TL;DR
Comment construire soit-même une charge électronique variable contrôlable par ordinateur, avec des composants de récupération. Bonus: elle est entièrement OpenHardware et OpenSource.Grâce à cet outil, on peut tester les capacités/performances d'une alimentation, caractériser une batterie, vérifier des circuits de protection (fusibles, PTC) ...
Le besoin
Pour un projet récent, j'ai eu besoin de consommer une quantité pré-définie de courant: 500mA, 750mA, 1A, 2A et ce sous différentes tensions.Cela est relativement facile à faire. Un rhéostat ou quelques résistances de puissance font l'affaire, une simple application de la loi d'ohm et voila.
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| un rhéostat de puissance |
Par exemple, pour 1A sous 12V :
U= R * I
R = U / I = 12 / 1 = 12 ohm
pour 750mA sous 3.3V :
R = 3.3 / 0.75 = 0,044 ohm
Cela dit, ça devient vite laborieux ! Il serait très pratique de disposer d'un appareil sur lequel régler la consommation en ampère et qui gérerait cela tout seul. C'est ce qu'on appelle une charge électronique (Dummy load).
Le circuit
La 1ère idée qui vient est d'utiliser un LM317 en générateur/consommateur de courant, un circuit simple et facile (bien sur il faut ajouter quelques condensateurs à ce schéma).
C'est la qu'est venu à mon secours Dave Jones et son EEVBlog #102 puisqu'il adresse justement ce problème et propose un circuit. Une bonne occasion pour me remettre en tête le fonctionnement d'un ampli-op ;)
En repartant de son schéma, j'ai réalisé le mien avec le cahier des charges suivant :
- consommation de 0 à 2A
- des composants que je possède dans mes tiroirs
- un contrôle numérique (je n'ai pas de potentiomètre 10 tours dans mes tiroirs)
- pouvoir le commander depuis l'ordinateur (tant qu'à faire !)
Commençons par jeter un œil sur le schéma :
Évacuons tout de suite le facile :
- Un arduino nano pour le cerveau. Cela peut paraître très surdimensionné, mais j'y reviendrais dans un prochain article
- un écran lcd à base de HD44780, on en a toujours un qui traîne pas loin
- deux boutons poussoirs (up et down) pour l'interface utilisateur
- comme on va dissiper pas mal de puissance, il va falloir un gros radiateur et peut-être un ventilateur. Dans ce cas, autant lui rajouter un contrôle puisqu'on dispose de plein de PWM sur l'arduino
Un PWM arrive de l'arduino (V_SET), celui-ci est d'abord converti en tension continue de 0 à 5V par un montage RC (R3 et C1). Cette tension est ensuite multipliée par 2 grâce au 1er ampli-op (U2A) monté en amplificateur non-inverseur.
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| En haut le PWM, en bas la tension continue amplifiée (sondes x10) |
Cette tension de 0-10V arrive sur l'entrée + d'un montage suiveur (U2B). Celui-ci commande un MOSFET et va faire en sorte que ses entrées + et - soient au même potentiel. On retrouvera donc notre tension d'entrée 0-10V autour de la résistance de puissance R9.
Ici une note s'impose. j'avais prévu une résistance de 1ohm ce qui ferait une intensité théorique de 0 à 10A. C'est beaucoup :) Mais dans mes cartons je n'avais qu'une résistance de 10ohms, ce qui a dicté mon rapport d'amplification de 2 pour pouvoir tirer théoriquement 1A. Je prévois de la remplacer dans un futur proche par une de 1ohm (de ce type)
Enfin, cette tension passe dans un buffer (U3A) et un pont diviseur par 2 (R5 et R7) pour revenir à 0-5V et entrer dans l'arduino (V_SENSE). Ainsi on pourra mesurer la tension aux bornes de R9 et donc l'intensité consommée.
La construction
Commençons par les composants :
- le MOSFET est un IRFZ44N sorti d'une perceuse dont la batterie est morte. Avec un Vdss de 55V et un Id de 49A il sera largement suffisant
- la résistance de puissance sort de mon alim ATX transformée qui a cramé récemment :(
- les amplis-op sont des LM358 dessoudés d'une carte de traitement vidéo qui traîne depuis des années dans mon carton "à récupérer"
- le ventirad vient d'un vieux PC (sans doute un socket 7 ou un truc comme ça)
- arduino et lcd : il faut toujours en avoir de rab' :)
- le boîtier : un vieux stock acheté sur ebay
Pour les boutons, j'ai imprimé dans mon fablab 2 extensions pour les faire dépasser du couvercle.
Note: Sur cette photo, le MOSFET et la résistance ne sont pas encore reliées au radiateur. Il faut bien entendu le faire !
Côté software, rien de bien compliqué. On lit l'état des boutons (avec debounce) et on agit sur le PWM en conséquence. La lecture de la tension réelle se fait via l'entrée analogique 0. Ces 2 valeurs sont affichées sur l'écran de contrôle.
Comme on a un arduino, rien de plus simple que d'ajouter une interface de contrôle par le port série. Ainsi un petit programme (ou un terminal série) permet de positionner la valeur de courant à consommer, de lire la valeur actuelle ...
Si cela vous intéresse, le protocole est décrit la.
Utilisation
C'est très simple :- On branche l'alimentation 12V sur les 2 fiches de côté
- On branche l’appareil à tester sur les 2 fiches en façade
- On positionne la valeur à consommer
- et voila !
J'ai fait quelques mesures de température. Loin des règles de l'art ! C'est juste pour avoir une petite idée de la montée en température du ventirad.
| S7150 (°C) | arduino (°C) | fanSpeed (0-255) | |
|---|---|---|---|
| avant | 25.7 | NA | NA |
| on +15min | 26.5 | 19.42 | 128 |
| 12V 200mA +10min | 27.14 | 19.42 | 128 |
| +5min | 27.22 | 20.24 | 128 |
| 12V 500mA +5min | 28.51 | 21.06 | 128 |
| +5min | 28.64 | 21.06 | 128 |
| fanSpeed 255 +5min | 28.23 | 23.52 | 255 |
| 12V 640mA +5min | 28.61 | 24.34 | 255 |
| +5min | 28.74 | 24.34 | 255 |
De ce petit test sans prétention, j'en déduis que la vitesse de ventilateur à moitié de sa puissance max par défaut semble correcte pour une utilisation normale. J'ai aussi pu vérifier que les composants de puissance sont à peine tièdes au toucher (à partir de 500mA).
Bibliographie
Voici quelques liens qui m'ont servi pendant cette réalisation. On en trouve quantité d'autres.- Plus de photos
- sources complètes (hardware et software)
- EEVBlog #102
- version de Ian Johnston
- un autre basé sur le même design
- à propos du LM317
Merci d'avoir lu jusqu'ici, et à bientôt pour de nouvelles aventures ;)
