Имитатор электрической нагрузки. Электронная нагрузка своими руками

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.

Все электронщики, занимающиеся конструированием устройств электропитания, рано или поздно сталкиваются с проблемой отсутствия нагрузочного эквивалента или функциональной ограниченностью имеющихся нагрузок, а так же их габаритами. К счастью, появление на российском рынке дешевых и мощных полевых транзисторов несколько исправило ситуацию.

Стали появляться любительские конструкции электронных нагрузок на базе полевых транзисторов, более пригодных к использованию в качестве электронного сопротивления, нежели их биполярные собратья: лучшая температурная стабильность, практически нулевое сопротивление канала в открытом состоянии, малые токи управления - основные преимущества, определяющие предпочтительность их использования в качестве регулирующего компонента в мощных устройствах. Более того, самые разнообразные предложения появились от производителей приборов, прайсы которых пестрят самыми разнообразными моделями электронных нагрузок. Но, так как производители ориентируют свою весьма сложную и многофункциональную продукцию под названием "электронная нагрузка" в основном на производство, цены на эти изделия настолько высоки, что покупку может позволить себе лишь весьма состоятельный человек. Правда, не не совсем понятно, - зачем состоятельному человеку электронная нагрузка.

ЭН промышленного изготовления, ориентированного на любительский инженерный сектор, мною замечено не было. Значит, опять придется все делать самому. Э-эх... Начнем.

Преимущества электронного эквивалента нагрузки

Граждане портала, имеющие отношение к конструированию и ремонту блоков питания, несомненно знают ответ на этот вопрос. Лично я вижу два фактора, достаточных для того, что бы иметь в своей "лаборатории" электронную нагрузку: небольшие габариты, возможность управления мощностью нагрузки в больших пределах простыми средствами (так, как мы регулируем громкость звучания или выходное напряжение блока питания - обычным переменным резистором а не мощными контактами рубильника, движком реостата и т.д.).

Кроме того, "действия" электронной нагрузки можно легко автоматизировать, облегчив таким образом и сделав более изощренными испытания силового устройства с помощью электронной нагрузки. При этом, разумеется, освобождаются глаза и руки инженера, работа становится продуктивней. Но о прелестях всех возможных наворотов и совершенств - не в этой статье, и, быть может, от другого автора. А пока, - лишь о еще одной разновидности электронной нагрузки - импульсной.

Еще несколько фото

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

Схема электронной нагрузки на транзисторах

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

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

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

Сборка устройства

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

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

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Обычно при изготовлении (как впрочем и при ремонте) блоков питания или преобразователей напряжения требуется проверить их работоспособность под нагрузкой. И тут начинаются поиски. В ход идёт всё, что есть под рукой: различные лампы накаливания, старые электронные лампы, мощные резисторы и тому подобное. Подбирать нужную нагрузку таким образом — это невероятно затратное (как по времени, так и по нервам) занятие. Вместо этого очень удобно пользоваться электронной регулируемой нагрузкой. Нет, нет, не надо ничего покупать. Сделать такую нагрузку сможет даже школьник. Всё, что нужно, — это мощный полевик, операционный усилитель, несколько резисторов и радиатор побольше. Схема — более чем простая и, тем не менее, отлично работает.

Идея заключается в том, чтобы с помощью операционника стабилизировать падение напряжения на специальном токоизмерительном резисторе. Делается это следующим образом: на неинвертирующий вход операционника подаётся некое опорное напряжение, а на инвертирующий вход — падение напряжения на токоизмерительном резисторе. Операционник обладает таким свойством, что в установившемся режиме, разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах равна нулю (если конечно он не находится в режиме насыщения, но нам для того и мозг с калькулятором, чтобы всё посчитать и подобрать). Выход операционного усилителя подается на затвор MOSFET и, таким образом, управляет степенью открытия полевого транзистора, и, следовательно, током через него. А чем больше ток через полевик, тем больше падение напряжения на токоизмерительном резисторе. Получается отрицательная обратная связь.

То есть, если в результате нагрева характеристики полевика изменятся так, что ток через него увеличится, то это вызовет увеличение падения напряжения на токоизмерительном резисторе, появится отрицательная разность напряжений (ошибка) на входах ОУ и выходное напряжение операционника начнёт уменьшаться (при этом начнёт уменьшаться степень открытия полевика и ток через него), до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю. Если же ток через полевик по каким-либо причинам уменьшится, то это вызовет уменьшение падения напряжения на токоизмерительном резисторе, появится положительная разность напряжений (ошибка) на входах ОУ и выходное напряжение операционника начнёт увеличиваться (при этом начнёт увеличиваться степень открытия полевика и ток через него), до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю. Короче, такая схема стабилизирует падение напряжения на токоизмерительном резисторе — оно после всех переходных процессов устанавливается равным опорному напряжению (которое подаётся на неинвертирующий вход).

Изменяя в этой схеме опорное напряжение, можно произвольным образом регулировать ток через полевик, причём заданный ток получается стабильным, поскольку зависит только от величины опорного напряжения и сопротивления токоизмерительного резистора, и не зависит от параметров MOSFET, которые могут очень сильно меняться в результате нагрева. Опорное напряжение можно задавать простым делителем, а регулировать — подстроечными резисторами.

Элементы схемы :

Операционный усилитель — любой, допускающий однополярное питание, я использовал OP220.

T1 — мощный MOSFET, любой, лишь бы мощность побольше мог рассеять, я брал CEP603AL из старого компьютерного блока питания. (тут понятное дело есть ограничение по напряжению открытия полевика и току через него, но об этом ниже)

R ti — токоизмерительный резистор на десятые доли Ом, таких полно везде: в принтерах, в мониторах и т.д., я брал из принтера 0,22 Ом, 3 Вт

R nd = 10 кОм — резистор, определяющий диапазон задания тока

R kd = 10 кОм — резистор, определяющий начальный диапазон задания тока

R gn = 2 кОм — резистор, с помощью которого выставляется ток в пределах заданного диапазона

R tn = 330 Ом — резистор, необходимый для точной подстройки заданного тока

Отличные подстроечники, с удобными ручками, можно снять с плат старых компьютерных мониторов.

Готовое изделие :

Итак, теперь посмотрим, как это всё рассчитывается :

U 1 =U п *(R gn +R tn)/(R nd +R kd +R tn +R gn), где U п — напряжение питания, U 1 — напряжение на неинвертирующем входе ОУ

U 2 =I н *R ti , где I н — ток нагрузки, U 2 — падение напряжения на токоизмерительном резисторе (и, соответственно, напряжение на инвертирующем входе ОУ)

Из условия равенства напряжений на входах ОУ, имеем:

U п *(R gn +R tn)/(R dn +R kd +R tn +R gn)=I н *R ti , отсюда находим:

Iн=Uп*(R gn +R tn) / ((R dn +R kd +R tn +R gn)*R ti)

Подставив в это выражение номиналы наших резисторов, определим диапазоны настройки тока:

при Rnd=10 кОм, получаем Iн = Uп*2,33/((2,33+10+10)*0,22)=Uп*0,47

при Rnd=0, получаем: Iн = Uп*2,33/((2,33+10)*0,22)=Uп*0,86

То есть, изменяя сопротивление резистора Rnd от 10 кОм до нуля, мы изменяем верхнюю границу диапазона настройки тока от 0,47*Uп до 0,86*Uп. Это означает, что, например, для питания +10В мы сможем настраивать ток в диапазоне от 0 до 4,7 А или от 0 до 8,6 А, в зависимости от сопротивления резистора R nd , а для питания +5В от 0 до 2,35 А или от 0 до 4,3 А. В заданном диапазоне ток настраивается подстроечниками Rgn (грубо) и Rtn (точно).

Есть три ограничения. Первое ограничение связано с токоизмерительным резистором. Поскольку этот резистор рассчитан на максимальную рассеиваемую мощность P R , то максимальный ток через него не должен превышать значения, определяемого выражением: I 2 макс =P R /R ti . Для указанных номиналов: I 2 макс =(3/0,22), I макс =3,7 А. Увеличить это значение можно выбрав резистор с меньшим сопротивлением (тогда диапазоны тоже придётся пересчитать), применив радиатор или соединив параллельно несколько таких резисторов.

Вторые два ограничения связаны с транзистором. Во-первых, на транзисторе выделяется основная рассеиваемая мощность (поэтому для лучшего теплоотвода следует прикрутить к нему радиатор размером побольше). Во-вторых, транзистор начинает открываться, когда напряжение между затвором и истоком (Vgs превысит некоторое пороговое значение, threshold voltage), так что девайс не будет работать, если напряжение питания меньше этого порогового значения. Эта же величина будет влиять и на максимальный возможный ток при заданном напряжении питания.