Сопротивление электронной нагрузки достигает нуля

Linear Technology LT1006

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2019

Henry Santana

Electronic Design Europe

Общий подход к созданию электронных нагрузок заключается в использовании транзистора, подключенного к входным зажимам так, чтобы ток протекал от стока (коллектора) к истоку (эмиттеру). Сопротивление моделируется протекающим током, пропорциональным приложенному напряжению, в соответствии с формулой I = V/R. Контроллер отслеживает уровень приложенного напряжения и регулирует ток в соответствии с этим уровнем (Рисунок 1).

В электронной нагрузке обычно используется транзистор, подключенный к входным клеммам, поэтому ток течет от стока (коллектора) к истоку (эмиттеру).
Рисунок 1. В электронной нагрузке обычно используется транзистор,
подключенный к входным клеммам, поэтому ток течет от
стока (коллектора) к истоку (эмиттеру).

Чтобы достичь нулевого сопротивления, напряжение на контактах электронной нагрузки должно быть равно нулю при протекающем через контакты токе. Однако при этом условии проходной транзистор, не имея рабочего напряжения, теряет способность проводить ток. Для поддержания проводимости проходного транзистора подключается дополнительный источник питания (Рисунок 2). Требуемого напряжения

достаточно для поддержания прямой проводимости с VIN = 0 и 0 < IIN ≤ IIN(MAX). (Здесь VDS@I (MAX) – напряжение сток-исток при максимальном токе стока). Это условие соответствует нулевому эффективному входному сопротивлению RIN.

Можно показать, что для 0 ≤ α ≤ 1

где k умножается на RS, что позволяет сделать это сопротивление низким для уменьшения потерь мощности. Например, если RS = 1.0 Ом и k = 100, то для 0 ≤ α ≤ 1 эффективное входное сопротивление будет изменяться в диапазоне 0 ≤ RIN ≤ 100 Ом. Если максимальный входной ток IIN(MAX) = 1 А и VDS@I(MAX) = 2 В, то VB ≥ 3 В.

Практически во всех приложениях проходной транзистор должен быть установлен на теплоотвод, поскольку рассеиваемая на нем мощность равна

Если в этом примере VIN(MAX) = 15 В, то транзистор должен иметь максимальную мощность рассеивания 17 Вт. Это будет эквивалентно 15-ваттному резистору, регулируемому от 0 до 100 Ом.

Вы можете спросить, зачем был добавлен дополнительный источник питания между истоком MOSFET и токоизмерительным резистором для выполнения условия «нагрузка 0 Ом» (по существу, короткое замыкание на клеммах входного напряжения) на Рисунке 2. В конце концов, кому нужна электронная нагрузка в условиях, когда на ней 0 В (то есть, короткое замыкание)?

Для поддержания проводимости транзистора при нулевом сопротивлении нагрузки используется вспомогательный источник питания.
Рисунок 2. Для поддержания проводимости транзистора при нулевом сопротивлении
нагрузки используется вспомогательный источник питания.

Ведь если требуется замкнуть электронную нагрузку, всегда можно использовать реле, непосредственно замыкающее входные клеммы. Или же, если вам нужно, чтобы все компоненты были твердотельными, вы можете выбрать другой, намного более сильноточный MOSFET (с сопротивлением канала в несколько миллиом), подключить его прямо параллельно входу и управлять им с помощью выключателя. Такое решение было бы намного более простым (и дешевым), чем добавление второго источника питания последовательно с измерительным резистором. Так зачем же использовать дополнительный источник питания?

Ответ таков. С помощью этой электронной нагрузки можно проверять низковольтные источники питания (3.3 В и ниже), где нагрузка по напряжению (то есть 1 В) не позволяла бы проводить испытания в условиях короткого замыкания. Это полезно при тестировании отклика источников питания на короткое замыкание, порога отключения тока и эффективности защиты от перегрузки.

К тому же, MOSFET даже с низким сопротивлением канала не проводит ток при напряжении сток-исток (VDS), равном нулю. Для поддержания проводимости MOSFET при больших токах требуется отличное от нуля напряжение (см. Примечание А). Эта схема будет поддерживать нужное напряжение VDS при виртуальном коротком замыкании.

Наконец, жесткий переключатель, такой как реле, не может обеспечить плавный переход сопротивления. Описанная здесь схема действует, скорее, как реостат, но с возможностью дистанционного управления напряжением (см. Примечание Б). Ток нагрузки не должен проходить через контроллер. Для переключения диапазонов нагрузки потребовалось бы несколько реле. Эта схема обеспечивает плавное (бесступенчатое) изменение эффективной резистивной нагрузки в большом диапазоне значений, включающем 0 Ом.

Схему можно масштабировать для увеличения напряжений и токов. Практическая реализация схемы показана на Рисунке 3.

Эта практическая схема имитирует состояние нулевого сопротивления нагрузки для тестирования низковольтных источников питания.
Рисунок 3. Эта практическая схема имитирует состояние нулевого сопротивления
нагрузки для тестирования низковольтных источников питания.

Примечание А:
Например, сопротивление канала MOSFET типа RFP30N06, согласно справочным данным, равно 0.047 Ом. При токе 30 А этому устройству требуется напряжение VDS не менее 2 В. Короткое замыкание на источнике питания 3.3 В/30 А было бы неэффективным. При питании 1.8 В он не будет проводить этот ток.

Примечание Б:
Эффективное сопротивление может регулироваться усилителем, управляемым напряжением [1].

Ссылки

  1. «Op Amp And Two JFETs Form A Voltage-Controlled Amplifier»

Материалы по теме

  1. Datasheet Linear Technology LT1006
  2. Datasheet ON Semiconductor RFP12N10L

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Electronic Load Achieves 0 Ohm

Цена LT1006LT1006 на РадиоЛоцман.Цены — от 29,79 до 228 руб.
24 предложений от 19 поставщиков
ОУx1 Прецизионный Uпит=4...44В, однопол.; Iпотр.макс.=0.52мА; Uсм=50мкВ; 0.4В/мкС, Uш=22нВ/Гц
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
AliExpress10 шт./лот LT1006CN8 LT1006 DIP-830 руб.
ТриемаLinear TechnologyLT1006S872 руб.
ЭИКLinear TechnologyLT1006CN8#PBFот 103 руб.
T-electronLinear TechnologyLT1006CN8#PBF127 руб.
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Притчу из своей жизни расскажу. Был у меня период, когда рассматривал различные пути для зарабатывания денег, даже не свойственные мне, электронщику. Рассматривал и покупку грузовой машины, спецтехники. Выбирал какого вида и по какой цене машину взять, советовался со знакомыми, слушал советы, искал какие вложения окажутся наиболее выгодными. Один знакомый сказал: "Машину покупают под работу, а не наоборот. Раз уж рассматриваешь такой бизнес, сначала работу соответствующую найди, в которой требуется спецтехника, а когда будет необходимость в машине - тогда и покупай." Я конечно не стал тогда вообще в другую сферу зарабатывания денег уходить, со спецтехникой не связывался. Но совет запомнил. Вот и сейчас мне вспомнился этот совет. А зачем мне эта функция в электронной нагрузке? Взять к примеру из жизни - ремонт компьютерного ATX блок питания. У него есть 3.3V. Скажите, если у вас уже есть электронная нагрузка с возможностью работы от 2 вольт, на практике для ремонта вам может потребоваться иммитировать именно КЗ в цепи 3.3V? Ну или для проектирования своего низковольтного БП может это вам потребоваться? Даже прочитав статью, я что-то не могу себе представить практическую необходимость такого увеличения функционала электронной нагрузки. Если поняли как на практике такой функционал может помочь в работе - поясните, плиз, попонятней.
  • Это для того, чтобы насладиться процессом умирания БП, растянув его во времени. :) А если серьёзно, то ответ дан в самой статье - " Это полезно при тестировании отклика источников питания на короткое замыкание, порога отключения тока и эффективности защиты от перегрузки". Но-но-но... Какой дополнительный источник должен быть, чтобы он мог обеспечить большой ток, например 30А, при напряжении 2,5В? Аккумулятор? Считаю, что такой функционал в электронной нагрузке избыточен.
  • Спасибо за интереснейшую (для профессионалов) статью
  • Для ремонта БП - конечно. Но очень полезен для тсследования и тестирования ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА.