Электронная нагрузка UNI-T UTL8211, обзор и небольшая доработка

Приветствую читателей муськи, в этом обзоре речь пойдет об относительно новой модели электронной нагрузки мощностью 400 ватт от компании Uni-Trend. Решил написать обзор, так как подробной информации по этой модели пока не так много, особенно на русском языке. Надеюсь, кому-то окажется полезным.

В линейке две модели, одноканальная UTL8211 400 ватт, 150 В/40 А и двухканальная UTL8212 — 2х200 ватт, 150 В/20 А.

   Внешний вид и технические характеристики

Основные технические характеристики, заявленные производителем (подробнее можно почитать в мануале):

Выглядит симпатично, корпус достаточно компактный для мощности 400 ватт, размеры 88(Ш)х190(В)х300(Г) мм.

Корпус металлический, из листа толщиной 1,25 мм, качественно окрашен. Передняя панель сделана из пластика.

На лицевой панели находятся цветной дисплей диагональю 2,8 дюйма, энкодер для ввода параметров, кнопки управления, механическая кнопка включения и входные клеммы.

Клеммы из латуни, под стандартные бананы 4 мм. Выглядят достаточно скромно для заявленных 40 ампер.

Сзади отверстия для выхода нагретого воздуха, разъем питания со встроенным предохранителем, переключатель сетевого напряжения 220/110 вольт и разъем интерфейса RS-232 для связи с компьютером.

В комплекте поставки, помимо самой нагрузки, идет кабель питания, интерфейсный кабель, «сертификат качества» на китайском языке и два запасных предохранителя номиналом 0,5 А — нужны в случае питания нагрузки от сети 110 вольт.

   Устройство

Внутре у ней неонка По конструкции UTL8211 очень похожа на другие модели китайских нагрузок такого форм-фактора (ET54XX, KP184 и т. п. — кстати, на ET5420 есть отличный обзор). Две платы закреплены сверху и снизу на радиаторах, на платах по три силовых транзистора. Все основные компоненты размещены на верхней плате, это входные цепи, токоизмерительный шунт, выпрямители и стабилизаторы питания и микроконтроллер, который измеряет напряжение/ток и задает режим работы силовых транзисторов. На нижней плате только полевики и ОУ управления (у двухканальной модели нижняя плата идентична верхней). Третья плата, которая отвечает за интерфейс и управление дисплеем, размещена на передней панели.

Питание через трансформатор, нагрузка потребляет от сети от 7 до 9 ватт в зависимости от оборотов вентилятора. Транзисторы установлены без изолирующих прокладок, поэтому радиатор электрически изолирован от корпуса, в задней части он закреплен с помощью пластмассовой рамки, в передней держится на текстолитовых стойках, а пластиковые винты упираются в боковые стенки и дополнительно фиксируют радиатор от смещения.

Рассмотрим платы поподробнее:

1. За преобразование электричества в тепло отвечают полевики IRFP250M (даташит), при максимальной нагрузке на каждом рассеивается в среднем до 67 ватт, что ИМХО многовато, особенно при высоком входном напряжении. Для выравнивания токов через транзисторы в их истоках установлены проволочные резисторы номиналом около 15 мОм, напряжение на них снимается zero-drift ОУ GS8552 в дифференциальном включении. ОУ TL072C управляют затворами транзисторов.
2. Входные цепи. На входе для защиты от перенапряжения установлен варистор 14D181K, параллельно транзисторам стоит пленочный конденсатор 2,2 мкФ/250 В. В цепях измерения напряжения/тока стоят точные ОУ OP07C.
3. Выпрямители и стабилизаторы питания ±12В, +5В, +3,3В.
4. Контроллер Geehy APM32F103RCT6 (даташит), используются встроенные ЦАП/АЦП.

Мощный шунт, с помощью которого нагрузка измеряет протекающий ток, диаметр проволоки 2,5 мм, на вид похоже на манганин. Сопротивление около 10 миллиом.

Как и во многих других моделях, никакой аппаратной защиты от переполюсовки по входу здесь не предусмотрено, хотя нагрузка и умеет определять обратную полярность на клеммах и выдает окно ошибки со звуковым сигналом. Если ошибиться с полярностью, нагрузка будет работать как мощный диод, поэтому нужно быть внимательным при подключении мощных источников без защиты, таких как аккумуляторы.

Входные разъемы (на пружинных шайбах сэкономили), видны отдельные провода для измерения напряжения:

Передняя панель имеет гальваническую развязку с силовыми платами. На ней размещен второй микроконтроллер, который отвечает за интерфейс, дисплей, кнопки и связь с ПК, сюда же подключается вентилятор.

В целом, конструкция выглядит продуманной, по качеству изготовления и сборки особо придраться не к чему, ну разве что не смыт флюс от ручной пайки.

   Управление и настройки

При включении, после экрана загрузки с логотипом UNI-T, попадаем на главный экран, по умолчанию активен режим стабилизации тока СС (можно изменить в настройках на последний использованный):

На экран выводятся только основные параметры — режим работы, измеренное напряжение/ток/мощность, установленное значение параметра и время работы (кстати, обновляются измеренные значения очень шустро — больше десяти раз в секунду). Таймер и другие условия автоматического отключения задаются через меню. Вводить значения можно энкодером или кнопками вверх/вниз, кнопками вправо/влево выбирается активный разряд. 

Нагрузка подерживает четыре основных режима (CC, CV, CR, CP — соответственно, удержание постоянного тока, напряжения, сопротивления и мощности), также есть функции тестирования динамических характеристик, тест батарей и программируемые сценарии для испытания БП по заданным параметрам. Все режимы, кроме Constant Current, программные, то есть контроллер измеряет напряжение и ток и по ним рассчитывает необходимое значение тока через нагрузку, которое соответствует заданному напряжению, сопротивлению или мощности. Режимы работы выбираются в меню по кнопке «Mode». Управление в базовых режимах каких-либо особенностей не имеет, поэтому подробно расписывать не буду.

Отдельной кнопкой можно активировать функцию «Short» (имитация короткого замыкания), для использования нагрузки в качестве мощного амперметра или тестирования защиты БП. Сопротивление в этом режиме составляет примерно 30 миллиом, а время работы задаётся в меню от 0,1 мс до 100 сек (но в реальности минимальное время около 10 мс).

В режимах Dynamic, List и Battery доступны отдельные меню для настройки, рассмотрим их поподробнее:

Dynamic:

В этом режиме нагрузка переключается между двумя заданными уровнями тока — однократно или непрерывно. Очень полезная функция, позволяет оценить скорость и корректность работы обратной связи источников питания, или протестировать работу защиты от перегрузки. В меню можно задать уровни тока, время удержания каждого уровня, количество циклов (максимум 99999) и режим работы — циклический или переключение по триггеру.

Проверим, как это работает. На скриншоте тест 4s сборки аккумуляторов, начальный ток 1 ампер, импульсы 10 ампер длительностью 5 мс. На первом канале осцилла напряжение, на втором ток через шунт 20 мОм, в нижней части скриншотов замеры параметров импульса тока, сделанные осциллографом.
Скорость нарастания и спада выставлены в настройках на максимум (3 А/мкс, напомню, в характеристиках заявлено 0,15 А/мкс):

А тут нарастание и спад установлены на минимум (0,001 А/мкс):

Как видно, крутизна фронтов далека от максимальной заявленной, причем скорость спада вообще не регулируется, а скорость нарастания изменяется только в очень узком диапазоне настроек 0,001-0,015 А/мкс.
Ну и для сравнения, вместо аккумулятора подключим импульсный БП 12 вольт 36 ампер, с такими же настройками (1-10 А, рост и спад на максимум):

Несмотря на скромные фронты импульсов, хорошо видны переходные процессы БП при наборе/сбросе нагрузки.

Battery:

Предназначена для тестирования батарей/аккумуляторов, здесь можно задать режим разряда (доступны CC, CR и CP) и значение нагрузки, а также выбрать напряжение окончания разряда. Нагрузка подсчитывает время разряда в секундах и ёмкость батареи (в ампер-часах).

Для примера, разряд аккумулятора 18650:

List:

В этом режиме можно создавать, сохранять и загружать сценарии для тестирования устройств по разным критериям. Нагрузка позволяет сохранять в памяти до 60 сценариев и до 16 шагов в каждом. Для каждого шага можно задать режим (доступны CC, CV, CR, CP, разомкнутый/замкнутый выход), время теста, измеряемый параметр (напряжение, ток, или мощность) и диапазон допустимых значений для него (условия прохождения теста). Шаги могут переключаться автоматически или вручную, также можно задать количество повторов сценария. По завершении сценария выдаётся результат — тест пройден/не пройден, также можно посмотреть подробный отчёт.

Меню системных настроек:

По пунктам:

1. Язык Английский/Китайский (по умолчанию выбран китайский, так что пользователю надо ещё суметь найти это меню при первом включении).

2. Логика изменения параметра энкодером: значение может применяется мгновенно или после подтверждения кнопкой «Enter».

3. Звуки предупреждений вкл/выкл.

4. Звуки нажатия кнопок вкл/выкл.

5. Режим при включении: CC или последний использованный.

6,7. Виртуальный COM-порт и скорость передачи данных (от 9600 до 115200).

8. Сброс к заводским настройкам.

Меню настройки параметров:

1. Отключение по таймеру, 1-99 999 сек или бесконечно.

2. Длительность режима КЗ, от 0,1 мс до 99 999 мс.

3,4,5. Лимиты напряжения, тока и мощности.

6. Минимальное напряжение для автоматического старта нагрузки. Например, задаём значение V on 5,000 вольт, режим CC 10 ампер и включаем выход. Пока измеренное напряжение меньше 5 вольт, нагрузка не будет потреблять ток от источника, как только напряжение превысит 5 вольт, выход автоматически активируется.

7. Минимальное напряжение для автоматического отключения, нагрузка работает, пока измеренное напряжение выше этого предела.

8. Этот пункт в инструкции называется V trigger, и с логикой его работы я не разобрался. То ли работает не так, как описано, то ли я чего-то не понял ¯\_(ツ)_/¯.

9. Защита от перенапряжения, если активна, то нагрузка будет закорачивать выход если напряжение превысит заданное в п. 3.

10. Режим работы триггера, не тестировал.

11,12. Выбор пределов напряжения и тока. ЦАП и АЦП здесь всего 12 бит, поэтому для повышения разрешения есть два предела измерений, для малых и больших токов/напряжений. Какой предел использовать, выбирается вручную (параметры V scale и I scale), при этом есть некоторые нюансы. 
В некоторых режимах, например СС, нагрузка умеет автоматически переключаться с более точного предела на более грубый — но не обратно!
В других режимах нагрузка выдает ошибку, если напряжение или ток больше выбранного диапазона. Иногда, например в динамическом режиме, сообщение об ошибке не появляется, но фактический ток будет меньше заданного.
В общем, логика работы с пределами проработана плохо.

Перейдём к тестам:

   Точность

Сравнивать будем с мультиметром UT-171B:

Для удобства результаты измерений сведены в табличку. Точность измерения напряжения:

Точность задания и измерения тока (измерял только до 15 ампер, большие токи нечем мерять с достаточной точностью):

Ну что можно сказать, в целом неплохо, но на малых токах и напряжениях нагрузке явно не хватает разрешения.

   Нагрев

Проверим эффективность охлаждения, сначала в щадящем режиме 300 ватт.

 На фото показаны зоны, в которых измерялась температура:

Температура стабилизировалась примерно через 15 минут прогрева и дальше практически не росла. Результаты замеров:

С ростом температуры радиатора вентилятор сравнительно быстро раскручивается до максимальных оборотов, шум в таком режиме довольно сильный. Дальняя от вентилятора пара транзисторов нагревается заметно сильнее, что ожидаемо.

После остывания подадим максимально допустимые 400 ватт:

Через 10 минут температура самого горячего транзистора превысила 107°, так что дальше решил не мучать)

Все замеры делались со снятой крышкой, с закрытым корпусом результаты, скорее всего, будут немного отличаться. ИМХО, для длительной работы на максимальной мощности производительности охлаждения явно не хватает. 

   Тесты в динамике

Проверим, насколько быстро нагрузка реагирует на колебания напряжения по входу. Для этого  подключим к ней простой нестабилизированный источник питания из трансформатора, выпрямителя и конденсатора емкостью 1000 мкФ. Напряжение на выходе такого БП под нагрузкой пульсирует с частотой 100 герц. На скриншотах первый канал осциллографа(желтая линия) — напряжение, второй — ток через резистор 0,1 ома, включенный последовательно с нагрузкой.
1. Режим СС, ток 3 ампера. Тут без сюрпризов, несмотря на колебания входного напряжения, ток остается стабильным.
2. CV, 15 вольт, нагрузка работает как параллельный стабилизатор напряжения. Видны небольшие колебания напряжения, но в целом все неплохо.
3. CR, имитация сопротивления 50 ом. В идеале, в таком режиме форма тока через нагрузку должна повторять колебания напряжения. Но UTL8211 здесь работает некорректно — с определенного уровня пульсаций напряжения на входе обратная связь явно не успевает регулировать ток, и возникает генерация. Если задать более высокое сопротивление, то генерации нет, но нагрузка удерживает постоянный ток, не пытаясь отрабатывать колебания.
4. CP. Этот режим работает слишком медленно — нагрузка просто не реагирует на колебания входного напряжения.

Как видим, чуда не случилось — режимы, которые реализованы программно (то есть все, кроме СС), в динамике работают достаточно медленно. Это не важно при тестировании аккумуляторов, но при работе с блоками питания можно словить неуправляемый колебательный процесс.
 

   Управление с компьютера

Нагрузка подключается к компьютеру с помощью интерфейса RS-232, я использовал кабель со встроенным переходником USB-UART на CH340. ПО доступно для скачивания по этой ссылке, по описанию, оно поддерживает модели UTL82xx и более продвинутые UTL85xx. Софт, похоже, писали китайские школьники за миску риса, а на тестирование вообще забили) Выглядит вот так:

Пасхалка от «разработчиков», видимо, риса не доложили):

Софт, формально, повторяет все функции нагрузки — плюс умеет строить графики и сохранять/загружать с компьютера пресеты. На деле, пользоваться приложением практически невозможно, потому что любое нажатие кнопки в ПО исполняется нагрузкой с задержкой в несколько секунд, причём задержка не зависит от выставленной скорости соединения. Некоторые кнопки срабатывают через раз, некоторые вообще не работают или работают по какой-то своей внутренней логике (прошла команда или нет — в самом приложении не отображается, развивайте телепатию). Например, мне не удавалось задать нужный ток кнопкой «Set», пока на входных клеммах было 0 вольт. 

Вкладка режима разряда батарей:

Доступен только разряд постоянным током, время считает неправильно (в самой нагрузке всё корректно). В конце разряда график не останавливается; ток и напряжение рисует в одном масштабе — настроить по отдельности нельзя. 

В общем, копаться в багах приложения мне было лень, оно откровенно кривое и сырое, не вижу никакого смысла таким пользоваться. Что хорошо, есть описание команд SCPI — pdf по ссылке, так что можно попробовать запилить своё ПО.

   Теперь о доработках: 

Один из основных недостатков — у нагрузки нет выводов «sense» для четырёхпроводного подключения. При работе с токами до 40 ампер падение напряжения на проводах и разъемах будет вносить заметную погрешность в измерения. Чтобы компенсировать эту погрешность, для измерения напряжения используют отдельную пару проводников. 
Что интересно, на плате разведены реле и цепи для реализации такого подключения, но детали не запаяны, а для управления реле, скорее всего, нужно модифицировать прошивку. Но можно поступить и по-другому — я просто подключил измерительные проводники с платы к отдельным разъемам на передней панели, а силовые разъемы соединил с ними через резисторы на 10 ом (на фото они в термоусадке). Входное сопротивление цепей измерения напряжения достаточно велико, поэтому дополнительные 10 ом на точность не влияют.

Разъемы — под изолированные бананы 4 мм, такие же используются в мультиметрах. Расстояние между гнёздами сделал стандартные 19 мм, чтобы была возможность подключать вилки с переходником под BNC.

Теперь, при необходимости, можно легко скомпенсировать сопротивление силовых проводов. Правда, у такого способа есть и недостатки — например, под нагрузкой, если сенсорные провода подключены, случайный обрыв силового провода приведёт к сгоранию резистора 10 ом.

Ещё один недостаток — это постоянный шум от вентилятора. Обороты вентилятора регулируются ступенчато, в зависимости от температуры датчика на радиаторе, но полностью вентилятор не отключается даже при простое. Отчасти это оправдано, ведь охлаждать надо не только радиатор, но и шунт — на нем может рассеиваться до 16 ватт при максимальном токе. Но всё-таки постоянный шум немного напрягает, поэтому попробуем это изменить. 

Схема управления вентилятором выглядит примерно так:

Как видно, схема представляет собой линейный регулятор, который поддерживает постоянное напряжение на вентиляторе. Оно задаётся сигналом с контроллера, при этом минимальный порог напряжения зависит от делителя R22/R19. Я заменил резистор R22 с 62к на 16к, с ним шум на минимальных оборотах заметно снизился. На максимальные обороты эта переделка почти не влияет, поэтому эффективность охлаждения на пострадала.

   Выводы

Ну что можно сказать в завершение, девайс получился неоднозначный. С одной стороны, компактный корпус, продуманная конструкция, набор всех необходимых функций и вполне удобное управление, с другой — проблемы с быстродействием, кривой софт и множество мелких и не очень косяков в интерфейсе и реализации функций. Такое ощущение, что на тестирование и исправление недостатков бюджета разработки не осталось. В общем-то, все эти проблемы есть и у других китайских нагрузок в этой ценовой категории, но была надежда, что Uni-T сможет выпустить более качественный продукт.
На этом всё, замечания, вопросы, предложения и конструктивную критику вида «автор нубас, удоли обзор» пишите в комментариях!

UPD:

В магазине UNI-T Official Store на али появилась модель UTL8211/8212 + (плюс). Отличается внешним видом, прошивкой, ну и характеристики в описании немного поправили.