Электронная нагрузка схема. Электронная нагрузка для тестирования сильноточных низковольтных источников питания: проектирование и оптимизация

Разрабатывая блок питания всегда хочется быть уверенным, что он будет надежным и соответствовать заявленным характеристикам. Для этих целей собирается опытный образец и полностью тестируется. Тест заключается в нагрузке максимальным током и снятие всех параметров. Нагрузку лучше всего осуществлять плавно регулируемой электронной нагрузкой, сборкой которой мы и займемся в рамках этого проекта.

Очень часто в качестве нагрузки применяют автомобильные лампы или мощные реостаты, если таковые имеются. Лампы не совсем удобны для этого, так как их мощность нет возможности регулировать. Реостаты больше подходят, но они громоздкие и не могут длительное время выдерживать большие токи.

Надежная электронная нагрузка с плавной регулировкой тока будет идеальным вариантом в этом случае. В продаже можно встретить такие устройства, но нагрузки, рассчитанные на большие токи, стоять очень дорого. В этом случае выгоднее собрать ее самостоятельно. Этим вопросом и задался автор канала RED Shade, в результате чего получилась мощная и простая электронная нагрузка. Вот ссылка на его видео https://www.youtube.com/watch?v=dzdV768Spok.

Данная электронная нагрузка считается универсальной, потому что ей не требуется дополнительный источник питания, но при этом у нее есть ограничение, минимальное напряжение подключаемого для теста блока питания должно быть более 5В. Максимально допустимое напряжение определяется установленными силовыми транзисторами, и в данном варианте составляет 30В. Максимальный ток при хорошем радиаторе будет равен 20А.

Схема данной электронной нагрузки представляет собой объединенные на одной плате несколько нагрузок меньшей мощности, а это означает, что данный вариант нагрузки легко масштабируется и не ограничивается в мощности. Ограничивается разве что габаритами платы и требуемого радиатора.

Автор данной разработки любезно делится со своими подписчиками уже готовым вариантом печатной платы, подготовленной в программе SprintLayout. Этого вполне достаточно для многих радиолюбителей, чтобы заняться изготовлением платы с помощью вытравливания участков меди с текстолита. Но в рамках данного проекта плата будет заказана в Китае на сайте сайте jlcpcb.com ($2 for 1-4 Layer PCBs, Get SMT Coupons: https://jlcpcb.com/DYE). Для этого требуется из готового проекта печатной платы создать гербер файлы. Это в программе SprintLayout можно будет сделать за несколько кликов.

Подготовленные гербер файлы следует собрать в один архивный файл для загрузки на сайт jlcpcb.com. После загрузки система быстро проверит файлы на правильность оформления, и отобразить на экране, как плата будет выглядеть с обеих сторон. На странице будет отображено еще много пунктов, где можно будет задать параметры заказываемой платы. Этот шаг можно просто приступить и продолжить оформление заказа. Останется только указать адрес доставки, выбрать способ доставки и оплатить. После подтверждения оплаты платы могут изготовить даже в течение одного дня, после чего сразу же отправить получателю.

Скорость доставки готовых плат зависит от выбранного перевозчика. Платы приходят в небольшой коробке, упакованные в плотный пакет. По умолчанию изготавливается пять плат. Все платы получаются с одинаковым отличным качеством изготовления. Все контактные площадки всегда луженые, отверстия качественно металлизированные, шелкография четко пропечатана.

Сборка данной платы довольно простая, потому что все участки повторяются и радиодетали удобно размещены. Получается компактная электронная нагрузка.

Чтобы протестировать и использовать данную электронную нагрузку по назначению, необходимо установить ее на мощный радиатор для качественного охлаждения силовых транзисторов. Нагрузка работает отлично, а с подробным ее тестом можно ознакомиться в видео ниже.

Найти:

Интернет
Общение в Интернете
Компьютер
Обработка видео
Обработка фотографий
Работа с VirtualDub
Работа с PDF
Microsoft Word
Microsoft Excel
AutoCAD
Видео уроки
Создание сайта
Hi Tech
Разное
Обучающие материалы
Покупки на AliExpress
Покупки на GearBest

Тестовая, электронная нагрузка, схема

Электронная нагрузка вещь очень полезная, предназначена для теста источников питания, в том числе и аккумуляторов.  Например если имеется сомнительный блок питания и нужно выяснить его выходные параметры первым делом нужно его нагрузить, при этом каждый блок питания требует индивидуального расчета нагрузочного резистора и чем мощнее блок, тем мощнее должен быть нагрузочный резистор. 

Электронная нагрузка выполняет ту же функцию, только является универсальным вариантом для любых источников питания. 

Наш вариант очень простой и построен всего на одном операционном усилителе LM358, но задействован всего один элемент ОУ. 

Мощность рассеивается на транзисторах, поэтому чем больше их количество и ток коллектора каждого транзистора, тем больше может быть общая мощность рассеиваемая электронной нагрузкой. 

В теории общий ток может доходить до 40 Ампер с учетом тока коллектора кт827, но в деле естественно все будет зависеть от напряжения тестируемого источника питания, если мощность превышает 250 ватт, транзисторам придет кирдык, уделите этому моменту должное внимание.  

Мощные резисторы в этой схеме тоже рассеивают некоторую мощность (и не малую). Эмиттерные резисторы предназначены для выравнивания тока через транзисторы, мощный низкоомный шунт R12 служит датчиком тока, на нем будет рассеиваться колоссальная мощность, поэтому этот резистор подбираем с мощностью около 40 ватт. 

Принцип работы довольно прост. При подключении нагрузки образуется падение напряжения на шунте R12 и нарушается баланс напряжений на входах операционного усилителя, последний будет стараться уравновесить это напряжение за счет изменения выходного напряжения, уменьшая или увеличивая его.

Тем самым измениться напряжение на базах составных транзисторов, в следствии чего изменится и ток проходящий по ключам. 

Переменными резисторами мы можем искусственным образом изменить напряжение на неинвертирующем входе ОУ, этим управляем током протекающий по транзисторам. 

Трансформатор в схеме нужен только для питания операционного усилителя и блока индикаторов, поэтому он нужен маломощный. Вторичное напряжение трансформатора от 9 до 15 Вольт, все ровно потом это напряжение будет стабилизировано до уровня 12Вольт.

Нынче КТ827 очень дороги, но уверяю, они являются наилучшим решением в этой схеме, знаю что появятся вопросы на счет внедрения полевых транзисторов и должен сказать, что пробовал и с ними. Проблема в том, что при больших токах полевики тупо коротят, я думаю в случае их использования не помешает отдельное управление. 

А так можно использовать любые составные ключи, в том числе и кт829, естественно нужно учитывать, что ток этих транзисторов в несколько раз ниже, чем ток коллектора КТ827. 

Кнопкой S1 меняем чувствительность ОУ, этим можем переключить нагрузку на более точных измерений малых токов.
Свою конструкцию я дополнил ваттметром, который имеет функцию измерения емкости и в итоге получил электронную нагрузку с функцией разряда аккумуляторов с целью выявления их емкости, притом система может разряжать аккумуляторы большим током (лично тестировал на токах до 20 Ампер, никаких нареканий).
Монтаж простенький, корпус позаимствован у лабораторного источника питания PS-1502.

Каждый транзистор установлен на свой радиатор, вся система дополнена активным охлаждение, притом имеется простенькая схема регулировки оборотов кулера. 

А те, кому лень читать статью, могут посмотреть подробный ролик с процессом сборки этой нагрузки и пояснением работы схемы.

В архиве находится печатная плата токовой электронной нагрузки. А с вами был Ака Касьян, удачи в творчестве, до новых встреч! 

23920cookie-checkТестовая, электронная нагрузка, схемаno

Как спроектировать оптимальную электронную нагрузку для сильноточных низковольтных источников питания (часть 1)

Загрузите эту статью в формате PDF.

Часть 1 этой серии посвящена высокопроизводительным электронным нагрузкам для тестирования источников питания с низким выходным напряжением и высоким током. В нем описывается необходимость в специальных электронных нагрузках, таких как требуемые специальные электрические характеристики, включая сравнение «готового» испытательного оборудования и специально разработанных цепей нагрузки.

Во второй части более подробно обсуждаются вопросы проектирования электрооборудования для специального нагрузочного устройства. В третьей части будут рассмотрены механические и тепловые аспекты проектирования.

Проблема: почему традиционные электронные нагрузки терпят неудачу

Требования к электроэнергии для современных процессоров, графических процессоров, ПЛИС и ASIC продолжают расти как по величине, так и по производительности. Требования к току питания выросли до сотен ампер, а полоса пропускания источника питания должна быть выше 100 кГц, чтобы соответствовать строгим требованиям к переходным характеристикам. В то же время напряжение питания имеет тенденцию к снижению, при этом большинство напряжений ядра теперь ниже 1 В, а некоторые даже ниже 300 мВ. Эти тенденции затрудняют определение характеристик подходящего источника питания с использованием обычных «настольных» электронных нагрузок.

Предельные характеристики резистивных потерь и паразитной индуктивности

Имеющиеся в продаже электронные нагрузки сочетают в себе превосходную точность со сложным интерфейсом управления и, как правило, способны потреблять очень большой ток при большой мощности. Хорошим примером является серия Chroma 63600. В этой серии доступно несколько различных моделей, каждая из которых рассчитана на различные диапазоны напряжения, мощности и тока. Модель 63640-80-80 с наименьшими требованиями к запасу мощности может потреблять около 80 А от источника питания 400 мВ (рис. 1) . Эта рабочая точка показывает, что минимально достижимое сопротивление составляет около 5 мОм. Каждая из этих нагрузок может потреблять до 80 А при мощности до 400 Вт.

Это впечатляющие характеристики. Но для тестирования источника питания 300 А, 0,8 В необходимо параллельное соединение не менее четырех модулей нагрузки 63640-80-80 — как для достижения эффективного сопротивления во включенном состоянии ниже 2,7 мОм, так и для обработки полного тока. Загрузочный базовый блок Chroma 63600-5 позволяет нам это сделать: он объединяет до пяти загрузочных модулей в одном шасси с координированными функциями управления и измерения.

Однако, несмотря на эти характеристики, общая производительность набора настольных нагрузок принципиально ограничена его электрическим подключением к тестируемому источнику питания. Например, . На рис. 2 показано, как сильноточный источник питания может быть подключен к блоку электронных нагрузок для тестирования.

Медные и алюминиевые «шинные» проводники используются для соединения с пятью электронными модулями нагрузки, работающими параллельно для управления током и мощностью. К сожалению, форм-фактор этой тестовой установки требует, чтобы сильноточные проводники имели длину 40 см и более, и такая длина пути приводит к значительным резистивным потерям между тестируемым источником питания и модулями нагрузки. Это добавочное сопротивление сокращает запас по напряжению на нагрузке и паразитную индуктивность L _P в проводниках устанавливает неизбежный верхний предел максимальной скорости нарастания нагрузки, которая может быть достигнута:

dI/dt _МАКС ≤ V соединены параллельно, тем крупнее становится тестовая установка и, соответственно, больше резистивные и индуктивные потери в шине подключения. Очевидно, что для достижения наибольшей скорости нарастания и наименьшего общего сопротивления требуется более специализированное решение для электронной нагрузки.

Требования к электронной нагрузке

Для имитации поведения полупроводникового устройства, находящегося под напряжением, нам нужна электронная нагрузка со всеми следующими характеристиками:

• Скорость нарастания тока нагрузки (dI/dt) как можно выше ( в идеале скорость нарастания также регулируется)
• Точная регулировка тока нагрузки
• Высокая рассеиваемая мощность, как пиковая, так и непрерывная
• Возможность контроля тока нагрузки с высокой точностью и широкой полосой пропускания

Для тестирования низковольтных источников питания при очень высоких уровнях тока электронная нагрузка должна иметь сверхнизкое минимальное «сопротивление во включенном состоянии». Наконец, электронная нагрузка должна быть рассчитана на подключение к тестируемому источнику питания с минимальным сопротивлением и индуктивностью, иначе общая производительность будет ограничена самим межсоединением.

Типы электронных нагрузок для тестирования источников питания

Простая резистивная нагрузка

Простейшая нагрузка, которую мы можем себе представить, — это мощный резистор. При правильном размере и правильном охлаждении он может удовлетворить требования к высокой рассеиваемой мощности, а ток можно контролировать напрямую (путем измерения напряжения на известном сопротивлении). Последовательное добавление переключателя позволяет генерировать переходный процесс нагрузки. Однако нагрузка будет либо полностью включена, либо полностью выключена, а ток будет зависеть от тестируемого напряжения. Текущая скорость нарастания не контролируется и не регулируется. Очевидно, что это не гибкое решение, которое можно адаптировать к широкому спектру требований к тестированию.

Активный сток тока

Чтобы обеспечить переменную нагрузку и регулируемую скорость нарастания тока (скорость нарастания и падения тока нагрузки), необходимо построить активную схему стока тока на основе операционного усилителя. Топология этой схемы показана на рис. 3 . Операционный усилитель управляет затвором мощного полевого МОП-транзистора, чтобы установить регулируемое напряжение на чувствительном резисторе. Это приводит к контролируемому току нагрузки, который течет от стока к истоку MOSFET и через измерительный резистор к земле. Мощный полевой МОП-транзистор увеличивает усиление по току, но не увеличивает усиление по напряжению, поскольку он работает как усилитель с общим стоком, также известный как истоковый повторитель.

Эта схема может быть реализована с помощью n-канального полевого МОП-транзистора с чувствительным резистором на стороне низкого напряжения или p-канального полевого МОП-транзистора с чувствительным резистором на стороне высокого напряжения. В последнем случае цепь более точно описывается как источник тока. В любом случае, измерительный резистор добавляет немного отрицательной обратной связи, поскольку он подключен к истоку MOSFET, вычитая напряжение затвор-исток при увеличении тока и, наоборот, добавляя возбуждение затвора при уменьшении тока, что способствует стабильности.

Практическая реализация схемы активного стока тока с n-канальным МОП-транзистором показана на рис. 4 . Эта схема представляет собой сочетание простого стока тока (рис. 3, ) и дифференциального усилителя. Эта топология повышает точность за счет учета динамической и статической разности потенциалов земли между входным сигналом (SGND) и нижней стороной чувствительного резистора (GND).

Ток нагрузки, развиваемый этой схемой, пропорционален напряжению управляющего сигнала (обозначен как форма сигнала нагрузки на рис. 4) , с коэффициентом усиления, заданным отношением входного сопротивления и сопротивлений, задающих коэффициент усиления. Например, используя принцип суперпозиции для анализа схемы (рис. 4 ), мы видим, что ток следует за входным сигналом, масштабированным коэффициентом усиления 1/2 и сопротивлением считывания.

Таким образом, измерительный резистор относится к заземлению питания, а входной сигнал относится к сигнальному заземлению. Конфигурация разностного усилителя сводит к минимуму вредное влияние сдвига питания и земли и сигнала на землю на точность втекающего тока.

Активная схема стока тока имеет много преимуществ по сравнению с простым переключаемым сопротивлением. В отличие от простого сопротивления, приемник активного тока может генерировать переменный ток нагрузки от нуля ампер до максимального тока. Более того, поскольку ток нагрузки управляется операционным усилителем по замкнутому контуру, ток точно отслеживает управляющий сигнал. Следовательно, активный приемник тока может обеспечивать контролируемую скорость нарастания тока. Наконец, поскольку в схеме присутствует элемент сопротивления с фиксированным сопротивлением, точное широкополосное измерение тока нагрузки относительно просто.

На рис. 5 показан один из способов добавления второго усилителя для измерения тока нагрузки. В данном случае он сконфигурирован как усилитель крутизны, что позволяет легко суммировать сигналы измерения тока от нескольких цепей стока тока.

Заключение

Ознакомившись с основами схемы активной электронной нагрузки, следующим этапом успешной разработки является выбор компонентов и компоновка схемы. Пожалуйста, посмотрите вторую часть этой серии из трех частей, чтобы узнать больше.

Дуайт Ларсон (Dwight Larson) — главный член технического персонала бизнес-подразделения Cloud & Data Center в Maxim Integrated.

Оптимизация электронной нагрузки для сильноточных низковольтных источников питания, часть 1

Abstract

В первой части руководства по высокопроизводительным электронным нагрузкам для тестирования сильноточных низковольтных источников питания, состоящем из трех частей, описывается потребность в специальных электронных нагрузках, таких как особые электрические характеристики. В нем также приводится сравнение между готовым испытательным оборудованием и специально разработанными цепями нагрузки. Аналогичная версия этого руководства первоначально появилась 13 марта 2020 г. в Electronic Design.

Почему настольные электронные нагрузки терпят неудачу

Требования к электроэнергии для современных ЦП, графических процессоров, ПЛИС и специализированных интегральных схем продолжают расти как по величине, так и по производительности. Требования к току питания выросли до сотен ампер, а полоса пропускания источника питания должна быть выше 100 кГц, чтобы соответствовать строгим требованиям к переходным характеристикам. В то же время, напряжения питания имеют тенденцию к снижению, при этом большинство напряжений ядра теперь ниже 1 В, а некоторые даже ниже 300 мВ. Эти тенденции усложняют определение характеристик подходящего источника питания с использованием обычных «настольных» электронных нагрузок.

Производительность ограничена резистивными потерями и паразитной индуктивностью

Имеющиеся в продаже электронные нагрузки сочетают в себе превосходную точность со сложными интерфейсами управления и могут потреблять очень большой ток при большой мощности. Серия Chroma 63600 является хорошим примером. В этой серии доступно несколько различных моделей, каждая из которых рассчитана на различные диапазоны напряжения, мощности и тока. Модель 63640-80-80 с наименьшими требованиями к запасу мощности, которая может потреблять около 80 А при напряжении питания 400 мВ, как показано на рис. 1. Эта рабочая точка показывает, что ее минимально достижимое сопротивление составляет около 5 мОм. Каждая из этих нагрузок может потреблять до 80 А при мощности до 400 Вт.

Рис. 1. Характеристики запаса напряжения и тока серии Chroma 63600. Изображение предоставлено Chroma USA.

Это впечатляющая производительность. Но для тестирования источника питания 300 А, 0,8 В необходимо параллельное соединение не менее четырех модулей нагрузки 63640-80-80, как для эффективного сопротивления во включенном состоянии ниже 2,7 мОм, так и для обработки полного тока. Нагрузочный базовый блок Chroma 63600-5 позволяет нам сделать именно это, объединяя до пяти нагрузочных модулей в одном шасси с координированными функциями управления и измерения.

Однако, несмотря на превосходные технические характеристики, общая производительность ряда настольных нагрузок принципиально ограничена их электрическим подключением к тестируемому источнику питания. Например, на рисунке 2 показано, как сильноточный источник питания может быть подключен к блоку электронных нагрузок для тестирования.

Рис. 2. Параллельный массив настольных электронных нагрузок с шинными соединениями с оценочным комплектом.

Медные и алюминиевые проводники «шины» используются для соединения с пятью электронными модулями нагрузки, работающими параллельно для управления током и мощностью. К сожалению, форм-фактор этой тестовой установки требует, чтобы сильноточные проводники имели длину 40 см и более, и такая длина пути приводит к значительным резистивным потерям между тестируемым источником питания и модулями нагрузки. Это добавочное сопротивление сокращает запас по напряжению на нагрузке, а паразитная индуктивность LP в проводниках устанавливает неизбежный верхний предел максимальной скорости нарастания нагрузки, которая может быть достигнута.

dI/dt _МАКС. = V _DUT /L _P

Досадно, что чем больше отдельных нагрузок объединены параллельно, тем больше становится тестовая установка и, соответственно, больше резистивные и индуктивные потери в соединительной шине. Очевидно, что для достижения максимальной скорости нарастания и минимального общего сопротивления требуется более специализированное решение для электронной нагрузки.

Что нужно для электронной нагрузки?

Для имитации поведения полупроводникового устройства, находящегося под напряжением, нам нужна электронная нагрузка со всеми следующими характеристиками:

• Скорость нарастания тока нагрузки (dI/dt) как можно выше (в идеале скорость нарастания также регулируется)
• Точная регулировка тока нагрузки
• Высокая рассеиваемая мощность, как пиковая, так и непрерывная
• Возможность контроля тока нагрузки с высокой точностью и широкой полосой пропускания

Для тестирования низковольтных источников питания при очень высоких уровнях тока электронная нагрузка должна иметь сверхнизкое минимальное сопротивление во включенном состоянии. Наконец, электронная нагрузка должна быть рассчитана на подключение к тестируемому источнику питания с минимальным сопротивлением и индуктивностью, иначе общая производительность будет ограничена самим межсоединением.

Опции электронной нагрузки для тестирования источников питания

Простая резистивная нагрузка

Мощный резистор обеспечивает одну из самых простых нагрузок. При правильном размере и охлаждении он может удовлетворять требованиям высокой рассеиваемой мощности, а ток можно контролировать напрямую (путем измерения напряжения на известном сопротивлении). будет либо полностью включен, либо полностью выключен, а ток будет зависеть от тестируемого напряжения. Текущая скорость нарастания не контролируется и не регулируется. Очевидно, что это не гибкое решение, которое можно адаптировать к широкому спектру требований к тестированию.

Активный поглотитель тока на основе операционного усилителя

Чтобы обеспечить переменную нагрузку и регулируемую скорость нарастания тока (скорость нарастания и падения тока нагрузки), необходимо построить активную схему стока тока на основе операционного усилителя. Топология этой схемы показана на рис. 3. Операционный усилитель управляет затвором мощного полевого МОП-транзистора, чтобы установить регулируемое напряжение на чувствительном резисторе. Это приводит к контролируемому току нагрузки, который течет от стока к истоку MOSFET и через измерительный резистор к земле. Мощный полевой МОП-транзистор увеличивает усиление по току, но не увеличивает усиление по напряжению, поскольку он работает как усилитель с общим стоком, также известный как истоковый повторитель.

Рис. 3. Базовая активная схема стока тока.

Эта схема может быть реализована с помощью n-канального полевого МОП-транзистора с чувствительным резистором на стороне низкого напряжения или p-канального полевого МОП-транзистора с чувствительным резистором на стороне высокого напряжения. В последнем случае цепь более точно описывается как источник тока. В любом случае, чувствительный резистор добавляет немного отрицательной обратной связи, поскольку он подключен к истоку MOSFET, вычитая напряжение затвор-исток при увеличении тока и, наоборот, добавляя возбуждение затвора при уменьшении тока, что способствует стабильности.

На рис. 4 показана практическая реализация схемы активного стока тока с n-канальным полевым МОП-транзистором. Эта схема объединяет простой сток тока, показанный на рис. 3, с дифференциальным усилителем. Эта топология повышает точность за счет учета динамической и статической разности потенциалов земли между входным сигналом (SGND) и нижней стороной чувствительного резистора (GND).

Рис. 4. Подробная схема стока тока.

Ток нагрузки, развиваемый этой схемой, пропорционален напряжению управляющего сигнала (обозначен как форма сигнала нагрузки на рис. 4), при этом коэффициент усиления задается соотношением входного сопротивления и сопротивлений, задающих коэффициент усиления. Например, используя принцип суперпозиции для анализа схемы на рис. 4, мы видим, что ток следует за входным сигналом, масштабированным коэффициентом усиления 1/2 и сопротивлением считывания.

Ток нагрузки = (V _S  − GND)/R _SENSE

В _S = (Форма сигнала нагрузки) × (R/3R) × (1 + R/2R) – SGND × (R/2R) + GND × (2R/3R) × (1 + R/2R)

В _S = (Форма сигнала нагрузки — SGND) × (R/2R) + GND

В _S — GND = (форма сигнала нагрузки — SGND) × (R/2R)

Ток нагрузки = (форма сигнала нагрузки – SGND) × (1/2) / R _SENSE

Таким образом, измерительный резистор относится к заземлению питания, а входной сигнал относится к сигнальному заземлению. Конфигурация разностного усилителя сводит к минимуму вредное влияние сдвига питания и земли и сигнала на землю на точность втекающего тока.

Активная схема стока тока имеет много преимуществ по сравнению с простым переключаемым сопротивлением. В отличие от простого сопротивления, приемник активного тока может генерировать переменный ток нагрузки от нуля ампер до максимального тока. Кроме того, поскольку ток нагрузки управляется операционным усилителем по замкнутому контуру, ток точно отслеживает управляющий сигнал, поэтому активный сток тока может обеспечивать контролируемую скорость нарастания тока. Наконец, поскольку в схеме имеется элемент сопротивления с фиксированным сопротивлением, точное широкополосное измерение тока нагрузки относительно просто. На рис. 5 показан один из способов добавления второго усилителя для измерения тока нагрузки; в данном случае он сконфигурирован как усилитель крутизны, что позволяет легко суммировать сигналы измерения тока от нескольких цепей стока тока.