Электронная нагрузка что это

11

Электронные нагрузки и четыре области их применения

В мире постоянно растет число устройств, применяемых для хранения и преобразования энергии. И этот факт привел к росту популярности такого оборудования, как электронная нагрузка. Электронные или цифровые нагрузки в первую очередь используют для тестирования таких устройств, как: аккумуляторные батареи, солнечные панели, светодиодные драйверы, преобразователи и конвертеры, а также топливные элементы.

Эксперт — Сергей Пустовой

Технический консультант, специалист по электромонтажным, ремонтным и наладочным работам, кандидат наук

Четыре области применения электронных нагрузок

Основным назначением электронных нагрузок является тестирование источников постоянного тока (ИПТ). Эти устройства обладают способностью имитировать различные режимы работы потребителя. Данное свойство позволяет узнать, как отреагирует блок питания на ту или иную штатную или внештатную ситуацию.

В цифровых нагрузочных тестерах применяются мощные полевые транзисторы в сочетании с пассивными элементами, не имеющими реактивной составляющей сопротивления. Такая конфигурация позволяет избежать возникновения как резонансных явлений, так и иных нестабильных режимов работы устройства.

Рассмотрим четыре основных области применения электронных нагрузок.

1. Тестирование аккумуляторных батарей

С помощью цифровых нагрузочных тестеров можно определять различные параметры аккумуляторных батарей. В первую очередь это:

• текущая емкость;
• внутренний импеданс (сопротивление);
• длительность цикла заряда и разряда батареи;
• оценка поведения аккумулятора при низких температурах и других экстремальных ситуациях.

Однако все же определение ёмкости является наиболее часто измеряемой характеристикой аккумулятора. В первую очередь это связано с тем, что данные сведения дают возможность оценить время автономной работы оборудования.

Емкость определяется как произведение величины отдаваемого тока на время. При этом следует помнить, что перед началом измерения аккумулятор должен быть полностью заряжен, а разрядный ток должен быть неизменным.

Так как у всех АКБ в процессе разряда происходит снижение рабочего напряжения, то для проведения измерения необходимо знать технические характеристики исследуемого элемента. В первую очередь это диапазон рабочих напряжений, рекомендуемые токи заряда, а также разряда.

В настоящее время наиболее используемыми являются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы серии 18650. Они имеют следующие технические характеристики:

Технические характеристики литий-ионной батареи 18650A при 25ºC.

Если в качестве примера мы возьмём такой литий-ионный аккумулятор емкостью 2500 мАч, то рекомендуемые производителем режимы заряда и разряда будут выглядеть следующим образом:

• 1. На этапе заряда ток должен быть ограничен 0,5 С, то есть половиной от номинальной ёмкости, что составляет 1250 мА. Сам процесс зарядки должен быть остановлен при достижении аккумулятором напряжения в 4,2 В.
• 2. На разрядном этапе рекомендуется использовать те же условия, что и при его зарядке. А сам процесс разрядки Li-Ion АКБ нужно остановить при достижении на клеммах в 2,5 В.

Такие условия ограничения при заряде и разряде обязательны, так как их несоблюдение ведет к снижению остаточной ёмкости аккумулятора, а также повышает риск его повреждения.

Литий-ионные элементы могут поддерживать быструю разрядку. Однако если их разряжать с низкой скоростью, то они способны отдать большую ёмкость. Также следует учитывать, что эксплуатация АКБ при низких температурах отрицательно сказывается на их емкости.

Для продления срока службы литий-ионной аккумуляторной батареи можно рекомендовать ограничить предельные значения напряжений зарядки и разрядки. Если становить их в границах, например, от 4,1 В до 2,6 В, то можно почти двукратно увеличить срок службы. При этом эксплуатационная емкость будет снижена незначительно, примерно до 2200 – 2250 мАч.

При использовании программируемых нагрузочных приборов на этапе их настройки и конфигурирования, можно воспользоваться стандартными командами SCPI (standard commands for programmable instruments).

Стандартные команды для настройки первого канала нагрузочного модуля.

Для эффективного и качественного тестирования аккумуляторных батарей мы рекомендуем использовать электронные нагрузочные тестеры таких моделей, как: EBD-A20H, EBC-A10H, EBC-A40L, а также EBC-A20 производства ZKETECH.

Опыт разряда литий-ионного аккумулятора

Владение информацией о поведении источников энергии позволяет спрогнозировать не только срок автономной работы оборудования, но и предсказать его поведение при изменении каких-либо параметров, а также подобрать подходящую схему их питания и стабилизации.

Давайте проведем тест, в котором смоделируем ждущий режим работы устройства с минимальным потреблением, а также два с активным, отличающимся интенсивностью потребления электроэнергии.

Для нашего опыта возьмем Li-Ion АКБ на 2500 мАч, а также тестер емкости аккумуляторных батарей ZKETECH EBC-A40L. Выполним разрядку батареи токами в 0,2 С (500 мА), 1 С (2500 мА) и 1,5 С (3750 мА). Полученные в результате опыта данные покажут нам поведение аккумуляторной батареи при различной интенсивности отдачи энергии.

Динамика разряда литий-ионного аккумулятора серии 18650.

Как мы видим по построенным графикам, время разряда на прямую зависит от величины приложенной нагрузки. При этом скорость падения напряжения на клеммах также будет интенсивнее снижаться.

2. Оценка переходной характеристики

Большинство существующих источников питания имеют схемы стабилизации. Однако при определенных условиях мощность потребителя может значительно возрасти. При этом работоспособность схемы может быть существенно нарушена. В результате перегрузки возникает дестабилизация работы блока питания (БП), что проявляется в появлении на его выходе перенапряжения.

Оценка переходной характеристики осуществляется с помощью имитации нештатной ситуации. БП нагружается таким образом, чтобы он выдавал максимальное выходное напряжение, а выдаваемый ток равнялся половине от максимально допустимого. Затем осуществляется резкое увеличение потребляемой мощности до 100%, это заставит БП выдать максимальный ток. Далее мы вновь резко уменьшаем потребляемую мощность, до прежнего уровня. Это приведет к резкому падению выдаваемого блоком тока.

В результате таких манипуляций как раз и возникают перенапряжения, которые блок старается нормализовать. Время, которое ему потребуется для восстановления исходных параметров, и называется временем переходного процесса. При этом питание считается восстановленным только после того, как оно нормализуется в пределах установленного уровня стабилизации.

Пример проявления перенапряжения при изменении потребления на БП.

Отметим, что для оценки времени переходного процесса не рекомендуется использовать нагрузочные резисторы, а также механические переключатели. В первую очередь это связано с тем, что часто такие резисторы конструируются в виде катушки. А такая форма приводит к появлению собственной индуктивности, которая оказывает существенное влияние на характер переходного процесса. Применение цифровых нагрузочных устройств предпочтительнее, так как их конструкция позволяет избежать проявления этого эффекта.

Цифровые нагрузки могут быть сконфигурированы либо в режиме сопротивления, либо в режиме постоянного тока. Для конфигурирования первого режима нужно сделать предварительный расчет величины сопротивлений, обеспечивающих создание необходимой мощности потребления в 50% и 100% от номинальной. Для второго режима требуется только выставить соответствующие уровни нагрузочных токов.

Следующим шагом после конфигурирования будет задание формы волны, которая обеспечит загрузку БП. Формируемые волны могут быть ступенчатыми или импульсными.

Для формирования ступенчатого сигнала подойдут большинство бюджетных моделей нагрузочных тестеров. Однако такой тип сигнала способен сформировать только один переходный процесс, который будет изменять свой уровень от 50% до 100% или же наоборот.

Импульсный сигнал может сгенерировать сразу два переходных процесса, по одному для каждого фронта волны. На такое способны только профессиональные цифровые тестеры, такие, например, как RIGOL DL30xx. В данных нагрузочных тестерах можно настроить как импульсные (динамические), так и ступенчатые сигналы.

Конфигурирование динамического режима, чаще всего, осуществляется описанием всего нескольких свойств сигнала: амплитуды и длительности.

Меню настройки формы импульса в тестере RIGOL DL3021.

3. Проверка токоограничительной способности

В случае возникновения какой-либо неисправности современные ИПТ должны задействовать схему токоограничения. Эта функция необходима как для защиты самого прибора, так и для подключенного к нему оборудования. При выборе источника питания для ответственных потребителей важно знать о наличии и эффективности работы токоограничивающей функции. Проверке её функционирования могут подлежать как новые, только подбираемые ИПТ, так и уже эксплуатируемые.

Наиболее распространёнными являются три типа ограничения:

• обычное ограничение (CV / Current limit);
• переключение источника режимов (CV / CC);
• обратное ограничение (CV / Current foldback).

Первые два типа ограничений очень схожи по функциям, но имеют различия во второй части вольт-амперной характеристики (ВАХ) по степени регулирования выходных параметров. Третий тип обеспечивает линейное снижение и более жесткий контроль всех выходных характеристик.

Вольт-амперная характеристика для трех типов ограничителей.

Процедура тестирования токоограничивающей функции достаточно проста и заключается в следующем.

В начале осуществляется настройка электронной нагрузки на получение от ИПТ минимальной величины тока. Затем приступают к постепенному ступенчатому уменьшению сопротивления. При этом, по мере роста тока, выходное напряжение источника остается неизменным вплоть до момента достижения предельного значения. Дальнейшее снижение сопротивления приводит к активации токоограничивающей схемы БП, что сопровождается интенсивным падением величины напряжения.

Точка, в которой происходит изменение ВАХ, называется областью перехода или точкой кроссовера. При этом чем выше качество ИПТ, тем более резкий переход наблюдается в области кроссовера.

4. Тестирование преобразователей

Использование преобразователей постоянного тока (ППТ) обыденное явление в электронике. Их широко применяют в сочетании с различной автономной электроникой. Ключевой особенностью ППТ является возможность принимать входное напряжение в широком диапазоне значений и выдавать стабилизированное, скорректированное и изолированное – на выходе.

Так, например, повышающие преобразователи используют в ряде специализированного транспорта, где они обеспечивают автономное электроснабжение различной электронной техники. При использовании компьютерной техники и иной периферии в автомобилях требуется обеспечить питание в зависимости от модели, от 14 В до 19 В. При этом непосредственная передача энергии потребителю от подключенного к бортовой сети автомобиля ППТ будет намного эффективнее, чем использование DC-AC инвертора в сочетании со стандартным сетевым адаптером.

DC-DC преобразователи имеют высокий коэффициент полезного действия, обычно превышающий 96%. Однако следует помнить, что они обладают одной важной особенностью – неизменная потребляемая мощность. Это свойство реализуется за счет увеличения входного тока при снижении выходного напряжения.

Кривая постоянной мощности DC-DC конвертера.

Поэтому ППТ требуют реализации в себе сразу нескольких видов ограничителей.

Ограничитель, установленный для защиты от сверхтоков, образующихся при одном уровне напряжении, неспособен защитить преобразователь, если установленное значение будет выше. В этом случае ППТ будет находиться под слишком большой нагрузкой, пока не произойдет срабатывание токовой защиты. Поэтому оптимальным решением в этой ситуации, будет использование защиты от перегрузки по мощности (OPP).

Второй вид, это защита от токовой перегрузки (OCP). В режиме OCP источник питания поддерживает постоянное значение выдаваемого тока, но допускает падение выходного напряжения. Если его уровень на выходе упадет ниже рабочего значения, то это приведет к дестабилизации работы устройства. Если состояние перегрузки сохраняется, защита выполняет отключение входа.

Третьим видом защиты является блокировка от минимального напряжения. Электронная нагрузка контролирует выходные параметры преобразователя и допускает потребление тока только в допустимом режиме работы. В случае срабатывания защиты автоматика отключает нагрузочное устройство на время, пока ППТ не восстановит корректное значение своих выходных параметров.

Опыт проверки DC-DC преобразователя

В качестве подопытного возьмём преобразователь RCNUN RC121920 и проверим его функционирование. В качестве потребителя используем одноканальную электронную нагрузку East Tester ET5410. А в качестве источника задействуем лабораторный блок UNI-T UTP3305-II. Собранная конструкция позволяет с легкостью имитировать бортовую сеть автомобиля с её изменяющимися параметрами.

Подключаем наш потребитель к DC-DC преобразователю и настраиваем его на мощность в 85 Вт. Это потребление будет сопоставимо с мощностью ноутбука и нескольких дополнительных периферийных устройств.

Общий КПД мы рассчитываем, как среднюю для всех выполненных измерений, посредством деленную выходной мощности ППТ, на его выходную мощность.

Методика испытания следующая:

• на конвертер подключается электронная нагрузка с мощностью в 85 Вт.
• от лабораторного блока на ППТ подается питание в 18 В.
• с шагом в 500 мВ постепенно снижаем питание до тех пор, пока входное напряжение не достигнет нижнего допустимого ППТ предела.
• регистрируем показания лабораторного и нагрузочного блоков.
• по входным параметрам строим ВАХ и определяем средний КПД преобразователя.

В результате опыта демонстрируем плавное изменение ВАХ до уровня в 9 В, после которого произошло срабатывание встроенной защиты. Полученный КПД преобразователя находится в диапазоне от 96% до 98%.

Заключение

Цифровые электронные нагрузки широко применяются как профессионалами в ремонтных мастерских, так и простыми любителями в домашних условиях. Наша компания готова предложить большой выбор этих устройств в различном ценовом и функциональном исполнении. При необходимости мы проконсультируем вас по всем интересующим вас вопросам.

Применение электронной нагрузки постоянного тока

Электронные нагрузки постоянного тока (DC) используются в различных секторах для тестирования и оценки Источники питания постоянного тока. Напряжение, ток, сопротивление и мощность можно измерить с помощью Электронная нагрузка постоянного тока, и результаты отображаются в режиме реального времени на экране.
Возможна защита дорогостоящих схем и прототипов с помощью тестирования и оценки электрической нагрузки постоянного тока. Если при загрузке обнаруживаются проблемы, вы можете исследовать и исправить их. Электронная нагрузка постоянного тока является неотъемлемым компонентом всей системы при обслуживании, ремонте и устранении неполадок вашего продукта.

Что такое электронная нагрузка?
Электронная нагрузка — это своего рода испытательное оборудование, предназначенное для использования в качестве приемника тока и губки для мощности, получаемой от источника питания. Если для питания устройства используется источник питания, для проверки источника питания будет использоваться электронная нагрузка путем имитации тестируемого устройства (ИУ).
Испытательное оборудование обычно состоит из различных компонентов, включая источник питания и электронные нагрузки. Электронные схемы подвергаются испытаниям с помощью источника питания, который работает в различных условиях источника. Электронная нагрузка оценивает работу источников энергии или блоков преобразования энергии по набору заданных критериев нагрузки.
Электронная нагрузка представляет собой запрограммированный инструмент, который предоставляет оператору различные режимы управления, включая постоянное напряжение (CV), постоянный ток (CC), постоянную мощность (CP) или постоянное сопротивление (CR).

Рисунок 1: Электронная нагрузка постоянного тока

Кто использует электронные нагрузки?
Электронные нагрузки тестируются производителями устройств и инженерами-конструкторами на различных силовых устройствах, преобразователях постоянного тока, зарядных устройствах, адаптерах, батареях, солнечных панелях, топливных элементах и ​​т. д.

Почему инженеры используют электронные нагрузки, а не резистор с фиксированной мощностью?
Достаточно использовать резистор постоянной мощности, когда требуется чисто резистивная нагрузка, но не требуется управление с обратной связью. Эти обстоятельства включают в себя резистор с фиксированным номиналом, который накладывает многочисленные ограничения.
Недостаточно нагружать и тестировать источники питания со сложными критериями тестирования. Для проверки различных этапов работы такие обязанности необходимы для высокоразвитых электронных характеристик нагрузки.

Приложения для электронной нагрузки
Тестирование силового преобразователя и инвертора: Этот метод может быстро протестировать преобразователи постоянного тока и переменного тока в постоянный. Электрическая нагрузка способствует симуляции, что помогает лучше понять, как питается гаджет. Вы можете поместить различную нагрузку на устройство, чтобы оценить самый низкий и максимальный уровни входного напряжения включения. Электронная нагрузка позволяет тестировать пульсации, шум, контроль нагрузки/линии, избыточное напряжение и защиту от тока.
Источник бесперебойного питания (ИБП): Чтобы провести такой комплексный тест, вам понадобится источник переменного тока, источник постоянного тока, нагрузка постоянного тока и нагрузка переменного тока. Нагрузка постоянного тока подвергает блок нагрузки испытаниям, чтобы он мог проверить резервную батарею и зарядное устройство ИБП. Нагрузка переменного тока подвергает всю систему ИБП испытаниям.
Тест банка нагрузки определяет, может ли источник бесперебойного питания (ИБП) обеспечивать требуемую мощность, поддерживать стабильное напряжение и эффективно работать при различных условиях нагрузки.
Батареи и топливные элементы: По сравнению с батареями резисторной нагрузки время, необходимое для завершения теста, значительно сокращается при использовании непрерывной нагрузки. Используйте режим CP, чтобы создать непрерывный отток энергии, чтобы оценить емкость батареи.
Поскольку напряжение батареи со временем снижается, режим CP будет продолжать расходовать энергию батареи. Возможность программирования электронной нагрузки с различными профилями нагрузки, каждый из которых имеет быстрый переход, позволяет проводить тестирование профиля для циклов заряда и разряда батареи.
Солнечные панели может потреблять большой ток по более низкой цене, что делает его идеальной альтернативой для мощных фотогальванических испытаний. Используйте режим CV для записи кривой IV и приращения напряжения для измерения тока.
Для теста, который измеряет количество энергии, используемой портативными устройствами, электронная нагрузка должна быть запрограммирована так, чтобы имитировать различные состояния питания устройства, такие как спящий режим, энергосбережение и режимы полной мощности.
Портативные устройства: Чтобы определить, какая мощность требуется электронному оборудованию, вы можете имитировать его энергопотребление в различных состояниях с помощью электронной нагрузки. Эти состояния включают режимы сна, энергосбережения и полной мощности.

Тестирование батареи
Структуры и рекомендации по хранению, восполнению и использованию энергии постоянно развиваются. Были найдены новые способы выработки электроэнергии для электронных устройств, и эти новые системы намного сложнее, чем старые много десятилетий назад.
Поскольку в нашем обществе растет потребность в чистой и эффективной энергии, инженеры недавно переключили свое внимание на разработку приложений, использующих такие источники энергии, как топливные элементы, суперконденсаторы и солнечная энергия.
Полезно иметь запрограммированный тестовый прибор, который может проверять особенности поведения источников из-за сложности, заложенной в конструкцию этих источников.
Из-за гибкости, с которой он может быть запрограммирован, и способности проводить испытания на разрядку источников питания, таких как батареи, Электронная нагрузка постоянного тока часто оказывается полезным в таких ситуациях. В этой части представлен фундаментальный обзор, демонстрирующий эффективный метод разрядки аккумулятора и оценки его внутреннего сопротивления.

Кривые разряда батареи
При разработке и тестировании аккумулятора, который будет использоваться для питания устройства, большое внимание уделяется энергоэффективности гаджета и ожидаемому сроку службы аккумулятора.
По этой причине кривые разряда, определяющие поведение батареи, оцениваются как часть регулярного теста производительности. По этим кривым можно рассчитать эффективность батареи и определить, как долго продлится ее жизнь.
Весь заряд доставляется в Ач (ампер-часах) при выбранном вами напряжении с определенными нагрузками постоянного тока, что позволяет контролировать разряд батареи. Некоторые нагрузки постоянного тока предлагают эту функцию.

Тестирование производительности нагрузок постоянного тока
Наличие надежного Электронная нагрузка постоянного тока которая хорошо работает в соответствии с указанными стандартами и тестовыми конфигурациями, жизненно важна. Точно так же, как крайне важно иметь приличный источник питания, который будет проводить точные измерения в различных тестовых ситуациях, важно иметь надежную нагрузку постоянного тока.
Должны быть включены некоторые из наиболее типичных тестов, выполняемых для проверки характеристик скорости нарастания нагрузки постоянного тока, задержки запуска и времени переключения.

Как выбрать лучшую электронную нагрузку?
Электронные нагрузки можно использовать по-разному, например, для проверки силовых преобразователей в тестовой среде и для модуляции источника тока в фоновом режиме, пока выполняются другие тесты.
Когда требуются переменные нагрузки, их легче использовать, чем резисторы, и они обеспечивают гораздо лучшую пропускную способность, чем последние. При выборе электронной нагрузки наиболее важными для вас являются три номинальных значения напряжения, тока и мощности, которые следует учитывать для этих трех отдельных параметров.
Не путать с процессом выбора блока питания. При выборе источника питания единственная информация, которую вам обычно необходимо знать, — это максимальные уровни напряжения и тока, при которых вы будете использовать источник питания.
Чтобы выбрать Электронная нагрузка постоянного тока, имейте в виду эти факторы.
Фактор формы: Вам следует использовать автоматизированное тестовое оборудование, которое является одновременно модульным и скромным по форм-фактору, если вы хотите иметь возможность наращивать его в будущем.
Рейтинг емкости: Убедитесь, что ваш блок питания надежно управляет мощностью вашей электронной нагрузки. Убедитесь, что диапазон активности электронной нагрузки соответствует максимальным требованиям по напряжению, току и мощности.
Скорость: Выберите нагрузку с подходящей скоростью нарастания для имитации быстрых сигналов и используйте ее. Проверьте, может ли нагрузка создавать и измерять сигналы, требуемые вашим приложением, с необходимой полосой пропускания.
Выберите нагрузку, которая позволит вам управлять последовательностью, запрограммировав скорость нарастания и задержку включения/выключения. Если вы хотите оптимизировать и максимизировать пропускную способность вашей системы, выберите нагрузку с лучшим временем обработки команд и скоростью вывода.
Динамическое тестирование: Найдите динамическую нагрузку, которая может генерировать произвольные функции и имеет встроенные формы сигналов, чтобы вы могли тестировать синусоидальные, импульсные, ступенчатые или пилообразные функции или импортировать свои профили.
Убедитесь, что нагрузка имеет достаточно памяти и достаточно высокую частоту дискретизации для создания и мониторинга быстрых переходных сигналов. Убедитесь, что нагрузка создает требуемые произвольные динамические сигналы для каждого режима.
Гибкость: Выберите модульную систему, чтобы вы могли комбинировать различные компоненты. Электронные модули нагрузки и питания находятся в одном корпусе. Вам нужно будет синхронизировать свои усилия в единой среде, чтобы реализовать готовое решение.
Особенности защиты: Убедитесь, что нагрузка имеет встроенные средства защиты от чрезмерного напряжения, тока, мощности и температуры. Убедитесь, что функции отключены, чтобы предотвратить возникновение опасных ситуаций на тестируемом устройстве.
Однако, чтобы выбрать подходящую электронную нагрузку, вам необходимо знать требуемое напряжение и величину тока, который нагрузка должна будет потреблять.
При выборе электронной нагрузки необходимо убедиться, что она способна работать с максимальным напряжением, током и мощностью, чтобы ваше приложение не превышало нагрузку. Мощность равна напряжению, умноженному на ток, поэтому перед ее выбором убедитесь, что нагрузка выдерживает такую ​​мощность.

Другие приложения нагрузки постоянного тока
Нагрузки постоянного тока являются очень полезным ресурсом для многих видов тестирования и приложений. Иногда они могут даже выполнять функцию измерительного устройства другого типа на протяжении всего процесса тестирования.
Вольтметр является отличным примером такого устройства. Предохранитель — одно из других реальных применений, обсуждаемых в этой статье.
Нагрузки постоянного тока могут отслеживать пороговые значения тока и работать как предохранитель внутри цепи, помогая предотвратить потенциальное повреждение, вызванное перегрузкой по току или перегрузкой. LISUN обеспечивает наилучшие нагрузки постоянного тока для ваших целей тестирования.

Вольтметр
Вольтметры необходимы для проведения измерений в любой ситуации, связанной с проектированием или тестированием в той или иной форме. Сейчас это один из самых полезных диагностических инструментов. Из-за этого часто полезно иметь нагрузку постоянного тока, которая может считывать напряжение, даже если вольтметр не находится в непосредственной близости.

взрыватель
Приложение, представленное в этой части, иллюстрирует, как включить нагрузку постоянного тока в цепь, чтобы она функционировала как предохранитель.
Когда измеренный ток, напряжение или мощность в нагрузке достигают заданного порога, это может вызвать автоматическое отключение нагрузки компьютерным программным обеспечением.
Это простое приложение для предохранителя, и из-за определенных задержек со стороны программного управления его не рекомендуется использовать, если необходимы быстрые реакции. Вместо этого рассмотрите возможность использования одного из более продвинутых приложений.

Lisun Компания Instruments Limited была найдена LISUN GROUP в 2003 году. LISUN система качества была строго сертифицирована ISO9001: 2015. Как член CIE, LISUN продукты разработаны на основе CIE, IEC и других международных или национальных стандартов. Все продукты прошли сертификат CE и прошли проверку подлинности в сторонней лаборатории.

Опасность последовательного включения электронных нагрузок для увеличения напряжения

Большинство ЭН может работать в режиме постоянного тока (ПТ) или постоянного напряжения (ПН). Некоторые ЭН предлагают режим постоянного сопротивления, постоянной мощности и даже постоянного импеданса, но все эти режимы являются производными режимами от базовых ПТ или ПН. Режим ПТ используется для нагрузки источников постоянного напряжения, таких как преобразователи. Режим ПН используется для нагрузки источников постоянного тока.

Рис. 1. Упрощенная схема электронной нагрузки в режиме постоянного тока

Если внимательно взглянуть на схему программируемой ЭН, работающей в режиме ПТ (рис. 1), то можно увидеть, что такая ЭН управляет протекающим через нее током, изменяя сопротивление R_си полевого транзистора. Реальный ток измеряется с помощь резистивного датчика (токового шунта). Падение напряжения на шунте усиливается, сравнивается с напряжением ЦАП, используемым для настройки ЭН на нужный постоянный ток, и подается на затвор полевого транзистора для создания регулируемого постоянного тока. Если ток слишком велик, цепь обратной связи изменяет напряжение на затворе так, чтобы увеличить сопротивление R_си и уменьшить протекающий ток. Если ток слишком мал, цепь обратной связи изменяет напряжение на затворе так, чтобы уменьшить сопротивление R_си и увеличить протекающий ток. Если ЭН не способна потребить достаточный ток для достижения заданного значения, то цепь обратной связи полностью откроет полевой транзистор и установит R_си на минимальное значение, фактически превратив полевой транзистор в перемычку. Максимальный ток описывается формулой:

I = V/R,

где V равно выходному напряжению преобразователя V_вых, а R = R_{си_откр} полевого транзистора + R_шунта. При достижении этого предела ЭН выйдет из режима стабилизации постоянного тока, поскольку не сможет пропускать через себя запрограммированный ток, перейдя в нерегулируемый режим, близкий к короткому замыканию между входными контактами. Это близкое к короткому замыканию сопротивление равно минимальному сопротивлению ЭН и часто называется «минимальным сопротивлением» или «сопротивлением короткого замыкания».

Последовательное включение электронных нагрузок

Каждая ЭН имеет максимальное входное напряжение, например 60 В. Если преобразователь постоянного напряжения имеет на выходе напряжение 100 В и ток 10 A, то возникает соблазн включить две 60-В ЭН последовательно, как показано на рис. 2. Каждую ЭН нужно настроить на ток 10 А, поскольку они включены последовательно, и через них будет протекать одинаковый ток. Однако в связи с погрешностью программирования, они никогда не будут настроены на совершенно одинаковые токи. В результате нагрузка 1 может настроиться на ток 9,99 A, а нагрузка 2 — на ток 10,01 A. Когда начнет протекать ток, нагрузка 1, настроенная на меньший ток, ограничит его до этого значения и успешно перейдет в режим стабилизации постоянного тока. В это время нагрузка 2, настроенная на больший ток, будет стараться потребить больше тока, снижая свое сопротивление R_си, но не сможет достичь запрограммированных 10,01 A, поскольку нагрузка 1 ограничивает ток до 9,99 A. В результате нагрузка 2 перейдет в нерегулируемый режим, близкий к короткому замыканию. Поскольку это короткое замыкание, напряжение на нагрузке 2 станет близким к 0 В. Это значит, что все 100 В будут приложены к нагрузке 1. Такое чрезмерное напряжение вызовет отключение нагрузки 1 и может даже повредить ее входные цепи. Хотя в приведенном примере показаны две ЭН, описанная ситуация справедлива и для большего числа нагрузок.

Рис. 2. Две включенные последовательно 60-В электронные нагрузки, работающие в режиме постоянного тока

Мы хотели показать, что невозможно использовать несколько последовательно включенных устройств, пытающихся управлять одним и тем же током. Возможно, вам придет мысль перевести одну нагрузку в режим постоянного тока, а остальные в режим постоянного напряжения, чтобы только одна нагрузка могла регулировать ток. Но в такой ситуации проблема возникнет при намеренном отключении ЭН или при переходе одной из нагрузок в режим защиты и неожиданном ее отключении. Как только ток прервется, любая ЭН, находящаяся в режиме постоянного тока, перейдет в режим короткого замыкания (минимального возможного сопротивления), пытаясь пропустить через себя максимально возможный ток. Тем временем любая ЭН, находящаяся в режиме постоянного напряжения, перейдет в режим размыкания (максимального возможного сопротивления), пытаясь достичь запрограммированного падения напряжения на сопротивлении R_си полевого транзистора даже при отсутствии тока. Это приведет к тому, что высокое выходное напряжение преобразователя будет приложено к ЭН с максимальным сопротивлением в соответствии с получившимся делителем напряжения, образованным последовательно включенными ЭН (рис. 3).

Рис. 3. Две включенные последовательно электронные нагрузки (нагрузка 1 в режиме постоянного тока поддерживает ток на уровне 10 А; нагрузка 2 установлена в режим постоянного напряжения)

Заключение

Опасно включать электронные нагрузки последовательно, если тестируемое устройство может подать большее напряжение, чем то, на которое рассчитана каждая ЭН, поскольку в нештатной ситуации все напряжение приложится к одной ЭН. Поэтому единственный безопасный способ последовательного включения ЭН заключается в применении нагрузок, рассчитанных на полное напряжение тестируемого устройства, но в этом случае нет смысла включать нагрузки последовательно.

Электронная нагрузка до 100В, до 10А, 50/75Вт

Итак, нагрузка.платка размером 59х55мм, в комплекте пара клемм 6.5мм (весьма тугие, да еще и с защелкой — просто так не снять, нужно нажимать специальный язычок. отличные клеммы), 3-проводной шлейф с разъемом для подключения потенциометра, двухпроводной кабелёк с разъемом для подключения питания, винтик М3 для прикручивания транзистора к радиатору.

Платка красивая, края фрезерованы, пайка ровная, флюс отмыт.

На плате есть два силовых разъема для подключения собственно нагрузки, разъемы для подключения потенциометра (3-контактный), питания (2-контактный), вентилятора (3-контактный) и три контакта для подключения прибора. Тут я хочу обратить ваше внимание, что как правило черный тонкий провод от измерительного прибора использоваться не будет! В частности, в моём случае, с вышеописанным прибором (см. ссылку на обзор) — подключать тонкий черный провод НЕ НУЖНО, потому что питание и нагрузки и прибора идет от одного БП.

Силовой элемент — транзистор IRFP250N (200V, 30A)

Ну а из микросхем на плате присутствуют компаратор LM393, операционник LM258 и регулируемый стабилитрон TL431.

На просторах интернета была найдена схема:

Скажу честно — всю схему досконально не перепроверял, но беглое схемы с платой сравнение показало что вроде как всё сходится.

Собственно, больше о самой нагрузке рассказывать-то и нечего. Схема довольно простая и не работать вообще говоря не может. Да и интерес в данном случае представляет скорее её работа под нагрузкой в составе готового устройства, в частности — температура радиатора.

Долго думал из чего сделать корпус. была мысль согнуть из нержавейки, склеить из пластика… А потом подумал — так вот же оно, максимально доступное и повторяемое решение — «кнопочный пост» КП-102, на две кнопки. Радиатор нашел в ящике, вентилятор там же, клеммы и выключатель купил в оффлайне, а бананы и сетевой разъем выколупал из чего-то старого на чердаке 😉

Забегая вперед скажу, что я лоханулся, и тот трансформатор который я использовал (в комплекте с выпрямительным мостиком, конечно) — не потянул данный девайс по причине высокого потребляемого вентилятором тока. Увы. Буду заказывать такой, должен как раз вписаться по габаритам. Как вариант — можно использовать и внешний 12В блок питания, коих тоже полно и на бэнге и в арсенале любого радиолюбителя. Питать нагрузку от исследуемого блока питания крайне нежелательно, не говоря уже о диапазоне напряжений.

Кроме того нам понадобится потенциометр на 10кОм для регулировки тока. Я рекомендую ставить многооборотистые потенциометры, например такие или такие. И там и там есть нюансы. первый тип — на 10 оборотов, второй на 5. у второго типа вал очень тонкий, около 4мм, кажется, и стандартные ручки не подходят — я натягивал два слоя термоусадки. у первого типа вал потолще, но ИМХО тоже не дотягивает до стандартных размеров, поэтому возможны проблемы — впрочем, их я в руках не держал, так что утверждать на 100% не могу. Ну и диаметр/длина как видим заметно отличаются, так что нужно прикидывать по месту. У меня были в наличии потенцы второго типа, так что я не запаривался по этому поводу, хотя надо бы и первых прикупить для коллекции. Для потенциометра нужна ручка — для эстетики и удобства. Вроде как для потенциометров первого типа должны подойти такие вот ручки, во всяком случае они с фиксирующим винтом и будут нормально держаться на гладком валу. Я же использовал то что было в наличии, натянув пару слоёв термоусадки и капнув суперклеем для фиксации термоусадки на валу. Метод проверенный — я его использовать еще для блока питания, пока всё работает, уж пару лет.

Далее были муки компоновки, которые показали что фактически единственно возможным решением является то, что я приведу ниже. К сожалению, данное решение требует подрезания корпуса, ибо из-за ребер жесткости не входит плата, а выключатель и регулятор не входят из-за того что я их старался разместить в центре выемок на корпусе, а они в итоге упёрлись в толстую стенку внутри. знал бы — перевернул бы переднюю панель.

Итак, размечаемся и делаем отверстия под сетевой разъем, транзистор и радиатор на задней стенке:

Теперь передняя панель. Отверстие под прибор это просто (правда, как я писал в предыдущем обзоре, защелки у него дурацкие, и я от греха подальше предпочел вначале защелкнуть в корпус устройства корпус прибора, а потом уже вщелкнуть в него внутренности прибора). Отверстия под выключатель и регулятор — тоже относительно просто, хотя и пришлось на фрезерном станке выбрать пазы на стенках. А вот как расположить гнёзда, чтобы «обойти» отверстие на передней панель — задача. Но я приклеил кусочек черного пластика и просверлил отверстия прямо в нем. Получилось и красиво и аккуратно.

Теперь нюансик. в приборе у нас есть термодатчик. Но зачем измерять температуру в корпусе, если можно прислонить его к радиатору? Это гораздо более полезная информация! А раз уж прибор всё равно разобран — ничто не мешает выпаять термодатчик и удлинить провода.

для прижима датчика к радиатору я приклеил кусочек пластика к корпусу таким образом, чтобы отпустив винты крепления радиатора можно было подсунуть под пластик термодатчик, а затянув эти винты — надежно его там зафиксировать. Отверстие вокруг транзистора заблаговременно сделал на несколько мм больше.

Ну и упихиваем весь этот «взрыв на макаронной фабрике» в корпус:

Результат:

Проверка температуры радиатора:

Как видим на примерно 55Вт через 20 минут температура радиатора в непосредственной близости от силового транзистора стабилизировалась на 58 градусах.

Вот такая температура самого радиатора снаружи:

Тут, повторюсь, есть нюансики: на момент проверки устройство работало от хилого трансформатора и мало того что под нагрузкой напряжение просаживалось до 9 вольт (то есть при нормальном питании охлаждение будет ЗНАЧИТЕЛЬНО лучше), так еще и из-за некачественного питания ток стабилизировать толком не удавалось, поэтому на разных фото он немного разный.

При питании от кроны и соответственно с выключенным вентилятором имеем вот что:

Провода от БП у меня тонкие, поэтому падение напряжения тут довольно значительное получилось, ну и при желании можно еще уменьшить количество переходных сопротивлений, припаявшись везде где можно и убрав клеммы. меня же такая точность вполне устраивает — впрочем, о точности говорили в прошлом обзоре. 😉

Выводы: вполне рабочая штука, позволяющая сэкономить время на разработку собственного решения. В качестве «серьёзной» и «профессиональной» нагрузки воспринимать её, пожалуй, не стоит, но ИМХО отличная штука для начинающих, ну или когда нужно редко.

Из плюсов могу отметить хорошее качество изготовления, а минус, пожалуй, один — отсутствие потенциометра и радиатора в комплекте, и это нужно обязательно иметь в виду — устройство придется доукомплектовывать, чтобы оно начало работать. Второй минус — отсутствие термоконтроля вентилятора. При том что «ненужная» половинка компаратора как раз есть. Но это нужно было вносить на этапе разработки и изготовления платы, потому как если навешивать терморегулятор «сверху» — то его разумнее на отдельной плате собрать 😉

По моей готовой конструйне — тоже есть нюансы, в частности, нужно будет поменять блок питания, ну и вообще говоря было бы неплохо и предохранитель какой-то поставить. Но предохранитель это лишние контакты и лишние сопротивления в цепи, так что тут я пока не уверен совершенно. Можно также переставить на плату шунт из прибора и задействовать его и для прибора и для электроники нагрузки, убрав «лишний» шунт из цепи.

Несомненно, существуют и «более другие» электронные нагрузки, которые стоят сопоставимо. Например такая. Отличие обозреваемой — в заявленном входном напряжении, до 100В, тогда как в основном нагрузки рассчитаны на работу до 30В. Ну и в данном случае у нас модульная конструкция, что лично меня весьма устраивает. Надоел прибор? Поставили поточнее или покрупнее, или еще чего. Не устраивает мощность? Поменяли транзистор или радиатор и т.д.

Одним словом — я вполне доволен результатом (ну только вот блок питания другой прикрутить — но это я сам дурак, а вы предупреждены), и вполне рекомендую к приобретению.

Товар для написания обзора предоставлен магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.