Для налаживания мощных источников питания (постоянного и переменного тока) требуется низкоомная нагрузка с большой рассеиваемой мощностью. Применение низкоомных переменных резисторов затруднительно, из-за их дефицитности и малой мощности. Эквивалент нагрузки на ток десятки и даже сотни ампер можно сделать на основе электронного ключа. Этот электронный ключ выполнен на мощных полевых транзисторах. Эквивалент нагрузки не требует дополнительного источника питания, мощных выпрямительных мостов для испытания источников переменного тока и без всякой переделки пригоден для испытания источников постоянного тока. Принцип работы заключается в том, изменяя управляющее напряжение между затвором и истоком полевого транзистора, можно установить необходимый ток стока транзистора.
В устройстве использованы высоковольтные полевые транзисторы, сопротивление канала может составить единицы Ом (IRF840 R=0.85Om, Vds500v, Is =8A, IRFP460 Vds =500v, Is =20A). Для испытания низковольтных источников следует поставить низковольтные полевые транзисторы. У них значительно меньше сопротивление канала. (IRL3205 Uds=55v, Is=110A, R=0.008Om, IRFPF4368PbF Uds=75v, Is=350A, Rds=0.0012Om). Питание ключа осуществляется от источника питания нагрузки. Внешнее питание в 12В служит для испытания источников с напряжением ниже 5В. Микросхема DA1 может работать при напряжения питания от 3В -18В. Электрическая схема эквивалента нагрузки с регулированием тока в нагрузке представлена на рис.1. Устройство работает следующим образом. Учтем, что защитные диоды полевых транзисторов включены катодом к стоку. В исходном состоянии каналы полевых транзисторов закрыты (нет питания). Пусть положительная полуволна испытуемого источника напряжения присутствует на стоке транзистора VT2. Ток проходит через резистор R1, стабилитрон VD1, защитный диод полевого транзистора VT1, другой вывод источника переменного напряжения. На стабилитроне VD1 возникает падение напряжения в 15В. Через диод VD2 заряжается конденсатор С1 и микросхема VR1 получает питание. При отрицательной полуволне напряжения на стоке транзистора VT2 устройство не получает питания, так как защитный диод полевого транзистора VT1 закрыт. Диод VD2 предотвращает разряд конденсатора С1. Если устройство будет использоваться только для испытания источников постоянного тока, то диод VD2 можно удалить, заменив его перемычкой. Микросхема VR1 представляет собой регулируемый стабилизатор положительного напряжения с малым падением напряжения вход-выход. Она имеет встроенную защиту по току и перегреву. Выходное напряжение может регулироваться в пределах от 1,2 … 34В. Отечественный аналог импортной микросхемы КР142ЕН22. Рассмотрим, как получает питание устройство при открытых каналах транзисторов VT1,VT2. Пусть на стоке транзистора VT1 действует положительная полуволна. Ток проходит через открытый канал транзистора VT1,стабилитрон VD1 (падение напряжение на нем 0,7В), резистор R1, сток транзистора VT2, первый вывод источника переменного тока. На стоке транзистора VT1 действует отрицательная полуволна. Ток проходит через открытый канал транзистора VT1 и его открытый защитный диод, стабилитрон VD1 (падение на нем 12В), резистор R1, сток транзистора VT2, первый вывод источника переменного тока. При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, между стоками транзисторов VT1-VT2 необходимо установить диод 1,5КЕ400СА, защищающий их от всплесков напряжения, возникающих на индуктивной нагрузке при её коммутации. Рассмотрим, как осуществляется регулировка тока в нагрузке. Выходное напряжение с микросхемы VR1 поступает на затворы полевых транзисторов. Изменяя выходное напряжение микросхемы VR1, мы в свою очередь изменяем управляющее напряжение для полевых транзисторов. Полевые транзисторы с индуцированным затвором при нулевом напряжении между затвором и истоком имеют нулевой ток стока. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового уровня Uпор. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока. Обычно пороговое напряжение находится в пределах 4-5В. Но существуют полевые транзисторы, имеющие пороговое напряжение в 2-3В. Фирма IRF добавляет в обозначение таких транзисторов букву L. Выходные характеристики полевых транзисторов, как правило, имеют две области: линейную и насыщения. В линейной области вольтамперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольтамперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. Иногда пороговое напряжение называют напряжением отсечки. Особенности этих характеристик обуславливают области применения этих транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе. Области насыщения и отсечки используют как ключ, управляемый напряжением на затворе. Таким образом, изменяя с помощью резистора R4 величину выходного напряжения стабилизатора VR1, происходит установка тока через электронный ключ. Еще удобнее пользоваться для установки тока стока входными характеристиками полевого транзистора [Iст = f(Uзатв,исток)]. Ключ может коммутировать, регулировать и постоянный ток. К стоку транзистора VT1 необходимо подключить (-)Еп, а к стоку транзистора VT2 подключаем (+)Еп. Величина резистора R1 выбирается в зависимости от приложенного к ключу напряжения (исходя от тока стабилитрона в 30мА). Достоинством устройства является неискаженная форма сигнала на нагрузке. Это устройство можно использовать также в качестве нагрузочного сопротивления, при условии обдува радиаторов транзисторов потоком воздуха от вентилятора. Для надежной и длительной работы аккумуляторной батареи (АБ) она должна содержать аккумуляторы с близкими параметрами. Только в этом случае можно получить максимальный срок ее работы. Следовательно, необходимо измерять параметры аккумуляторов, составляющих АБ. Важным параметром аккумулятора является ВНУТРЕННЕЕ ДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (ВДС). Аккумуляторы, обладающие повышенным ВДС, препятствуют работе АБ в режиме разряда и не допускают полноценного заряда всех элементов АБ. Наличие повышенного ВДС означает последовательное включение паразитного резистора с аккумулятором (с АБ). В итоге, даже один аккумулятор не позволит получить от АБ накопленную энергию. Как правило, аккумуляторы с повышенным ВДС имеют и меньшую емкость. Измерив время, за которое напряжение на полностью заряженном аккумуляторе уменьшится до заданного значения, можно определить его емкость (при условии его разряда стабильным током). Если изменять разрядный ток аккумулятора по определенному закону (меандр), то возникает переменная составляющая напряжения на аккумуляторе. Обычно частота модуляции разрядного тока единицы Гц. В общем случае разрядный ток выбирается численно равный значению емкости аккумулятора или немного меньше. Измерив переменную составляющую напряжения на аккумуляторе, вычисляют его ВДС по формуле R =U/Iразр. Если переменная составляющая напряжения выражена в милливольтах, а ток разряда в миллиамперах, то сопротивление будет в Омах. Выбор большого тока связан с требованием получение достаточной для измерения переменной составляющей и снижением чувствительности милливольтметра переменного тока. Источники питания можно проверять как в статике, так и в динамике. На микросхеме DA1 выполнен генератор прямоугольных импульсов. При объединении выводов 2 и 6 таймер имеет два пороговых напряжения, равных 1/3 и 2/3напряжения питания, при достижении которых происходит переключение выходного напряжения на выводе 3 [2]. Пусть в начальный момент времени напряжение на выводе 3 равно напряжению питания. При это напряжение на конденсаторе С2 будет возрастать по экспоненциальному закону, т.к. он заряжается от источника постоянного напряжения через резистор R2. Как только оно достигнет значения напряжения верхнего порогового уровня, произойдет переключение напряжения вывода 3 с высокого уровня на низкий (нуль). После этого конденсатор С2 начнет разряжаться. Разрядка будет продолжаться до достижения низкого порогового напряжения, после чего выходное напряжение скачком возрастет и опять начнется процесс зарядки. Если кнопка SB1 не нажата, то работает генератор импульсов на микросхеме DA1 NE555 и резистор R3 периодически подключается к общему проводу (вывод 7 – это вывод открытого коллектора транзистора n-p-n внутри микросхемы DA1). При высоком уровне напряжения на выводе 3 микросхемы DA1 этот транзистор будет отключен, а при низком уровне – включен. Величина верхнего значения тока будет определяться резистором R4, а нижнее значение тока – параллельным соединением резисторов R4,R3. Таким образом, возникнет модуляция нагрузочного тока, а после расчета можно определить величину внутреннего сопротивления источника питания. Светодиод VD3 служит для индикации включения электронного ключа и при низкой частоте коммутации (<10Гц) будет видно, когда через устройство течет большой ток (светодиод горит ярко), или меньший ток (светодиод горит тускло). Светодиод лучше взять яркий (красного или зеленого цвета т.к. глаз хорошо различает градации яркости этих цветов). Если кнопка SB1 нажата, то генератор не работает и резистор R3 будет отключен от резистора R4 и с его помощью(R4) устанавливается ток через нагрузку в статике.
С помощью тумблера SA1 можно отключить нагрузку, при этом устройство получает питание и можно будет выставить напряжение на затворах транзисторов (которое определяет величину тока). Источник постоянного тока нужно подключить строго минусом к стоку транзистора VT1. Величина резистора R1 определяется исходя напряжения испытуемого источника напряжения и тока через стабилитрон VD1 в 30 мА. Резистор R7 ограничивает ток затвора транзисторов VT1,VT2. Устройство собрано на печатной плате размером 80*45мм. Силовые транзисторы расположены на отдельном радиаторе. Если транзисторы обдувать воздухом с помощью вентилятора от компьютера, то габариты радиатора можно существенно уменьшить. Питание для вентилятора можно взять с конденсатора С1. Для повышения стабильности работы стабилизатора на его выходе желательно поставить танталовый конденсатор в 22мкф (на фото он присутствует, а на принципиальной схеме он не нарисован). Дело в том, что некоторые образцы стабилизатора не возбуждаются и без конденсатора. Стабилизатор можно заменить на LP2950, К1184ЕН1/2 с выходным током 100мА. Стоимость этих стабилизаторов такая же, как и LT1085. Желательно в силовую цепь поставить амперметр для измерения постоянного тока и использовать токовые клещи для переменного тока (например, М266С). Настройка заключается в установке напряжения на выходе стабилизатора. Лучше начать с минимального порогового напряжения для выбранных силовых транзисторов. Справочные данные и выходные характеристики можно найти в интернете. Транзисторы лучше брать в металлическом корпусе с жесткими выводами и стеклянными изоляторами. У меня стоят транзисторы КП809Б, они держат ток 20А и напряжение 500В. Пороговое напряжение у них 3В. При 4В ток 2,5А, при 5В ток 6,5А, при 6В ток 13А, при 6,5В ток 17А. Чтобы точно установить ток используются переменные построечные резисторы СП3-39А с червячным механизмом передвижения ползунка. Генератор включают, когда необходимо определить ВДС источников постоянного тока. Переменное напряжение на источнике определяют милливольтметром переменного тока. Если внешнее питание превышает 12В, то необходимо ограничить ток через стабилитрон VD1(например, поставить автомобильную лампу на 24В 5ВТ). Для испытания маломощных источников придется выбрать менее мощные транзисторы, что является определенным недостатком устройства.
1. Трейстер Р. Радиолюбительские схемы на ИС типа 555.
2. Петин Г. ШИМ - регулятор на основе таймера и его применение в
импульсных источниках питания. Схемотехника №1 2007г., с.44-46.
