Импульсная электронная нагрузка.

Импульсная электронная нагрузка
для настройки блоков питания постоянного тока.

      Эта электронная нагрузка предназначена для наладки блоков питания постоянного тока, к которым предъявляются высокие требования по качеству выходного напряжения и тока.
      Удобство управления обеспечивает быструю и комфортную работу при настройке сложных, многоканальных источников питания. Такая нагрузка обладает компактностью и универсальностью.

     ***

     Тому, кто изготавливает или ремонтирует источники питания, требуется в итоге проверить их на работоспособность, т.е. нагрузить на полную мощность, покачать ток нагрузки, покачать напряжение питания у нагруженного источника. Посмотреть, как это влияет на выходное напряжение, на величину пульсаций на выходе источника, настроить порог срабатывания защиты по току. Да и просто подключить источник к нагрузке и погонять его в течении длительного времени.
     В Интернете предлагается много схем различных вариантов нагрузок, при этом каждый автор хвалит свою схему. Но как реально оценить качество этих схем? Каковы их достоинства и недостатки? Что выбрать?
     В этой статье я хочу дать ответы на эти вопросы.
     А заодно предложить и свой вариант испытанный на практике.

     Любые электронные устройства требуют подключения к ним источников питания.
     Некоторые обходятся простыми батарейками, но большинство требует подключения электронного блока питания, который сам в свою очередь подключается либо к электросети, либо к мощной батарее, либо… Да что перечислять! Разнообразие различных источников электроэнергии очень велико, как мобильных, так и стационарных.
     Но изготовить блок питания недостаточно, необходимо его настроить и проверить на работоспособность в различных режимах. Одна из таких проверок это проверка работы блока на нагрузку.
     Как правило, при этом проверяются:
     — Работа блока при изменении тока нагрузки от I=0 до Imax.
     — Включение блока под нагрузкой (бывает, не включаются именно под нагрузкой).
     — Влияние изменения тока нагрузки на величину пульсаций.
     — Влияние изменения тока нагрузки на нестабильность выходного напряжения.
     — Настройка схемы защиты от перегруза.
     — Проверка на КЗ (короткое замыкание)
     — Проверка на отсутствие паразитной генерации при качании тока нагрузки и напряжения питания самого блока. Так как электронные источники питания охвачены внутренними обратными связями то одна из этих связей и может стать причиной генерации при определённых условиях.
     — И т.д. и т.п.

     Поэтому для отладки изготовленного (либо ремонтного) блока просто необходима регулируемая нагрузка. И желательно чтобы одна нагрузка могла обеспечить работу с широким диапазоном разнообразных источников питания.
     Конечно, если Вы изготавливаете источник для питания приёмника чтобы слушать шансон, то на всё это можно наплевать.
     Но если от работы Вашего источника зависят жизни людей… То сами понимаете.

     В этой статье я постараюсь рассмотреть плюсы и минусы различных вариантов нагрузок предлагаемых различными источниками информации (а не напряжения).

     Как правило стенд для отладки AC-DC блока питания собирается по схеме представленной на рис. 1.

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_01.jpg
Рис. 1

     Р1 — амперметр.
     Р2 — вольтметр.
     Р3 — осциллограф.

     Сразу оговорюсь, речь пойдёт о нагрузках с большой мощностью рассеивания.
     И мне не хочется, чтобы у кого-то возникло мнение, что раз нагрузка импульсная то это что-то очень маленькое.
     Габариты нагрузки, а вернее радиатора, на котором закреплены тепловыделяющие элементы нагрузки, напрямую связаны с мощностью испытуемого источника. Вся энергия, которую вы потребляете от источника, превратится в тепло.
     Для примера: плоский комнатный масляный радиатор 500Вт. Его габариты примерно 500х600мм. Излучающая поверхность 50х60х2 = 6000кв.см. Почти такая же площадь должна быть у радиатора нагрузки, к которой подключен испытуемый источник питания мощностью 500Вт. Правда, радиатор делают не плоским, а ребристым, благодаря этому габариты его будут значительно меньше. Но всё равно довольно большие.

     Вся прелесть импульсной нагрузки это компактность и удобство управления. Органами управления являются слаботочные потенциометры и переключатели. Также она позволяет испытывать широкий спектр источников питания. Минимальная мощность практически любая, максимальная ограничена применяемыми компонентами.

     Теперь рассмотрим различные варианты нагрузок.

     Первый вариант нагрузки (рис.2).

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_02.jpg
Рис. 2

     Как видите это просто набор переменных сопротивлений.

     Достоинства.
       — Не требует внешнего источника питания.
       — Не создаёт собственных пульсаций.
       — Простота изготовления.

     Недостатки.
       1. Неправильность регулировки.
     Правильная регулировка это когда ток регулируется от нуля до некоторой максимальной величины.
     В данном случае ток регулируется от некоторого минимума Imin = Uист/R, это когда ползунок в верхнем положении, до бесконечности, это если ползунок сдвинуть в ноль, т.е. вниз. Слава богу, бесконечности вам достигнуть не удастся, но блок спалить можете.
       2. Непостоянство допустимой мощности рассеивания.
     Для подобных нагрузок обычно берут проволочные переменные резисторы типа ППБ от 16 до 50 Вт.
     Но то что на корпусе написано 50Вт несколько обманчиво, она обеспечивается только при верхнем положении ползунка. При смещении ползунка вниз допустимая мощность падает. В среднем положении примерно в 2 раза и составит 25Вт. В четверти от нижнего положения примерно в 4 раза, и т.д.
       3. Для обеспечения большого диапазона регулировки по току необходимо в наборе иметь переменные резисторы различных номиналов.
       4. Громоздкость конструкции.
       Нагрузка всю подводимую мощность преобразует в тепло, а для его отвода резисторы нужно удалить друг от друга.
       5. Нет универсальности.
     Если производится большое разнообразие источников с различными выходными напряжениями и различными токами, то почти для каждого из них потребуется своя нагрузка. А если источники вдобавок и многоканальные, и каждый канал по свом характеристикам значительно отличается от соседнего (что в жизни на самом деле и наблюдается), а включать все каналы нужно одновременно, то для каждого многоканального источника потребуется своя многоканальная нагрузка.
     В общем Вы будете заставлены разнообразными металлическими ящиками.

     По поводу внешнего питания.
     Если будете отлаживать источник мощностью более 200Вт и Вам не захочется ставить слишком много резисторов и увеличивать габариты ящика то для отвода избытка тепла Вы будете вынуждены поставить вентилятор, а следовательно подвести внешнее питание.

     По своему опыту могу сказать, что работа с такими нагрузками удовольствие ниже среднего.

     Второй вариант нагрузки (рис.3).

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_03.jpg
Рис. 3

     Роль нагрузочного резистора выполняет мощный транзистор структуры MOSFET.

     Достоинства.
       — Не создаёт собственных пульсаций.
       — Простота изготовления.

     Хоть и требует источник питания, но это может быть маленькая батарейка 12В, Вам её надолго хватит, так что не буду это записывать в недостатки.

     Недостатки.
     1. Нелинейная регулировка.
       Ток стока и напряжение на затворе связаны логарифмической кривой, пример на рис. 4.

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_04.jpg
Рис. 4

     2. Вся подводимая мощность выделяется на кристалле несчастного транзистора. Это резко ограничивает допустимый максимальный ток и требует хорошего теплоотвода.
     3. Нестабильность.
       В связи с сильным нагревом кристалла плывут характеристики транзистора. Это приведёт к тому, что потребуется постоянная подстройка переменного резистора входящего в схему.
     И вообще нехорошо так издеваться над хорошими транзисторами.
     Эту схему можно использовать для настройки маломощных блоков питания.

     Третий вариант нагрузки рис. 5.

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_05.jpg
Рис. 5

     Состав.
       — Генератор с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ). Ширина импульса регулируется переменным резистором.
       — Мощный транзистор структуры MOSFET, исполняет роль управляемого ключа (и нагрузки, чего автор видимо не учёл).
       — Фильтр. Его назначение сгладить импульсы тока, генерируемые ключом на входе нагрузки.

     Мысль автора состояла видимо в том, что раз транзистор работает в ключевом режиме, значит, греться он не будет. Ну ладно об этом потом.

     Достоинства.
       Знаете, достоинств как то не наблюдаю.

     Недостатки.
     1. Требует внешний источник питания для работы генератора.
     2. Необходимо бороться с пульсациями.
     3. Куда в данной схеме девается подводимая мощность трудно сказать. Нет понятно — закон сохранения энергии никто не отменял. Энергия из ниоткуда не берётся и в никуда не исчезает.
     Откуда здесь берётся энергия понятно, из испытуемого источника. А вот куда же она девается?
     В схеме есть два элемента, в которых подводимая электрическая энергия может преобразовываться в тепло. Это последовательно включенные транзистор и фильтр. При этом совершенно наплевать в каком режиме работает транзистор ключевом или не ключевом. У потреблённой энергии должен быть какой-то выход.
     Фильтр обычно строится по схеме показанной на рис. 6.

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_06.jpg
Рис. 6

     Значит тепло должно выделиться либо на транзисторе, либо на обмотках дросселей, либо как то распределиться между ними.
     Ну допустим транзистор поставим на радиатор. А что делать с дросселем? Допустим, мы подключаем источник 200Вт. Если хотя бы четверть выделится на дросселе, он просто сгорит. Но и для транзистора 150Вт не хилая мощность. Нужно будет включать параллельно несколько штук и крепить на большом радиаторе. На вскидку даже могу сказать размеры радиатора.

     Радиатор должен быть изготовлен из алюминиевой пластины толщиной 50мм с размерами 220х180мм. Рёбра должны быть нарезаны толщиной 4мм с шагом 10мм, толщина подошвы 10мм. Несколько параллельно включенных транзисторов равномерно распределены по радиатору.
     В общем этой схеме присущи ещё и все недостатки второй схемы, включая нестабильность. Да ещё и сложность изготовления.
     Не надо этого делать!

     Начиная с третьего варианта, пошла речь об импульсных нагрузках. Самый главный их недостаток пульсации на входных клеммах нагрузки. От некоторых источников питания РЭА требуют пульсации на выходе не более 10мВ при токе нагрузки до 20А. Так как выход испытуемого источника подключен ко входу нагрузки то пульсации создаваемые нагрузкой должны быть не более 5мВ чтобы не вносить большой погрешности в измерениях (см. рис. 1).

     Далее будут рассмотрены работоспособные схемы импульсных электронных нагрузок.

     Четвёртый вариант нагрузки рис. 7.

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_07.jpg
Рис. 7

     Как видите он похож на третий вариант, отличие в добавленном резисторе Rн. Этот резистор и является той отдушиной, через которую потреблённая энергия, преобразованная в тепло, выбрасывается наружу.
     Транзистор выполняет исключительно роль ключа и поэтому его нагрев незначителен.

     Разберём подробнее принцип работы этой схемы.
     Генератор с ШИМ (широтно импульсной модуляцией) вырабатывает импульсы длительность (широта) которых зависит от положения движка переменного резистора. Частота (F) появления импульсов стабильна, следовательно и период (Т) возникновения импульсов также стабилен.
     Двигая ползунок резистора R изменяем длительность импульсов (t), а следовательно и коэффициент заполнения.
     Коэффициент заполнения (D) определяет какую долю от периода Т составляет длительность t.

       
D = t / T
,
        Здесь D может изменяться от 0 до 1.

     Нас в основном будет интересовать именно коэффициент заполнения.
     При коэффициенте заполнения равном 0 импульсы на выходе генератора отсутствуют, на затворе транзистора низкий уровень и транзистор закрыт. Iист. = 0.
     При коэффициенте заполнения равном 1 (t = T), т.е. на затворе высокий уровень и транзистор полностью открыт, Iист=Imax.
     Эта схема хороша по двум причинам:
     — ток протекающий через нагрузку (т.е. Iист.) прямо пропорционален коэффициенту заполнения D так как зависимость I от D линейная;
     — правильное управление — ток изменяется от 0 до некоторого максимума (Imax = Uист. / Rн).

     На рис. 8 представлены графики поясняющие работу схемы. Здесь I(Rн) это ток который протекает через нагрузочные резисторы в те моменты когда транзистор находится в открытом состоянии.

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_08.jpg
Рис. 8

     На участке 1 коэффициент заполнения D=0,2, ток от источника составляет 20% от Imax.
     На участке 2 D=0,5, ток от источника составляет 50% от Imax.
     Участок 3 D=0,8, ток 80% от Imax.
     Участок 4 D=1.0, транзистор полностью открыт, ток равен Imax.

     На верхнем графике мы видим импульсы тока через Rн.
     На нижнем импульсы интегрированы фильтром, поэтому мы видим прямую линию, которая соответствует средней величине тока в импульсах.

     Что важно для этой схемы?
     1. Частота (F).
     Желательно иметь как можно большую частоту. Чем больше частота, тем проще её фильтровать. Но есть предел определяемый характеристиками транзистора. На практике поднимать частоту выше 80кГц не стоит. Начинает разогреваться транзистор.
     2. Необходим безындукционный резистор (проволочные резисторы не годятся). Резистор должен быть большой мощности с креплением на радиатор.
     Таким условиям удовлетворяют резисторы MPP930 и MPP9100 на 30 и 100Вт.
     Для получения нужного сопротивления их можно соединять последовательно и параллельно при этом все резисторы должны быть одного номинала. Схема соединения должна быть полностью симметричной (рис.9), иначе резисторы будут нерационально использованы по мощности.
     Допустимая рассеиваемая мощность при этом увеличивается кратно количеству резисторов.

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_09.jpg
Рис. 9

     В общем эта схема хороша и её можно использовать на практике.
     Но в моих глазах (я человек придирчивый) есть два недостатка.
     1. Хочется иметь большую частоту т.к. чем больше частота, тем легче фильтровать пульсации, помните, я писал в описании третьего варианта о требованиях, которые предъявляются к качественным источникам питания.
     2. Амплитуда импульсов в нагрузке (перед фильтром) равна Imax. Как бы её понизить, сделать меньше величины максимального тока. Тогда пульсации на входе нагрузки ещё уменьшатся.

     В итоге родилась следующая схема.

     Пятый вариант нагрузки рис. 10.

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_10.jpg
Рис. 10

     В отличии от четвёртого варианта эта нагрузка разбита на две части включенных параллельно.
     На затвор VT1 импульсы поступают непосредственно с генератора, а на затвор VT2 со сдвигом на 0,5*Т, т.е. на половину периода.
     Что из этого получается можно увидеть на графике рис.11.

       Здесь каждый транзистор в отдельности работает так же как и в предыдущей схеме, те же 80кГц. Но включаются они поочерёдно, благодаря этому Iсум. пульсирует с удвоенной частотой, т.е. 160кГц.
       Максимума ток в этой схеме достигает когда открыты оба транзистора, тогда резисторы включены параллельно.

     
Imax = Uист. / (Rн/2)

       Ток протекающий через каждый резистор отдельно равен:

     
IRн = Uист. / Rн = 0,5* Imax

     До тех пор пока коэффициент заполнения менее 0,5, на графике участок 1, импульсы не смыкаются и по уровню достигают только половины Imax.
     Когда коэффициент заполнения достигает 0,5 происходит смыкание импульсов и Iсум. становится равным 0,5*Imax, участок 2.
     На этом участке Iсум. превращается в прямую линию.

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_11.jpg
Рис. 11

     При дальнейшем увеличении коэффициента заполнения импульсы IRн начинают перекрывать друг друга, резисторы Rн1 и Rн2 в эти моменты включаются параллельно и Iсум достигает Imax, участок 3.

     
Iсум. = Uист. / (Rн/2) = Imax

     При этом однако и не опускаются ниже 0,5* Imax, то есть амплитуда импульсов также равна 0,5*Imax
     Когда коэффициент заполнения достигает 1, оба транзистора открываются, участок 4, через Rн1 и Rн2 протекает постоянный ток и Iвых. ист. достигает максимума, т.е.:

     
Iвых. ист. = Imax

     Таким образом я убил двух зайцев:
       — не увеличивая рабочей частоты транзисторов, в два раза увеличил рабочую частоту всей нагрузки;
       — в два раза снизил амплитуду пульсаций тока в нагрузке.

     Такая нагрузка имеет ещё одно достоинство.
     Максимально допустимая мощность зависит только от допустимой мощности применённых резисторов и не зависит от угла поворота управляющего потенциометра.

     Функциональная схема нагрузки воплощённой в жизни показана на рис.12.
     В состав схемы входят:
     — Генератор треугольного напряжения (ГТН).
     — Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) управляемый потенциометром.
     — Ячейки нагрузок А1, А2, А3.
     — Фильтр.

     Встроенный источник питания я не делал. Питаю от лабораторного источника питания.
     Схема отличается от приведённой на рис. 10 только тем, что там была одна ячейка нагрузок, здесь их три. Это нужно для расширения динамического диапазона и диапазона применения.

impulsnaya-ehlektronnaya-nagruzka_12.jpg
Рис. 12

     Переключателем выбирается та ячейка, с которой Вы желаете работать в данный момент.
     Ячейки отличаются только номиналами резисторов.
     Допустим в первой 0,5Ом, во второй — 5,0Ом, в третьей — 50Ом.
     То с каким выходным напряжением можно подключать источники зависит от допустимых напряжений транзисторов и конденсаторов фильтра.
     Я применил с напряжением 200В, так что спокойно могу подключать источник на 150В.

     Если в качестве нагрузочных резисторов применить МРР930 (30Вт), то каждая ячейка может рассеивать до 60Вт. Если МРР9100 то 200Вт. Но это зависит от конкретных потребностей, можно наращивать и далее. Только не забудьте, что вся эта мощность превратится в тепло, а это выльется в увеличение размеров радиатора.
     И не верьте тому, кто говорит «Да я к стенке металлического корпуса прикрутил и качаю 50А!».
     Брехня! Как я уже говорил закон сохранения энергии никто не отменял.
     Примерные габариты радиатора на 150Вт я привёл в тексте статьи. И то он будет очень горячим.

     ***

     Эта статья была размещена мной на сайте Samlib.ru в феврале 2018 года.
     Один из читателей прислал такой комментарий.

     На практике все куда проще: мощный лабораторный реостат на 1кВт рассеивания(РПШ/РСП) и фсё… А если надо больше — принудительно обдуваем его потоком воздуха, тогда мощность возрастает до 3 Квт.
     Вася Пупкин 2018/01/30 17:24

     Имя я не придумал. Это он так представился.
     Только вот как себе этот человек представляет настройку многоканального блока питания, содержащего в себе источники от 64V x 0,1A до 5V х 25А. При этом точность установки выходных напряжений не хуже 1%. А также соблюсти все те параметры, которые я привёл в начале статьи и сделать таких блоков 10 – 15 за один день.
     А потом ещё и сдать их приемной комиссии заполняя протоколы, состоящие из двух — трёх десятков пунктов.
     Да с этим реостатом даже один блок невозможно отладить ни за день, ни за год.
     Сидел бы он с этим реостатом перед этим блоком как та бабка с разбитым корытом перед горой нестиранного белья.

     Я писал эту статью не для тех для кого один сделанный на коленке источник питания в год, уже событие. Статья написана как для уже существующих специалистов, занятых в производстве электронных блоков питания. Так и для тех, кто в будущем может стать таковыми.

     Бурыкин Валерий.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *