Динамическая электронная нагрузка с регулируемой скоростью нарастания

Texas Instruments LM555 LP38501-ADJ

Поведение при нестационарных нагрузках стало наиболее важной характеристикой регуляторов напряжения, используемых для питания широкого спектра устройств, потребление тока которых быстро меняется в процессе работы. Для проверки переходных характеристик требуется нагрузка, скоростью изменения которой можно управлять.

Вебинар «Необычное в обычном. Сравнительный анализ современных решений Recom» (27.01.2022)

В продаже имеются дорогие электронные нагрузки, но я не нашел ни одной, скорость изменения тока которой была бы выше 0.4 А/мкс, что слишком медленно для полной проверки переходных характеристик регуляторов напряжения. В этой статье показано, как создать недорогую и простую электронную нагрузку, которая может обеспечить скорости нарастания, превышающие 50 А/мкс.

В качестве коммутатора для подключения/отключения сопротивления нагрузки RLOAD к выходу регулятора в тестере используется n-канальный MOSFET Q1 (Рисунок 1). 50-миллиомный токоизмерительный резистор, включенный последовательно с коммутатором, позволяет наблюдать форму импульса тока в нагрузке.

Этот электронный тестер переходных процессов в нагрузке позволяет пользователям изменять как частоту, так и длительность импульсов, управляющих током нагрузки. Также имеется возможность управления скоростью изменения тока нагрузки.
Рисунок 1. Этот электронный тестер переходных процессов в нагрузке позволяет пользователям изменять
как частоту, так и длительность импульсов, управляющих током нагрузки. Также имеется
возможность управления скоростью изменения тока нагрузки.

Частота автоколебательного генератора на микросхеме U1 регулируется потенциометром R2, а длительность импульса ждущего мультивибратора на микросхеме U2, формирующего импульс нагрузки, – потенциометром R6. Таким образом, имеется возможность регулировки как частоты, так и длительности импульса тока нагрузки. При показанных на схеме номиналах компонентов частота может изменяться от 130 Гц до 2 кГц, а ширина импульса – примерно от 20 мкс до 400 мкс. C6 и R9 снижают коммутационный звон на транзисторе Q1.

Выход микросхемы U2 управляет затвором транзистора Q1, поэтому снижение скорости нарастания напряжения затвора снижает скорость нарастания тока MOSFET. Элементы D1, D2, R7, R8 и C5 управляют временами нарастания и спада напряжения на затворе. D1 и D2 обеспечивают независимость регулировок времени нарастания и спада. Емкость конденсатора C5 зависит от требуемых значений времени нарастания и спада.

В Таблице 1 показаны скорости нарастания и спада импульса тока тестера при скачке от 0 до 3 А для разных значений емкости конденсатора C5. Обратите внимание, что характеристика управления по затвору Q1 имеет асимметричный характер. Уровень выходного сигнала U2 поднимается примерно до 11 В, но спадает лишь до уровня «земли». Поэтому включение MOSFET происходит гораздо активнее, чем выключение, что делает нарастающий фронт импульса нагрузки более быстрым, чем спадающий.

Таблица 1. Скорости нарастания и спада импульса тока 0-3 А
при различных значениях емкости C5
Емкость C5 Нарастающий фронт
(А/мкс)
Спадающий фронт
(А/мкс)
Мин. Макс. Мин. Макс.
Ноль 0.50 85 2.2 15
1000 мкФ 0.45 75 1.9 12
0.01 мкФ 0.38 70 1.5 11
0.047 мкФ 0.25 50 0.75 10
0.1 мкФ 0.21 38 0.50 7.5

Чтобы получить одинаковую крутизну переднего и заднего фронтов, емкость конденсатора следует выбирать в соответствии с желаемой скоростью спада импульса. Сначала с помощью подстроечного резистора R7 устанавливают правильную скорость спада импульса тока, а затем резистором R8 крутизну переднего фронта делают равной крутизне заднего.

R7 и R8 – это многооборотные подстроечные резисторы, тогда как R2 и R6 – стандартные потенциометры с линейной характеристикой. Нагрузочный резистор R10 должен быть безындуктивным, предпочтительно углеродно-пленочным или металлооксидным. Токоизмерительный резистор R11 также должен быть безындуктивным. Рекомендуется выбрать металлопленочный резистор. Все конденсаторы, кроме танталового C2, керамические. Для улучшения теплоотвода транзистор Q1 припаян к медной контактной площадке размером 5 × 5 см.

На Рисунке 1 электронная нагрузка подключена к выходу 3-амперного линейного регулятора LP38501-ADJ с быстрой реакцией на переходные процессы. Регулятор тестировался при выходном напряжении, установленным равным 1.8 В, и с керамическим конденсатором 10 мкФ в качестве COUT. Скорость нарастания и спада импульса тока электронной нагрузки была установлена равной 0.5 А/мкс при использовании конденсатора C5 емкостью 0.1 мкФ, а затем регулировкой R7 и R8 времена нарастания и спада 3-амперного импульса, измеренные по уровням 10% и 90%, были сделаны равными по 6 мкс. Сопротивление резистора R10 было выбрано равным 0.6 Ом.

Результаты испытаний регулятора напряжения с малым временем отклика на изменения нагрузки показали лишь незначительные выбросы на фронтах выходного импульса напряжения при быстрых изменениях тока нагрузки.
Рисунок 2. Результаты испытаний регулятора напряжения с малым
временем отклика на изменения нагрузки показали лишь
незначительные выбросы на фронтах выходного импульса
напряжения при быстрых изменениях тока нагрузки.

Результаты испытаний демонстрируют небольшие выбросы на фронтах VOUT при изменениях нагрузки (Рисунок 2). Пиковые уровни этих выбросов равны примерно 40 мВ, составляя порядка 2.2% от номинального значения амплитуды выходного сигнала, что является хорошим результатом при использовании выходного конденсатора столь небольшой емкости.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments LM555
  2. Datasheet Texas Instruments LP38501-ADJ
  3. Datasheet National Semiconductor NDP706AL

Electronic Design

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Fast Load Transient Tester Circuit Features Adjustable Slew Rate

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

33 предложений от 25 поставщиков
Таймеры и сопутствующая продукция Single Timer
LM555CN
ON Semiconductor
10 ₽
LM555CN
Fairchild
3 ₽
ЗУМ-СМД
Россия
LM555CMX
ON Semiconductor
13 ₽
LM555CM/NOPB SO8 OSC SGL TIMER 100KHZ 8-SOIC Микросхемы
Texas Instruments
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