Раздел: Источники питания
Статическая и динамическая DC нагрузка до 10 А
Преимущества использования регулируемой электронной нагрузки постоянного тока для тестирования источников питания очевидны:
Отпадает необходимость работать с набором различных нагрузочных резисторов, так как требуемый ток нагрузки можно удобно установить. Если нагрузка также обладает возможностью регулируемых быстрых переходных процессов нагрузки, становится возможным проверить и динамическую реакцию источника питания.
Для реализации динамических режимов электронная нагрузка должна как минимум уметь переключаться между двумя настраиваемыми значениями. Для этого схема должна содержать некий аналог генератора функций. Это требует довольно сложной электроники, чего может захотеться избежать, если такие возможности нужны всего несколько раз в год.
Значительно упростить схему можно, используя внешний генератор сигналов — устройство, которое обычно уже есть у любого радиолюбителя, работающего с аудиосигналами или другой аналоговой электроникой, — для формирования динамики тока. В этом случае нагрузке требуется лишь управляющий вход, и её схема становится существенно проще.
Кроме того, внешний генератор функций даёт ещё одно преимущество: как правило, он формирует на выходе не только прямоугольные сигналы, но и синусоидальные и треугольные формы, что открывает дополнительные возможности измерений. Генератор функций хорошо подходит для этой задачи, если нижнее и верхнее значения напряжения (а значит, и тока) можно задавать независимо. В противном случае эти значения можно вычислить по амплитуде и смещению выходного сигнала генератора.
Исходя из этих соображений, сложность схемы сведена к разумному минимуму. На рисунке 1 показана блок-схема устройства. Стабилизатор напряжения на 5 В используется в качестве опорного источника для установки статического тока с помощью потенциометра. Реле переключает между статическим значением, заданным потенциометром, и входом генератора функций. Далее сигнал проходит через фильтр Бесселя, который ограничивает время нарастания и спада управляющего сигнала до приемлемых значений. Выход фильтра управляет выходным каскадом — управляемым источником тока.
Рис. 1. Структурная схема электронной нагрузки.
В проекте предусмотрены два таких выходных каскада, которые могут быть соединены параллельно для удвоения тока. Каждый рассчитан на ток 5 А, что даёт максимальный суммарный ток 10 А. Если достаточно тока 5 А или меньше, можно установить только один выходной каскад.
Выходные каскады выполнены в виде источников тока, управляемых напряжением. Протекающий ток измеряется по падению напряжения на шунтирующем резисторе. Это напряжение затем усиливается в десять раз и подаётся в цепь управления в качестве сигнала обратной связи. На измерительном выходе суммарный ток обоих каскадов представлен в виде напряжения, которое можно наблюдать с помощью осциллографа.
На рисунке 2 показана реализация блок-схемы с использованием реальных компонентов. Опорное напряжение 5 В формируется встроенным стабилизатором напряжения IC7. С помощью потенциометра P2 (совместно с R2) задаётся максимальное напряжение на потенциометре, подключённом к разъёму K4. Многооборотный потенциометр упрощает калибровку статического тока. Поскольку выходные каскады рассчитаны на управление из расчёта 500 мВ/А, ток нагрузки 5 А должен соответствовать максимальному напряжению 2,5 В на резисторе R4. Это означает, что внешний генератор сигналов должен быть способен выдавать пиковое напряжение не менее 2,5 В на нагрузку 50 Ом, поскольку именно такой нагрузкой он здесь нагружен через резистор R3 для согласования импеданса.
Рис. 2. Благодаря использованию внешнего генератора, реальная схема электронной нагрузки оказывается не такой уж сложной.
IC2B используется в качестве буфера для напряжения с движка потенциометра, подключённого к K4. Предшествующий НЧ-фильтр, образованный R4 и C1, подавляет шум и «шуршание», возникающее при регулировке потенциометра. Реле REL1 служит для переключения между статическим и динамическим режимами нагрузки. Здесь может применяться реле на 12 В, при этом резистор R6 должен иметь сопротивление 0 Ом. При использовании реле на 5 В сопротивление R6 должно составлять 300 Ом.
После реле следует инвертирующий фильтр Бесселя с частотой среза 40 кГц, выполненный на IC2A. Его задача — предотвратить влияние слишком крутых фронтов сигнала генератора, которые могли бы вызвать перерегулирование в последующем контуре стабилизации тока. Основное внимание уделяется отклику подключённого источника напряжения, а не реакции регулятора тока на чрезмерно резкие входные сигналы.
Далее управляющее напряжение разделяется на два идентичных выходных каскада. Как уже упоминалось, каждый каскад рассчитан на максимальный ток 5 А. Если требуется не более 5 А, достаточно установить только один выходной каскад. Поскольку силовые MOSFET-транзисторы нельзя просто соединять параллельно, каждый транзистор имеет собственную схему управления. Узлы на IC3A и IC4A работают как усилители с коэффициентом 10, а регулирование тока осуществляется с помощью IC3B и IC4B. Управляющее напряжение с выхода фильтра на IC2A используется как заданное значение, а напряжение с выхода IC3A или IC4A — как фактическое значение. RC-цепочки R30/C6 и R33/C7 могут применяться для оптимизации частотной характеристики (или переходной характеристики управления) MOSFET-транзисторов, однако в большинстве случаев в этом нет необходимости, поэтому в данной конструкции они не устанавливаются.
Рассеяние мощности происходит на двух силовых MOSFET-транзисторах T1 и T2, которые работают как управляемые резисторы и способны выдерживать напряжения свыше 100 В. Разумеется, они должны иметь надлежащее охлаждение. Максимальная допустимая рассеиваемая мощность каждого транзистора составляет 150 Вт. На практике целесообразно использовать примерно половину этого значения, поскольку размеры радиатора, необходимые для рассеяния максимальной мощности электронной нагрузки, растут непропорционально. Крупный радиатор с тепловым сопротивлением менее 0,5 К/Вт в данном случае вовсе не является избыточным. В качестве альтернативы можно установить вентилятор, что значительно снизит температуру радиатора (см. рисунок 3). Охлаждение требуется не только MOSFET-транзисторам, но и шунтирующим резисторам R44 и R45 — без охлаждения они также сильно нагреваются, несмотря на то что максимальная рассеиваемая на них мощность составляет всего 1,25 Вт, что само по себе не так уж много.
Рис. 3: Инфракрасные изображения платы электронной нагрузки в условных цветах. Слева без включённого вентилятора. Справа при работающем вентиляторе температура снижается более чем на 20 °C!
Резисторы R38 и R41, включённые между выходами операционных усилителей и затворами MOSFET-транзисторов, предотвращают возникновение самовозбуждения ОУ из-за ёмкостной нагрузки затворов. В целях защиты каждый MOSFET снабжён предохранителем на ток 6,3 А.
Измерительный выход формируется суммарным сигналом с помощью IC1A (сумматор) и IC1B (коррекция смещения и буфер).
Дополнительная информация
Отпадает необходимость работать с набором различных нагрузочных резисторов, так как требуемый ток нагрузки можно удобно установить. Если нагрузка также обладает возможностью регулируемых быстрых переходных процессов нагрузки, становится возможным проверить и динамическую реакцию источника питания.
Для реализации динамических режимов электронная нагрузка должна как минимум уметь переключаться между двумя настраиваемыми значениями. Для этого схема должна содержать некий аналог генератора функций. Это требует довольно сложной электроники, чего может захотеться избежать, если такие возможности нужны всего несколько раз в год.
Значительно упростить схему можно, используя внешний генератор сигналов — устройство, которое обычно уже есть у любого радиолюбителя, работающего с аудиосигналами или другой аналоговой электроникой, — для формирования динамики тока. В этом случае нагрузке требуется лишь управляющий вход, и её схема становится существенно проще.
Кроме того, внешний генератор функций даёт ещё одно преимущество: как правило, он формирует на выходе не только прямоугольные сигналы, но и синусоидальные и треугольные формы, что открывает дополнительные возможности измерений. Генератор функций хорошо подходит для этой задачи, если нижнее и верхнее значения напряжения (а значит, и тока) можно задавать независимо. В противном случае эти значения можно вычислить по амплитуде и смещению выходного сигнала генератора.
Принцип работы
Исходя из этих соображений, сложность схемы сведена к разумному минимуму. На рисунке 1 показана блок-схема устройства. Стабилизатор напряжения на 5 В используется в качестве опорного источника для установки статического тока с помощью потенциометра. Реле переключает между статическим значением, заданным потенциометром, и входом генератора функций. Далее сигнал проходит через фильтр Бесселя, который ограничивает время нарастания и спада управляющего сигнала до приемлемых значений. Выход фильтра управляет выходным каскадом — управляемым источником тока.
В проекте предусмотрены два таких выходных каскада, которые могут быть соединены параллельно для удвоения тока. Каждый рассчитан на ток 5 А, что даёт максимальный суммарный ток 10 А. Если достаточно тока 5 А или меньше, можно установить только один выходной каскад.
Выходные каскады выполнены в виде источников тока, управляемых напряжением. Протекающий ток измеряется по падению напряжения на шунтирующем резисторе. Это напряжение затем усиливается в десять раз и подаётся в цепь управления в качестве сигнала обратной связи. На измерительном выходе суммарный ток обоих каскадов представлен в виде напряжения, которое можно наблюдать с помощью осциллографа.
Схема
На рисунке 2 показана реализация блок-схемы с использованием реальных компонентов. Опорное напряжение 5 В формируется встроенным стабилизатором напряжения IC7. С помощью потенциометра P2 (совместно с R2) задаётся максимальное напряжение на потенциометре, подключённом к разъёму K4. Многооборотный потенциометр упрощает калибровку статического тока. Поскольку выходные каскады рассчитаны на управление из расчёта 500 мВ/А, ток нагрузки 5 А должен соответствовать максимальному напряжению 2,5 В на резисторе R4. Это означает, что внешний генератор сигналов должен быть способен выдавать пиковое напряжение не менее 2,5 В на нагрузку 50 Ом, поскольку именно такой нагрузкой он здесь нагружен через резистор R3 для согласования импеданса.
Рис. 2. Благодаря использованию внешнего генератора, реальная схема электронной нагрузки оказывается не такой уж сложной.
IC2B используется в качестве буфера для напряжения с движка потенциометра, подключённого к K4. Предшествующий НЧ-фильтр, образованный R4 и C1, подавляет шум и «шуршание», возникающее при регулировке потенциометра. Реле REL1 служит для переключения между статическим и динамическим режимами нагрузки. Здесь может применяться реле на 12 В, при этом резистор R6 должен иметь сопротивление 0 Ом. При использовании реле на 5 В сопротивление R6 должно составлять 300 Ом.
После реле следует инвертирующий фильтр Бесселя с частотой среза 40 кГц, выполненный на IC2A. Его задача — предотвратить влияние слишком крутых фронтов сигнала генератора, которые могли бы вызвать перерегулирование в последующем контуре стабилизации тока. Основное внимание уделяется отклику подключённого источника напряжения, а не реакции регулятора тока на чрезмерно резкие входные сигналы.
Далее управляющее напряжение разделяется на два идентичных выходных каскада. Как уже упоминалось, каждый каскад рассчитан на максимальный ток 5 А. Если требуется не более 5 А, достаточно установить только один выходной каскад. Поскольку силовые MOSFET-транзисторы нельзя просто соединять параллельно, каждый транзистор имеет собственную схему управления. Узлы на IC3A и IC4A работают как усилители с коэффициентом 10, а регулирование тока осуществляется с помощью IC3B и IC4B. Управляющее напряжение с выхода фильтра на IC2A используется как заданное значение, а напряжение с выхода IC3A или IC4A — как фактическое значение. RC-цепочки R30/C6 и R33/C7 могут применяться для оптимизации частотной характеристики (или переходной характеристики управления) MOSFET-транзисторов, однако в большинстве случаев в этом нет необходимости, поэтому в данной конструкции они не устанавливаются.
Рассеяние мощности происходит на двух силовых MOSFET-транзисторах T1 и T2, которые работают как управляемые резисторы и способны выдерживать напряжения свыше 100 В. Разумеется, они должны иметь надлежащее охлаждение. Максимальная допустимая рассеиваемая мощность каждого транзистора составляет 150 Вт. На практике целесообразно использовать примерно половину этого значения, поскольку размеры радиатора, необходимые для рассеяния максимальной мощности электронной нагрузки, растут непропорционально. Крупный радиатор с тепловым сопротивлением менее 0,5 К/Вт в данном случае вовсе не является избыточным. В качестве альтернативы можно установить вентилятор, что значительно снизит температуру радиатора (см. рисунок 3). Охлаждение требуется не только MOSFET-транзисторам, но и шунтирующим резисторам R44 и R45 — без охлаждения они также сильно нагреваются, несмотря на то что максимальная рассеиваемая на них мощность составляет всего 1,25 Вт, что само по себе не так уж много.
Рис. 3: Инфракрасные изображения платы электронной нагрузки в условных цветах. Слева без включённого вентилятора. Справа при работающем вентиляторе температура снижается более чем на 20 °C!
Резисторы R38 и R41, включённые между выходами операционных усилителей и затворами MOSFET-транзисторов, предотвращают возникновение самовозбуждения ОУ из-за ёмкостной нагрузки затворов. В целях защиты каждый MOSFET снабжён предохранителем на ток 6,3 А.
Измерительный выход формируется суммарным сигналом с помощью IC1A (сумматор) и IC1B (коррекция смещения и буфер).
Дополнительная информация
Питание схемы осуществляется от обычного источника с напряжениями ±12 В. Два светодиода индицируют наличие питающих напряжений. Дополнительный светодиод для передней панели может быть подключён к разъёму K1. Печатная плата (см. разводку на рисунке 4) содержит большое количество развязывающих конденсаторов номиналом 100 нФ и танталовых электролитических конденсаторов ёмкостью 22 мкФ, равномерно распределённых по всей схеме. На рисунке 5 показана собранная печатная плата. На рисунке 6 приведён вид внутренней части корпуса раннего прототипа с навесным монтажом на макетной плате.
Рис. 4. Компоновка двухсторонней платы
Рис. 5. Собранная электронная плата
Рис. 6. Внутренняя часть
Также важно отметить, что отрицательный вывод тестируемого источника питания должен быть соединён с землёй генератора сигналов, а также с землёй осциллографа.
Положительные и отрицательные выводы обоих выходных каскадов на печатной плате между собой не соединены. Соединение с клеммами должно выполняться проводами одинаковой длины и с одинаковым сечением.
Рис. 7. Напряжение лабораторного источника питания 12 В (фиолетовая кривая) при выходе на ограничение тока. Динамический профиль нагрузки показан зелёной кривой.
Рис. 8. Реакция источника питания на переходный процесс со всплеском (овершут). Электронная нагрузка работает в динамическом режиме.
На рисунке 7 фиолетовым цветом показано напряжение лабораторного источника питания на 12 В в момент, когда установленный ток нагрузки (зелёная кривая) превышает предел тока источника питания. В результате напряжение автоматически снижается (стабилизируется) самим лабораторным источником питания. Отклик напряжения тестируемого источника питания на скачок тока показан на рисунке 8. В этом случае ограничение тока ещё не срабатывает.
Рис. 4. Компоновка двухсторонней платы
Рис. 5. Собранная электронная плата
Рис. 6. Внутренняя часть
Также важно отметить, что отрицательный вывод тестируемого источника питания должен быть соединён с землёй генератора сигналов, а также с землёй осциллографа.
Положительные и отрицательные выводы обоих выходных каскадов на печатной плате между собой не соединены. Соединение с клеммами должно выполняться проводами одинаковой длины и с одинаковым сечением.
Рис. 7. Напряжение лабораторного источника питания 12 В (фиолетовая кривая) при выходе на ограничение тока. Динамический профиль нагрузки показан зелёной кривой.
Рис. 8. Реакция источника питания на переходный процесс со всплеском (овершут). Электронная нагрузка работает в динамическом режиме.
На рисунке 7 фиолетовым цветом показано напряжение лабораторного источника питания на 12 В в момент, когда установленный ток нагрузки (зелёная кривая) превышает предел тока источника питания. В результате напряжение автоматически снижается (стабилизируется) самим лабораторным источником питания. Отклик напряжения тестируемого источника питания на скачок тока показан на рисунке 8. В этом случае ограничение тока ещё не срабатывает.
Alfred Rosenkranzer (Germany)
Комментарии принадлежат их авторам. Мы не несем ответственности за их содержание.
