Charge Electronique de Test Expérimentale 200W

 

Pourquoi une charge Electronique?

 

_ Les Rhéostats sont moins précis et moins souples
_ Mes 2 Rhéostats supportent 24V / 7A chacun, ce qui limite la plage d’utilisation
Possibilités d’une charge Electronique:
_ Fonctionnement en mode R / I voire P = constante
_ Modulation avec un signal externe possible (variations brusques de charge)
_ etc…………………..
Bref : c’est un outil indispensable !!!

 

Caractéristiques: (modifiables selon vos souhaits) _ V_in max = 200V (= Vds max des NMOS choisis : IRF250) _ Mode I: deux échelles: _ 0 - 50A (avec des borniers adéquats) en mode "I" et 100A en mode "CC" avec des borniers Ultra-Renforcés et des câbles de démarrage de voiture 🙂 => bien pour les tension faibles _ 0 - 5A => pour les tension un peu plus élevées ( il suffit d'un seul Ampère à 200V pour dissiper 200W) _ Mode R: deux échelles également: _ ∞ - 0,1 Ω pour les faibles tensions _ ∞ - 10 Ω pour les tension plus élevées _ Mode Hi: les drains sont ouverts (en cas de pépin, on met tout en haute impédance) _ Mode CC: NMOS en Rds-on => éviter de le faire sur une batterie de voiture, sinon les MOS & les shunts "explosent"!!!! c'est vous qui voyez 🙂

 

Schéma de principe (actualisé au 31/03/2015):

 

 

Fonctionnement:

Le principe est de contrôler le courant I_ds d’un NMOS par le biai d’un shunt placé entre la source et la masse;

La tension mesurée à ses bornes est envoyée à un AOP qui se chargera de « réguler » cette tension (courant) en modulant le Vgs du NMOS.

Afin de pouvoir dissiper plus de puissance,  on  mettra en parallèle plusieurs « modules » identiques, la puissance dissipée par chaque NMOS et les shunts sera d’autant plus « supportable » !

 

Rajout d'une protection contre une inversion de polarité: (çà peut arriver ...)

 

Avec les valeurs calculées, le "Méga Drain" de la charge est coupé du circuit si Vin < -0.2V.

Sans cette précaution, imaginez le "massacre" avec une tension de -200V aux bornes de la charge: adieu les MOS ...

 

Pourquoi 1 AOP par NMOS?
On pourrait mettre 10 NMOS en parallèle avec 1 seul shunt , mais les disparités des caractéristiques Ids / Vgs de chaque NMOS sont "importantes", ce qui fait que la répartition de la puissance dissipée par chacun est différente;
Les NMOS conduisant le plus seront ceux qui dissiperont le plus de puissance………………
Conséquences : Risque de destruction du ou des MOS présentant les Ids / Vgs les plus forts => donc destruction de la charge…..

Conclusion: il faut asservir chaque NMOS à l’identique, et mise en parallèle des drains . (solution retenue et testée avec succès!)

 

Choix des NMOS:
_ Vds max: çà peut être intéressant de travailler avec des tensions élevées afin de tester une alim d’ampli Hi-Fi de 2 x 65V par exemple!
200V permet de le faire!
_ Ids max: plus çà tient mieux c’est !
On a des Ids max de 30A avec ces Vds max => Avec 10 NMOS en parallèle, çà fait 300A max => on est large!
_ Puissance dissipable par le boitier : le plus possible! A 25°C, les bons boitiers dissipent 150W

NMOS choisi: IRF250 (parce que j’en ai en fond de tiroir    )

 

Caractéristiques IRF250:

 

Vds max	Rds on	Id max	Pd max à Tcase = 25°C
200V	< 0.085 Ω	33 A	180 W

 

 

Calcul des shunts:

Si on prend des shunts de 0.01 Ω, on aura pas grand chose à mesurer…….

Avec des shunts de 0.1 Ω 10W => Imax = 10A => I_CC toléré = 100A (10 x Imax avec 10 Modules)

=> 100W à dissiper, çà reste correct!

On peut donc s’arrêter sur des shunts de 0.1 Ω / 10W!

 

Conception en deux parties:

Partie "commande":

J'ai assemblé les éléments de commande de faible puissance sur une même carte, de façon la plus "clean" possible.

Vous pouvez vous inspirer de ma platine en photo au début de l'article.

Etant donné que tout a été fait sur une platine de test, en câblage filaire, vous pouvez éventuellement faire un Circuit Imprimé pour que cela fasse "propre"...

Partie Puissance: Disposition des MOS sur le dissipateur: (photo prise pendant le "chantier")

 

L'idée est de disposer les MOS en deux rangées et de faire les connexions au milieu:

_ chaque MOS est vissé sur le dissipateur à l'aide d'un kit isolant électrique (mica / rectangle en silicone) mais évidemment conducteur thermique! (au pire, les drains sont reliés électriquement au dissipateur, mais il faudra en tenir compte dans ce cas ...)

_ On colle 4 bandes de cuivre comme ci-dessus en prenant auparavant le soin de coller des bandes de kapton isolantes sur le dissipateur,

_ Les drains sont soudés ensembles comme ci-dessus,

_ On soude les shunts entre chaque source et leurs autres extrémités sont soudées ensembles via les bandes de cuivre,

_ Les 2 bandes de cuivre "drains communs" sont reliées ensembles par une bande de cuivre, (on déposera évidemment une bande de kapton en dessous pour ne pas générer de court-circuit avec les bandes de cuivre "shunts communs")

_ Les 2 bandes de cuivre "shunts communs" sont reliées ensembles via une bande de cuivre comme ci-dessus, (là, pas besoin de kapton, il y en a déjà en dessous)

_ Enfin, on soude une résistance de 10k entre la Grille et la Source de chaque MOS.

_ Au milieu du dissipateur, on se retrouve donc avec un "Méga Drain" et une "Méga Source"!

Les 10 Grilles sont commandées indépendamment.

!!! Surtout, faites une vérification à l'Ohmmètre pour vérifier l'absence de Court-Circuit avant de passer à la suite !!!

Assemblage de la partie commande et de la partie puissance:

Vous pouvez vous inspirer du schéma général en début d'article, ce n'est pas très complexe.

(L'outil le plus important est entre vos oreilles 😉 )

Calculs des paramètres de la charge :

 

Nous avons donc 2 modes:

 

Mode "I"	Mode "R"
_ V_R4 = V+ = V1 x [P1 / (R10 + P1)] x k (k = Rapport Potentiométrique) => I = V_R4 / R4 (pour 1 seul NMOS) I = (V1 x [P1 / (R10 + P1)] x k) / R4 I = (V1 x P1 x k) / ((R10 + P1) x R4) => I_tot = 10 x I (si 10 Etages en parallèle)	_ V_R4 = V_in x [P1 / (R9 + P1)] x k _ I = V_R4 / R4 = (V_in x [P1 / (R9 + P1)] x k) /R4 => R = V_in / I = R4 / ([P1 / (R9 + P1)] x k) R = R4 / ([P1 / (R9 + P1)] x k) R = [R4 x (R9 + P1)] / P1 x k => R_tot = R / 10 (si 10 Etages en parallèle)

 

Autre Mode Possible: « Puissance constante »

 

Comment?

En mesurant et corrigeant en permanence à une cadence assez rapide le Rapport U x I en fonction d’une consigne donnée (par le biai d’une interface clavier par ex.)

On peut utiliser un Micro-Contrôleur PIC « rapide », (ou mieux encore une platine Arduino avec son IDE gratuit plus des bibliothèque libres à profusion) sauf si vous avez des réflexes vifs comme l’éclair pour jouer avec le potard

 

Avantages:

_ possibilité de gérer les 3 modes de cette façon!

_ En cas de fausse manip => Charge Bridée automatiquement à 200W & 50A max pour « I »

_ Interfaçage possible avec un PC via le port USB

_ Etc……………

Existe-t-il un programme Arduino / PIC de contrôle de charge fictive déjà fait sur la toile?

Avertissement: vous êtes seul(e) responsable de ce que vous faites ou ferez! En cas de fausse manip ou mauvaise adaptation de la partie "software" à ma charge, je décline toute responsabilité en cas de destruction accidentelle de la charge ou de ses éléments ...

Hé bien oui! (pas besoin de ré-inventer la roue => seulement l'adapter)

Voici un lien intéressant que je viens de découvrir: https://www.instructables.com/id/Arduino-Programmable-Constant-Current-Power-Resist/

Le schéma est quasiment le même (reste à compléter avec ce qui manque), donc le programme dans l'absolu peut fonctionner avec ma charge.

Autre lien très intéressant: Electro-bidouilleur

Ce site propose 18 vidéos en rapport avec la construction d'une charge fictive (!!! Attention: le schéma est différent !!!), mais cette fois-ci la partie commande et asservissement est faite avec un PIC, l'interface de commande (communication et commande du PIC) est programmée en Python.