Схема электронной нагрузки с плавной регулировкой тока. Электронная нагрузка с регулировкой тока

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.

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.

Регулируемая по мощности нагрузка является частью испытательного оборудования, необходимого при налаживании различных электронных проектов. Например, при построении лабораторного источника питания, оно может "симулировать" подключенный потребитель тока, чтобы увидеть, насколько хорошо ваша схема работает не только на холостом ходу, но и на нагрузку. Добавление силовых резисторов для выхода можно делать только в крайнем случае, но не у каждого они есть да и долго их не продержать - сильно греются. В этой статье будет показано, как можно построить блок регулируемой электронной нагрузки с помощью недорогих компонентов, доступных для радиолюбителей.

Схема электронной нагрузки на транзисторах

В этой конструкции максимальный ток должен быть примерно 7 ампер и он ограничен 5W резистором, который был использован, и относительно слабым полевым транзистором. Ещё большие нагрузочные токи могут быть достигнуты с помощью резистора на 10 или 20 Вт. Входное напряжение, не должно превышать 60 вольт (максимум на эти полевые транзисторы). Основой служит ОУ LM324 и 4 полевых транзистора.

Два "запасных" операционных усилителя микросхемы LM324 используются для защиты и управления вентилятором охлаждения. U2C образует простой компаратор между напряжением, установленным термистором и делителем напряжения R5, R6. Гистерезис контролируется положительной обратной связью, полученной R4. Термистор помещается в непосредственный контакт с транзисторами на радиаторах и его сопротивление уменьшается с ростом температуры. Когда температура превышает установленный порог, выход U2C будет высокий. Вы можете заменить R5 и R6 с регулируемым переменником и вручную подбирать порог срабатывания. При настройке убедитесь, что защита срабатывает, когда температура транзисторов MOSFET чуть ниже предельно-допустимой, указанной в даташите. Светодиод D2 сигнализирует, когда активируется функция защиты от перегрузки - он установлен на передней панели.

В элементе U2B операционного усилителя также есть гистерезис компаратора напряжений и используется он для управления вентилятором 12 В (можно использовать от старых PC). Диод 1N4001 защищает MOSFET BS170 от индуктивный бросков напряжения. Нижний температурный порог для активации вентилятора, контролируется резистором RV2.

Сборка устройства

Была использована для корпуса старая алюминиевая коробка от коммутатора с большим количеством внутреннего пространства для компонентов. В электронной нагрузке использовал старые AC/DC адаптеры для питания 12 В для главной цепи и 9 В для приборной панели - она имеет цифровой амперметр, чтоб сразу видеть ток потребления. Мощность вы уже рассчитаете и сами по известной формуле.

Вот фотография тестовой установки. Лабораторный блок питания настроен на 5 В. Нагрузку показывает 0.49A. Так же подключен мультиметр на нагрузке, так что ток нагрузки и напряжение контролируются одновременно. Вы сами можете убедится в чёткой работе всего модуля.

Для проверки и налаживания блоков питания, особенно мощных, требуется низкоомная регулируемая нагрузка с допустимой рассеиваемой мощностью до 100 Вт и даже более.

Применение для этой цели переменных резисторов не всегда возможно, в основном из-за ограниченной мощности рассеяния. на ток несколько десятков ампер можно изготовить на основе стабилизатора тока на мощном полевом переключательном транзисторе . Но эти эквиваленты не всегда удобны для применения, поскольку для них требуется отдельный источник питания.

Его схема показана на рис. 1 (нажмите для увеличения). На ОУ DA1.2 и полевом транзисторе VT2 собран стабилизатор тока. Ток через полевой транзистор (I VT2) зависит от сопротивления датчика тока R I (резисторов R11-R18) и напряжения на движке переменного резистора R8 (U R8), которым регулируют ток: I VT2 = U R8 /R I . Конденсатор С4 подавляет высокочастотные помехи, а С5 и С6 в цепи обратной связи ОУ DA1.2 и полевого транзистора соответственно повышают устойчивость работы стабилизатора.

Питается ОУ от повышающего стабилизированного преобразователя напряжения с выходным напряжением 5 В, собранного на микросхеме DA2. Это же напряжение через резистор R7 поступает на регулятор тока. Благодаря преобразователю напряжения устройство можно питать от испытываемого источника питания. При этом минимальное входное напряжение - 0,8…1 В, что позволяет применять предлагаемый эквивалент для проверки и измерения параметров Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов типоразмера АА или ААА.

На ОУ DA1.1 и транзисторе VT1 собран ограничитель напряжения питания преобразователя. При входном напряжении менее 3,8 В на выходе ОУ DA1.1 присутствует напряжение около 4 В, транзистор VT1 открыт полностью и питающее напряжение поступает на преобразователь. Когда входное напряжение превышает 3,8 В, напряжение на выходе ОУ DA1.1 снижается, поэтому рост напряжения на эмиттере транзистора VT1 прекращается и оно остаётся стабильным. Ограничитель напряжения необходим, поскольку предельное значение питающего напряжения микросхемы преобразователя (DA2) 6 В.

Конструкция и детали эквивалента нагрузки

Применены постоянные резисторы для датчика тока серии RC (типоразмер 2512, максимальная рассеиваемая мощность 1 Вт), остальные - РН1-12 типоразмера 1206 или 0805, переменный - СП4-1, СПО. Все конденсаторы для поверхностного монтажа, оксидные - танталовые типоразмера В или С, остальные - керамические, причём конденсатор С6 монтируют непосредственно на выводах транзистора. Разъём Х1 - винтовой клеммник, рассчитанный на требуемый ток. Транзистор ВС846 можно заменить транзистором серии КТ3130, a IRL2910 - транзистором 1RL3705N, IRL1404Z или другим мощным полевым переключательным с пороговым напряжением не более 2,5 В. Дроссель - для поверхностного монтажа SDR0703 или с проволочными выводами ЕС24.

Все элементы, кроме переменного резистора, полевого транзистора, разъёма, вентилятора и конденсатора С6, монтируют на односторонней печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1… 1,5 мм, её чертёж показан на рис. 2. Применён теплоотвод с вентилятором на напряжение 12 В от процессора персонального компьютера. Транзистор и разъём крепят к теплоотводу винтами, а плату приклеивают. Применение теплопроводящей пасты для транзистора обязательно. Электродвигатель вентилятора начинает вращение при входном напряжении 3…4 В и при 8…10 В уже достаточно эффективно обдувает теплоотвод. Для данного варианта конструкции применён датчик тока с суммарным сопротивлением 0,05 Ом и рассеиваемой мощностью 8 Вт, поэтому максимальный ток эквивалента - 12…13 А, а максимальная рассеиваемая мощность не превышает 100 Вт. Применив более мощные резисторы в качестве датчика тока и более эффективный теплоотвод, можно соответственно увеличить и ток, и рассеиваемую мощность. Максимальное входное напряжение в данном случае зависит от допустимого напряжения питания вентилятора.

Устройство размещают в корпусе подходящего размера (подойдёт корпус от блока питания персонального компьютера), на передней панели устанавливают входные гнёзда, соединённые с разъёмом Х1, и переменный резистор, который можно снабдить проградуированной шкалой. Теплоотвод следует изолировать от металлического корпуса, поскольку он имеет гальваническую связь со стоком полевого транзистора.

Максимальное значение тока устанавливают подборкой резистора R7, при этом движок переменного резистора R8 должен быть в верхнем по схеме положении. Поскольку электродвигатель вентилятора подключён непосредственно к входному разъёму, ток, потребляемый им, складывается с током стабилизатора, поэтому при изменении входного напряжения суммарный ток также изменяется. Чтобы этот ток был стабильным, нижний по схеме вывод электродвигателя подключают не к минусовой линии питания, а к истоку полевого транзистора, как показано на рис.1 штриховой линией.

Можно использовать для проверки источников питания переменного тока частотой 50 Гц, например, понижающих трансформаторов. В этом случае устройство подключают (с соблюдением полярности) к выходу выпрямительного моста, в котором желательно применить диоды Шотки. Между плюсовым выводом конденсатора С1 и точкой соединения резистора R3 и коллектора транзистора VT1 устанавливают диод того же типа, что и VD1, а ёмкость конденсатора С2 следует увеличить до 100 мкФ. В диодном мосте диоды должны быть рассчитаны на ток эквивалента. Следует учесть, что в этом случае минимальное и максимально допустимое напряжение возрастёт на величину падения напряжения на диодах моста и дополнительном диоде.

ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев И. Эквивалент нагрузки. - Радио, 2007, № 3, с. 34.
2. Нечаев И. Универсальный эквивалент нагрузки. - Радио, 2005, № 1, с. 35.
3. Нечаев И. Универсальный эквивалент нагрузки. - Радио, 2002, № 2, с. 40, 41.