Динамическая нагрузка для импульсного блока питания



Динамическая электронная нагрузка для исследования переходных режимов источников питания

Linear Technology LT1935ES5

Использование описанной в этой статье быстрой динамической нагрузки для анализа переходных характеристик источников питания позволяет выявить множество критически важных рабочих параметров. Характер отклонения напряжения в результате быстрого скачка тока нагрузки напрямую связан с запасом по фазе петли обратной связи [2]. Кроме того, для источников питания, удаленных от точки подключения нагрузки, испытания в переходных режимах могут помочь определить значения эквивалентной последовательной индуктивности, шунтирующей емкости и эквивалентного последовательного сопротивления. Хотя фазовый запас коммерческих источников питания обычно контролируется изготовителем, подключение удаленных датчиков может нарушить стабильность источника. Индуктивность межсоединений и емкость нагрузки вносят дополнительный фазовый сдвиг в цепь обратной связи регулятора, ухудшая его устойчивость. Результаты этого – низкочастотные синусоидальные колебания, наложенные на выходное напряжение регулятора – наверняка приходилось наблюдать многим инженерам.

Проверка переходных характеристик на собранной системе позволяет быстро оценить ее динамическую устойчивость и точность (Рисунок 1). У большинства промышленных динамических электронных нагрузок скорости нарастания тока довольно малы, что ограничивает возможности тестирования быстродействующих петель регулирования, которые после большого скачка тока часто могут возвращаться в устойчивое состояние уже через 50 мкс, или даже быстрее. Для большинства мощных систем питания требуется скорость нарастания тока 10 А/мкс или выше.

На Рисунке 2 изображена адаптированная схема из [1] с несколькими существенными усовершенствованиями. Максимальный уровень мощности был увеличен до 150 Вт, а схема оптимизирована под конкретный набор выходных напряжений стабилизаторов 3.3 В, 5 В и 12 В. Образующие нагрузку резисторы R1-R3 коммутируются ключом нижнего плеча на одном N-канальном MOSFET. Варьируя мощность и количество этих резисторов, можно увеличить число возможных комбинаций нагрузок.

Основой схемы является драйвер MOSFET U1 с триггером Шмитта на входе, управляющий транзистором Q2, и вместе с элементами Q2, R8, R9 и C3 образующий автоколебательный генератор. При указанных на схеме номиналах компонентов коэффициент заполнения составляет примерно 5%, а длительность цикла (TCYC) – 20 мс. Сравнительно низкий коэффициент заполнения упрощает задачу охлаждения устройства.

R6 и R7 в комбинации с входной емкостью MOSFET независимо задают параметры фронтов импульса. Для показанных на схеме номиналов резисторов времена нарастания (TRISE) и спада (TFALL) равны приблизительно 1 мкс. При такой скорости нарастания пиковый ток затвора MOSFET равен примерно +110/–75 мА, что существенно меньше максимально допустимого выходного тока U1, ограниченного значением 1.4 А. Если возникнет необходимость в дополнительном сглаживании фронтов импульса, можно включить конденсатор C2. При времени нарастания/спада 1 мкс и относительно больших сопротивлениях резисторов в затворе MOSFET резонансные явления при коммутации затвора будут несущественными. R4 и C1 позволяют уменьшить резонансные выбросы на линии, возникающие при выключении MOSFET. Выбор величины сопротивления R4 зависит от индуктивности линии и входной емкости. Для большинства типичных условий подключения вполне эффективным оказалось значение 0.5 Ом.

Одной из наиболее удобных особенностей предлагаемого варианта тестера является двухпроводное подключение к исследуемому устройству. Для тестирования систем с напряжениями питания 3.3 В и 5 В в схему добавлен повышающий преобразователь напряжения 12 В, питающий затвор и драйвер MOSFET. Никаких других внешних подключений или источников питания не требуется. Выход повышающего преобразователя может отдавать ток порядка 350 мА при напряжении 3.3 В. Такого тока может быть недостаточно для заряда емкости затвора некоторых MOSFET. При работе с входным напряжением 12 В повышающий преобразователь следует выключить, заменив конденсатор C7 резистором 0 Ом. На L1 и D2 будет падать некоторое напряжение, но на правильную работу схемы это не повлияет. D3 защищает цепи повышающего преобразователя от переполюсовки питания. (Имейте в виду, что паразитный диод транзистора Q1 при переполюсовке откроется, увеличивая мощность, рассеиваемую MOSFET).

Вся схема, включая теплоотвод и небольшой 12-вольтовый вентилятор, легко умещается на двухсторонней печатной плате размером 75 × 125 мм. Работать с устройством, для подключения которого требуются лишь два провода, очень удобно. Выводы тестера должны быть короткими и иметь минимальную индуктивность, чтобы исключить возникновение звона. Подключение исследуемого устройства должно производиться непосредственно вблизи нагрузки или возле удаленного датчика. Обратные провода щупов тестера должны быть присоединены к одной точке. Эту точку следует выбирать так, чтобы импеданс ее пути к источнику питания был как можно более низким.

Нажатие на кнопочный выключатель PB1 запускает автоколебательную схему, и динамическая нагрузка начинает коммутироваться. При желании можно использовать внешний источник питания. R5 и J2 образуют широкополосный выход для измерений пульсаций тока. Для наблюдения формы тока в масштабе 1 мВ/А отрезок 50-омного коаксиального кабеля можно подключить непосредственно к входу осциллографа. Одновременно следует измерять напряжение вблизи точки подключения нагрузки или удаленного датчика с помощью открытого входа второго канала осциллографа. Изготавливать щупы надо с большой аккуратностью. Эффекты, порожденные индуктивность проводов, будут вводить вас в заблуждение. Для подавления высокочастотного звона от эквивалентной последовательной индуктивности щупов последовательно с контактом щупа полезно включить небольшой резистор сопротивлением в несколько ом. Кроме того, не пытайтесь подключать щупы прямо к контактным площадкам развязывающих конденсаторов, которые могут исказить реальную картину изменений напряжений, происходящих в схеме.

Ссылки

1. Application note 1716.0, Intersil, Paul Traynham and Dan Swank, January 26, 2012
2. Application note AN1733, Texas Instruments, SNOA507, November 2007

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

ДИНАМИЧЕСКАЯ ТОКОВАЯ НАГРУЗКА

Предлагаем собрать это полезное устройство — динамическую нагрузку постоянного тока. Частая работа со сборкой и ремонтов источников питания постоянного тока заставили создать этот инструмент, чтобы можно было измерить результаты их работы в разных режимах. На сайте Радиосхемы есть много подобных устройств, но немногие имеют функцию динамической загрузки, что как раз часто требуется. Давайте рассмотрим основную схему и её блоки.

Схема блока динамической нагрузки

Чтобы иметь стабильную настройку нагрузки, независимо от изменений напряжения питания, надо использовать эталонный стабилизатор напряжения. Выходное напряжение микросхемы было выбрано на основе максимального тока, который составляет 5 ампер. При использовании шунта 0,1 Ом, 5 ампер переводятся в 500 мВ. Поэтому берем LM358 с выходом 1,25 В. Используя резисторный делитель вместе с текущим установочным измерителем тока, создаем уровень 500 мВ, чтобы измеритель тока мог выдавать требуемое значение. Заменив только один резистор, позже можно будет изменить ток нагрузки до максимального уровня 12,5 А.

Напряжение на шунте подаются на отрицательный вход U1, который будет пытаться сохранить этот вход равный положительному, который получает желаемое опорное напряжение путем изменения выходного сигнала. Выход операционного усилителя соединен с полевым МОП-транзистором, который может обрабатывать большое количество вольт, ампер и ватт.

Как выяснилось, цифровые дисплеи вольтамперметров вводят много шума в источник питания, поэтому был использован последовательный резистор, стабилитрон и два конденсатора, чтобы предотвратить его попадание в остальную цепь.

Если S3, находится в прямой настройке, опорное напряжение счетчика подаются в ОУ. В настройке режима «динамический» использован отдельный вход, поступающий от функционального генератора или его аналога, чтобы заставить пульсировать нагрузку на определенных частотах. Это позволяет измерять время нарастания и спада или другие параметры тестируемого источника питания.

Чтобы устранить возможные колебания и добавить стабильность, были добавлены C7, C3, C2.

Затвор полевого МОП-транзистора приводится к земле небольшим резистором, просто чтобы не возникало неожиданного замыкания на выходе. Этот резистор должен быть припаян прямо к контактам MOSFET и шунта.

Используя эту динамическую нагрузку, получилось измерить время нарастания и спада U менее 50 микросекунд, что более чем достаточно для исследований.

МОП-транзистор имеет параметры 55 В, 110 А и 200 Вт. С 30 В он даже не нагревается на довольно маленьком радиаторе. Сопротивление при включении составляет всего 8 миллиОм, хотя никогда не достигнем такого низкого уровня, потому что не насыщаем его полностью. Однако работа с более высокими напряжениями или более высокими токами быстро увеличивает количество рассеиваемых ватт! Также установлен сюда вентилятор, регулируемый температурой.

Чтобы лучше справиться с температурой при более высоких нагрузках, решено было использовать два MOSFET параллельно.

Резистор R21 в стоке МОП-транзистора BS170 предназначен для снижения напряжения на затворе, а не для его соединения с землей. При использовании комбинации резисторов R9, R14 и R21 напряжение на затворе падает примерно с 300 мВ, что только снижает нагрузку и, следовательно, температуру Q2, не влияя на Q1 и, следовательно, на выход.

После использования этой нагрузки постоянного тока в течение некоторого времени, немного раздражал тот факт, что не получается получить нулевую нагрузку на выходе. Хотя потенциометр (R6) снижался до нуля вольт, выход IC1 оставался на уровне 3,3 В, в результате чего на шунте было 0,006 Вольт (R12).

И вот способ отрегулировать диапазон в самом нижнем положении, чтобы иметь нулевой выход нагрузки. Хитрость заключалась в том, чтобы подать очень маленькое отрицательное напряжение на нижнюю часть R6, вместо того, чтобы подключать его к земле. Используем ответвление на двух диодах, которые создавали небольшое отрицательное напряжение для IC1 и подавали это -0,7 В на переменник 10К. Когда R6 находится в самом нижнем положении на выходе отсутствует нагрузка.

Вот новая схема с этим изменением:

Схема генератора импульсов

Тут использована принципиальная схема на основе м/с 555, которая производит последовательность импульсов 180 мсек и 70 мсек. Просто изменив C3 можно изменить частоту. Сначала использовался источник питания 12 В для питания этой схемы, но позже добавлен стабилизатор.

Нагрузка постоянного тока будет включена во время импульса включения и полностью отключена во время импульса выключения. Благодаря стабилизатору выходной сигнал таймера 555 составляет около 5 В. Этот сигнал используется для управления динамической нагрузкой.

Форум по обсуждению материала ДИНАМИЧЕСКАЯ ТОКОВАЯ НАГРУЗКА

Бесколлекторный двигатель постоянного тока — занимательная теория работы мотор-колеса.

Простая транзисторная схема робота следующего по нарисованной линии. Без микроконтроллеров и дорогих деталей.

Что означают термины переключатель, тумблер и кнопка — в чём главные различия и особенности применения каждого из них.

Источник

Динамическая нагрузка для импульсного блока питания

Автор: Lion_A, alexandrov.a@bk.ru
Опубликовано 18.09.2014
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2014»

Поздравляю Кота с днем рождения и желаю удачи!

Похожее устройство уже участвовало в конкурсе и очень мне понравилось https://radiokot.ru/circuit/analog/measure/26/. Я его повторил. Но мне не понравилась регулировка тока, регулятором по сути устанавливалась скважность ШИМ, а не ток нагрузки. Поэтому я решил добавить в схему стабилизатор тока и вот что вышло:

ШИМ контроллер TL494 работает в однотактном режиме. Частоту его работы задают R6 и C2, частота равна 14кГц . В схему введена обратная связь по току. Напряжение с токового шунта R16 усиливается операционным усилителем DA1 и поступает на положительный вход усилителя ошибки TL494. На отрицательный вход усилителя ошибки через регулируемый делитель напряжения собранный на переменном резисторе R3 и резисторе R8 подаётся опорное напряжение 5В с вывода 13 TL494. Переключатель S2 шунтирующий R7 изменяет диапазон регулировки тока 0-3А/0-20А. Включение и выключение схемы осуществляется переключателем S1. Пока выключатель разомкнут транзистор VT1 закрыт и вывод DTC через подтягивающий резистор подтянут к +5В источника опорного напряжения. При этом работа ШИМ контролера блокируется. При замыкании S1 транзистор VT1 откроется и прижмет DTC к земле и работа TL494 будет разрешена. Для управления MOSFETами применен драйвер верхнего и нижнего плеча IC 2 IR2101. Здесь используется только нижнее плечо, поэтому никакой дополнительной обвязки не требуется. С выхода драйвера импульсы через резисторы R10; R 11 подаются на затворы MOSFETов VT 2; VT 3.

Осциллограмма на стоках MOSFETов без снаберного конденсатора C5 и диода VD1. масштаб 10В в клетке:

С установленным С5(5В в клетке):

Видим затухающий колебательный процесс на стоке во время открытия транзистора. Установка диода VD 1 значительно помагает:

Это сигнал на затворе одного из MOSFETов:

Входная мощность рассеивается на резисторе R12. Он изготовлен из двух нихромовых проволок диаметром 1мм и сопротивлением 1 Ом каждая, соединенных параллельно. Для его охлаждения используется вентилятор от компьютерного блока питания.

Настройка почти не требуется. Устанавливаем R3 в левое положение по схеме, включаем S1, подаем на вход напряжение и начинаем поворачивать R3, ток должен увеличиваться. Желательно проверить осциллографом управляющие импульсы на затворах транзисторов VT2; VT 3. Импульсы должны иметь правильную прямоугольную форму. Подстроечным резистором R1 7 подстраиваем диапазон регулировки тока. На передней панели можно нанести шкалу с проградуированными значениями тока. В этом случае можно отказаться от амперметра, так как ток будет стабилизироваться независимо от входного напряжения. Если хочется использовать измеритель напряжения и тока, то напряжение для вольтметра берется с входных клемм через делитель а для амперметра с выхода операционного усилителя DA1 оно будет пропорционально току в диапазоне 0-5В, что очень удобно для подачи на вход АЦП микроконтроллера. Питается устройство от источника питания с напряжением 15В. Желательно применить стабилизированный источник, но необязательно. Основной потребитель это вентилятор, поэтому тока в 200-300мА будет достаточно.

Почти все детали можно найти в отработавшей свое компьютерной технике. TL494, диод VD 1(стоит в выпрямителе 12В) и вентилятор взяты из компьютерного БП. IR2101 и транзистор IRFZ44N можно найти в источниках бесперебойного питания. Токовый шунт взят из мультиметра DT-830. Дроссель L1 пробовал мотать на разных кольцах, разницы не заметил. Его индуктивность должна быть в пределах 40-100мкГн и намотана проводом диаметром не менее 1мм. C 5 К73-17 на напряжение 250В. C 6 керамический, припаивается непосредственно к выводам С7 с нижней стороны платы. Электролиты С7; С9 должны быть low ESR . Транзистор VT 1 любой маломощный npn . Транзисторы VT2; VT3 установленны на радиатор и греются не очень сильно. Диод VD 2 для защиты от неправильной полярности рассчитанный на прямой ток не менее 20 A и обратное напряжение не менее 50В и непомешало бы перед ним поставить предохранитель.

Вот вид собраннго мною устройства:

Верхнюю крышку делать не стал специально, для лучшего охлаждения. С такой конструкцией можно продолжительное время рассеивать до 150Вт и кратковременно до 300Вт при напряжении до 30В.

Источник

Электронная импульсная нагрузка на базе TL494

Преимущества электронного эквивалента нагрузки

Чем же в принципе электронные нагрузочные эквиваленты предпочтительнее традиционных средств (мощные резисторы, лампы накаливания, термонагреватели и прочие приспособления), используемых зачастую конструкторами при наладке различных силовых устройств?

Граждане портала, имеющие отношение к конструированию и ремонту блоков питания, несомненно знают ответ на этот вопрос. Лично я вижу два фактора, достаточных для того, что бы иметь в своей «лаборатории» электронную нагрузку: небольшие габариты, возможность управления мощностью нагрузки в больших пределах простыми средствами (так, как мы регулируем громкость звучания или выходное напряжение блока питания — обычным переменным резистором а не мощными контактами рубильника, движком реостата и т.д.).

Кроме того, «действия» электронной нагрузки можно легко автоматизировать, облегчив таким образом и сделав более изощренными испытания силового устройства с помощью электронной нагрузки. При этом, разумеется, освобождаются глаза и руки инженера, работа становится продуктивней. Но о прелестях всех возможных наворотов и совершенств — не в этой статье, и, быть может, от другого автора. А пока, — лишь о еще одной разновидности электронной нагрузки — импульсной.

Особенности импульсного варианта ЭН

Аналоговые электронные нагрузки безусловно хороши и многие из тех, кто использовал ЭН при наладке силовых устройств, оценили ее преимущества. Импульсные ЭН имеют свою изюминку, давая возможность для оценки работы блока питания при импульсном характере нагрузки таком, как, например, работа цифровых устройств. Мощные усилители звуковых частот так же оказывают характерное влияние на питающие устройства, а потому, неплохо было бы знать, как поведет себя блок питания, расчитанный и изготовленный для конкретного усилителя, при определенном заданном характере нагрузки.

При диагностике ремонтируемых блоков питания эффект применения импульсной ЭН так же заметен. Так, например, с помощью импульсной ЭН была найдена неисправность современного компьютерного БП. Заявленная неисправность данного 850-ваттного БП была следующей: компьютер при работе с этим БП выключался произвольно в любое время при работе с любым приложением, независимо от потребляемой, на момент выключения, мощности. При проверке на обычную нагрузку (куча мощных резисторов по +3В, +5В и галогенных лампочек по +12В) этот БП отработал на «ура» в течении нескольких часов при том, что мощность нагрузки составила 2/3 от его заявленной мощности. Неисправность проявилась при подключении импульсной ЭН к каналу +3В и БП начал отключаться, едва стрелка амперметра доходила до деления 1А. При этом токи нагрузки по каждому из прочих каналов положительного напряжения не превышали 3А. Неисправной оказалась плата супервизора и была заменена на аналогичную (благо, был такой же БП с выгоревшей силовой частью), после чего БП заработал нормально на максимальном токе, допустимом для используемого экземпляра импульсной ЭН (10А), которая и является предметом описания в данной статье.

Идея создания импульсной нагрузки появилась достаточно давно и впервые была реализована в 2002 году, но не в теперешнем ее виде и на другой элементной базе и для несколько иных целей и не было в то время для меня лично достаточных стимулов и прочих основаий для развития этой идеи. Сейчас звезды стоят иначе и что-то сошлось для очередного воплощения этого устройства. С другой стороны, устройство изначально имело несколько иное назначение — проверка параметров импульсных трансформаторов и дросселей. Но одно другому не мешает. Кстати, если кто-то захочет заняться исследованием индуктивных компонентов с помощью этого или аналогичного устройства, пожалуйста: ниже архивы статей маститых (в области силовой электроники) инженеров, посвященных этой теме.

Итак, что же представляет собой «классическая» (аналоговая) ЭН в принципе. Токовый стабилизатор, работающий в режиме короткого замыкания. И ничего больше. И будет прав тот, кто в порыве какой угодно страсти замкнет выходные клеммы зарядного устройства или сварочного аппарата и скажет: это — электронная нагрузка! Не факт, конечно, что подобное замыкание не будет иметь пагубных последствий, как для устройств, так и для самого оператора, но и то и другое устройство действительно являются источниками тока и вполне могли бы претендовать после определенной доводки на роль электронной нагрузки, как и любой другой сколь угодно примитивный источник тока. Ток в аналоговой ЭН будет зависеть от напряжения на выходе проверяемого БП, омического сопротивления канала полевого транзистора, устанавливаемого величиной напряжения на его затворе.

Ток в импульсной ЭН будет зависеть от суммы параметров в число которых будет входить ширина импульса, минимальное сопротивление открытого канала выходного ключа и свойства проверяемого БП (емкость конденсаторов, индуктивность дросселей БП, выходное напряжение).
При открытом ключе ЭН образует кратковременное короткое замыкание, при котором конденсаторы испытуемого БП разряжаются, а дроссели (если они содержатся в конструктиве БП) стремяться к насыщению. Классического КЗ, однако, не происходит, т.к. ширина импульса ограничена во времени микросекундными величинами, определяющими величину разрядного тока конденсаторов БП.
В то же время проверка импульсной ЭН является более экстремальной для проверяемого БП. Зато и «подводных камней» при такой проверке выявляется больше, вплоть до качества питающих проводников, подводимых к питающему устройству. Так, при подключении импульсной ЭН к 12-тивольтовому БП соединительными медными проводами диаметром жилы 0,8мм и токе нагрузки 5А, осциллограмма на ЭН выявила пульсации, представляющие собой последовательность прямоугольных импульсов размахом до 2В и остроконечными выбросами с амплитудой, равной напряжению питания. На клеммах самого БП пульсации от ЭН практически отсутствовали. На самой ЭН пульсации были сведены к минимуму (менее 50мВ) при помощи увеличения количества жил каждого питающих ЭН проводников — до 6. В «двухжильном» варианте минимума пульсаций, сопоставимого с «шестижильным», удалось достигнуть установкой дополнительного электролитического конденсатора емкостью 4700мФ в точках соединения питающих проводов с нагрузкой. Так что, при построении БП, импульсная ЭН очень даже может пригодиться.

Схема

ЭН собрана на популярных (благодаря большому количеству утилизированных компьютерных БП) компонентах. Схема ЭН содержит генератор с регулируемой частотой и шириной импульсов, термо-и-токовую защиту. Генератор выполнен на ШИМ TL494.

Регулировка частоты осуществляется переменным резистором R1; скважности — R2; термочувствительности — R4; ограничение тока — R14.
Выход генератора умощнен эмиттерным повторителем (VT1, VT2) для работы на емкости затворов полевых транзисторов числом от 4-х и более.

Генераторная часть схемы и буферный каскад на транзисторах VT1, VT2 могут быть запитаны от отдельного источника питания с выходным напряжением +12. 15В и током до 2А или от канала +12В проверяемого БП.

Выход ЭН (сток полевого транзистора) и соединяется с «+» проверяемого БП, общий провод ЭН — с общим проводом БП. Каждый из затворов полевых транзисторов (в случае их группового использования) должен быть соединен с выходом буферного каскада собственным резистором, нивелирующим разницу параметров затворов (емкость, пороговое напряжение) и обеспечивающим синхронную работу ключей.

На фотографиях видно, что на плате ЭН имеется пара светодиодов: зеленый — индикатор питания нагрузки, красный индицирует срабатывание усилителей ошибки микросхемы при критической температуре (постоянное свечение) или при ограничении тока (едва заметное мерцание). Работой красного светодиода управляет ключ на транзисторе КТ315, эмиттер которого соединен с общим проводом; база (через резистор 5-15кОм) с выводом 3 микросхемы; коллектор — (через резистор 1,1 кОм) с катодом светодиода, анод которого соединен выводам 8, 11, 12 микросхемы DA1. На схеме этот узел не показан, т.к. не является безусловно обязательным.

Не указанные на схеме номиналы резисторов и конденсаторов:

По поводу резистора R16. При прохождении через него тока 10А, рассеиваемая на резисторе мощность составит 5Вт (при указанном на схеме сопротивлении). В реальной конструкции используется резистор сопротивлением 0,1 Ом (не оказалось нужного номинала) и мощность, рассеиваемая на его корпусе при том же токе, составит 10Вт. Температура резистора при этом гораздо выше температуры ключей ЭН, которые (при использовании радиатора, показанного на фото) греются не сильно. Поэтому термодатчик лучше установить на резисторе R16 (или в непосредственной близости), а не на радиаторе с ключами ЭН.

Источник