Электронная нагрузка — достаточно полезный прибор в домашней лаборатории радиолюбителя, который незаменим при испытании различных источников питания постоянного тока. Такие устройства могут быть импульсными или линейными. Меня привлекает именно линейный вариант.
В интернете есть множество вариаций схем электронных нагрузок на операционном усилителе LM358 и MOSFET (МОП-транзисторах). Однако, изучив теоретические материалы и проведя ряд экспериментов, я понял, что использовать MOSFET в линейном режиме — довольно сомнительная затея. Большинство даже оригинальных полевых транзисторов предназначены для работы в ключевом (импульсном) режиме. А с учетом того, что большая часть компонентов на маркетплейсах является подделкой или перемаркировкой, результат вообще будет непредсказуемым.
Поэтому я решил использовать мощные биполярные транзисторы, а точнее — транзисторы Дарлингтона (составные транзисторы, состоящие из двух последовательно соединенных биполярных транзисторов). Чтобы обезопасить себя от возможных подделок, я решил приобрести компоненты отечественного производства. Мой выбор пал на КТ829А. Это кремниевый мощный низкочастотный составной биполярный транзистор структуры n-p-n.
Его основные характеристики:
- Максимальное напряжение коллектор-эмиттер: 100 В;
- Максимальный постоянный ток коллектора: 8 А;
- Максимальная рассеиваемая мощность: 60 Вт (с теплоотводом);
- Статический коэффициент передачи тока: не менее 750;
- Корпус: TO-220.
Они есть в местном магазине «Чип и Дип» по цене всего 65 рублей за штуку. Наиболее близким импортным аналогом является TIP122, поэтому именно его я указывал при симуляции в Proteus — российских деталей там, конечно же, нет.
Кстати, обратите внимание: это не советские запасы. Судя по маркировке, транзисторы выпущены на Брянском заводе полупроводниковых приборов в апреле 2024 года.
Итак, представляю мой вариант схемы.
Здесь опорное напряжение формируется микросхемой TL431 и делителем напряжения на R1 и RV1, после чего поступает на два канала операционного усилителя LM358. Операционный усилитель сравнивает эти напряжения с падением напряжения на шунтах (R7, R8) и выдает ток для управления базами транзисторов. В качестве шунтов используются резисторы номиналом 0,1 Ом и мощностью 5 Вт.
Выходной ток каждого канала определяется напряжением с делителя. В данной комбинации (R1 на 100 кОм и потенциометр на 10 кОм) мы получим напряжение 0,227 В. Такое же напряжение будет падать на шунтах при токе 2,27 А. Таким образом, мы имеем два канала по 2,27 А, соединенных параллельно, что дает итоговые 4,5 А на входе нагрузки. Теоретически общую мощность можно поднять до 120 Вт, но это при идеальных радиаторах. У меня больших теплоотводов нет, но для моих задач и пары ватт на канал будет вполне достаточно.
При желании максимальный ток можно изменить подбором сопротивлений R1 и RV1. Также легко варьировать число каналов: убрать один или, наоборот, добавить еще два. Цепочки R4, C5 и R6, C6 необходимы для предотвращения самовозбуждения операционного усилителя. Кроме того, они обеспечивают небольшую задержку при вращении потенциометра, создавая плавность хода. Если такая задержка вас раздражает, емкость этих конденсаторов можно уменьшить.
Схема запитана от 5 В, но напряжение можно без проблем увеличить до 12 В без изменения номиналов деталей — это сделает работу усилителей более линейной.
Смонтировал схему на макетной плате.
Размеры макетной платы я взял с запасом не случайно — это задел под будущие эксперименты. Есть задумка в дальнейшем попробовать реализовать здесь управление от микроконтроллера. Ну а радиаторы пока поставил какие были под рукой, позже, возможно, подвернется что-то посерьезнее.
Итак, включение и испытания. Для тестов использовал самодельный лабораторный блок питания со встроенным вольт-амперметром. Питание самой схемы организовал от обычной USB-зарядки.
Сначала проверил холостой ход: потенциометр выставлен в ноль, с лабораторника подано напряжение около 5 В.
На фото выше видно, что на входе нагрузки присутствует небольшой ток (около 30 мА). Это вызвано наличием смещения нуля у операционного усилителя LM358. Для устранения этого недостатка можно применить другой, прецизионный операционник или внедрить схему компенсации. Но лично я не вижу ничего страшного в 30 мА, пусть остаются.
Далее проверил возможность выдавать максимальный ток 4,5 А при напряжении нагрузки 5 В. Разумеется, делал это кратковременно: с моими радиаторами получившиеся 22,5 Вт — это запредельный режим.
Ток устройство выдает, даже с небольшим запасом. Присутствует легкая задержка при вращении потенциометра — собственно, как и должно быть.
Затем проверил стабилизацию тока. Для этого задал потенциометром ток 1,1 А и изменял напряжение источника питания от 3 до 9 В. Ток при этом практически не менялся.
Результатами тестирования я доволен. Здесь еще есть огромное поле для усовершенствований. Как я говорил ранее, хочу попробовать управление от микроконтроллера. Причем подавать управляющее напряжение на вход операционника планирую с полноценного ЦАП, а не использовать ШИМ-сигнал.
Продолжение: