Электронная нагрузка

Texas Instruments TL494

«Каждая женщина должна позволить
себе купить крем "Буренка".
Хотя бы раз в жизни».
Телевизионная реклама.

Перефразируя эпиграф, можно смело утверждать, что каждый разработчик хотя бы раз в жизни сталкивался с необходимостью применения электронной нагрузки.

Вебинар «Новинки и решения Traco для промышленных и отраслевых приложений» (28.10.2021)

Перфекционисты покупают китайские поделки с микроконтроллерами на борту, но большинство мужественно преодолевают тяготы и лишения, возникающие при самостоятельном изготовлении электронных нагрузок.

Несколько лет назад авторы также сподобились приобщиться к мощной группировке (судя по обилию тематических YouTube-каналов) разработчиков этих приборов.

Описанная ниже электронная нагрузка изначально предназначалась для исследования характеристик солнечных панелей, однако уже много лет используется в разнообразной лабораторной практике. Она обладает несколькими особенностями:

  1. Наличием токовой развертки, позволяющей наблюдать на экране осциллографа характер изменения напряжения на выходе исследуемого источника питания;
  2. Использованием в качестве энергопоглощающего элемента автомобильных ламп накаливания.

Нелинейный характер изменения сопротивления ламп накаливания от протекающего через них тока не влияет на характеристики прибора.

Схема устройства приведена на Рисунке 1. На микросхеме DA1 собран генератор линейного пилообразного напряжения. Для повышения нагрузочной способности использован один из операционных усилителей ошибки в режиме повторителя. Нижнее значение напряжения на выходе операционного усилителя составляет примерно 400 мВ. Применение диода VD1 снижает его до 40–50 мВ, что позволяет получить токовую развертку практически от нуля.

Принципиальная схема электронной нагрузки.
Рисунок 1. Принципиальная схема электронной нагрузки.

Переключатель SW1 позволяет выбрать режим работы прибора.

На микросхеме DA2, транзисторах VT1, VT2 и VT3 собран широтно-импульсный регулятор с обратной связью по току. Схемное решение стандартное, особенностей не имеет. Рабочая частота широтно-импульсного регулятора около 10 кГц. Нагрузкой регулятора служат две 12-вольтовые автомобильные лампы Philips, нити накала которых (65 Вт и 55 Вт) соединены параллельно, а сами лампы соединены последовательно. Автомобильные лампы имеют, как минимум, 30% запас по мощности, что позволяет использовать систему из двух последовательно включенных ламп до напряжения в 30 В.

Максимальная мощность, на которой была испытана данная нагрузка, составляет 270 Вт в течение 10 минут, однако при использовании в режиме 24×7 мощность не должна превышать 120–150 Вт.

Конструктивные особенности и рекомендации по монтажу

Внешний вид прибора показан на Рисунке 2. Прибор выполнен в корпусе блока питания АТХ-400W и использует штатный вентилятор для охлаждения ламп. Cхема вентиляции сохранена исходной – «на вытяжку».

Внешний вид прибора.
Рисунок 2. Внешний вид прибора.

С повышением тока нагрузки увеличивается доля энергии, излучаемая в виде светового потока, на который не влияет вентиляция. Поэтому для защиты электронных компонентов от нагрева применен «фотонный отражатель» в виде полированной алюминиевой пластины толщиной 0.5 мм.

Компоненты, соединенные на принципиальной схеме толстыми линиями, находятся на минимальном технически возможном расстоянии друг от друга, что способствует минимизации паразитных индуктивностей монтажных соединений, и, в свою очередь, ограничивает выбросы на стоке силового транзистора до безопасных значений. Нагрев диода VD2 отсутствует.

На Рисунке 3 показана форма сигнала на стоке VT3 при его запирании. Повышение скорости нарастания (спада) сигнала и уменьшение выбросов при коммутации имеют важное значение для снижения динамических потерь. С этой же целью транзисторы VT1 и VT2 установлены в непосредственной близости от транзистора VT3.

Форма сигнала на стоке VT3 при его запирании.
Рисунок 3. Форма сигнала на стоке VT3 при его запирании.

Провода, ведущие от входных клемм к силовой части, имеют сечение 4 мм2. Для контроля тока, потребляемого электронной нагрузкой от тестируемого источника питания, на лицевой панели прибора установлен вольтметр-амперметр 100 В/10 А, купленный на AliExpress и имеющий точность около 1.5% ± единица последнего разряда. При повторении конструкции желательно поставить четырехразрядный вольтметр-амперметр, что позволит получить более высокую точность измерений.

Диод VD4 и транзистор VT3 установлены на радиаторе 20 см2 через силиконовые прокладки. Температура радиатора, находящегося в охлаждающем потоке воздуха, не превышает 45 градусов.

Электронная часть, за исключением транзистора VT3, питается от сетевого адаптера напряжением 12 В.

Рекомендуем в качестве проводов, соединяющих вход электронной нагрузки и выход исследуемого источника питания, использовать двойной аудиокабель с сечением 4–6 мм2. Такой кабель выполнен из электролитической меди и отличается чрезвычайно низким сопротивлением, что позволяет не только уменьшить тепловые потери, но и контролировать выходное напряжение тестируемого источника питания встроенным вольтметром электронной нагрузки.

Рекомендации по настройке режима токовой развертки

Убедившись в работоспособности прибора, приступаем к настройке токовой развертки. Подключаем осциллограф к среднему выводу переключателя SW1.

Выбираем режим ручного управления и устанавливаем ток нагрузки, равный максимальному току, с которым будет использоваться нагрузка. В зависимости от конструктивного исполнения и назначения это может быть и 5 А и 10 А.

Отмечаем положение линии на экране осциллографа (удобно установить в это положение второй луч).

Переключаем SW1 в положение токовой развертки. Изменяем сопротивление R3 до тех пор, пока максимальное значение пилообразного напряжения станет равно или чуть больше отмеченного ранее значения. Настройка закончена.

Теперь при переходе в режим токовой развертки ток, потребляемый нагрузкой от исследуемого источника питания, будет линейно изменяться практически от нуля до установленного ранее значения.

Возможное расширение функционала

При необходимости использовать электронную нагрузку именно для тестирования фотоэлектрических модулей, можно добавить режим стабилизации напряжения, для чего задействовать свободный усилитель ошибки в микросхеме DA2.

Если недостаточно линейной токовой развертки, нужно добавить еще одно положение переключателя SW1 и внешний вход, на который можно подавать положительный сигнал произвольной формы от функционального генератора. Настройка максимального уровня внешнего сигнала производится, аналогично описанной выше, изменением сопротивления резистора, включенного между новым контактом SW1 и внешним входом.

Максимальное рабочее напряжение можно увеличить изменением количества ламп, включенных последовательно, и применением более высоковольтных элементов в силовой части.

Видеоролик, демонстрирующий электронную нагрузку в работе

Заключение

Завершая описание электронной нагрузки, авторы считают необходимым указать на основной недостаток данного схемотехнического решения. С помощью описанного прибора нельзя исследовать быстрые динамические процессы в тестируемом источнике питания. Для некоторых применений это критически важно.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments TL494
  2. Datasheet ON Semiconductor BD139
  3. Datasheet ON Semiconductor BD140
  4. Datasheet Infineon IRF3205
  5. Datasheet Thinki Semiconductor B20100G
  6. Datasheet STMicroelectronics BAT41
  7. Datasheet Won-Top FR103
  8. Datasheet MCC SR506

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

23 предложений от 17 поставщиков
Узкие_4 Pulse-Width-Modulation Control Circuits_Supply voltage 41V_Complete PWM Power-Control Circuitry_Internal Regulator Provides a Stable 5-V Reference Supply With 5% Tolerance
AliExpress
Весь мир
1 шт./лот TL494CN TL494 494 импульсные контроллеры 40 кГц 200mA PWM DIP-16 новый оригинальный в наличии
7 ₽
ЗУМ-СМД
Россия
TL494CDR
Texas Instruments
11 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
TL494ID
694 ₽
Зенер
Россия и страны ТС
TL494CNE4
по запросу
Запись вебинара «Микросхемы для защиты цепей питания: ограничители всплесков напряжения и тока, контроллеры горячей замены, идеальные диоды»
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя