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.
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.
Наборы для самостоятельной сборки. Схемы, по которым они сделаны, созданы далеко не китайцами и даже не советскими инженерами. Любой радиолюбитель подтвердит, что во время повседневных изысканий очень часто приходится нагружать те или иные схемы для выявления выходных характеристик последних. Нагрузкой может являться обычная лампа, резистор или нихромовый нагревательный элемент.
Зачастую с проблемой поиска нужной нагрузки сталкиваются те радиолюбители, которые изучают силовую электронику. Проверяя выходные характеристики того или иного блока питания, будь он самодельный или промышленный необходима нагрузка, притом нагрузка с возможностью регулировки. Самым простым решением этой проблемы является использование учебных реостатов в качестве нагрузки.
Но найти мощные реостаты в наши дни проблематично, к тому же реостаты тоже не резиновые, их сопротивление ограничено. Есть только 1 вариант решения проблемы - электронная нагрузка. В электронной нагрузке вся мощность выделяется на силовых элементах – транзисторах. Фактически, электронные нагрузки можно делать на любую мощность, и они гораздо универсальнее, чем обычный реостат. Профессиональные лабораторные электронные нагрузки стоят кучу денег.
Китайцы же, как всегда, предлагают аналоги и этих аналогов бесчисленное множество. Один из вариантов такой нагрузки на 150Вт стоит всего 9-10 долларов, это немного за прибор, который по важности сопоставим, наверное, с лабораторным блоком питания.
В общем автор данной самоделки AKA KASYAN, предпочел сделать свой вариант. Найти схему устройства не составило труда.
В данной схеме применена микросхема операционного усилителя lm324, в состав которой входят 4 отдельных элемента.
Если смотреть внимательно на схему, то сразу становится ясно, что она состоит из 4-ех отдельных нагрузок, которые соединены параллельно, благодаря чему общая нагрузочная способность схемы в разы больше.
Это обычный стабилизатор тока на полевых транзисторах, которые без проблем можно заменить биполярными транзисторами обратной проводимости. Рассмотрим принцип работы на примере одного из блоков. Операционный усилитель имеет 2 входа: прямой и инверсный, ну и 1 выход, который в данной схеме управляет мощным n-канальным полевым транзистором.
Низкоомный резистор у нас в качестве датчика тока. Для работы нагрузки необходим слаботочный источник питания 12-15В, точнее он нужен для работы операционного усилителя.
Операционный усилитель всегда стремится к тому, чтобы разница напряжений между его входами равнялась нулю, и делает это путем изменения выходного напряжения. При подключении источника питания к нагрузке будет образовываться падение напряжения на датчике тока, чем больше ток в цепи, тем больше и падения на датчике.
Таким образом, на входах операционного усилителя мы получим разность напряжений, а операционный усилитель постарается скомпенсировать эту разность, изменяя свое выходное напряжение плавно открывая или закрывая транзистор, что приводит к уменьшению или увеличению сопротивления канала транзистора, а, следовательно, изменится и ток протекающий в цепи.
В схеме у нас имеется источник опорного напряжения и переменный резистор, вращением которого у нас появляется возможность принудительно менять напряжение на одном из входов операционного усилителя, а дальше происходит вышеупомянутый процесс, и как следствие, меняется ток в цепи.
Нагрузка работает в линейном режиме. В отличие от импульсного, в котором транзистор либо полностью открыт, либо закрыт, в нашем случае мы можем заставить транзистор приоткрыться настолько, насколько нам нужно. Иными словами, плавно изменять сопротивление его канала, а, следовательно, изменять ток цепи буквально от 1 мА. Важно заметить, что выставленное переменным резистором значение тока не меняется в зависимости от входного напряжения, то есть ток стабилизирован.
В схеме у нас 4 таких блока. Опорное напряжение формируется с одного и того же источника, а значит все 4 транзистора будут открываться равномерно. Как вы заметили, автор использовал мощные полевые ключи IRFP260N.
Это очень хорошие транзисторы на 45А, 300Вт мощности. В схеме у нас 4 таких транзистора и по идее такая нагрузка должна рассеивать до 1200Вт, но увы. Наша схема работает в линейном режиме. Каким бы мощным не был транзистор, в линейном режиме все иначе. Мощность рассеивания ограничена корпусом транзистора, вся мощность выделяется в виде тепла на транзисторе, и он должен успеть передать это тепло радиатору. Поэтому даже самый крутой транзистор в линейном режиме не такой уж и крутой. В данном случае максимум, что может рассеивать транзистор в корпусе ТО247 - это где-то 75Вт мощности, вот так-то.
С теорией разобрались, теперь перейдем к практике.
Печатная плата
была разработана всего за пару часов, разводка хорошая.
Готовую плату нужно залудить, силовые дорожки армировать одножильным медным проводом и все обильно залить припоем для минимизации потерь на сопротивление проводников.
На плате предусмотрены посадочные места для установки транзисторов, как в корпусе ТО247, так и ТО220.
В случае использования последних, нужно запомнить, максимум на что способен корпус ТО220 - это скромные 40Вт мощности в линейном режиме. Датчики тока представляют из себя низкоомные резисторы на 5Вт, с сопротивлением от 0,1 до 0,22 Ом.
Операционные усилители желательно установить на панельку для беспаячного монтажа. Для более точной регулировки токов в схему стоит добавить еще 1 переменный резистор низкого сопротивления. Первый позволит осуществить грубую регулировку, второй более плавную.
Меры предосторожности. Нагрузка не имеет защиты, поэтому использовать ее нужно с умом. Например, если в нагрузке стоят транзисторы на 50В, значит запрещается подключать испытуемые блоки питания с напряжением выше 45В. ну чтобы был небольшой запас. Не рекомендуется выставить значение тока более 20А, если транзисторы в корпусе ТО247 и 10-12А, в случае если транзисторы в корпусе ТО220. И, пожалуй, самый важный момент - не превысить допустимую мощность 300Вт, в случае если использованы транзисторы в корпусе от ТО247. Для этого необходимо встроить в нагрузку ваттметр, чтобы следить за рассеиваемой мощностью и не превысить максимальное значение.
Также автор настоятельно рекомендует использовать транзисторы из одной партии, чтобы минимизировать разброс характеристик.
Охлаждение.
Надеюсь все понимают, что 300Вт мощности у нас тупо пойдет на нагрев транзисторов, это как обогреватель на 300Вт. Если эффективно не отводить тепло, то транзисторам хана, поэтому транзисторы устанавливаем на массивный цельный радиатор.
Место прижатия подложки ключа к радиатору необходимо тщательно очистить, обезжирить и отполировать. Даже небольшие бугорки в нашем случае могут все испортить. Если решили намазать термопасту, то делайте это тонким слоем, используя только хорошую термопасту. Не нужно использовать термопрокладки, изолировать подложки ключей от радиатора тоже не нужно, все это ухудшает теплоотдачу.
Ну а теперь, наконец-то, давайте проверим работу нашей нагрузки. Нагружать будем вот такой лабораторный блок питания, который выдает максимум 30В при токе до 7А, то есть выходная мощность около 210Вт.
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.
Данное устройство предназначено и применяется для проверки источников питания постоянного тока, напряжением до 150В. Устройство позволяет нагружать блоки питания током до 20А, при максимальной рассеиваемой мощности до 600 Вт.
Общее описание схемы
Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема электронной нагрузки.
Приведенная схема на рисунке 1 позволяет плавно регулировать нагрузку испытуемого блока питания. В качестве эквивалента нагрузочного сопротивления используются мощные полевые транзисторы T1-T6 включенные параллельно. Для точного задания и стабилизации тока нагрузки, в схеме применяется прецизионный операционный усилитель ОУ1 в качестве компаратора. Опорное напряжение с делителя R16, R17, R21, R22 поступает на неинвертирующий вход ОУ1, на инвертирующий вход поступает напряжение сравнения с токоизмерительного резистора R1. Усиленная ошибка с выхода ОУ1 воздействует на затворы полевых транзисторов, тем самым стабилизируя заданный ток. Переменные резисторы R17 и R22 вынесены на лицевую панель устройства с градуированной шкалой. R17 задает ток нагрузки в пределах от 0 до 20А, R22 в пределах от 0 до 570 мА.
Измерительная часть схемы выполнена на основе АЦП ICL7107 со светодиодными цифровыми индикаторами. Опорное напряжение для микросхемы составляет 1В. Для согласования выходного напряжения токоизмерительного датчика с входом АЦП применяется неинвертирующий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 10-12, собранный на прецизионном операционном усилителе ОУ2. В качестве датчика тока используется резистор R1, что и в схеме стабилизации. На панели индикации отображается либо ток нагрузки, либо напряжение проверяемого источника питания. Переключение между режимами происходит кнопкой S1.
В предлагаемой схеме реализованы три вида защиты: максимальная токовая защита, тепловая защита и защита от переполюсовки.
В максимальной токовой защите предусмотрена возможность задания тока отсечки. Схема МТЗ состоит из компаратора на ОУ3 и ключа, коммутирующего цепь нагрузки. В качестве ключа используется полевой транзистор T7 с низким сопротивлением открытого канала. Опорное напряжение (эквивалент току отсечки) подается с делителя R24-R26 на инвертирующий вход ОУ3. Переменный резистор R26 вынесен на лицевую панель устройства с градуированной шкалой. Подстроечный резистор R25 задает минимальный ток срабатывания защиты. Сигнал сравнения поступает с выхода измерительного ОУ2 на неинвертирующий вход ОУ3. В случае превышения тока нагрузки заданного значения, на выходе ОУ3 появляется напряжение близкое к напряжению питания, тем самым включается динисторное реле MOC3023, которое в свою очередь запирает транзистор T7 и подает питание на светодиод LED1, сигнализирующий о срабатывании токовой защиты. Сброс происходит после полного отключения устройства от сети и повторного включения.
Тепловая защита выполнена на компараторе ОУ4, датчике температуры RK1 и исполнительном реле РЭС55А. В качестве датчика температуры используется терморезистор с отрицательным ТКС. Порог срабатывания задается подстроечным резистором R33. Подстроечный резистор R38 задает величину гистерезиса. Датчик температуры установлен на алюминиевой пластине, являющейся основанием для крепления радиаторов (Рисунок 2). В случае превышения температуры радиаторов заданного значения, реле РЭС55А своими контактами замыкает неинвертирующий вход ОУ1 на землю, в результате транзисторы T1-T6 запираются и ток нагрузки стремится к нулю, при этом светодиод LED2 сигнализирует о срабатывании тепловой защиты. После охлаждения устройства, ток нагрузки возобновляется.
Защита от переполюсовки выполнена на сдвоенном диоде Шоттки D1.
Питание схемы осуществляется от отдельного сетевого трансформатора TP1. Операционные усилители ОУ1, ОУ2 и микросхема АЦП подключены от двухполярного источника питания собранного на стабилизаторах L7810, L7805 и инверторе ICL7660.
Для принудительного охлаждения радиаторов используется в непрерывном режиме вентилятор на 220В (в схеме не указан), который подключается через общий выключатель и предохранитель напрямую к сети 220В.
Настройка схемы
Настройка схемы проводится в следующем порядке.
На вход электронной нагрузки последовательно с проверяемым блоком питания подключается эталонный миллиамперметр, например мультиметр в режиме измерения тока с минимальным диапазоном (мА), параллельно подключается эталонный вольтметр. Ручки переменных резисторов R17, R22 выкручиваются в крайнее левое положение соответствующее нулевому току нагрузки. На устройство подается питание. Далее подстроечным резистором R12 задается такое напряжение смещения ОУ1, чтобы показания эталонного миллиамперметра стали равны нулю.
Следующим этапом настраивается измерительная часть устройства (индикация). Кнопка S1 переводится в положение измерения тока, при этом на табло индикации точка должна переместиться в положение сотых. Подстроечным резистором R18 необходимо добиться, чтобы на всех сегментах индикатора, кроме крайнего левого (он должен быть неактивен), отображались нули. После этого эталонный миллиамперметр переключается в режим максимального диапазона измерений (А). Далее регуляторами на лицевой панели устройства задается ток нагрузки, подстроечным резистором R15 добиваемся одинаковых показаний с эталонным амперметром. После калибровки канала измерения тока, кнопка S1 переключается в положение индикации напряжения, точка на табло должна переместиться в положение десятых. Далее подстроечным резистором R28 добиваемся одинаковых показаний с эталонным вольтметром.
Настройка МТЗ не требуется, если соблюдены все номиналы.
Настройка тепловой защиты проводится экспериментальным путем, температурный режим работы силовых транзисторов не должен выходить за регламентируемый диапазон. Так же нагрев отдельного транзистора может быть неодинаковым. Порог срабатывания настраивается подстроечным резистором R33 по мере приближения температуры самого горячего транзистора к максимальному документированному значению.
Элементная база
В качестве силовых транзисторов T1-T6 (IRFP450) могут применяться MOSFET N-канальные транзисторы с напряжением сток-исток не менее 150В, мощностью рассеивания не менее 150Вт и током стока не менее 5А. Полевой транзистор T7 (IRFP90N20D) работает в ключевом режиме и выбирается исходя из минимального значения сопротивления канала в открытом состоянии, при этом напряжение сток-исток должно быть не менее 150В, а продолжительный ток транзистора должен составлять не менее 20A. В качестве прецизионных операционных усилителей ОУ 1,2 (OP177G) могут применяться любые аналогичные операционные усилители с двухполярным питанием 15В и возможностью регулирования напряжения смещения. В качестве операционных усилителей ОУ 3,4 применяется достаточно распространенная микросхема LM358.
Конденсаторы C2, С3, С8, C9 электролитические, C2 выбирается на напряжение не менее 200В и емкостью от 4,7µF. Конденсаторы C1, С4-С7 керамические либо пленочные. Конденсаторы C10-C17, а так же резисторы R30, R34, R35, R39-R41 поверхностного монтажа и размещаются на отдельной плате индикатора.
Подстроечные резисторы R12, R15, R18, R25, R28, R33, R38 многооборотные фирмы BOURNS типа 3296. Переменные резисторы R17, R22 и R26 отечественные однооборотные типа СП2-2, СП4-1. В качестве токоизмерительного резистора R1 использован шунт, выпаянный из нерабочего мультиметра, сопротивлением 0,01 Ом и рассчитанный на ток 20А. Постоянные резисторы R2-R11, R13, R14, R16, R19-R21, R23, R24, R27, R29, R31, R32, R36, R37 типа МЛТ-0,25, R42 - МЛТ-0,125.
Импортная микросхема аналого-цифрового преобразователя ICL7107 может быть заменена на отечественный аналог КР572ПВ2. Вместо светодиодных индикаторов BS-A51DRD могут применяться любые одиночные или сдвоенные семисегментные индикаторы с общим анодом без динамического управления.
В схеме тепловой защиты используется отечественное слаботочное герконовое реле РЭС55А(0102) с одним перекидным контактом. Реле выбирается с учетом напряжения срабатывания 5В и сопротивления катушки 390 Ом.
Для питания схемы может быть применен малогабаритный трансформатор на 220В, мощностью 5-10Вт и напряжением вторичной обмотки 12В. В качестве выпрямительного диодного моста D2 может использоваться практический любой диодный мост с током нагрузки не менее 0,1A и напряжением не менее 24В. Микросхема стабилизатора тока L7805 устанавливается на небольшой радиатор, приблизительная мощность рассеивания микросхемы 0,7Вт.
Конструктивные особенности
Основание корпуса (рисунок 2) изготовлено из алюминиевого листа толщиной 3мм и уголка 25мм. К основанию прикручиваются 6 алюминиевых радиаторов, ранее применявшихся для охлаждения тиристоров. Для улучшения теплопроводности используется термопаста Алсил-3.
Рисунок 2 - Основание.
Общая площадь поверхности собранного таким образом радиатора (рисунок 3) составляет около 4000 см2. Приблизительная оценка мощности рассеивания взята из расчета 10см2 на 1Вт. С учетом применения принудительного охлаждения с использованием 120мм вентилятора производительностью 1,7 м3/час, устройство способно продолжительно рассеивать до 600Вт.
Рисунок 3 - Радиатор в сборе.
Силовые транзисторы T1-T6 и сдвоенный диод Шоттки D1, у которого основанием является общий катод, крепятся к радиаторам напрямую без изоляционной прокладки с использованием термопасты. Транзистор T7 токовой защиты крепится к радиатору через теплопроводящую диэлектрическую подложку (рисунок 4).
Рисунок 4 - Крепление транзисторов к радиатору.
Монтаж силовой части схемы выполнен термостойким проводом РКГМ, коммутация слаботочной и сигнальной части выполнена обычным проводом в ПВХ изоляции с применением термостойкой оплетки и термоусадочной трубки. Печатные платы изготовлены методом ЛУТ на фольгированном текстолите, толщиной 1,5 мм. Компоновка внутри устройства изображена на рисунках 5-8.
Рисунок 5 - Общая компоновка.
Рисунок 6 - Главная печатная плата, крепление трансформатора с обратной стороны.
Рисунок 7 - Вид в сборе без кожуха.
Рисунок 8 - Вид в сборе сверху без кожуха.
Основа передней панели изготовлена из электротехнического листового гетинакса толщиной 6мм фрезерованного под крепления переменных резисторов и затемненного стекла индикатора (рисунок 9).
Рисунок 9 - Основа передней панели.
Декоративный внешний вид (рисунок 10) выполнен с использованием алюминиевого уголка, вентиляционной решетки из нержавеющей стали, оргстекла, подложки из бумаги с надписями и градуированными шкалами, скомпилированными в программе FrontDesigner3.0. Кожух устройства изготовлен из миллиметрового листа нержавеющей стали.
Рисунок 10 - Внешний вид готового устройства.
Рисунок 11 - Схема соединений.
Архив для статьи
Если у Вас возникнут какие либо вопросы по конструкции электронной нагрузки, задавайте их на форуме, постараюсь помочь и ответить.
Загрузка...