Регулируемая электронная нагрузка на основе мощных MOSFET

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2018

Ausias Garrigós и José M Blanes

EDN

Электронные нагрузки нужны разработчикам для тестирования блоков питания и таких источников энергии, как солнечные панели или аккумуляторы, но имеющиеся в продаже устройства часто бывают слишком дороги. Однако, используя MOSFET в линейном режиме, можно собрать свою собственную электронную нагрузку (Рисунок 1). В ней реализованы два простых замкнутых контура регулирования, которые позволяют транзисторам работать источниками вытекающего тока в режиме стабилизации тока или источниками напряжения в режиме стабилизации напряжения. Режим стабилизации тока разработчики используют при исследовании источников напряжения, когда источник питания должен отдавать ток, значение которого установлено в электронной нагрузке. Режим стабилизации напряжения используется с источниками тока, поскольку он заставляет источник питания работать при напряжении, заданном нагрузкой.

Рисунок 1.	Эта электронная нагрузка, в которой используются MOSFET и реле, может работать как в режиме стабилизации тока, так и в режиме стабилизации напряжения.

В режиме стабилизации тока резистор R_SHUNT измеряет ток нагрузки I_LOAD, и результирующее напряжение в качестве сигнала обратной связи возвращается на инвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) IC_1A. Благодаря высокому коэффициенту усиления этого ОУ в линейной зоне работы обратной связи, напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах остаются одинаковыми и равными V_REF. Выходное напряжение усилителя устанавливает рабочие точки транзисторов Q₂ и Q₃ в линейной области их характеристик, из-за чего на них рассеивается мощность источника питания. Значение вытекающего тока пропорционально опорному напряжению V_REF на входе усилителя обратной связи и равно

Для установки требуемой величины V_REF можно использовать делитель, подключенный к источнику стабильного напряжения, или выход цифро-аналогового преобразователя карты ввода/вывода персонального компьютера (ПК), что сделает конфигурацию схемы более гибкой.

Режим стабилизации тока аналогичен, но теперь измеряемой переменной является выходное напряжение, которое ослабляется делителем напряжения R_A/R_B, что позволяет электронной нагрузке работать при напряжениях, превышающих напряжение питания операционного усилителя. Измеренное напряжение служит сигналом обратной связи, поступающим на неинвертирующий вход усилителя IC_1B, и MOSFET опять работают в линейном режиме. Напряжение на нагрузке будет равно

Сдвоенный операционный усилитель IC₁ (CA3240) может работать с входными напряжениями, меньшими напряжения отрицательной шины питания, что полезно для схем с однополярным питанием, но при симметричном питании можно использовать любой усилитель. Реле K₁ переключает режимы работы в соответствии с цифровыми сигналами, приходящими на базу транзистора Q₁. Выбор MOSFET критичен для этой схемы. Для увеличения выходного тока можно включить параллельно два транзистора IRF150 – это вполне допустимо, так как положительный температурный коэффициент выравнивает идущие через них токи. При двух MOSFET схема может работать с токами до 10 А, рассеивая мощность свыше 100 Вт, поэтому схеме потребуется хороший теплоотвод и вентилятор.

Рисунок 2.	С помощью электронной нагрузки можно увидеть специфические особенности вольтамперной характеристики фотогальванического модуля.

Эта схема полезна при исследовании характеристик фотогальванических модулей, для которых характерны два режима работы. На полученной с помощью карты ПК вольтамперной характеристике фотогальванического модуля компании Helios Technology (Рисунок 2) виден резкий переход к области, расположенной выше V_MPP (напряжение в точке максимальной мощности), которая соответствует источнику напряжения. При напряжениях ниже V_MPP фотогальванические модули ведут себя, как источники тока. Исследовать эту плоскую область кривой с помощью простой электронной нагрузки в токовом режиме обычно трудно, поскольку выход напряжения чувствителен к небольшим изменениям тока, поэтому лучшим вариантом будет использование нагрузки в режиме стабилизации напряжения.

Материалы по теме