Estrenamos el blog con un review de Re:load, una carga activa muy sencilla de Arachnid Labs que podemos comprar en tindie a buen precio, y que nos puede ser útil a la hora de comprobar el correcto funcionamiento de reguladores de tensión o baterías.

1. ¿Qué es una carga activa?

Una carga activa es un circuito electrónico que podemos conectar en lugar de una resistencia de carga a la salida de una fuente de tensión o batería para que tome la corriente constante que queramos de éstas, independientemente del valor del voltaje de la salida de la batería o fuente de tensión.

Nos puede servir para descargar una batería a una corriente constante, para controlar la corriente que pasa por un led, o por ejemplo para ver hasta que corriente aguanta la salida del regulador o fuente de tensión que hemos puesto en nuestro circuito sin que se apague porque se calienta demasiado.

Si hemos diseñado una fuente de tensión de 5 voltios y queremos comprobar su funcionamiento para una intensidad de salida de 2 Amperios (ver si la fuente es capaz de dar esos dos Amperios sin que se caliente demasiado, etc..), lo primero que podemos pensar es conectar una resistencia fija a la salida de la fuente de 5 V. Si conectamos una resistencia de 2.5 Ohmios a la salida de 5 V tendrémos la corriente de salida de 2 Amperios buscada.

El problema es que en este caso esa resistencia fija tendrá que ser de más de 10 W, además de ser resistencias caras no son los valores de resistencias que solemos tener en el cajón, y no es práctico tener que estar combinando resistencias de potencia para probar la fuente con los distintos valores de intensidad que queramos obtener a su salida.

Una opción es usar una resistencia variable de potencia o reóstato, pero estos además de ser grandes suelen ser caros, por lo que una carga activa como Re:load puede ser la solución más práctica y económica.

En el vídeo se puede ver el funcionamiento de la carga activa conectada a una fuente de tensión. Sacamos de la fuente de tensión la intensidad que queramos (dentro de los límites de la carga activa, 3A en este caso) estableciendola mediante el potenciómetro que encontramos en la carga activa.

2. Re:load de Arachnid Labs.

El precio de esta carga activa es de unos $15, con envio sale por unos 22 euros más o menos. Podemos comprarla en su página de tindie y en menos de una semana esto es lo que nos llega:

Los componentes de la carga más el disipador del transistor:

PCB con los componentes SMD soldados, transistor y potenciómetro para soldar, conectores y pasta térmica:

Para montar la carga tendrémos que soldar el potenciómetro y el transistor, para soldar el transistor lo colocamos en el disipador, y una vez colocado en el disipador lo introducimos en el pcb y hacemos la soldadura, ya que el transistor se ha de soldar a determinada altura para que el tornillo luego quede a la misma altura que el agujero del disipador. El disipador es mejor no soldarlo, ya que sin soldadura queda bien fijo y si más adelante se seca la pasta térmica y queremos cambiarla si el disipador está soldado será difícil quitarlo.

El kit montado queda así:

Los conectores de la carga no me gustan, se mueven bastante cuando se tocan y no quedan muy fijos, añadiendo un poco de termocola no se mueven y quedan bastante mejor. A la hora de poner los conectores hay que tener bastante cuidado con el rojo, ya que llevan un par de tuercas para fijarlos y si apretamos demasiado nos llevamos la máscara de soldadura del pcb. Debajo de la márcara de soldadura del pcb del conector rojo está el plano de masa, por lo que si rompemos esta máscara estaremos haciendo un cortocircuito entre el conector rojo y tierra.

En la siguiente foto se puede ver lo anterior (puntos de cobre cercanos al conector +):

Si nos ha pasado esto cubrimos los puntos descubiertos de la máscara de soldadura del pcb con un poco de cinta, colocamos el conector con más cuidado, y con un poco de termocola los fijamos para que no se suelten al tocarlos y solucionado. De todas formas desde mi punto de vista estos conectores son una de las cosas a mejorar en el kit.

Siguiendo las instrucciones de montaje de la carga lo siguiente que tenemos que hacer es “calibrar” la lectura de tensión de la carga, leyendo el valor de tensión de un conector del pcb con un multímetro podemos conocer la corriente que está pasando por la carga. Para ello hemos de fijarnos en el siguiente conector y potenciómetro smd:

La tira de 3 pines que he soldado no viene con el kit, puede ser útil darla para quien quiera ponerla. Este conector tiene 3 pines:

• El pin “-” es la tierra del circuito, el punto de referencia de 0 V.
• El pin con el signo “+” sirve para medir el valor de tensión con un multímetro, medimos la tensión entre el pin “-” y el pin “+”, el valor de tensión que obtengamos es proporcional a la corriente que la carga activa toma de la fuente de tensión o batería.
• El pin Vin es la alimentación del circuito, según viene la electrónica de la carga activa se alimenta de la propia fuente a la que conectamos para sacar la corriente deseada. A este pin no tenemos que conectar nada y lo dejamos como está, más sobre este pin en la parte de controlar un diodo led con la carga activa.

Para calibrar el voltaje del pin “+” que nos indica la intensidad que pasa por la carga activa conectamos un multímetro en serie con la carga, giramos el potenciómetro grande que hemos soldado (no el potenciómetro smd) hasta que el multímetro marque 1 Amperio. Sin mover el potenciómetro grande quitamos el multímetro, volvemos a conectar la carga a la fuente y medimos la tensión entre el pin “-” y “+” con el multímetro, giramos el potenciómetro smd hasta que la tensión que leemos con el multímetro sea de 100 mV. Es decir si por la carga pasa 0.5 A en el pin “+” tendrémos 50 mV, si pasa 1 A 100 mV, si pasan 2A 200 mV, etc…

Siguiendo lo anterior calibramos nuestra carga, conecto un multímetro para girar el potenciómetro grande hasta que pase 1 A por la carga (multímetro naranja), y giro el potenciómetro pequeño hasta leer 0.1 V (multímetro gris) conectado al pin +.

Para 1 A, llevando el potenciómetro al máximo de uno de los extremos no se consiguen alcanzar los 100 mV exactos.

Lectura para 0.5 A de corriente por la carga:

Lectura para 2 A de corriente por la carga:

Como explicaré en la parte de diseño electrónico esta lectura no es muy precisa, y va a tener un error de +-100 mA, es decir si leemos 0.1 V en el pin “+” por la carga va a estar pasando una intensidad entre 0.9 y 1.1 A más o menos. Si queremos saber con precisión la corriente que tenemos lo mejor es meter el multímetro en serie y medir la intensidad para establecer la corriente con el potenciómetro grande.

3. Cómo funciona, diseño electrónico.

Habiendo hecho todo lo anterior nuestra carga está lista para usar, lo siguiente es ver cómo funciona esta carga activa. Es un diseño “open hardware” y podemos encontrar su esquema y pcb en el siguiente repositorio.

 El esquema del circuito es el siguiente:

Un diseño muy sencillito donde encontramos las siguientes partes:

Un regulador que se encarga de proporcionar una referencia de tensión al resto de la electrónica. Este regulador se puede alimentar desde la propia fuente de tensión a la que conectamos la carga para sacar la intensidad deseada. O podemos desoldar un jumper del pcb y hacer que este regulador se alimente desde el pin Vin del conector de 3 pines anterior.

Para que la carga activa funcione a este regulador le tiene que llegar una tensión mínima de 3.3 V, al final del post pongo un ejemplo de uso de la carga activa para regular la intensidad que pasa por un led donde debemos alimentar la carga por el pin Vin.

La carga activa, formada por un operacional (MCP6002) y un Mosfet (BTS117), una resistencia de sensado (R1), un potenciómetro que ajusta la corriente que pasa por la carga (R6), un condensador de desacoplo del operacional (C1), y una resistencia (R8) y condensador (C4) para evitar que la salida oscile en ciertas condiciones. La fuente de alimentación o batería que queramos probar la conectamos a V+ y tierra, Vcc es la tensión que el circuito necesita para funcionar proveniente del esquema del regulador anterior.

En este esquema el operacional hará lo que tenga que hacer para que los voltajes en su entrada negativa (pin 2) y en su entrada positiva (pin 3) sean iguales, es decir aumentará o reducirá el voltaje a su salida (pin 1) para que el voltaje en sus pines de entrada sea el mismo (realmente habrá una pequeña diferencia entre sus pines de entrada 20-30 uV en este caso, que es la diferencia de voltaje en la entrada que el operacional necesita para generar la tensión de salida).

El voltaje de la entrada positiva del operacional (pin 3) lo establecemos mediante el potenciómetro de ajuste (R6), girando este potenciómetro conseguiremos aumentar o reducir el voltaje en este pin.

El voltaje en la entrada negativa (pin 2) del operacional depende de la corriente que pasa por la resistencia de sensado (R1), el voltaje será igual a la corriente que pasa por la resistencia multiplicada por el valor de esta resistencia (ley de Ohm). La corriente que pasa por la resistencia de sensado en serie con el Mosfet es la corriente que queremos sacar de la fuente de tensión o batería que queremos probar. La resistencia de sensado es la forma que tiene el operacional de saber la corriente que sacamos de la fuente.

Por último queda mirar al Mosfet, la salida del operacional (pin 3) va conectada a la puerta del Mofet, si miramos las curvas de un transistor Mosfet:

vemos que tiene 3 regiones de trabajo: corte, zona óhmica y de saturación. En este circuito el Mosfet va a trabajar en la región de saturación ya que el voltaje entre su drenador y puerta (Vds) va a ser mayor que el voltaje en la puerta menos el voltaje de umbral (parámetro del transistor). Toda la tensión de la fuente o batería que conectemos a la carga va a caer en el Mosfet (entre su drenador y fuente, Vds), ya que el valor de la resistencia de sensado es muy pequeño 0.05 ohmios. Si tenemos una fuente ideal de 5 V y sacamos 2 A de ella con la carga, en la resistencia de sensado va a caer un voltaje de 0.1 V, y el resto en el transistor, el transistor va a ser el elemento que disipe la potencia que sacamos de la fuente, y de ahí la necesidad de añadirle un disipador.

En la zona de saturación el Mosfet se puede ver como una fuente de intensidad, el valor de corriente que pasa por el Mosfet es independiente del valor de tensión que se le aplica entre drenador y fuente. Cuanto mayor sea la tensión que se le aplica a la puerta del Mosfet (Vgs) mayor va a ser la corriente que va a pasar por éste.

Por lo que uniendo todo lo anterior el funcionamiento es bastante sencillo:

• Con el potenciómetro R6 establecemos una tensión en la entrada positiva del operacional.
• El operacional incrementará o decrementará el valor de voltaje de su salida hasta que sus entradas sean iguales.
•  La salida del operacional va conectada al Mosfet, cuanto mayor sea el valor de la salida del operacional mayor será el valor de la corriente que pasa por el Mosfet de la fuente de tensión o batería conectada, esta corriente genera un voltaje en la resistencia de sensado que es el voltaje que ve la entrada negativa del operacional (pin 2).
• Por lo que el operacional modificará su salida y por tanto la intensidad que pasa por el Mosfet hasta que esta corriente produzca una caida de tensión en la resistencia de sensado igual al voltaje que establecemos en la entrada positiva del operacional mediante el potenciómetro.
• Girando el potenciómetro conseguimos que pase más o menos corriente por la carga activa.

Por último en el esquema tenemos un circuito que nos proporciona en un conector un voltaje proporcional a la corriente que está pasando por la carga:

Para ello usa el mismo operacional, en el circuito integrado encontramos dos operacionales, uno lo usa para la carga y el otro para medir el voltaje. En este circuito encontramos el operacional, dos resistencias fijas y el potenciómetro de calibración smd.

En la entrada positiva del operacional (pin 5) encontramos el voltaje anterior de la resistencia de sensado, por lo que leyendo este voltaje podemos conocer la corriente que pasa por la resistencia de sensado y por tanto por el Mosfet en serie con ésta. La corriente de sensado es de un valor muy pequeño, 0.05 ohmios, por lo que si por el Mosfet pasa una corriente de 1 Amperio la resistencia de sensado solo dará un valor de 0.05 voltios.

Por lo que aprovechando que tenemos dos operacionales, con el otro operacional que no se usa en la carga activa se hace un circuito para amplificar el valor de este voltaje de la resistencia de sensado, y que sea más fácil de leer por un voltímetro.

El circuito anterior es un amplificador no inversor cuya salida (pin 7) es la tensión en el pin 5 multiplicado por (1 + R4/R5). El potenciómetro R2 lo único que hace es sumar su resistencia de 1K a R4 o R5. Si giramos el potenciómetro hacia un lado el valor de R4 será 11K y el de R5 10K, y si lo giramos al otro al revés, R4 valdrá 10K y R5 11K. Por lo que solo sirve para intentar salvar la tolerancia de los componentes y que para 1 A de corriente podamos tener una salida exacta de 0.1V (el amplificador solo multiplica por 2).

No se ha hecho un amplificador diferencial por lo que a la R de sensado habrá que añadirle también la resistencia de las pistas del PCB. Pero el principal problema es que se usa un operacional de bajo coste, y por tanto el voltaje de offset que se encuentra en sus entradas es alto, 4.5 mV en este caso.

Este voltaje de offset va a generar un error en la salida del operacional, el voltaje que tenemos en la entrada positiva debido a la resistencia de sensado se le va a sumar o restar un valor del voltaje de offset de 4.5 mV en el peor caso. Multiplicado por 2 en la salida producirá un error de 9 mV, lo que se corresponde con una corriente de 90 mA.

Por lo que leyendo el pin del pcb que nos indica la corriente que está pasando por la carga activa vamos a tener un error de 90 mA arriba o abajo de la corriente leída.

Este pin de la carga que nos da un voltaje proporcional a la corriente que pasa por ella es importante, ya que lo necesitamos leer para ajustar la corriente con el potenciómetro grande sino queremos colocar un multímetro en serie con la carga para medir la intensidad, ya que el mismo offset lo tiene el operacional que se usa para el circuito de carga activa. Por tanto la única forma de ajustar la corriente con el potencióemtro R6 es tener un multímetro (ya sea el de la propia fuente de tensión que conectamos a la carga o uno externo).

Aún así es un circuito de bajo coste que hace su función bastante bien, una vez establecida la corriente nos permite sacar una corriente constante de la batería o fuente de tensión que queramos probar.

4. Re:load para el control de diodos led.

Por último comentar el uso de Re:load para probar diodos led. Si no tenemos una fuente de alimentación con la que podamos controlar la intensidad, tener esta carga activa nos puede resultar bastante útil a la hora de probar diodos led.

Un diodo led es un dispostivo que en su control se piensa en intensidad más que en voltaje. Si conectamos un diodo led a una batería de 4.2 V, y calculamos la resistencia serie para el led y esos 4.2 V, cuando la batería se gaste un poco y en lugar de dar 4.2 V su valor sea por ejemplo de 4 V, la luz que va a dar el diodo led se va a reducir notablemente.

En el siguiente vídeo se puede ver cómo cambia la intensidad que pasa por el led en función del voltaje que se le aplica.

Si aplicamos una tensión de 3.09 V al led del vídeo pasa por él una intensidad de 100 mA, si subimos esa tensión a 3.39 V la intensidad pasa a valer 400 mA. Para una variación de 0.3 V en la tensión de alimentación hemos multiplicado por 4 la intensidad que atraviesa el led, y si miramos en las hojas de características de un led:

Podemos ver como la luz que emite el led es proporcional a la intensidad que pasa por él (gráfica de la derecha). Un cambio en la intensidad por ejemplo de 4 veces supone un cambio bastante importante en la luminosidad del led que nuestro ojo percibe.

Una pequeña variación en el voltaje de alimentación del led supone un cambio grande en la intensidad que pasa por él y en la luz que éste emite, y es más fácil controlar mA a controlar mV para establecer la luminosidad deseada.

Podemos usar Re:load para hacer una fuente de intensidad y establecer la corriente constante que pasa por el led y por tanto su luminosidad girando su potenciómetro. Para ello tenemos que conectar Re:load en serie con el diodo led, y alimentar estos con una batería o fuente de tensión.

En el siguiente vídeo se puede ver un ejemplo:

Se puede ver como la corriente que pasa por el led es independiente del voltaje de la fuente de alimentación, por lo que si no tenemos una fuente con la que controlar la intensidad o solo tenemos una batería para probar los diodos led, podemos usar Re:load para controlar la intensidad que pasa por el led girando el potenciómetro, y esta intensidad será independiente del estado de carga de la batería.

Para controlar un led con Re:load se conecta la carga activa en serie con el led, por lo que ahora el voltaje que va a ver la carga activa en sus conectores es el voltaje de la fuente menos el voltaje que cae en el led. Si alimentamos con una fuente de por ejemplo 5 V y en el led caen 3 V, la carga activa solo verá 2 V. Estos 2 V son insuficientes para que la carga activa se pueda alimentar de la fuente de tensión o batería (mínimo 3.3V), por lo que si estamos en estas condiciones necesitamos alimentar la carga activa con otra fuente de tensión o batería, a través del pin Vin y “-” del conector de 3 pines donde mediamos la lectura del voltaje que era proporcional a la corriente que pasaba.

Antes de alimentar la carga activa por Vin debemos desoldar un jumper que se encuentra en el pcb (se puede ver al comienzo del vídeo anterior), una vez que desoldamos este jumper la carga activa no toma la alimentación de la fuente de tensión o batería de la que saca corriente, y hay que alimentarla por los pines del conector anterior. Esto solo es necesario si la carga activa tiene otro elemento conectado en serie y el voltaje que le puede llegar va a ser inferior a 3.3V.

Jumper que hay que desoldar para alimentar por el pin de Vin.

5. Conclusiones.

Una carga activa es una herramienta que nos puede venir muy bien tener, quien no se ha visto combinando resistencias alguna vez para sacar la intensidad deseada de una batería o regulador de tensión para probarla. Por $15 Re:load nos soluciona estas situaciones y algunas otras más.

Solo he probado la carga dentro de sus especificaciones (no he mirado los datasheets de los componentes) y parece funcionar correctamente. Funcionando a 11 W de consumo (el máximo para la versión de 3A es de 12 W) el disipador se pone calentito pero en ningún momento el Mosfet llega a cortar la intensidad.

Temperatura alcanzada en el disipador con 11 W de consumo en la carga.

Hay algunas cosas que se pueden mejorar en el diseño: lo primero los conectores, también sería interesante tener la opción de un potenciómetro multivuelta para establecer la intensidad con mayor precisión, y quizás mejorar el circuito del operacional que nos da el voltaje proporcional a la corriente que pasa por la carga activa.

Arachnid Labs tambien tiene una carga activa mucho más completa aunque el precio es bastante más elevado, y este circuito de $15 para mi gusto hace la función y viene bien tenerlo a mano.

Aquí dejo la review de Re:load que podemos encontrar en tindie. Espero seguir añadiendo al blog posts que puedan resultar interesantes para todos a los que nos gustan estos temas de electrónica.