Foxiss Простая электронная нагрузка, все прекрасно понимают, кто хочет настроить источник питания, не может обойтись без нагрузочных испытаний. Ранее для этого использовались мощные нагрузочные резисторы, которые сегодня заменяются электронными нагрузками. Преимущества электронной нагрузки:
— возможность гибко изменять параметры (ток или сопротивление);
— компактность;
— универсальность.
Основная задача — имитировать поведение нагрузки постоянного тока, причём в двух вариантах: как источник постоянного потребляемого тока (режим CC) и как резистор с фиксированным сопротивлением (режим CR).
Режим постоянного тока (Constant Current, CC)
Как работает:
Простая электронная нагрузка ведёт себя как стабильный потребитель тока: величина потребляемого тока не зависит от входного напряжения (в пределах допустимого диапазона). Этот режим применяется, например, для разряда аккумуляторов с заданным током при измерении их ёмкости.
Схемотехника простая электронная нагрузка(рисунок, описан в тексте):
В состав входят:
— операционный усилитель (ОУ);
— силовой транзистор (полевой или биполярный);
— токозадающий резистор R1, включённый в цепь истока (эмиттера);
— источник опорного напряжения URef, формируемый, например, через резистор R2 от стабильного напряжения.
Принцип действия простая электронная нагрузка:
ОУ сравнивает напряжение на резисторе R1 (пропорциональное току нагрузки) с опорным напряжением URef. Если ток меньше заданного, напряжение на R1 ниже URef, ОУ увеличивает управляющее напряжение на транзисторе, открывая его сильнее. Ток растёт, пока падение напряжения на R1 не станет равным \( U_{\text{Ref}} \). В итоге устанавливается стабильный ток:
Поскольку URef и R1 постоянны, ток не зависит от напряжения на входе нагрузки.
Особенности:
— Напряжение на клеммах нагрузки может варьироваться в широких пределах, ограниченных только максимальным напряжением транзистора.
— Вся мощность, потребляемая от испытуемого устройства, рассеивается в виде тепла на транзисторе и, в меньшей степени, на резисторе R1.
Режим постоянного сопротивления (Constant Resistance, CR)
Имитирует поведение омической нагрузки — ток линейно зависит от приложенного напряжения. Это необходимо для проверки источников питания при разных нагрузочных характеристиках (например, при тестировании стабилизаторов).
Схемотехника (смотрим рисунки):
В этом режиме опорное напряжение для ОУ формируется не от внешнего стабильного источника, а снимается частично с самих входных клемм нагрузки с помощью резистивного делителя.
Схема представляет собой резисторный мост:
— плечо 1: резисторы R1 и R2;
— плечо 2: транзистор (работающий как переменное сопротивление) и резистор R4.
ОУ измеряет разность потенциалов между точками A и B (мостовое напряжение U AB) и управляет транзистором так, чтобы свести эту разность к нулю. Условие равновесия моста:
где R3 — эквивалентное сопротивление канала транзистора.
Реализация заданного сопротивления:
При выборе R1, R2 и R4 можно установить диапазон регулируемого сопротивления нагрузки между клеммами. Пример из текста:
— R1 = 10 Ом
— R2 = 1 кОм
— R4 = 1 Ом
Тогда при изменении R3 (за счёт управления транзистором) с помощью потенциометра на 10 кОм общее сопротивление нагрузки перекрывает диапазон от 1 Ом до 11 Ом.
Важно:
— В режиме CR ток нагрузки автоматически следует за напряжением, сохраняя заданное отношение R = U/I.
— Мостовое равновесие позволяет получить высокую линейность и стабильность сопротивления.
Практическая реализация (рисунок в начале статьи)
В статье описана конкретная схема, объединяющая оба режима с помощью переключателя S (положения A и B).
Компоненты:
— Операционный усилитель — стандартный, например, LM358 или аналогичный, питается от однополярного источника (батарея).
— Диоды D1, D2 — включены последовательно в цепь отрицательного питания ОУ, поднимают его «землю» на 1,4 В относительно отрицательной клеммы батареи. Это необходимо, чтобы ОУ мог корректно работать при низких входных напряжениях (близких к нулю).
— Переключатель — определяет, подаётся ли на неинвертирующий вход ОУ напряжение с потенциометра Rref (режим CC) или напряжение с делителя от входных клемм (режим CR).
— Транзистор T1 — силовой элемент, через который протекает ток нагрузки. Должен быть установлен на радиатор, так как на нём рассеивается основная мощность.
— Резистор Rref — в режиме CC задаёт ток, в режиме CR участвует в формировании коэффициента деления.
Расчёт мощности:
— В режиме CC: например, при токе 1,2 А и падении напряжения на Rref (например, 1,2 В) мощность на нём составит около 1,44 Вт, поэтому рекомендуется резистор на 2 Вт.
— В режиме CR: мощность зависит от настроек. Если установлено общее сопротивление нагрузки 2 Ом и на клеммах 10 В, ток будет 5 А, а мощность на транзисторе и резисторе Rref достигнет 25 Вт. Это требует соответствующего выбора компонентов и теплоотвода.
Ограничения:
— Входное напряжение не должно превышать максимально допустимое напряжение транзистора.
— Напряжение на входах ОУ должно оставаться в пределах его синфазного диапазона (с учётом поднятой «земли» через диоды).
Преимущества и выводы
— Гибкость: с помощью одного потенциометра можно плавно регулировать ток в режиме CC или сопротивление в режиме CR.
— Простота: схема содержит минимум компонентов (ОУ, транзистор, несколько резисторов, диоды, переключатель, потенциометр).
— Эффективность: электронная нагрузка занимает мало места, легко масштабируется под разные мощности путём выбора соответствующих транзисторов и радиаторов.
— Области применения: тестирование аккумуляторов, блоков питания, солнечных панелей, зарядных устройств и любых других источников постоянного напряжения.
При самостоятельном изготовлении такой нагрузки необходимо учитывать:
— Теплоотвод: транзистор должен быть установлен на радиатор, возможно, с принудительным обдувом при мощностях свыше 20–30 Вт.
— Защита: желательно добавить предохранитель по входу, а также ограничить максимальное напряжение на затворе транзистора (если используется полевой транзистор).
— Линейность: для режима CR точность поддержания сопротивления зависит от согласования резисторов моста и от качества ОУ.
В итоге, описанная схема представляет собой классическое решение для универсальной лабораторной электронной нагрузки, доступное для повторения даже начинающими радиолюбителями.
