB-Server) etc.
- Kanske något CNC fräst till kapsling eller nå.

Kravspec
- Maximal last skall primärt styras av val av MOS-FET och Dump-Resistans. Samma design skall därför skala oavsett vilken max last man vill designa för.
Med högre kapacitet på last kommer självklart lägre precision.

- Skall bestå av saker jag har hemma eller åtminstone inte är allt för exotiska.

- Skall ha WIFI gränssnitt med full styrning och möjlighet till realtids graf samt CVS export.

- Skall ha möjlighet till 3.2" Touch display som GUI (möjligtvis med graf, men det blir plottrigt)

- Skall ha skapligt hög precision.

- Bör ha en analog fläktstyrning och overload funktion (Man vet aldrig när en MCU hänger, men det är alltid vid fel tillfälle)

Så här ser designen ut just nu. Det kommer säkerligen ändras efter lite skarpa tester och nya ideer.

Beskrivning
I grunden är detta en klassisk OP-Amp/MOS-FET last.

Min tillämpning kommer sikta på simpla IRFZ44 MOS-FET (har 50 pack liggandes) och dessa klarar max 55V. Jag kommer dumpa i 0.1 Ohm resistans som klarar ~200W.
I själva verket så blir det ~3A med dessa MOSS-FET så effekten blir nog närmare 160W som mest.

Jag tänker mig en MCP4725 I2C DAC som spänningskälla.
Detta är en 12-bit I2C DAC som många använder i DIY sammanhang.

Spänningen buffras via IC3B och delas in i IC3A som sköter regleringen på G1 & G2 som avser gå till gaten på en eller två MOS-FET (beroende på hur man vill lasta).
Återkoppling Vin och Ström sker genom en 16-bit ADC (ADS1115). Denna ADC är väldans lättarbetad och har intern referens.
IC5A förstärker spänningen över MOS-FET till ~4V vilket ger en bättre upplösning till ADC.

Eftersom 55V är max ansluten last, så skalar R19 & R20 detta till ADC mätområde (MAX 4.095V)

IC2 Används för att kika igång fläkt (ställbart temp med R12) och strypa IC3A vid överlast.

Det som alltid blir lite pyssligt med sådana här lösningar som snurrar i både analoga och digitala domänen samt har OP's är strömförsörjningen.

Som det är gjort nu så är huvudmatningen +5V som sedan Boostas med MC3306 till +12V (I praktiken blir det snarare +11V). Denna används även in i ICL7660 som är en spänningsinverterare och därmed produceras -11V
Samma +5V matning används till en AMS1117 3.3 för att generera +3.3V till MCU och ADC/DAC.

Jag kan säga att jag vinglar lite här. +5V kändes bra ett tag för jag tänkte man har massa supplies liggande och även kan använda USB port.
Jag ville ha en linjär försörjning till ADC/DAC för att få så ren spänning som möjligt.

Vid närmare eftertanke så har denna approach lite flaws. Exempelvis vill man ju ha ren spänning även på OP's plus att det inte kommer gå att driva en särskilt vass fläkt på den ström man kan ta ut ur en Boostad 5V USB.
Samtidigt är det rätt lite last på +12V och -12V...

Det här är nog typexempel på vad jag behöver kolla lite på på en lab platta.
Det finns således skäl att återkomma till strömförsörjningen

Valet av MCU kanske kan verka "Overkill".
Det finns skäl.
ESP32 är typ en 20'a dyrare än ESP8266, men har mer arbetsminne och flash.
Det kommer gå åt arbetsminne då vi kommer sampla mätdata i arrayer varje sekund.
Tricket att få en WEB läsare att grafa detta är att inte skicka all data en gång i sekunden utan bara uppdateringarna.
Arrayen behövs dock i det fall man gör en reload av WEB-sidan. Ett av kraven var dessutom att kunna ladda data i CVS format.

Flash kommer behövas då WEB sidorna kommer ligga statiskt lagrade på en LittleFS partition i flashen.

Att ESP32 har två kärnor kommer till nytta då det kommer gå en asynkron WEB-server. Detta är nog så viktigt om man skall hinna med ett anrop/Sek när MCU pysslar med andra saker.

Displayen blir en 3.2" Nextion display. Den har legat och slarvat i flera år utan att göra nytta så det är dags.
Nextion är fantastiskt enkelt att bygga gränssnitt i och all interaktion sker via en vanlig serieport.

Jag kommer dumpa i 0.1 Ohm resistans som klarar ~200W.
I själva verket så blir det ~3A med dessa MOSS-FET så effekten blir nog närmare 160W som mest.

Här förstår jag inte riktigt..
Menar du ett 0.1 ohm effektmotstånd på 200W?

Detta klarar ju i så fall typ 55A, 3A blir inte mycket effekt i de motstånden.
All effektutveckling blir ju i transistorerna.

Skoj projekt för övrigt!

Hmm...
Jo så blir det nog, jag måste ha tänkt fel.

R15 och R16 Styr max ström och det är som vanligt en kompromiss.
Med två MOS-FET av den typ jag har verkar man klara 200W om man kyler ordentligt, men med 12-Bit upplösning på DA, så blir det på bekostnad av upplösningen.
Man kanske vill kunna ställa i mA steg om man mäter ett AA batteri och i andra ändan smaska ur ett bilbatteri.

Ett tag var jag inne på två "ställbara" områden.

Jag kollade lite och du har givetvis rätt Klas-Kenny

Om man skulle köra FET på 55V och dra 3.5A igenom så blir det ~1.19W genom resistorn.

Nu räknade jag på en FET och det funkar inte i praktiken. Det blir lite för mycket Watt.
Antar att det blir halva RDS om man kör två FET men spänningen kommer väl hyggligt fördelas över dessa så för resistorn blir det väl detsamma (börjar bli sent nu )

Här kommer en uppdatering.

Det verkar som det är svårt att hålla sig till sina egna krav
Jag har kommit fram till att det funkar bäst om man stoppar in en "Instrumentation Amplifier" för reglering av ström.
Det blev helt enkelt för krångligt med offset om man inte har en R2R och givetvis är det en massa andra parametrar som blev bättre med denna lösning.
Det får bli en AD623, mest för att den var för mig lätt tillgänglig. Jag tror det finns en nyare design av denna med samma footprint.

Förutom det så har jag lagt till funktionen att ha två skalor, typ fin och grov.
Anledningen är givetvis att skala mätområde/upplösning för att passa ett bredare område.

Jag använder en CMOS switch (4066) för att byta motstånden i två spänningsdelare.
Detta är bara simulerat och behöver testas.

I teorin blir det nu ett område på max 4A som är ställbart i steg om 1mA och ett på 20A som är ställbart i steg 5mA
I verkligheten så kommer man inte uppnå den linjäriteten så att man får match på varje bit i DA.

Eftersom jag mäter med 16-bit och ställer med 12-bit så finns dock en förutsättning att automatiskt kalibrera till optimal upplösning.
En sådan approach kommer dock innebära en uppslagstabell med 4000 floats per mätområde (8000 floats totalt).

Troligen är det inga problem att lagra detta i MCU'n. ESP32 har EEPROM emulering och man ställer mappningen av FLASH rätt enkelt med en CSV-fil (default avsätter den 1K till EEPROM).

Bytet av OP'n till AD623 har medfört att jag slipper negativ matning vilket gjorde supply delen mindre komplex.
Jag har även gått ifrån 5V matning till 12V matning så nu blir det en buck till 3.3V.

Jag har kastat ihop ett PCB för nuvarande schemat (silkscreen ej fixad), men det är garanterat ej det slutgiltiga.
När man får ner prylarna på ett breadboard brukar verkligheten medföra förändringar.

Jag har dessutom funderingar på:

• Det finns två lediga kanaler på ADC'n. Man borde åtminstone kasta in den ena på thermistorn för att avläsa tempen på kylaren.
  Om man nu gör det borde man dessutom kasta på en PID på fläkten och PWM'a den. I dagsläget är den ON/OFF
  Det går ifrån ett av kraven att inte blanda in MCU i "säkerhetdelen", men jag har fortfarande en analog "overload" kvar så det vore nog acceptabelt.

• Man borde förbereda för en linjär matning om man får för sig att stoppa in en/två trafo i bygget. Kretskortet borde erbjuda båda möjligheterna.

Jag saknar en del prylar för att börja prototypa, så nu kommer jag fokusera mer på det grafiska gränssnittet till displayen i väntan på leverans.

Byggde en PC-styrd last/batteritestare för några år sedan, inte den mest exakta och har sina brister men lägger upp schema ifall du vill sno någon lösning av mig
Den är byggd så att den matas från batteriet man testar (alternativt extern 12V) och möjlighet finns att kedjekoppla fler kort. Man kan ställa parametrar via PC:n (RS232) och starta testet därifrån eller senare med en knapp kopplad till kortet utan att behöva ha PC:n kopplad. Urladdningskurvan lagras i EEPROM och läses ut via PC:n (dock väldigt långsamt pga. slöa optokopplare, 2400 baud om jag minns rätt).
Orkar inte koppla upp den för att ta en vettig screenshot av programmet men så här ser det ut vid uppstart: Håller på med en version två som sannolikt blir baserad på bland annat en EFM8LB1 MCU och 4st FQA28N15. Problemet är bara att det känns som att den aldrig blir färdig eftersom det förstås ska krånglas till med onödigt många finesser.