Электронная нагрузка для тестирования блоков питания
Схемы эквивалентов нагрузки с плавной регулировкой потребляемого тока на транзисторах и операционных усилителях
Для проверки источников питания или преобразователей напряжения зачастую используются нагрузки, представляющие собой набор мощных резисторов (или ламп накаливания, спиралей нагревателей и т. д.). При коммутации этих резисторов в различные комбинации добиваются необходимого значения сопротивления, а соответственно, и величины тестируемого тока. Подобные резистивные нагрузки являются наиболее "правильными" и универсальными и позволяют тестировать не только устройства питания постоянного тока, но и усилительные устройства высоких и низких частот.
Однако для настройки блоков питания иногда бывает удобнее воспользоваться электронной нагрузкой, которая не содержит большого количества коммутируемых элементов, но при этом позволяет производить плавную регулировку потребляемого (нагрузочного) тока.
На рисунке Рис.1 приведены 2 схемы простейших эквивалентов нагрузки с плавной регулировкой тока, выполненные на транзисторах.
Рис.1 Схемы простых электронных нагрузок с плавной регулировкой тока
Левая схема обеспечивает мощность около 70 Вт, правая – 140 Вт, "отбираемых" от испытуемго устройства.
Принцип работы устройства очень прост. Если от базы транзистора Т1 (Рис.1 слева) "оторвать" потенциометр Р2, то схема превратиться в классический стабилизатор тока на полевом транзисторе с выходным током Iстаб ≈ 0.6/R5 = 6 А.
Этот ток будет близок к максимальному току, обеспечиваемому данной электронной нагрузкой.
Подсоединение цепи потенциометров к базе транзистора повышает её потенциал, что приводит к снижению уровня "срабатывания" Т1 (по отношению к напряжению на резисторе R5), а соответственно, и к уменьшению выходного тока.
Чем ниже суммарная величина сопротивлений R1, Р1 и Р2, тем меньшие значения будут иметь выходной ток и отбираемая от испытуемого ИП мощность.
Резистор R6 предотвращает опасность подвисания затвора полевика "в воздухе", которая возникает в тех случаях, когда питание на испытуемый ИП подаётся раньше, чем на подключённое к нему устройство электронной нагрузки.
Схема, изображённая на Рис.1 (справа) ничем не отличается от предыдущей, за исключением того, что для увеличения тока и мощности вместо одного полевого транзистора использованы два, соединённых параллельно.
На самом деле, количество этих транзисторов (а вместе с этим и максимальная мощность) практически ничем не ограничено (не считая размера радиатора).
Стандартная схема параллельного включения любых полевых транзисторов для любого типа устройств приведена на Рис.2.
Рис.2 Схема замещения одного полевого транзистора цепочкой из
нескольких параллельно соединённых
Резисторы номиналом 0.2 Ом, подключённые к истокам транзисторов, необходимы для выравнивания их характеристик. Относительно высокие номиналы резисторов позволяют отказаться от трудоёмкой процедуры отбора полевиков по полной идентичности, однако всё ж таки следует соблюдать разумные правила приличия и использовать близкие по параметрам полупроводники, желательно из одной партии.
Сопротивления 100 Ом в затворах – это антизвонные резисторы, предотвращающие высокочастотное возбуждение MOSFET-транзисторов.
В ситуациях, когда у бережливого радиолюбителя не находится MOSFET полевых транзисторов, но в хозяйстве затерялась кучка мощных биполярников, то ничего не мешает совершить практически равноценную замену одного на другой. Если это составной транзистор с h21э > 1000, то ничего в схеме менять не надо. Для двух параллельно соединённых транзисторов такого типа следует уменьшить номинал резистора R2 до 1 кОм.
Если же это либо обычные биполярные транзисторы, либо количество составных надо увеличить до трёх и более единиц, то следует слегка модифицировать схему, как это показано на Рис.3.
Рис.3 Схема электронной нагрузки на биполярных транзисторах
Едем дальше.
Схема, приведённая на Рис.4 – это расхожее построение электронной нагрузки на операционном усилителе, описанное во многих печатных и сетевых источниках.
Рис.4 Схема электронной нагрузки на ОУ LM358
Принцип работы приведённой электронной нагрузки (а по существу – источника тока, управляемого напряжением) заключается в сравнении значений двух напряжений:
1. напряжения, снимаемого с резистора R5 и пропорционального выходному току;
2. напряжения, поступающего на неинвертирующий вход ОУ (UОУ+).
Как только величины этих двух напряжений сравняются, операционный усилитель подкорректирует напряжение на затворе ПТ таким образом, что схема установится в устойчивое состояние, соответствующее выходному току Iстаб = UОУ+/R5 .
Операционный усилитель в данном схемотехническом построении не может быть абы каким – он обязательно должен уметь работать с нулевыми входными уровнями.
Сдвоенные ОУ серий LM158, LM258, LM358 как нельзя лучше удовлетворяют этому требованию, сочетая широту распространения и невысокую цену.
Для увеличения мощности вполне можно использовать параллельное соединение полевых транзисторов (Рис.2), однако с точки зрения "правильности" построения, предпочтительным является запараллеливание транзисторов в связке с ОУ.
На Рис.5 приведена схема, иллюстрирующая реализацию вышеизложенного.
Рис.5 Схема мощной электронной нагрузки на ОУ LM358
Преимуществом такого схемотехнического построения является строгое равенство токов каждого из каналов, что позволяет иметь в каждом из них транзисторы не только со значительным разбросом параметров, но и даже разной номенклатуры.
А теперь по поводу выбора полевых транзисторов для электронной нагрузки!!!
Внимательный и дотошный читатель наверняка обратит внимание, что на схеме, приведённой на Рис.1, указана максимальная мощность нагрузки 70 Вт, а на схеме на Рис.4 – всего 50. Что, собственно говоря, за хрень и как с этим бороться?
Отвечу, тем более что это злободневно не только для схем электронной нагрузки, но также и для всех остальных устройств, в которых ключевые транзисторы трудятся в аналоговых (линейных) режимах.
Не хочется углубляться в физику процессов, но рекомендую принять за сермяжную правду – забудьте про 100, 150, 200 и даже 300 Вт максимальной рассеиваемой мощности, указанной в datasheet-ах на Fast Switching транзисторы. Максимальная безопасная мощность для таких MOSFET-ов, находящихся в линейном режиме, в корпусе TO220 (IRFB3206) – около 50 Вт, в корпусе TO247 (RFP260) – 70...75 Вт.
Само собой разумеется, эту мощность необходимо рассеять с помощью довольно объёмистых радиаторов, либо радиаторов поменьше, но с вентилятором на борту.
Кстати, последние две схемы (на ОУ LM358) также позволяют произвести прямую замену MOSFET-ов на биполярные составные транзисторы без всякого изменения схемотехники.