Активная, импульсная электронная нагрузка. Конструкция и функциональная схема.

Активная, импульсная электронная нагрузка.
Конструкция и функциональная схема.

      Электронная импульсная нагрузка своими руками. В этой статье хочу более подробно рассказать об импульсной электронной нагрузке упомянутой мной в статье «Импульсная электронная нагрузка».
     Расскажу о её архитектуре и принципе работы отдельных узлов. Статья сопровождается фотографиями некоторых элементов монтажа.

     ***

     Продолжу разговор, начатый в статье «Импульсная электронная нагрузка» (ссылка на неё в конце этой статьи). Здесь хочу рассказать, как своими руками можно сделать универсальную импульсную нагрузку.
     Там я рассказал о разных принципах построения электронных нагрузок. Среди них есть как порочные, но тем не менее привлекающие внимание очень многих самоделкиных. Так и имеющие право на существование.
      В конце статьи я привёл пример упрощённой блок-схемы действительно серьёзной импульсной нагрузки, которую я сделал своими руками. Она обладает широким диапазоном управления током и позволяет отлаживать блоки питания мощностью от 0.2Вт до 150Вт без применения каких-либо дополнительных компонентов. На самом деле 150Вт не предел, верхний порог мощности зависит только от типа применённых в схеме ключей и нагрузочных резисторов.
     Мною было собрано шесть таких нагрузок с хорошей повторяемостью. Для них было заказано шесть комплектов печатных плат и при изготовлении нагрузок никаких изменений в печать вносить не пришлось, всё заработало сразу.

     Настоятельную необходимость создания таких нагрузок я ощутил, когда работал в одной из компаний производящей импульсные блоки питания. Причём это именно — блоки, каждый из них содержит в себе несколько источников питания, источники входящие в один блок при этом очень сильно отличаются как мощностью, так и выходным напряжением.
     Для их наладки использовались стенды, напичканные проволочными переменными резисторами серии ППБ мощностью 15-50Вт. Представляли эти стенды собой железные ящики шириной 0,3-1 метр и высотой 30-80 сантиметров. Ну и вес имели соответствующий. Так как универсальность таких стендов исключительно мала, то чуть-ли не для каждого производимого блока существовал свой стенд. Да ещё и его размещение на рабочем месте зачастую вызывало немалые затруднения.
     В общем всё это и заставило меня заняться разработкой компактной и универсальной нагрузки. Естественно, никаких вариантов кроме как импульсная нагрузка я даже не рассматривал.

     В чём отличие импульсной нагрузки от нагрузки, работающей в аналоговом, линейном режиме.
     Хочу сразу обратить внимание на то, что здесь речь идёт об источниках питания на большие токи, ну по меркам электроники конечно.
     Вот схема простейшей аналоговой нагрузки на переменных сопротивлениях.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_01.jpg
Рис. 1

     Недостатки:
     — Невозможно ток в нагрузке плавно вывести на ноль.
     — Ток в нагрузке изменяется от некоторого минимального значения до бесконечности, спасает только то, что испытуемый источник этой самой бесконечности не выдаст. В общем в нижнем положении ползунка — будет короткое замыкание (далее — КЗ).
     — Эти резисторы не поставишь на радиатор. Охлаждение происходит только за счёт теплоотдачи от их корпуса в воздух. Это приводит к тому, что резисторы нельзя ставить вплотную, а следовательно, нужен достаточно большой и просторный корпус, в котором должен быть обеспечен свободный проток воздуха.
     — Все выключатели, имеющиеся на схеме, должны иметь двойной запас по току, так как ими приходится довольно активно пользоваться.
     — Если вам приходится заниматься наладкой разных источников питания, с разными выходными напряжениями и на разную мощность, то вам придётся иметь несколько таких нагрузок.
     — Очень важный недостаток, о котором многие забывают — зависимость допустимой мощности от положения ползунка. На резистор 50Вт можно подать мощность 50Вт только при верхнем положении ползунка. В среднем положении можно подать только 25Вт. Ну и так далее.

     Достоинства:
     — Не требует питания.
     — Прост в изготовлении.
     — И ещё одно неоспоримое достоинство — не создаёт абсолютно никаких помех.

     Кого-то может быть смутил выключатель КЗ. Но это необходимый элемент стенда, и он создаёт наибольшие проблемы так как через некоторое время начинает постоянно залипать.
     Параллельно выключателю КЗ установлена искрогасящая цепь, по большому счёту она необходима возле каждого выключателя.

     Второй вариант аналоговой нагрузки обладает лучшими потребительскими качествами

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_02.jpg
Рис. 2

     Здесь сами транзисторы VT1 и VT2 выполняют роль регулируемых нагрузочных резисторов. Резисторы в цепи стока ограничивают максимальный ток. Эти транзисторы вместе со своими резисторами в цепи стока образуют одну ячейку. Для увеличения мощности две ячейки включены параллельно. На самом деле параллельно этих ячеек можно включать сколько угодно, в пределах разумного, конечно.
     Так как эти транзисторы сами выполняют роль нагрузочных резисторов, то на них выделяется тепло и их вместе с верхними резисторами (R ÷ 0,25R) необходимо крепить на радиатор.
     VT3 и VT4 подключают дополнительные нагрузки для расширения диапазона токов. Эти транзисторы выполняют роль ключей и в радиаторах не нуждаются. Хотя, конечно, это зависит от величины коммутируемого тока. Об этом расскажу позже.
     VT5 имитирует КЗ на выходе источника. В радиаторе не нуждается.

     Достоинства:
     — Правильная регулировка тока — от нуля и до некоторого максимума.
     — Все элементы, выделяющие тепло можно установить на один радиатор, что позволит сделать нагрузку значительно компактней.
     — Мощность не зависит от угла поворота потенциометра.
     — Все выключатели и потенциометр малогабаритные и слаботочные и прослужат долго.
     — Не создаёт помех.

     Недостатки:
     — Требуется источник питания, хотя им может послужить и батарейка 12В. При номиналах резисторов 500кОм она прослужит достаточно долго.
     — Нелинейная регулировка, нелинейная зависимость изменения тока от угла поворота.
     — В связи с нагревом транзистора будут уплывать его параметры, следовательно потребуется подстройка в процессе работы.
     — Нерационально использованы транзисторы.

     Ну действительно. Транзистор IRFI4227 может пропустить через себя ток 46А. Его рабочее напряжение до 200В. Если использовать транзистор как ключ, то есть в импульсном режиме, то им можно управлять нагрузкой до 9,2кВт. А в этой схеме даже при условии применения хорошего радиатора всё что можно получить это: 46Вт при температуре 25ºС и 18Вт при температуре 100ºС. А транзистор ведь во время работы греется даже на радиаторе.

     Существуют более сложные схемы с применением транзисторов MOSFET и в них можно получить линейную регулировку. Но в них также транзистор будет выполнять функцию нагрузочного резистора. Такие схемы хороши для наладки источников мощностью до 20Вт. Но мне нужно было не менее 150Вт.

     Поэтому выбор пал на импульсный режим работы нагрузки. Есть только одна проблема. Проблемой этой является то, что при своей работе такая нагрузка создаёт большой уровень электромагнитных помех.
     Как я уже писал в предыдущей статье требования к тем блокам, которые нам приходилось отлаживать, а затем сдавать под протокол заказчику были довольно высокими. Одно из этих требований уровень пульсаций на выходе, он не должен был превышать 3мВ.
     Однажды наша компания приобрела фирменную электронную нагрузку и не смогла её использовать именно из-за уровня создаваемых ею помех. На их фоне невозможно было измерить пульсации, создаваемые испытуемым блоком питания.

     Когда я взялся за создание своей импульсной нагрузки мне говорили, что ничего не выйдет, что её невозможно будет использовать в нашей работе.
     Но во мне с детства сидит дух противоречия, который толкает меня на то, чтобы сделать то, что сделать нельзя.
     От того времени, когда я решил взяться за это дело и до того момента, когда было сделано действующее изделие прошло больше двух лет. Причина была в том, что я никак не мог окончательно решить какова должна быть архитектура нагрузки. Нарисовать схемы проблем не было, но для того, чтобы создать стройную архитектуру из этих схем, пришлось поломать голову.

     Основой импульсной нагрузки являются транзистор MOSFET и нагрузочный резистор Rн, включенные последовательно, Рис. 3.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_03.jpg
Рис. 3

     На затвор подаются импульсы амплитудой не менее 11В, особое требование предъявляется к крутизне фронтов. Коэффициент заполнения изменяется от 0 до 100% благодаря регулируемому ШИМ модулятору. Так как транзистор работает в качестве ключа он имеет только два состояния: открыто и закрыто, его сопротивление при этом либо равно нулю, либо бесконечности. Следовательно мощность на транзисторе вообще не должна выделяться.
     На самом деле это конечно не так. В открытом состоянии сопротивление канала транзистора IRFI4227 равно 0,027Ом, мощность при токе 10А, выделяемая на транзисторе, будет равна 2,7Вт. То есть небольшой теплоотвод всё-таки нужен. При этом если вы настраиваете источник с выходным напряжением 20В отбираемая от него мощность будет равна 200Вт.
     Согласитесь, 2,7Вт на транзисторе при отбираемой мощности 200Вт это совсем немного. Практически вся отбираемая мощность будет выделяться на сопротивлении нагрузки, в качестве этого сопротивления могут послужить два резистора MP9100, две штуки 1Ом последовательно. Вот для них потребуется хороший теплоотвод. Но резисторы мало чувствительны к изменению температуры корпуса и допускают нагрев до 150ºС.

     Достоинства:
     — Малая мощность, выделяемая на транзисторе.
     — Абсолютно линейная регулировка тока.
     — Габариты зависят только от необходимого размера радиатора.
     — Все элементы управления слаботочные.

     Недостатки:
     — Отсутствие универсальности.
     — Нельзя поднять частоту пульсаций выше 80кГц, это обусловлено характеристиками транзистора.
     — Узкий динамический диапазон. Когда приходится производить наладку и ремонт разных источников с максимальными выходными токами от 0,1А до 25А и напряжениями от 2В до 60В это никуда не годится.

     Частота пульсаций сказывается на качестве фильтрации. Причём зависимость не линейна. Удвоение частоты позволяет раз в десять уменьшить уровень помех. Ну и фильтр будет попроще.

     Поэтому я решил сделать ячейку импульсной (динамической) нагрузки, состоящую из двух параллельно включенных транзисторов каждый со своим нагрузочным резистором, Рис. 4.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_04.jpg
Рис. 4

     Транзисторы открываются по очереди со сдвигом на 180º. Благодаря этому частота на входе нагрузки возросла до 160кГц. Такое включение дало ещё один плюс, амплитуда импульсов тока в нагрузке не превышает половины максимального значения Iн, Рис. 5.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_05.jpg
Рис. 5

     Когда коэффициент заполнения (Кз) меньше 50% импульсы тока в нагрузочных резисторах не перекрывают друг друга. Амплитуда импульсов тока Iн равна половине максимально возможного значения.
     Когда Кз больше 50% импульсы тока в нагрузочных резисторах перекрывают друг друга, резисторы включаются параллельно, в эти моменты ток Iн достигает максимального значения, но и не падает ниже 0,5Iн max. Это также позволило снизить уровень помех.

      Те, кто желают собрать своими руками импульсную электронную нагрузку, пытаются приспособить для её построения микросхемы, предназначенные для создания импульсных источников питания, например TL494, UC2825, К1156Ех и т.д. второго режима никогда достигнуть не смогут. Это обусловлено внутренним строением микросхем. Там такой режим запрещён.

     Итак, принцип построения силовой части определён.
     Теперь нужно было решить вопрос с динамическим диапазоном. Так как испытуемые источники отличаются большим разнообразием по току и напряжению одной такой ячейкой не обойтись.
     Не буду описывать те муки творчества, которые мне пришлось испытать. Скажу только, что в итоге нагрузка представляет собой гибрид из 13 постоянных нагрузок и 3 динамических с разными Rн. Постоянные нагрузки можно подключать в любом сочетании, для этого на лицевой панели установлено 13 малогабаритных, слаботочных тумблеров (назову их разрядами). Нагрузочные сопротивления в разрядах от 0,2 Ом до 2,0 кОм, каждое составлено из нескольких MP930.
     Постоянные нагрузки позволяют создать более 8000 сочетаний, суммарная мощность резисторов в каждом разряде от 30 до 120 Вт.
     Таким образом можно включить одну из динамических нагрузок, а параллельно ей подключать необходимое количество постоянных.
     Такое построение нагрузки позволяет устанавливать ток с точностью до 0,1% от Imax. Imax — это ток срабатывания защиты по току в проверяемом источнике. Может кому-то это покажется излишним, но в моей работе очень даже требовалась плавная и точная подстройка тока.
     Функциональная схема ключей и нагрузок показана на Рис. 6.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_06.jpg
Рис. 6

     Схема управления затворами ключей постоянной нагрузки выглядит так, Рис. 7:

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_07.jpg
Рис. 7

     Нагрузочные резисторы размещены на ребристом радиаторе размером 214х130х50.
     Ключи постоянных и динамических нагрузок на алюминиевой пластине 214х50х4.
     Фото радиаторов показано на Рис. 8. Плата управления ключами постоянных нагрузок на Рис. 9.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_08.jpg
Рис. 8

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_09.jpg
Рис. 9

     Проводники связывающие ключи с нагрузками должны иметь минимальную длину, поэтому в жгуты не связываются.

     Для управления динамическими нагрузками необходим двухканальный ШИМ, на вход которого подведены:

     — сигнал от двухканального генератора треугольного напряжения,
     — управляющее напряжение от потенциометра, расположенного на лицевой панели,
     — сигнал выбора ячейки динамической нагрузки от переключателя.
     Описание генератора треугольного напряжения я привёл в статье «Двухканальный прецизионный генератор треугольного напряжения» (ссылка в конце статьи).

     Функциональная схема управления динамическими нагрузками показана на Рис. 10, она же является и ШИМ модулятором.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_10.jpg
Рис. 10

     ГТН — генератор треугольного напряжения.
     На фото Рис. 11 видно, как расположены плата генератора и плата управления.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_11.jpg
Рис. 11

     Ближняя — плата ГТН, вторая — плата ШИМ и управление, третья — плата фильтра.
     Общая блок схема показана на Рис. 12.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_12.jpg
Рис. 12

     А1 — Ключи и нагрузки.
     А2, А3 — Платы индикации и делителей.
     А4 — Генератор треугольного напряжения
     А5 — Схема управления.
     А6 — Фильтр.

     Для измерения тока, потребляемого от испытуемого источника, используется шунт, Rш = 0,01 Ом. Здесь применены 5 параллельно включенных резисторов МР930 0,05 Ом.
     Когда я собирал первую нагрузку у меня не было этих резисторов. Вместо них я сделал пять проволочных сопротивлений из нихрома диаметром 0,8 мм, получилась длина около 7 см. к концам приварил многожильные проводники, вынутые из МГТФ 1,0. При наличии хороших цифровых вольтметра и амперметра несложно сделать такие сопротивления с точностью 1%.

     Цифровой вольтметр Instek GDM-8245 имеет следующие характеристики, Рис. 13:

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_13.jpg
Рис. 13

     На нижнем пределе 0,5В разрешение — 10мкВ. Что позволяет на шунте 0,01 Ом иметь разрешение по току 1 мА.

     Обычный «карманный» мультиметр, с четырьмя разрядами даст разрешение не хуже 10 мА, чего обычно при настройке источников питания «за глаза и за уши».

     Фильтр распределённый. Кроме платы фильтра имеются дополнительные элементы фильтрации. Сердечники дросселей сделаны из ферритовых колец МН2000, либо материал №87. Два типоразмера R22,1х13,7х12,5 и R29,5х19,0х14,9.
     Все конденсаторы керамические 1,0х200В.

     Нагрузка не имеет встроенного источника питания. Для питания можно использовать любой источник от 20 до 30 В с выходным током >0,1А. Можно использовать и не стабилизированный так как на входе стоит 15 вольтовый стабилизатор.
     Схема не является полной. Её назначение отразить архитектуру нагрузки.

     На схеме видны два выхода «Изм. тока», один расположен на лицевой панели, другой на левой стенке. Дело в том, что мною были сделаны две модификации нагрузок. Одна модификация — Дочерняя нагрузка, вторая — Материнская нагрузка. Это позволило включать в параллельную работу 4 нагрузки, одну материнскую и три дочерних. При этом они полностью гальванически развязаны. Это позволяет производить отладку блоков питания, имеющих в своём составе до 4-х разных источников и двухполярных источников связанных общим проводом.
     В материнской нагрузке присутствует маломощный не стабилизированный 4-х канальный источник питания он питается от тех же 20-30В. Один канал питает саму материнскую нагрузку и три предназначены для питания трёх дочерних.
     В материнскую нагрузку собираются и сигналы с датчиков токов от дочерних нагрузок. Там стоит переключатель, который позволяет на один вольтметр выводить сигналы от всех четырёх нагрузок.
     Второй выход измерения тока в дочерней нагрузке как раз и предназначен для подключения к материнской.

     Так выглядит лицевая панель с изнанки, Рис. 14.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_14.jpg
Рис. 14

     На лицевой панели прописаны величина сопротивления и максимальная мощность для каждого разряда, Рис. 15.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_16_1.jpg
Рис. 15

     Тоже самое и на переключателе динамических нагрузок.
     Должно быть понятно, что никакие токи указать невозможно так как к нагрузке могут быть подключены источники с самыми разными выходными напряжениями.

     А так выглядит стенд, составленный из четырёх нагрузок, Рис. 16. Вверху слева стоит материнская нагрузка, остальные три — дочерние.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_17.jpg
Рис. 16

     Справа внизу стоит нагрузка, сделанная в качестве опытного образца. Её я собирал совсем уж «на коленке».
      Печатные платы делал из макетных плат (слепышей), купленных в магазине, орудуя ножом, дрелью и паяльником (запаивая проволочные перемычки вместо печатных проводников). Вот так выглядит чертёж её печатной платы генератора треугольных напряжений, Рис. 17.

 impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka-funkcionalnaya-skhema_18.jpg
Рис. 17

      Но и эта нагрузка начиная с 2015 года исправно несёт службу.

     Такой стенд (Рис. 16) можно использовать как для отладки блоков питания содержащих в своём составе до четырёх источников, так и для работы с мощными источниками до 600Вт. Для этого нагрузки включаются параллельно.
      Правда я подключал источники и более 600Вт. Приходилось при этом сзади ставить вентилятор для обдува радиаторов.

     Габариты изделия 214х185х195.

     Заказать изготовление печатных плат можно от одной штуки, смотрите ссылку в конце статьи.
      «Самоделкин-22» — это самый дешёвый вариант. Правда и платы выглядят очень просто и в отверстиях не будет металлизации, то есть переход, с одной стороны, на другую нужно делать проволочками. Всё что нужно для заказа — это файл проекта печатной платы, созданный в программе Sprint Layout.
     В других местах могут потребовать гербер файлы. Но с этим тоже проблем нет.

     Ну вот, кажется, всё что касается архитектуры, компоновки и того, как нагрузка функционирует я описал. Если есть вопросы пишите либо в комментариях, либо на почтовый адрес a250250250@mail.ru.

     Ссылки.

      «Импульсная электронная нагрузка» (https://b-valery.ru/impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka/).

      «Двухканальный прецизионный генератор треугольного напряжения» (https://b-valery.ru/dvuhkanalnyj-precizionnyj-generator-treugolnogo-napryazheniya/).

     Где заказать печатные платы (http://www.mastervintik.ru/kak-i-gde-nedorogo-zakazat-pechatnye-platy/).


4 response to "Активная, импульсная электронная нагрузка. Конструкция и функциональная схема."

  1. By: JamesLex Posted: 23.04.2020

    You have got very well knowlwdge on this site.

  2. By: Briantok Posted: 03.04.2020

    Wow cuz this is great work! Congrats and keep it up.

  3. By: ANATOLY Posted: 04.03.2020

    Уважаемый Валерий! Очень интересная статья. Будет ли продолжение — с принципиальными схемами ШИМ генератора и фильтра?

    • By: Бурыкин Валерий Posted: 05.03.2020

      Здравствуйте Анатолий

      Дело в том что конструкторскую документацию в свободный доступ я выкладывать не буду. Слишком много времени и сил было в неё вложено.
      Я чуть позже в конце статьи опишу как её можно получить. Не бесплатно конечно.
      — Комплект схем с перечнем и описанием будет стоить 900р.
      — Комплект включающий в себя проекты печатных плат в Sprint-Layout, файлы GBR, монтажки, рисунки печати в реальных размерах и чертежи плат — 800р.
      — Комплект чертежей деталей корпуса, радиаторов ключей и нагрузочных резисторов с топологией их размещения. Также фотографии поясняющие внутреннее устройство — 700р.

      Если Вам это интересно пришлите заявку на почту a250250250@mail.ru.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *