Тема электронных нагрузок довольно популярна в настоящее время. Однако, не смотря на разнообразие схем и вариантов, большинство из них реализуют один и тот же принцип управления током. Я говорю о линейных нагрузках, а не импульсных. Причем это касается и выпускаемых промышленностью нагрузок.
В основе очень многих электронных нагрузок лежит схема, подобная такой
Схема известна очень давно и многократно публиковалась. Различные модификации, например, замена полевого транзистора на биполярный, не влияют радикально на работу схемы.
Еще больше различных тем на форумах, где эти нагрузки обсуждаются. Но эти обсуждения часто касаются какой то модели и ее изготовления. Объяснение лежащих в основе работы нагрузок принципов и решений часто остается "за скобками", что не очень радует начинающих любителей. Давайте попробуем восполнить этот пробел.
Статья рассчитана на начинающих любителей электроники и тех, кто еще не сталкивался с активными (электронными) нагрузками. Я постараюсь просто и наглядно, с минимумом формул (причем простых), рассказать о работе электронных нагрузок и некоторых их особенностях.
В конце статьи я приведу ссылку на полную схему своего силового модуля электронной нагрузки. Просто в качестве примера того, как все это может выглядеть в реальной схеме с учетом всего написанного в статье. В качестве примера, не более того.
Зачем нужны электронные нагрузки
Если очень просто, то электронные нагрузки позволяют заменить реостаты (регулируемые мощные резисторы), используемые для настройки и проверки блоков питания, тестирования аккумуляторов и батарей и измерения их емкости. Это их основное применение.
Электронные нагрузки просто удобнее, чем реостаты. Кроме того, можно автоматизировать процесс управляя нагрузкой с помощью компьютера. Классический реостат, например, не позволяет разряжать аккумулятор постоянным током. Так как ток разряда будет зависеть от напряжения, при постоянном сопротивлении.
Самые простые электронные нагрузки обычно реализуют только один режим работы - постоянный ток нагрузки. То есть, являются стабилизаторами тока, по своей сути. Более сложные нагрузки позволяют задавать дополнительно режим постоянного сопротивления, что аналогично классическому реостату. Возможен и режим постоянной мощности, когда ток растет при снижении напряжения.
Поскольку все электронные нагрузки являются стабилизаторами тока, их можно использовать (совместно с источником питания) для заряда аккумуляторов или регулирования мощности нагрузки постоянного тока.
В отличии от обычного реостата, электронная нагрузка может отслеживать выход тока нагрузки или напряжения на нагрузке за установленные пределы. Что позволяет избежать слишком глубокого разряда аккумуляторов и батарей в процессе тестирования. Кроме управления от компьютера нагрузка может вести журнал тестирования, который передается на компьютер.
Ограничения электронных нагрузок
Кроме плюсов электронные нагрузки имеют и минусы. Причем речь идет даже не о большей сложности или высокой цене. Дело в том, что электронная нагрузка, как активный элемент цепи, обладает определенной инерционностью. Что создает фазовый сдвиг между протекающим через нагрузку током и приложенным к нагрузке напряжением.
Именно по этой причине электронные нагрузки обычно используют только в цепях постоянного тока. Заменить динамик при настройке УНЧ не получится. Как не получится имитировать комплексную нагрузку, например, емкостно-индуктивную.
При этом теоретическая возможность создания нагрузки лишенной подобных ограничений имеется. И такие нагрузки, где ограничения в определенной степени сняты или уменьшены, есть. Но это дорогие профессиональные модели, о которых сегодня разговора не будет.
Как стабилизировать ток? Или простейшая нагрузка
На самом деле, решение задачи стабилизации тока очень простое. Но что бы оно стало понятным, начнем немного издалека. А именно, с закона Ома,который безусловно все знают.
I = U / R
Что бы ток был неизменным, нам нужно постоянство сопротивления и приложенного к нему напряжения. С постоянством сопротивления проблем нет, но как обеспечить постоянство приложенного напряжения, если входное напряжение изменяется? Нет, мы не будем использовать стабилитроны. Мы используем эмиттерный повторитель.
Вряд ли эта схема нуждается в серьезных пояснениях. Но все таки, для новичков, я приведу некоторые формулы. Для транзистора работающего в активном режиме, поскольку это источник тока управляемый током, можно записать соотношения
То есть, ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора. Поскольку мы сейчас работаем не с малосигнальными параметрами (малые приращения токов и напряжений), необходимо использовать коэффициент передачи тока базы для большого сигнала H21э вместо h21э.
Напряжение на резисторе R1, который и является в нашем случае нагрузкой повторителя, равно
Uн=IэR1
То есть полностью определяется током эмиттера (при постоянном сопротивлении R1). Что бы обеспечить требуемое напряжение на нагрузке нам необходимо обеспечить входное напряжение
При этом ток базы будет определяться параметрами транзистора и сопротивлением нагрузки
Поскольку коэффициент передачи тока базы обычно много большей, знаменатель можно упростить. И наконец мы можем получить классическую формулу
То есть, напряжение на выходе эмиттерного повторителя не зависит от напряжения на коллекторе транзистора. Во всяком случае, для идеального транзистора. А значит, зафиксировав напряжение на базе транзистора эмиттерного повторителя (относительно земли), мы обеспечиваем постоянство тока протекающего через R1 вне зависимости от напряжения на коллекторе.
Остается вспомнить, что ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы. При этом ток базы существенно меньше (в H21э раз) тока коллектора, а значит можно просто считать ток коллектора примерно равным току эмиттера.
Получается, что эмиттерный повторитель можно рассматривать как стабилизатор тока коллектора. При неизменном напряжении на базе. И мы получили простейшую электронную нагрузку
Здесь Uрег это напряжение регулирующее ток нагрузки.
Вместо биполярного транзистора можно использовать полевой с изолированным затвором и индуцированным каналом (E-MOS). То есть, не эмиттерный, а истоковый повторитель. Принцип работы останется неизменным, только вместо Uбэ будет использоваться пороговое напряжение Uth, а вместо коэффициента передачи тока базы будет использоваться крутизна S транзистора. В статическом режиме ток затвора будет отсутствовать (для идеального транзистора) и ток истока будет равен току стока. Я не буду приводить все формулы, ограничусь лишь одной
Uн = Uвх - Uth
Напряжение на выходе истокового повторителя не зависит от напряжения на стоке. Тоже для идеального транзистора.
Недостатки простейшей схемы
Для идеальных транзисторов все выглядит очень просто и красиво. Почему тогда схемы реальных нагрузок гораздо сложнее? Дело в том, что параметры реальных транзисторов не являются постоянными величинами.
Коэффициент передачи тока базы реальных транзисторов зависит от тока коллектора и напряжения коллектор эмиттер
Напряжение насыщения коллектор эмиттер, которое оказывает влияние на максимально достижимое выходное напряжение, зависит от тока базы и тока коллектора
Напряжение база-эмиттер зависит от тока коллектора
Крутизна полевых транзисторов зависит от тока стока и температуры
Все это приводит к тому, ток нагрузки становится зависимым от напряжения на нагрузке (выходе тестируемого блока питания) и температуры, как минимум. А передаточная характеристика, то есть, зависимость тока нагрузки от управляющего напряжения Uрег, становится нелинейной.
И если с последним иногда можно смириться (проградуировав шкалу или введя поправочные коэффициенты в программу), то зависимость тока от напряжения является заметным недостатком.
Улучшаем свойства нагрузки усложняя ее схему
Для устранения недостатков простейшей нагрузки нам надо каким то образом исключить влияние параметров транзистора на ее работу. Одним из самых простых решений является введение в схему операционного усилителя
Не обращайте внимания на номера выводов ОУ. Операционный усилитель здесь включен как повторитель. У классической схемы повторителя на ОУ выход соединен с инвертирующим входом. В данном случае в петлю обратной связи включен и эмиттерный повторитель.
И это не менее классическая схема идеализированного (улучшенного) эмиттерного повторителя. Или схема усилителя на ОУ с усилителем мощности на эмиттерном повторителе. Кому как больше нравится.
Резистор R2 ограничивает выходной ток ОУ, который является одновременно током базы транзистора. Резистор R1 ограничивает входной ток ОУ при пробое транзистора или переходных процессах (о них чуть позже). В цепи эмиттера транзистора по прежнему установлен резистор. Теперь это шунт, который используется для измерения тока нагрузки.
За счет большого коэффициента усиления ОУ мы получаем коэффициент передачи повторителя по напряжению очень близкий (но чуть меньший) к единице. То есть, практически полностью исключается влияние коэффициента передачи тока базы транзистора. Кроме того, теперь исключено и влияние Uбэ на работу повторителя в целом.
При этом остается зависимость от напряжения насыщения коллектор-эмиттер (плюс падение напряжения на шунте), что сильно сказывается на работе при низких напряжениях. Так для уже упоминавшего ранее TIP33 минимальное напряжение тестируемого блока питания должно быть выше 0.5 В. И тут ничего не поделать. Параллельное включения мощных транзисторов не позволит решить проблему.
Осталась неизменной и зависимость от температуры.
Как и ранее, можно заменить биполярный транзистор полевым. Это позволит снизить мощность в цепи управления транзистором (ток выхода ОУ). Одновременно, несколько уменьшится и минимальное напряжение, при котором будет работать нагрузка. Так при использовании транзистора 2N6755 для работы нагрузки будет достаточно 0.25 В на выходе тестируемого блока питания.
В остальном, у полевых транзисторов нет преимуществ перед биполярными при таком использовании. Рассеиваемая транзисторами мощность, а это один из основных параметров, будет одинакова. Тем не менее, полевые транзисторы используют в электронных нагрузках чаще.
Если сравнить эту схему с той, что я разместил в начале статьи, то станет видна их похожесть. Собственно говоря, это и есть упрощенный (можно сказать, функциональный) вариант той довольно популярной схемы. В дальнейшем я буду отталкиваться именно от этой схемы идеализированного истокового повторителя.
Динамические параметры и стабильность
Всем известно, что операционные усилители (как и прочие усилители) нуждаются в частотной коррекции, что бы избежать самовозбуждения. Однако, выпускается не мало и усилителей с внутренней коррекцией, которая не требует внешних элементов.
При этом внутренняя коррекция не является абсолютной панацеей. Частотно-зависимые элементы в цепи обратной связи все равно могут привести к самовозбуждению. Идеальный истоковый повторитель не вносит сдвига фазы между входным и выходным сигналами. А вот реальный это делать может.
Причиной тому ограниченные частотные свойства транзисторов и их внутренние емкости. Кроме того, у нас есть и RC цепочка, которая влияет на сдвиг фазы. Это резистор R2 и входная емкость (нелинейная) транзистора.
Полноценное рассмотрение частотной коррекции усилителей не является целью данной статьи. Поэтому я рассмотрю вопрос кратко, очень кратко.
В схеме в начале статьи самовозбуждение подавляется конденсатором С2 включенным между затвором и истоком транзистора. Это просто ограничивает полосу пропускания каскада в целом. Теперь частота самовозбуждения оказывается за пределами полосы пропускания, что и исключает самовозбуждение. В целом, это довольно типичный метод.
Однако, это приводит к заметному ухудшению времени реакции на внешние возмущения. Например, на изменение напряжения на выходе тестируемого блока питания. Другими словами, на динамические характеристики нагрузки. И вот этот вопрос давайте рассмотрим подробнее.
Пусть у нас на входе Uрег присутствует некоторое напряжение, которое должно определять ток нагрузки. При этом тестируемый блок питания отключен. А значит, напряжение на Rш равно нулю. На входах ОУ присутствует дифференциальное напряжение, что вызывает появление напряжения на выходе ОУ. А это напряжение полностью открывает мощный транзистор.
То есть, при ненулевом напряжении на входе управления и нулевом напряжении на входе нагрузки мощный транзистор полностью открыт.
Если теперь подать напряжение на вход нагрузки (включить тестируемый БП), то через канал открытого транзистора, резистор шунта, соединительные провода, потечет ток ограниченный лишь суммарным сопротивлением перечисленных элементов. И этот ток будет гораздо выше, чем установлено управляющим напряжением.
Фактически, к шунту будет приложено практически полное напряжение с тестируемого блока питания. Это напряжение поступит на инвертирующий вход ОУ. Это напряжение будет гораздо выше, чем при установившемся режиме работы. И резистор R1 как раз и защищает вход ОУ от протекания слишком большого тока.
Теперь ОУ будет корректировать выходное напряжение, что бы отработать резкий скачок напряжения шунте. Однако, быстродействие ОУ ограничено, поэтому выходное напряжение начнет изменяться с небольшой задержкой. Дополнительную задержку изменения напряжения на затворе даст резистор R2 и входная емкость транзистора. И сам транзистор обладает ограниченным быстродействием.
Правда полевые транзисторы обычно более быстрые, чем типовые биполярные (часто используют низкочастотные). Так что время реакции нагрузки будет в большей степени определяться параметрами ОУ (быстродействие и скорость изменения выходного напряжения) и параметрами RC цепи.
При этом нагрузка будет вести так
То есть, при скачке входного напряжения (не Uрег) при включении тестируемого БП возникает кратковременный импульс тока значительно превышающий установленный ток. А это может вывести из строя и саму нагрузку, и тестируемый блок питания.
Полностью решить эту проблему сложно. Поэтому и советуют перед подключением тестируемого блока питания вывести регулировку тока нагрузки в ноль. Но это не решает проблему полностью, так как подобное поведение будет при любом изменении напряжения на входе нагрузки. Просто при малых и медленных возмущениях проблема не столь заметна и не столь критична.
Что бы улучшить динамические параметры нагрузки нужно применять быстродействующие ОУ с высокой скоростью нарастания выходного напряжения. И популулярный LM358 тут далеко не лучший вариант! Хоть и самый дешевый.
Кроме того, нужно стремиться уменьшить входную емкость транзистора, а не подключать параллельно ей дополнительный внешний конденсатор (как это сделано в схеме в начале статьи).
Еще одной причиной неустойчивости схемы и большой длительности импульса тока является то, что в таком переходном режиме может оказаться разомкнутой петля ООС. Действительно, изменение напряжения на выходе ОУ передается на затвор транзистора с задержкой, благодаря RC цепи R2-входная емкость транзистора. А в схеме в начале статьи R4C2, причем емкость С2 тут играет решающую роль.
Таким образом, проблему устойчивости (отсутствие самовозбуждения) нельзя решать так, как это сделано в популярной схеме приведенной в начале статьи.
Решаем вопросы устойчивости и улучшения динамических характеристик
Давайте я сразу приведу фрагмент схемы силового каскада нагрузки, в котором описанные выше проблемы частично решены. Да, это моя схема. И в ней тоже есть недостатки, я о них знаю.
Во первых, здесь использован более быстрый ОУ. У MC33078 частота единичного усиления 16 МГц и скорость нарастания выходного напряжения 7В/мкс. Сравните с LM358, где типовая частота единичного усиления равна 1.1 МГц, а скорость нарастания 0.6В/мкс.
Во вторых, здесь приняты меры для снижения коэффициента усиления при кратковременном разрыве петли ООС при переходных процессах. Для этого используется R4. Да, это снижает коэффициент усиления каскада на ОУ в целом, а не только на время переходных процессов. Но такого усиления достаточно для минимизации влияния параметров транзистора. При этом быстродействие ОУ будет более высоким, что сокращает продолжительность переходных процессов. Точность поддержания тока нагрузки при этом не страдает.
В третьих, здесь не используется конденсатор между затвором и истоком транзистора. Возможное самовозбуждение исключается конденсатором С3, который включен параллельно R4. И этот конденсатор гораздо меньшей емкости, чем в классической схеме. Это уменьшает задержку вносимую RC цепочкой в цепи управления затвором, что сокращает продолжительность переходных процессов.
В четвертых, сопротивление резистора в цепи затвора (R6) гораздо меньше, чем в классической схеме. Это не только сокращает продолжительность переходных процессов, но и повышает общую устойчивость схемы.
Эта схема была повторена несколькими коллегами и знакомыми. Типичное значение емкости конденсатора, для исключения самовозбуждения, порядка 200 пФ. Причем вместо MC33078 использовались и MC34071. Один раз пришлось увеличить емкость до 300 пФ, но там у человека были проблемы с монтажем (на макетной плате проводочками).
Длительность переходного процесса при включении тестируемого блока питания (установленное значение тока 3А, напряжение 30В) была менее 1 мкс (порядка 0.8 мкс, если правильно помню). Удавалось добиться и меньших времен. На изменение напряжения тестируемого блока питания ручным регулятором не оказывало видимого влияния на ток нагрузки. Как и небольшие (в пределах 5В) скачки напряжения.
Тем не менее, рекомендация вывести установку тока в ноль перед подключением тестируемого источник сохраняется. Особенно, если тестируемым источником является мощный аккумулятор (например, стартерный или тяговый).
Регулировка тока нагрузки и режимы работы
Как я уже говорил, обычно используется два режима работы электронных нагрузок. Первый режим, постоянный ток нагрузки. Второй режим, постоянное сопротивление.
Режим постоянного тока нагрузки
Здесь все просто. Мы подаем на вход Uрег постоянное, но регулируемое, напряжение, которое и задает ток нагрузки. Величина напряжения определяется сопротивлением шунта и требуемым током.
Например, для шунта 0.1 Ом для тока 5 А необходимо обеспечить падение напряжения на шунте 0.5 В. Именно такое напряжение и надо подать на Uрег.
Режим постоянного сопротивления
В данном случае нам не требуется источник стабильного напряжения. Мы подаем на Uрег напряжение с делителя входного напряжения нагрузки. Разумеется, параметры делителя должны исключать возможность подачи на Uрег слишком большого напряжения.
Предположим, что максимальное напряжение на нагрузке 30 В и максимальный ток нагрузки 5 А. При сопротивлении шунта 0.1 Ом напряжение на входе Uрег не должно превышать 0.5 В. Это можно обеспечить, например, так
При снижении напряжения на нагрузке будет снижаться и ток нагрузки. Причем снижаться пропорционально напряжению. Точно так, как если бы нагрузка была обычным постоянным сопротивлением.
Заключение
Вот и все, что я сегодня хотел рассказать об электронной нагрузке. Как я уже говорил, я ориентировался на начинающих любителей, но все таки обладающих некоторыми знаниями электроники. Опытным любителям и специалистам статья будет не интересна и банальна.
Как я и обещал, даю ссылку на мой вариант силового модуля электронной нагрузки. Схема дается только в качестве примера. В этом модуле два канала, которые включены параллельно. Предусмотрена возможность независимого включения/выключения каналов. Измерение суммарного тока нагрузки осуществляется сумматором (входит в состав другого модуля) напряжений на шунтах. Схемы управления и защиты расположены вне силового модуля. Я их не привожу, так как они не имеют отношения к статье.