Пара электронных нагрузок в виде отдельных модулей. Регулируемая электронная нагрузка для проверки блока питания

Eugene.A : Мало того - ещё и бессмысленная. Современные электросчётчики не крутятся в обратную сторону.

Зато греться почти нечему.

Eugene.A : Насчёт трансформации - какой-то ректальный способ. Для любителей извращений. На пенсии. Вместо просмотра порно.
...
Надо просто побольше нихрома, константана, манганина и переключатель - для регулировки тока, если есть такая нужда.

А может я извращенец? Правда не напенсии, но и она не за горами... Нет, порно смотреть нельзя, отбивает охоту самому этим заниматься - научно доказанный факт!

А теперь давайте сравним способы, предложенный Вами и мой.

Вы предлагаете по старинке: по-больше нихрома, константана, манганина и переключатель - это довольно громоздко, не технологично и не очень точно. Я уже молчу, если требуется мелкий шаг регулировки тока нагрузки.

Я же предлагаю использовать один кусок нихрома, константана или манганина и вообще без переключателей.
Мало того, не нужны и эти куски. Можно просто взять утюг, электронагреватель, электроплитку... что будет под рукой, и воткнуть её родной вилкой в блок с названием "элкктронная нагрузка". На блоке стоит регулятор тока нагрузки в виде переменного сопротивления, энкодера или кнопок с клавиатурой - по вкусу и возможностям, и дисплей с показаниями текущих значений напряжения, тока и мощности...

В отличие от вашего способа, я смогу регулировать ток нагрузки не дискретно
а пла-а-а-вненько, да ещё и стабилизировать выставленное значение.

И точность будет не впример лучше Вашего способа.
Ток нагрузки равен I=k*kтр*Rн, где:
k - коэффициент заполнения импульсов ШИМ,
kтр - коэффициент трансформации используемого трансформатора,
Rн - сопротивление утюга, электронагревателя или электроплитки.

Достаточно точно замерить сопротивление утюга...
Собственно, а зачем?! Достаточно ввести режим калибровки при работе с прибором - при подключенном утюге, электронагревателе или электроплитке подать (внутри прибора) на его вход калиброванное напряжение и калибровочным подстроечником выставить максимальное значение тока при максимальном коэффициенте заполнения. Можно даже эту операцию автоматизировать, если МК стоит.
Всё.
Регулировка получается линейная, по этому, привязав калибровкой максимальное значение тока нагрузки 20А к коэффициенту заполнения 0.9, при коэффициенте 0,1 получим ток 2.2А.
Для расширения пределов можно поставить переключатель или реле и коммутировать отводы трансформатора преобразователя. Получим несколько согласованных поддиапазонов регулировки тока (сопротивления) нагрузки.

Забыл сказать - трансформатор лучше по причине более лёгкого согласования с калиброванными нагрузками типа утюг, электронагреватель или электроплитка.
Трансформатор подходит от компового БП (силовой). У него и отводов много...

А теперь, Eugene.A , объясните, пожалуйста, мне - извращенцу и почти пенисонеру - почему Ваш способ не ректальный, а мой - ректальный, несмотря на то, что он лучше, технологичнее, универсальнее, точнее и выполняет такую же задачу?

Эта простая схема электронной нагрузки может быть использована для тестирования различных видов блоков питания. Система ведет себя как резистивная нагрузка с возможностью регулирования.

С помощью потенциометра мы можем зафиксировать любую нагрузку от 10мА до 20А, и такое значение будет поддерживаться независимо от падения напряжения. Величина тока непрерывно отображается на встроенном амперметре — поэтому нет необходимости для этой цели использовать сторонний мультиметр.

Схема регулируемой электронной нагрузки

Схема настолько проста, что практически любой желающий может собрать ее, и думаю, она будет незаменима в мастерской каждого радиолюбителя.

Операционный усилитель LM358 делает так, чтобы падение напряжения на R5 было равно значению напряжения заданного с помощью потенциометров R1 и R2. R2 предназначен для грубой подстройки, а R1 для точной.

Резистор R5 и транзистор VT3 (при необходимости и VT4) необходимо подобрать соответствующими максимальной мощности, которой мы хотим нагрузить наш блок питания.

Подбор транзистора

В принципе подойдет любой N-канальный MOSFET транзистор. От его характеристики будет зависеть рабочее напряжение нашей электронной нагрузки. Параметры, которые должны заинтересовать нас — большой I k (ток коллектора) и P tot (рассеиваемая мощность). Ток коллектора — это максимальный ток, который может пустить через себя транзистор, а рассеиваемая мощность — это мощность, которую транзистор может отвести в виде тепла.

В нашем случае транзистор IRF3205 теоретически выдерживает ток до 110А, однако его максимальная мощность рассеивания около 200 Вт. Как нетрудно подсчитать, максимальный ток 20А мы можем задать при напряжении до 10В.

Для того чтобы улучшить эти параметры, в данном случае используем два транзистора, что позволит рассеивать 400 Вт. Плюс ко всему нам будет нужен мощный радиатор с принудительным охлаждением, если мы действительно собираемся выжать максимум.

Недавно потребовалось протестировать различные очень мощные аккумуляторные батареи напряжением от 24 до 55 В. Так как для столь больших токов резисторы подобрать нереально — пришлось построить что-то полностью электронное. В качестве базы послужила конструкция искусственной нагрузки, . Поскольку мощность её была слишком мала, она несколько усилилась.

Схема электрическая принципиальная ЭН

В качестве силового элемента используется 8 резисторов по 0,68 Ом, подключенных к силовому транзистору IGBT. Почему именно IGBT? Во время испытаний вылетело несколько обычных МОП-транзисторов, а IGBT оказались заметно более устойчивы. Резисторы установлены на радиаторах по 4 шт. В зависимости от потребностей включены последовательно для более высоких напряжений нагрузки или параллельно — для более слабых. Радиаторы прикручены на расстоянии 1 см от дна корпуса, под радиаторами просверлены отверстия, расход охлаждающего воздуха значительный.

Силовой транзистор установлен на радиаторе от процессора ПК, охлаждается двумя вентиляторами.

В качестве измерительного элемента и эталона для операционного усилителя, используется резистор 0,01 Ом, а в качестве измерителей счетчики на микросхемах ICL7107 — точность тока 0,1 А, напряжения — 0,1 В.

Электрическое питание для счетчиков и вентиляторов — снято с какого-то импульсного устройства с параметрами + 5 В на 5 А (индикаторы), +/- 12 В на 2 А (вентиляторы и ОУ). В наличии был классный металлический корпус от какого-то старого прибора, его и решено было использовать. Передняя панель сделана из куска 3-мм ПВХ пластины. В задней части вырезаны отверстия для вентиляторов.

Испытание работы нагрузки

Схема проверена при напряжениях 28 В на 20 А — мощность рассеивается на резисторах и транзисторах IGBT 560 Вт — с охлаждением и под нагрузкой в течение одного часа — температура 40 градусов.
Еще один тест искусственной нагрузки проводился с батареей 55 В на 11 А/ч — здесь нагрузка составила 15 — 20 А, значит мощность достигла 1 кВт — радиаторы стали горячие, особенно те, на которых установлены силовые резисторы. Резисторы нагрелись до около 110 градусов, транзистор IGBT до температуры 90 градусов, в принципе приемлемо.
Естественно можно легко протестировать автомобильные аккумуляторы с режимом 12 В на 20 А — при этом была температура 80 градусов, что нормально.

Пути усовершенствования прибора

В перспективе дальнейшее улучшение этой самодельной электронной нагрузки за счет добавления измерителя мощности и контроллера режимов на Arduino (с Aliexpress).

Строительство прибора обошлось в основном расходами на силовые резисторы — остальное валялось от разборки всяких вещей.
Также добавится несколько гнезд, чтобы иметь несколько диапазонов напряжения для тестирования без переключения мощных резисторов.

Для чего нужно такое устройство, как электронная нагрузка, наверное все в курсе - она позволяет создать имитацию очень мощного резистора на выходе блоков питания, зарядок, усилителей, ИБП и других схем при их настройке. Данная электронная нагрузка может выдержать более 100 Ампер тока, рассеивая более 500 Вт непрерывно и выдерживая 1 кВт мощности в импульсном режиме.

Схема в принципе несложная и тут используются два полевых транзистора с регулирующими ОУ. Каждый из двух каналов одинаков и включены они параллельно. Управляющие напряжения связаны между собой и нагрузка делится поровну между двумя мощными полевыми транзисторами. Здесь использованы для шунта 2 резистора на 50 А, формируя напряжение обратной связи 75 мВ. Очевидным преимуществом в выборе такого малого значения сопротивления (каждый шунт сопротивлением всего 1,5 миллиом) в том, что падение напряжения практически ничтожно. Даже при работе с нагрузкой 100 А, падение напряжения на каждом шунтирующем резисторе будет менее 0,1 В.

Недостатком использования такой схемы в том, что требуется ставить ОУ с очень низким входным смещением, так как даже небольшое изменение смещения может привести к большой погрешности в контролируемом токе. Например, при лабораторных испытаниях, всего 100 мкВ напряжения смещения приведет к изменению тока нагрузки на 0,1 А. Кроме того, трудно создать такие стабильные управляющие напряжения без использования ЦАП и прецизионных ОУ. Если вы планируете использовать микроконтроллер для управления нагрузкой, нужно будет либо использовать прецизионные ОУ для усиления напряжения с шунта, совместимые с ЦАП на выходе (например, 0-5 В) или использовать прецизионный делитель напряжения для создания управляющего сигнала.

Вся схема была собрана на куске текстолита методом упрощённого монтажа и размещена на верхней части большого алюминиевого блока. Поверхность металла отполирована для того, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность между транзисторами и радиатором. Все соединения с большим током - не менее 5 проводов толстого многожильного провода, тогда они смогут выдерживать не менее 100 А без существенного нагрева или падения напряжения.

Выше приведено фото макетки, на которой впаяны два операционных усилителя повышенной точности LT1636. А модуль DC-DC преобразователя используется для преобразования входного напряжения на стабильных 12 В для контроллера вентилятора системы охлаждения. Вот они - 3 вентилятора на боковой стороне радиатора.

Обычно при изготовлении (как впрочем и при ремонте) блоков питания или преобразователей напряжения требуется проверить их работоспособность под нагрузкой. И тут начинаются поиски. В ход идёт всё, что есть под рукой: различные лампы накаливания, старые электронные лампы, мощные резисторы и тому подобное. Подбирать нужную нагрузку таким образом — это невероятно затратное (как по времени, так и по нервам) занятие. Вместо этого очень удобно пользоваться электронной регулируемой нагрузкой. Нет, нет, не надо ничего покупать. Сделать такую нагрузку сможет даже школьник. Всё, что нужно, — это мощный полевик, операционный усилитель, несколько резисторов и радиатор побольше. Схема — более чем простая и, тем не менее, отлично работает.

Идея заключается в том, чтобы с помощью операционника стабилизировать падение напряжения на специальном токоизмерительном резисторе. Делается это следующим образом: на неинвертирующий вход операционника подаётся некое опорное напряжение, а на инвертирующий вход — падение напряжения на токоизмерительном резисторе. Операционник обладает таким свойством, что в установившемся режиме, разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах равна нулю (если конечно он не находится в режиме насыщения, но нам для того и мозг с калькулятором, чтобы всё посчитать и подобрать). Выход операционного усилителя подается на затвор MOSFET и, таким образом, управляет степенью открытия полевого транзистора, и, следовательно, током через него. А чем больше ток через полевик, тем больше падение напряжения на токоизмерительном резисторе. Получается отрицательная обратная связь.

То есть, если в результате нагрева характеристики полевика изменятся так, что ток через него увеличится, то это вызовет увеличение падения напряжения на токоизмерительном резисторе, появится отрицательная разность напряжений (ошибка) на входах ОУ и выходное напряжение операционника начнёт уменьшаться (при этом начнёт уменьшаться степень открытия полевика и ток через него), до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю. Если же ток через полевик по каким-либо причинам уменьшится, то это вызовет уменьшение падения напряжения на токоизмерительном резисторе, появится положительная разность напряжений (ошибка) на входах ОУ и выходное напряжение операционника начнёт увеличиваться (при этом начнёт увеличиваться степень открытия полевика и ток через него), до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю. Короче, такая схема стабилизирует падение напряжения на токоизмерительном резисторе — оно после всех переходных процессов устанавливается равным опорному напряжению (которое подаётся на неинвертирующий вход).

Изменяя в этой схеме опорное напряжение, можно произвольным образом регулировать ток через полевик, причём заданный ток получается стабильным, поскольку зависит только от величины опорного напряжения и сопротивления токоизмерительного резистора, и не зависит от параметров MOSFET, которые могут очень сильно меняться в результате нагрева. Опорное напряжение можно задавать простым делителем, а регулировать — подстроечными резисторами.

Элементы схемы :

Операционный усилитель — любой, допускающий однополярное питание, я использовал OP220.

T1 — мощный MOSFET, любой, лишь бы мощность побольше мог рассеять, я брал CEP603AL из старого компьютерного блока питания. (тут понятное дело есть ограничение по напряжению открытия полевика и току через него, но об этом ниже)

R ti — токоизмерительный резистор на десятые доли Ом, таких полно везде: в принтерах, в мониторах и т.д., я брал из принтера 0,22 Ом, 3 Вт

R nd = 10 кОм — резистор, определяющий диапазон задания тока

R kd = 10 кОм — резистор, определяющий начальный диапазон задания тока

R gn = 2 кОм — резистор, с помощью которого выставляется ток в пределах заданного диапазона

R tn = 330 Ом — резистор, необходимый для точной подстройки заданного тока

Отличные подстроечники, с удобными ручками, можно снять с плат старых компьютерных мониторов.

Готовое изделие :

Итак, теперь посмотрим, как это всё рассчитывается :

U 1 =U п *(R gn +R tn)/(R nd +R kd +R tn +R gn), где U п — напряжение питания, U 1 — напряжение на неинвертирующем входе ОУ

U 2 =I н *R ti , где I н — ток нагрузки, U 2 — падение напряжения на токоизмерительном резисторе (и, соответственно, напряжение на инвертирующем входе ОУ)

Из условия равенства напряжений на входах ОУ, имеем:

U п *(R gn +R tn)/(R dn +R kd +R tn +R gn)=I н *R ti , отсюда находим:

Iн=Uп*(R gn +R tn) / ((R dn +R kd +R tn +R gn)*R ti)

Подставив в это выражение номиналы наших резисторов, определим диапазоны настройки тока:

при Rnd=10 кОм, получаем Iн = Uп*2,33/((2,33+10+10)*0,22)=Uп*0,47

при Rnd=0, получаем: Iн = Uп*2,33/((2,33+10)*0,22)=Uп*0,86

То есть, изменяя сопротивление резистора Rnd от 10 кОм до нуля, мы изменяем верхнюю границу диапазона настройки тока от 0,47*Uп до 0,86*Uп. Это означает, что, например, для питания +10В мы сможем настраивать ток в диапазоне от 0 до 4,7 А или от 0 до 8,6 А, в зависимости от сопротивления резистора R nd , а для питания +5В от 0 до 2,35 А или от 0 до 4,3 А. В заданном диапазоне ток настраивается подстроечниками Rgn (грубо) и Rtn (точно).

Есть три ограничения. Первое ограничение связано с токоизмерительным резистором. Поскольку этот резистор рассчитан на максимальную рассеиваемую мощность P R , то максимальный ток через него не должен превышать значения, определяемого выражением: I 2 макс =P R /R ti . Для указанных номиналов: I 2 макс =(3/0,22), I макс =3,7 А. Увеличить это значение можно выбрав резистор с меньшим сопротивлением (тогда диапазоны тоже придётся пересчитать), применив радиатор или соединив параллельно несколько таких резисторов.

Вторые два ограничения связаны с транзистором. Во-первых, на транзисторе выделяется основная рассеиваемая мощность (поэтому для лучшего теплоотвода следует прикрутить к нему радиатор размером побольше). Во-вторых, транзистор начинает открываться, когда напряжение между затвором и истоком (Vgs превысит некоторое пороговое значение, threshold voltage), так что девайс не будет работать, если напряжение питания меньше этого порогового значения. Эта же величина будет влиять и на максимальный возможный ток при заданном напряжении питания.