Схема активная нагрузка на микроконтроллере. Эквивалент нагрузки источника питания. Нагрузки на базе IRGS4062DPBF

И. НЕЧАЕВ, г. Москва

При налаживании и испытании сильноточных блоков питания возникает потребность в мощном эквиваленте нагрузки, сопротивление которого можно изменять в широких пределах. Использование для этих целей мощных переменных резисторов не всегда возможно из-за сложности их приобретения, а пользоваться набором постоянных неудобно, поскольку нет возможности плавно регулировать сопротивление нагрузки.

Выходом из такой ситуации может быть применение универсального эквивалента нагрузки, собранного на мощных транзисторах. Принцип работы этого устройства основан на том, что, изменяя управляющее напряжение на затворе (базе) транзистора, можно изменять ток стока (коллектора) и устанавливать необходимое его значение. Если применить мощные полевые транзисторы, то мощность такого эквивалента нагрузки может достигать нескольких сотен ватт.

В большинстве описанных ранее подобных конструкций, например , осуществляется стабилизация потребляемого нагрузкой тока, который слабо зависит от приложенного напряжения. Предлагаемый эквивалент нагрузки по своим свойствам подобен переменному резистору.

Схема устройства показана на рис. 1.

Устройство содержит делитель входного напряжения R1-R3 и два источника тока, управляемых напряжением (ИТУН). Первый ИТУН собран на ОУ DA1.1 и транзисторе VT1, второй - на ОУ DA1.2 и транзисторе VT2. Резисторы R5 и R7 - датчики тока, резисторы R4, R6 и конденсаторы С3-С6 обеспечивают устойчивую работу ИТУН.

На вход каждого ИТУН подано напряжение UR3 с резистора R3, которое пропорционально входному напряжению и равно Uвх * R3/(R1+R2+R3). Ток первого ИТУН, протекающий через транзистор VT1, равен IVT1= UR3/R5, ток второго, протекающий через транзистор VT2, - IVT2= UR3/R7. Поскольку сопротивление резисторов R5 и R7 одинаково, то входное сопротивление эквивалента нагрузки равно Rвх= U вх/(IVT1+IVT2) = R5(R1+R2+R3)/2R3. Для указанных на схеме номиналов резисторов Rвх можно изменять резистором R1 приблизительно от 1 до 11 Ом.

В качестве регулирующих элементов, на которых рассеивается почти вся мощность, применены мощные полевые переключательные транзисторы IRF3205. Транзистор этой серии имеет минимальное сопротивление канала 0,008 Ом, допустимые ток стока 110 А, рассеиваемую мощность до 200 Вт, напряжение сток-исток 55 В. Эти параметры соответствуют температуре корпуса 25 °С. При нагревании корпуса до 100 °С предельная мощность снижается вдвое. Предельная температура корпуса - 175 °С. Для увеличения максимальной мощности оба ИТУН включены параллельно.

Большая часть деталей размещена на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита (рис. 2).

Фотография платы с деталями показана на рис. 3.

Использованы элементы для поверхностного монтажа: резисторы Р1-12 или аналогичные импортные, причем R5 и R7 составлены из пяти включенных параллельно резисторов по 0,1 Ом. Конденсаторы - также для поверхностного монтажа, но можно применить К10-17 или аналогичные. Переменный резистор R1 - СПО, его можно заменить на СП4-1.

Транзисторы установлены на общий теплоотвод с обязательным использованием теплопроводящей пасты. Следует помнить, что он электрически соединен со стоками полевых транзисторов.

Для обдува теплоотвода использован вентилятор (М1) от компьютерного блока питания. Для питания ОУ DA1 и вентилятора М1 необходим отдельный стабилизированный источник с напряжением 12 В. Если при суммарной рассеиваемой мощности 150...200 Вт температура корпусов транзисторов превысит 80...90 °С, то необходимо установить еще один вентилятор или применить более эффективный теплоотвод.

Используя выражение для эквивалентного входного сопротивления, можно подобрать номиналы элементов для получения требуемого интервала его изменения. С целью упрощения устройства можно использовать только один ИТУН, но в таком случае максимальная рассеиваемая мощность уменьшится вдвое. При испытаниях трансформаторов и других источников переменного тока на входе устройства следует установить диодный мост соответствующей мощности, как показано пунктиром на рис. 1 в статье .

ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев И. Универсальный эквивалент нагрузки. - Радио, 2002, № 2, с. 40,41.
2. Нечаев И. Универсальный эквивалент нагрузки. - Радио, 2005, № 1, с. 35.

Так называлась статья И. Нечаева г. Курск, размещенная в журнале Радио №1 за 2005 год стр. 35, в которой описывается схема устройства, эквивалентного мощной активной нагрузке.

Для начала обязательно прочитайте эту статью. Это обычный стабилизатор тока, выполненный на операционном усилителе и мощном полевом транзисторе. Про подобные устройства можно еще почитать в книге «Электронные схемы на операционных усилителях» В.И. Щербаков Г.И. Грездов Киев «Технiка» 1983г стр.131. Для удобства использования данной нагрузки хочу предложить вам дополнить схему цифровым вольтметром и амперметром.

Это позволит отслеживать параметры проверяемого источника питания и, что немаловажно, отслеживать мощность, выделяемую на мощном транзисторе, чтобы не допустить выхода его из строя. Схема нагрузки с цифровой индикацией показана на рисунке 1. Основой блока цифровой индикации является микроконтроллер PIC16F873A. В режиме АЦП работают два вывода контроллера RA1 и RA0, сконфигурированных на аналоговый вход. Напряжение, падающее на нагрузке, через делитель R6 и R7 подается на RA1. С помощью триммера R7 подстраивают показания вольтметра по контрольному цифровому мультиметру. Индицирует величину напряжения на нагрузке правый по схеме индикатор. Измерение тока нагрузки происходит косвенным способом – измерением падания напряжения, при прохождении последнего через датчик тока – резистор R5. С его верхнего вывода напряжение подается на вход контроллера RA0. Величину тока индицирует левый индикатор. Применить можно любые индикаторы с общим катодом. В качестве сетевого трансформатора можно использовать любой маломощный с напряжением вторичной обмотки порядка 12 вольт.

После сборки схемы, ее проверки, не вставляя контроллера проверяют и подстраивают напряжения питания. Резистором R9 на выходе стабилизатора DA2 устанавливают напряжение 5,12В. После установки контроллера устройство готово к работе. Скачать схему и файл прошивки.

При тестировании мощных блоков питания используется электронная нагрузка, например, для принудительной установки заданного тока. На практике часто применяются лампы накаливания (что является плохим решением из-за низкого сопротивления холодной нити) или резисторы. На сайтах интернет-магазинов доступен для покупки модуль электронной нагрузки (по цене около 600 рублей).

Такой модуль имеет следующие параметры: максимальная мощность 70 Вт, длительная мощность 50 Вт, максимальный ток 10 А, максимальное напряжение 100 В. На плате имеется измерительный резистор (в виде изогнутого провода), транзистор IRFP250N, TL431, LM258, LM393. Чтобы запустить модуль искусственной нагрузки необходимо закрепить транзистор на радиаторе (лучше оснастить вентилятором), включить потенциометр, обеспечивающий регулировку тока и подключить источник питания 12 В. Вот упрощенная структурная схема:

Разъем V- V+ используется для подключения проводов, соединяющих испытуемое устройство, последовательно с этой цепи стоит включить амперметр для контроля заданного тока.

Питание подводится на разъем J3, само устройство потребляет ток 10 мА (не считая потребления тока вентилятора). Потенциометр подключаем к разъему J4 (PA).

Вентилятор на 12 В можно подключить к разъему J1 (FAN), на этом разъеме присутствует напряжение питания с разъема J3.

На разъеме J2 (VA) есть напряжение на клеммах V- V+, можем подключить здесь вольтметр и проверить, что за напряжение на выходе нагрузки источника питания.

При токе 10 А, ограничение непрерывной мощности до 50 Вт приводит к тому, что напряжение на входе не должно превышать 5 В, для мощности 75 Вт, напряжение 7.5 В соответственно.

После тестирования с блоком питания в качестве источника напряжения подключили аккумулятор с напряжением 12 В, чтобы не превышать 50 Вт — ток не должен быть больше 4 A, для мощности 75 Вт — 6 A.

Уровень колебаний напряжения на входе модуля является вполне приемлемым (согласно осциллограммы).

Схема принципиальная эл. нагрузки

Это не 100% точная схема, но вполне похожая и неоднократно собранная людьми. Есть и рисунок печатной платы.

Принцип действия

Транзистор — МОП-транзистор с каналом N-типа, с большим током Id и мощностью Pd и меньшим сопротивлением RDSON. От его параметров будут зависеть предельные токи и напряжения работы блока искусственной нагрузки.

Был использован транзистор NTY100N10, его корпус to-264 обеспечивает хорошее тепловыделение, а его максимальная мощность рассеивания 200 Вт (зависит от радиатора, на котором его разместим).

Вентилятор также необходим, для его управления применен термистор RT1 — при температуре 40 oC он отключает питание и опять включает когда температура радиатора превышает 70 oC. При нагрузке 20 А, резистор должен иметь мощность 40 Вт и быть хорошо охлажден.

Для измерения тока использован амперметр на популярной микросхеме ICL7106. Схема не требует настройки, после правильной сборки работает сразу. Нужно только подобрать R02 чтобы минимальный ток составлял 100 мА, также можно выбрать значение R01 чтобы максимальный ток не превышал 20 А.

Время от времени у радиолюбителей возникает необходимость в электронной нагрузке. Что такое электронная нагрузка? Ну, если по простому, это такой прибор, который позволяет нагрузить блок питания (или другой источник) стабильным током, который естественно регулируется. О подобном уже писал уважаемый Kirich, я же решил попробовать в деле устройство «фирменное», запихнув его в какой-нибудь корпус и прицепив к нему приборчик для индикации. Как видим, они отлично сочетаются по заявленным параметрам.

Итак, нагрузка.платка размером 59х55мм, в комплекте пара клемм 6.5мм (весьма тугие, да еще и с защелкой - просто так не снять, нужно нажимать специальный язычок. отличные клеммы), 3-проводной шлейф с разъемом для подключения потенциометра, двухпроводной кабелёк с разъемом для подключения питания, винтик М3 для прикручивания транзистора к радиатору.

Платка красивая, края фрезерованы, пайка ровная, флюс отмыт.

На плате есть два силовых разъема для подключения собственно нагрузки, разъемы для подключения потенциометра (3-контактный), питания (2-контактный), вентилятора (3-контактный) и три контакта для подключения прибора. Тут я хочу обратить ваше внимание, что как правило черный тонкий провод от измерительного прибора использоваться не будет! В частности, в моём случае, с вышеописанным прибором (см. ссылку на обзор) - подключать тонкий черный провод НЕ НУЖНО, потому что питание и нагрузки и прибора идет от одного БП.

Силовой элемент - транзистор (200V, 30A)

Ну а из микросхем на плате присутствуют компаратор LM393, операционник LM258 и регулируемый стабилитрон TL431.

На просторах интернета была найдена :

Скажу честно - всю схему досконально не перепроверял, но беглое схемы с платой сравнение показало что вроде как всё сходится.

Собственно, больше о самой нагрузке рассказывать-то и нечего. Схема довольно простая и не работать вообще говоря не может. Да и интерес в данном случае представляет скорее её работа под нагрузкой в составе готового устройства, в частности - температура радиатора.

Долго думал из чего сделать корпус. была мысль согнуть из нержавейки, склеить из пластика… А потом подумал - так вот же оно, максимально доступное и повторяемое решение - «кнопочный пост» КП-102, на две кнопки. Радиатор нашел в ящике, вентилятор там же, клеммы и выключатель купил в оффлайне, а бананы и сетевой разъем выколупал из чего-то старого на чердаке;)

Забегая вперед скажу, что я лоханулся, и тот трансформатор который я использовал (в комплекте с выпрямительным мостиком, конечно) - не потянул данный девайс по причине высокого потребляемого вентилятором тока. Увы. Буду заказывать , должен как раз вписаться по габаритам. Как вариант - можно использовать и внешний 12В блок питания, коих тоже полно и на бэнге и в арсенале любого радиолюбителя. Питать нагрузку от исследуемого блока питания крайне нежелательно, не говоря уже о диапазоне напряжений.

Кроме того нам понадобится потенциометр на 10кОм для регулировки тока. Я рекомендую ставить многооборотистые потенциометры, например или . И там и там есть нюансы. первый тип - на 10 оборотов, второй на 5. у второго типа вал очень тонкий, около 4мм, кажется, и стандартные ручки не подходят - я натягивал два слоя термоусадки. у первого типа вал потолще, но ИМХО тоже не дотягивает до стандартных размеров, поэтому возможны проблемы - впрочем, их я в руках не держал, так что утверждать на 100% не могу. Ну и диаметр/длина как видим заметно отличаются, так что нужно прикидывать по месту. У меня были в наличии потенцы второго типа, так что я не запаривался по этому поводу, хотя надо бы и первых прикупить для коллекции. Для потенциометра нужна ручка - для эстетики и удобства. Вроде как для потенциометров первого типа должны подойти ручки, во всяком случае они с фиксирующим винтом и будут нормально держаться на гладком валу. Я же использовал то что было в наличии, натянув пару слоёв термоусадки и капнув суперклеем для фиксации термоусадки на валу. Метод проверенный - я его использовать еще для блока питания, пока всё работает, уж пару лет.

Далее были муки компоновки, которые показали что фактически единственно возможным решением является то, что я приведу ниже. К сожалению, данное решение требует подрезания корпуса, ибо из-за ребер жесткости не входит плата, а выключатель и регулятор не входят из-за того что я их старался разместить в центре выемок на корпусе, а они в итоге упёрлись в толстую стенку внутри. знал бы - перевернул бы переднюю панель.

Итак, размечаемся и делаем отверстия под сетевой разъем, транзистор и радиатор на задней стенке:

Теперь передняя панель. Отверстие под прибор это просто (правда, как я писал в предыдущем обзоре, защелки у него дурацкие, и я от греха подальше предпочел вначале защелкнуть в корпус устройства корпус прибора, а потом уже вщелкнуть в него внутренности прибора). Отверстия под выключатель и регулятор - тоже относительно просто, хотя и пришлось на фрезерном станке выбрать пазы на стенках. А вот как расположить гнёзда, чтобы «обойти» отверстие на передней панель - задача. Но я приклеил кусочек черного пластика и просверлил отверстия прямо в нем. Получилось и красиво и аккуратно.

Теперь нюансик. в приборе у нас есть термодатчик. Но зачем измерять температуру в корпусе, если можно прислонить его к радиатору? Это гораздо более полезная информация! А раз уж прибор всё равно разобран - ничто не мешает выпаять термодатчик и удлинить провода.

Для прижима датчика к радиатору я приклеил кусочек пластика к корпусу таким образом, чтобы отпустив винты крепления радиатора можно было подсунуть под пластик термодатчик, а затянув эти винты - надежно его там зафиксировать. Отверстие вокруг транзистора заблаговременно сделал на несколько мм больше.

Ну и упихиваем весь этот «взрыв на макаронной фабрике» в корпус:

Результат:

Проверка температуры радиатора:

Как видим на примерно 55Вт через 20 минут температура радиатора в непосредственной близости от силового транзистора стабилизировалась на 58 градусах.

Вот такая температура самого радиатора снаружи:

Тут, повторюсь, есть нюансики: на момент проверки устройство работало от хилого трансформатора и мало того что под нагрузкой напряжение просаживалось до 9 вольт (то есть при нормальном питании охлаждение будет ЗНАЧИТЕЛЬНО лучше), так еще и из-за некачественного питания ток стабилизировать толком не удавалось, поэтому на разных фото он немного разный.

При питании от кроны и соответственно с выключенным вентилятором имеем вот что:

Провода от БП у меня тонкие, поэтому падение напряжения тут довольно значительное получилось, ну и при желании можно еще уменьшить количество переходных сопротивлений, припаявшись везде где можно и убрав клеммы. меня же такая точность вполне устраивает - впрочем, о точности говорили в прошлом обзоре. ;)

Выводы: вполне рабочая штука, позволяющая сэкономить время на разработку собственного решения. В качестве «серьёзной» и «профессиональной» нагрузки воспринимать её, пожалуй, не стоит, но ИМХО отличная штука для начинающих, ну или когда нужно редко.

Из плюсов могу отметить хорошее качество изготовления, а минус, пожалуй, один - отсутствие потенциометра и радиатора в комплекте, и это нужно обязательно иметь в виду - устройство придется доукомплектовывать, чтобы оно начало работать. Второй минус - отсутствие термоконтроля вентилятора. При том что «ненужная» половинка компаратора как раз есть. Но это нужно было вносить на этапе разработки и изготовления платы, потому как если навешивать терморегулятор «сверху» - то его разумнее на отдельной плате собрать;)

По моей готовой конструйне - тоже есть нюансы, в частности, нужно будет поменять блок питания, ну и вообще говоря было бы неплохо и предохранитель какой-то поставить. Но предохранитель это лишние контакты и лишние сопротивления в цепи, так что тут я пока не уверен совершенно. Можно также переставить на плату шунт из прибора и задействовать его и для прибора и для электроники нагрузки, убрав «лишний» шунт из цепи.

Несомненно, существуют и «более другие» электронные нагрузки, которые стоят сопоставимо. Например . Отличие обозреваемой - в заявленном входном напряжении, до 100В, тогда как в основном нагрузки рассчитаны на работу до 30В. Ну и в данном случае у нас модульная конструкция, что лично меня весьма устраивает. Надоел прибор? Поставили поточнее или покрупнее, или еще чего. Не устраивает мощность? Поменяли транзистор или радиатор и т.д.

Одним словом - я вполне доволен результатом (ну только вот блок питания другой прикрутить - но это я сам дурак, а вы предупреждены), и вполне рекомендую к приобретению.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.