Электрификация

Справочник домашнего мастера

Регулятор тока lm358

РадиоКот >Схемы >Питание >Блоки питания >

Теги статьи: Добавить тег

Простая доработка импульсного БП

Vanyap1
Опубликовано 14.02.2013
Создано при помощи КотоРед.

Собствено — назрело желание сделать что то полезное. Купил пару светолиодов мощных, но к сожалению не присмотрел драйвера к ним. А когда присмотрел, то не сильно обрадовала стоимость этого удовольствия.

Пришлось гуглить, но ничего толкового и полезного для себя я не нашел. И тут возникла идея…

Суть в том, чтобы сделать не слишком сложное устройство, позволяющее быстро и легко медернизировать практически любой извесный кЕтайский и не только импульсный источник питания для последующей возможности регулировки параметров исходящего из него тока и напряжения. И чтобы это не было сильно дорого.

В схеме применены следующие кмпоненты —

1: всеми любимый операционный усилитель — LM358

2: в качестве ИОНа применен TL431

3: по несколько штук конденсаторов и резисторов, а также пара переменніх резисторов.

Мне удалось выдрать все детали из одной материнской платы от ПК, в т.ч. и шунт.

Все дискретные элементы применены SMD, типоразмера — 0508.

Устройство сделано по следующей схеме —

На делителе R2 — IC1 собран источник опорного напряжения на 2,5 вольт. R3 служит для регулировки выхдного напряжения, R5 (многооборотный) — оегулировка тока, R1 — шунт, VD1 и VD2 развязывают выходы ОУ. R6-C1, R7-C2 — компенсация обратной связи, чтобы небыло свиста трансформатора.

Как подлючать вроде понятно со схемы, но все же…

К входу схемы подключить БП, к выходу — нагрузку. И выход оптопары подключить к штатной оптопаре на БП, при этом отключть ее от того, к чему она подключена в БП.

Переменными резимторами установить требуемые параметры тока и напряжения.

После правильной сбоки схема должна заработать сразу.

Что касается пациента на модернизацию — тут все просто: Все что до трансформатора трогать не следует. То что после трансформатора трогать не надо если не надо получать от ИИП болше напряжения чем он расчитан, если все же надо, то заменить конденсаторы на напряжение побольше за желаемое. Например: БП с номинальным напряжением 12В — спокойно даст 19 Вольт, конденсаторы надо заменить на 25 вольтовые. Все что касается стабилизации напряжения на данном БП надо демонтировать.

Сейчас эта схема питает светодиод на 10 Вт.

Вот что получилось у меня, так сказать пробный вариант —

И печатная плата в .LAY

Файлы:
Печатная плата

Все вопросы в Форум.

Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

40 7 1
4 0 1

В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите :). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1-включено, 0-выключено. Начнем.

1 НАГРУЗКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА. Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн

Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
BC547.pdf (10222 Загрузки)

1.3 Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

Для применения можно порекомендовать мощные транзисторы IRF630, IRF640. Их часто используют и поэтому их легко достать.
IRF640.pdf (17202 Загрузки)

1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
ULN2003.pdf (18862 Загрузки)

2 НАГРУЗКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

2.2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.

Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.

Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы типа BT138.
BT138.pdf (6379 Загрузок)

2.3 Подключение нагрузки при помощи твердотельного реле.
С недавних пор у радиолюбителей появилась очень замечательная штука — твердотельные реле. Представляют они из себя оптические приборы (еще их называют оптореле), с одной стороны, в общем случае, стоит светодиод, а с другой полевой транзистор со светочувствительным затвором. Управляется эта штука малым током, а манипулировать может значительной нагрузкой.

Подключать твердотельное реле к микроконтроллеру очень просто — как светодиод — через резистор.
Достоинства налицо: малые размеры, отсутствие механического износа, возможность манипулировать большим током и напряжением и самое главное оптическая развязка от опасного напряжения. Нагрузка может быть как постоянного, так и переменного тока в зависимости от конструкции реле. Из недостатков следует отметить относительную медлительность (чаще всего для коммутации используется полевик) и довольно значительную стоимость реле.

Если не гнаться за завышенными характеристиками можно подобрать себе прибор по приемлемой цене. Например, реле CPC1030N управляется током от 2мА, при этом способно коммутировать нагрузку переменного и постоянного тока 120мА и 350v (очень полезная для радиолюбителей вещь!)
CPC1030N.pdf (14054 Загрузки)

Содержание

Соединение транзисторов

Сравнительно давно в мире электроники появились кремниевые транзисторы, которые полностью вытеснили лампы из мира электроники. Когда же появились интегральные схемы, где транзисторов иногда насчитывалось до миллиарда штук, эти радиоэлементы стали незаменимы другими компонентами и начали уменьшение электронных приспособлений. В этом материале будет рассказано, как подключить биполярный транзистор, как выглядит схема транзистора и какие схемы включения транзисторов для чайников существуют.

Что такое

Транзистор — это особый элемент электроцепи полупроводникового типа, который служит для изменения основных электрических параметров электротока и для регулирования этих параметров. В стандартном полупроводниковом триоде существует всего 3 вывода: коллектор, инжектор зарядов и базовый элемент, на который собственно и направляются электроны от управления. Также имеются комбинированные транзисторы с большой мощностью. Если обычные элементы, используемые в интегральных схемах, могут быть размером в несколько нанометров, то производственные транзисторы для промышленных предприятий имеют корпус и составляют до 1 сантиметра в ширину. Напряжение обратного типа производственных управляющих триодов достигают до 1 тысячи Вольт.

2SD1710 для импульсных блоков питания

Конструкция триода сделана на основе слоев полупроводника, заключающихся в корпусе элемента. В качестве полупроводников выступают материалы, в основу которых входит кремний, германий, галлий и некоторые другие химические элементы. В настоящее время проводится множество исследований, которые выдвигают в качестве материалов различные виды полимеров и углеродных нанотрубок.

Важно! Когда-то кристаллы полупроводников располагали в металлических отсеках в виде шляп с тремя выводами. Такое строение было характерно для точечных элементов транзисторного типа.

Различные виды рассматриваемых радиоэлементов

На сегодняшний день строение практически всех плоских и кремниевых транзисторов основано на легированном монокристалле. Они находятся в пластмассовых, металлических или стеклянных корпусах. У многих из них есть выступающие выводы, позволяющие отвести тепло при сильном нагреве от электричества.

Кремниевый биполярный транзистор 2SA1286

Выводы современных транзисторов расположены, как правило, в один ряд. Это удобно, так как плату собирают роботы, и это экономит ресурсы. Выводные контакты также не маркируются на корпусе элемента. Вид вывода определяют по инструкции эксплуатации или после тестовых замеров.

Важно! Для транзисторов применяют сплавы полупроводникового типа с разным строением: PNP или NPN. Их различие заключается в разных знаках напряженности на выводах.

Если брать схематически, то описать этот радиоэлемент можно так: два полупроводника, разделенные дополнительным слоем, который управляет проводимостью триода.

Схема устройства полевых радиоэлементов

Область применения и основной принципы функционирования

В состоянии покоя между коллекторами транзистора нет электрического тока. Его прохождению мешает сопротивляемость переходника, которое возникает из-за одновременной работы двух слоев транзистора. Включить элемент просто: необходимо подать любое напряжение на элемент. Управление базой и ее токами будет напрямую переключать режимы работы транзистора с «включенного» на «выключенный».

Если же направить сигнал от аналогового источника, то он будет взаимодействовать с выходными токами путем передачи им своей амплитуды. Иначе говоря, электрический сигнал, который поступил на выходы, будет усилен. Полупроводниковые управляющие триоды вполне могут активно работать как электронные ключи или усилители электронных сигналов входа.

Простейшие схемы подключения транзисторов

Обозначение на электросхемах

В течение уже достаточно продолжительного количества времени у транзистора есть принятое обозначение: «ВТ» или «Q». После букв нужно указать индекс позиции. Например, ВТ 2. На старых чертежах можно найти условные обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ», которые более не используются. Транзистор рисуют в виде неких отрезков, которые обозначают контакты электродов. Иногда их обводят кругом. Направление электротока в области эмиттера указывает специальная стрелка.

Схема работы простейшего радиоэлемента

По принципу действия и строению различают следующие полупроводниковые триоды:

  • Полевого типа;
  • Биполярного;
  • Комбинированного.

Все они обладают схожим функционалом и различны по технологии работы.

Полевые

Такие триоды ещё называют униполярными, из-за их электрических свойств — у них происходит течение тока только одной полярности. Такой тип также подразделяется на некоторые виды по своему строению и типу регулировки:

  • Транзисторы с PN переходом управления;
  • Элементы с затвором изолированного типа;
  • Такие же транзисторы другой структуры (металл-диэлектрик-проводник).

Важно! Изолированный затвор обладает одной отличительной особенностью — наличием диэлектрического слоя между ним и каналом.

Схема элемента с затвором изолированного типа

Еще одна особенность полевых транзисторов — низкое потребление электроэнергии. Например, такой элемент может функционировать больше одного года на одной батарейке. Полевые радиоэлементы довольно независимы: они потребляют крайне мало электроэнергии. Такой прибор может годами работать на пальчиковой батарейке или небольшом аккумуляторе. Именно это и обусловило их широкое применение в электросхемах и приборах.

Электронно-дырочный переход

Биполярные

Свое название эти элементы получили за то, что они способны пропускать электрические заряды плюса и минуса через один проходной канал. Также они обладают низким входным сопротивлением. Такие приспособления работают как усилители сигнала и коммутаторы. Благодаря им в электроцепь можно подключить довольно сильную нагрузку и понизить действие ее сопротивления. Биполярники являются наиболее популярными полупроводниковыми приборами активного типа.

Принцип работы биполярного транзистора в схеме

Комбинированные

Комбинированные элементы изобретаются для того, чтобы по применению одного дискретного состояния достичь требуемых электрических параметров. Они бывают:

  • Биполярными с внедрёнными в их схему резисторами;
  • Двумя триодами одной или нескольких структур строения в единой детали;
  • Лямбда-диодами — сочетанием двух полевых управляющих триодов, создающих сопротивляемость со знаком «минус»;
  • Элементы, в которых полевые составляющие управляют биполярными.

Комбинированный транзистор

Схема подключения транзистора для чайников

Наиболее популярными в схемотехнике являются следующие схемы подсоединения транзисторов в цепь: с общей базовой установкой, общими выводами инжекторного эмиттера и с общим коллекторным преобразователем для подачи напряженности.

Для усилителей с базой общего типа характерно следующее:

  • Низкие параметры входного сопротивления, которое не достигает даже 100 Ом;
  • Неплохая температура и частота триода;
  • Допустимое напряжение весьма большое;
  • Требуют два различных источника питания.

Схемы второго типа обладают:

  • Высокими показателями усиления электротока и напряжения;
  • Низкими показателями усиления мощностных характеристик;
  • Инверсионной разницей между входным и выходным напряжением.

Важно! Схемы с электродами общего коллекторного типа требуют одного источника питания.

Подключение по типу общего коллектора может обеспечить:

  • Низкие показатели электронапряжения по усилению;
  • Большая и меньшая сопротивляемость входа и выхода соответственно.

Подключение транзистора для светодиода

Таким образом, транзистор — один из самых распространенных радиоэлементов в электронике. Он позволяет изменять параметры электрического тока и регулировать его для корректной работы электроприборов. Существует несколько видов транзисторов, как и способов их соединения. Различаются они строением и целями использования.

Управление мощной нагрузкой

06 Jan 2017

На практике часто возникает необходимость управлять при помощи цифровой схемы (например, микроконтроллера) каким-то мощным электрическим прибором. Это может быть мощный светодиод, потребляющий большой ток, или прибор, питающийся от электрической сети. Рассмотрим типовые решения этой задачи.

Виды управления

Будем считать, что нам нужно только включать или выключать нагрузку с низкой частотой. Части схем, решающие эту задачу, называют ключами. ШИМ-регуляторы, диммеры и прочее рассматривать не будем (почти).

Условно можно выделить 3 группы методов:

  1. Управление нагрузкой постоянного тока.
    • Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
    • Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
    • Транзисторный ключ на IGBT.
  2. Управление нагрузкой переменного тока.
    • Тиристорный ключ.
    • Симисторный ключ.
  3. Универсальный метод.
    • Реле.

Выбор способа управления зависит как от типа нагрузки, так и от вида применяемой цифровой логики. Если схема построена на ТТЛ-микросхемах, то следует помнить, что они управляются током, в отличие от КМОП, где управление осуществляется напряжением. Иногда это важно.

Ключ на биполярном транзисторе

Простейший ключ на биполярном транзисторе проводимости n-p-n выглядит следующим образом.

Вход слева подключается к цифровой схеме. Если у нас цифровая схема построена на основе КМОП-логики с двухтактным («push-pull») выходом, то логическая «1» фактически означает подключение этого входа к питанию, а логический «0» — к земле.

Таким образом, при подаче «1» на вход нашей схемы ток от источника питания потечёт через резистор R1, базу и эмиттер на землю. При этом транзистор откроется (если, конечно, ток достаточно большой), и ток сможет идти через переход коллектор — эмиттер, а значит и через нагрузку.

Резистор R1 играет важную роль — он ограничивает ток через переход база — эмиттер. Если бы его не было, ток не был бы ничем ограничен и просто испортил бы управляющую микросхему (ведь именно она связывает линию питания с транзистором).

Максимальный ток через один выход микроконтроллера обычно ограничен значением около 25 мА (для STM32). В интернете можно встретить утверждения, что микроконтроллеры AVR выдерживают ток в 200 мА, но это относится ко всем выводам в сумме. Предельное допустимое значение тока на один вывод примерно такое же — 20-40 мА.

Это, кстати, означает, что подключать светодиоды напрямую к выводам нельзя. Без токоограничивающих резисторов, микросхема просто сгорит, а с ними светодиодам не будет хватать тока, чтобы светить ярко.

Обратите внимание, что нагрузка (LOAD) подключена к коллектору, то есть «сверху». Если подключить её «снизу», у нас возникнет несколько проблем.

Допустим, мы хотим при помощи 5 В (типичное значение для цифровых схем) управлять нагрузкой в 12 В. Это значит, что на базе мы можем получить максимум 5 В. А с учётом падения напряжения на переходе база — эмиттер, на эмиттере будет напряжение ещё меньше. Если падение напряжения на переходе равно 0,7 В,то получаем, что на нагрузку остаётся только 4,3 В, чего явно недостаточно. Если это, например, реле, оно просто не сработает. Напряжение не может быть выше, иначе тока через базу вообще не будет. Наличие падения напряжения на нагрузке также приведёт к уменьшению тока через базу.

Для расчёта сопротивления R1 нужно вспомнить соотношение для упрощённой модели транзистора:

Коэффициент $\beta$ — это коэффициент усиления по току. Его ещё обозначают $h_{21э}$ или $h_{FE}$. У разных транзисторов он разный.

Зная мощность нагрузки $P$ и напряжение питания $V$, можно найти ток коллектора, а из него и ток базы:

По закону Ома получаем:

Коэффициент $\beta$ не фиксированная величина, он может меняться даже для одного транзистора в зависимости от режима работы, поэтому лучше брать значение тока базы при расчёте чуть больше, чтобы был запас по току коллектора. Главное помнить, что ток базы не должен превышать предельно допустимое для микросхемы.

Также важно при выборе модели транзистора помнить о предельном токе коллектора и напряжении коллектор — эмиттер.

Ниже как пример приведены характеристики некоторых популярных транзисторов с проводимостью n-p-n.

Модель $\beta$ $\max\ I_{к}$ $\max\ V_{кэ}$
КТ315Г 50…350 100 мА 35 В
КТ3102Е 400…1000 100 мА 50 В
MJE13002 25…40 1,5 А 600 В
2SC4242 10 7 А 400 В

Модели выбраны случайно, просто это транзисторы, которые легко найти или откуда-то выпаять. Для ключа в рассматриваемой схеме, конечно, можно использовать любой n-p-n-транзистор, подходящий по параметрам и цене.

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель, который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять, например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Пример расчёта простой схемы

Пусть, например, требуется включать и выключать светодиод с помощью микроконтроллера. Тогда схема управления будет выглядеть следующим образом.

Пусть напряжение питания равно 5 В.

Характеристики (рабочий ток и падение напряжения) типичных светодиодов диаметром 5 мм можно приблизительно оценить по таблице.

Цвет $I_{LED}$ $V_{LED}$
Красный 20 мА 1,9 В
Зеленый 20 мА 2,3 В
Желтый 20 мА 2,1 В
Синий (яркий) 75 мА 3,6 В
Белый (яркий) 75 мА 3,6 В

Пусть используется белый светодиод. В качестве транзисторного ключа используем КТ315Г — он подходит по максимальному току (100 мА) и напряжению (35 В). Будем считать, что его коэффициент передачи тока равен $\beta = 50$ (наименьшее значение).

Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд E12.

Для тока $I_{LED} = 0{,}075\,А$ управляющий ток должен быть в $\beta = 50$ раз меньше:

Падение напряжения на переходе эмиттер — база примем равным $V_{EB} = 0{,}7\,В$.

Отсюда

Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по току.

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент $\beta$ может быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты $\beta$ двух транзисторов умножаются, что позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры таких транзисторов приведены в таблице.

Модель $\beta$ $\max\ I_{к}$ $\max\ V_{кэ}$
КТ829В 750 8 А 60 В
BDX54C 750 8 А 100 В

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Ключ на полевом транзисторе

В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET, то есть полевые транзисторы с изолированным затвором (они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё время, пока открыт транзистор.

Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET (даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её «снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что транзистор открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или открыться не полностью.

Несмотря на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через затвор не идёт, затвор образует с подложкой паразитный конденсатор. Когда транзистор открывается или закрывается, этот конденсатор заряжается или разряжается через вход ключевой схемы. И если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё потечёт довольно большой ток, который может вывести её из строя.

При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует, фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен

где $V$ — напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы ограничить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как постоянная времени $\tau = RC$ увеличится. Это важно, если транзистор часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе.

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Модель $V_{th}$ $\max\ I_D$ $\max\ R_{DS}$
2N7000 3 В 200 мА 5 Ом
IRFZ44N 4 В 35 А 0,0175 Ом
IRF630 4 В 9 А 0,4 Ом
IRL2505 2 В 74 А 0,008 Ом

Для $V_{th}$ приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток — исток у приведённых моделей транзисторов достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной мощности в виде тепла.

Схема ускоренного включения

Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и сопротивление сток — исток мало. Однако, напряжение при включении не может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и обратно.

Относительная медленность переключения транзистора связана опять же с паразитной ёмкостью затвора. Чтобы паразитный конденсатор зарядился как можно быстрее, нужно направить в него как можно больший ток. А так как у микроконтроллера есть ограничение на максимальный ток выходов, то направить этот ток можно с помощью вспомогательного биполярного транзистора.

Кроме заряда, паразитный конденсатор нужно ещё и разряжать. Поэтому оптимальной представляется двухтактная схема на комплементарных биполярных транзисторах (можно взять, например, КТ3102 и КТ3107).

Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального транзистора — она расположена «сверху». Если расположить её между транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение затвор — исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется не полностью и может перегреться и выйти из строя.

Драйвер полевого транзистора

Если всё же требуется подключать нагрузку к n-канальному транзистору между стоком и землёй, то решение есть. Можно использовать готовую микросхему — драйвер верхнего плеча. Верхнего — потому что транзистор сверху.

Выпускаются и драйверы сразу верхнего и нижнего плеч (например, IR2151) для построения двухтактной схемы, но для простого включения нагрузки это не требуется. Это нужно, если нагрузку нельзя оставлять «висеть в воздухе», а требуется обязательно подтягивать к земле.

Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

Схема не сильно сложная, а использование драйвера позволяет наиболее эффективно использовать транзистор.

IGBT

Ещё один интересный класс полупроводниковых приборов, которые можно использовать в качестве ключа — это биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Они сочетают в себе преимущества как МОП-, так и биполярных транзисторов: управляются напряжением, имеют большие значения предельно допустимых напряжений и токов.

Управлять ключом на IGBT можно так же, как и ключом на MOSFET. Из-за того, что IGBT применяются больше в силовой электронике, они обычно используются вместе с драйверами.

Например, согласно даташиту, IR2117 можно использовать для управления IGBT.

Пример IGBT — IRG4BC30F.

Управление нагрузкой переменного тока

Все предыдущие схемы отличало то, что нагрузка хоть и была мощной, но работала от постоянного тока. В схемах была чётко выраженные земля и линия питания (или две линии — для контроллера и нагрузки).

Для цепей переменного тока нужно использовать другие подходы. Самые распространённые — это использование тиристоров, симисторов и реле. Реле рассмотрим чуть позже, а пока поговорим о первых двух.

Тиристоры и симисторы

Тиристор — это полупроводниковый прибор, который может находится в двух состояниях:

  • открытом — пропускает ток, но только в одном направлении,
  • закрытом — не пропускает ток.

Так как тиристор пропускает ток только в одном направлении, для включения и выключения нагрузки он подходит не очень хорошо. Половину времени на каждый период переменного тока прибор простаивает. Тем не менее, тиристор можно использовать в диммере. Там он может применяться для управления мощностью, отсекая от волны питания кусочек требуемой мощности.

Симистор — это, фактически двунаправленный тиристор. А значит он позволяет пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания нагрузки.

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

  • подать (хотя бы кратковременно) отпирающий ток на управляющий электрод;
  • подать достаточно высокое напряжение на его «рабочие» электроды.

Второй способ нам не подходит, так как напряжение питания у нас будет постоянной амплитуды.

После того, как симистор открылся, его можно закрыть поменяв полярность или снизив ток через него то величины, меньшей чем так называемый ток удержания. Но так как питание организовано переменным током, это автоматически произойдёт по окончании полупериода.

При выборе симистора важно учесть величину тока удержания ($I_H$). Если взять мощный симистор с большим током удержания, ток через нагрузку может оказаться слишком маленьким, и симистор просто не откроется.

Симисторный ключ

Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например, MOC3023M или MOC3052.

Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным ключом.

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА, поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся использовать дополнительный транзисторный ключ.

Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до 1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через второй силовой симистор.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой накаливания).

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля — например, MOC3061. Они переключаются только в начале периода, что снижает помехи в электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое — симистор не откроется, слишком маленькое — ток будет течь напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 230 В в электросети (текущий стандарт для России, Украины и многих других стран) — это значение действующего напряжения. Пиковое напряжение равно $\sqrt2 \cdot 230 \approx 325\,В$.

Управление индуктивной нагрузкой

При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатель, или при наличии помех в сети напряжение может стать достаточно большим, чтобы симистор самопроизвольно открылся. Для борьбы с этим явлением в схему необходимо добавить снаббер — это сглаживающий конденсатор и резистор параллельно симистору.

Снаббер не сильно улучшает ситуацию с выбросами, но с ним лучше, чем без него.

Керамический конденсатор должен быть рассчитан на напряжение, большее пикового в сети питания. Ещё раз вспомним, что для 230 В — это 325 В. Лучше брать с запасом.

Типичные значения: $C_1 = 0{,}01\,мкФ$, $R_4 = 33\,Ом$.

Есть также модели симисторов, которым не требуется снаббер. Например, BTA06-600C.

Примеры симисторов

Электромагнитные реле

С точки зрения микроконтроллера, реле само является мощной нагрузкой, причём индуктивной. Поэтому для включения или выключения реле нужно использовать, например, транзисторный ключ. Схема подключения и также улучшение этой схемы было рассмотрено ранее.

Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле HLS8-22F-5VDC — управляется напряжением 5 В и способно коммутировать нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

Твердотельные реле

Главное преимущество реле — простота использования — омрачается несколькими недостатками:

  • это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
  • меньшая скорость переключения,
  • сравнительно большие токи для переключения,
  • контакты щёлкают.

Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных реле. Это, фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой, содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.

Таким образом, в арсенале у нас достаточно способов управления нагрузкой, чтобы решить практически любую задачу, которая может возникнуть перед радиолюбителем.

Полезные источники

  1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
  2. Управление мощной нагрузкой переменного тока
  3. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
  4. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
  5. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
  6. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
  7. Управление мощной нагрузкой переменного тока
  8. Управление MOSFET-ами #1
  9. Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
  10. Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Электронная импульсная нагрузка на базе TL494

Все электронщики, занимающиеся конструированием устройств электропитания, рано или поздно сталкиваются с проблемой отсутствия нагрузочного эквивалента или функциональной ограниченностью имеющихся нагрузок, а так же их габаритами. К счастью, появление на российском рынке дешевых и мощных полевых транзисторов несколько исправило ситуацию.
Стали появляться любительские конструкции электронных нагрузок на базе полевых транзисторов, более пригодных к использованию в качестве электронного сопротивления, нежели их биполярные собратья: лучшая температурная стабильность, практически нулевое сопротивление канала в открытом состоянии, малые токи управления — основные преимущества, определяющие предпочтительность их использования в качестве регулирующего компонента в мощных устройствах. Более того, самые разнообразные предложения появились от производителей приборов, прайсы которых пестрят самыми разнообразными моделями электронных нагрузок. Но, так как производители ориентируют свою весьма сложную и многофункциональную продукцию под названием «электронная нагрузка» в основном на производство, цены на эти изделия настолько высоки, что покупку может позволить себе лишь весьма состоятельный человек. Правда, не не совсем понятно, — зачем состоятельному человеку электронная нагрузка.


ЭН промышленного изготовления, ориентированного на любительский инженерный сектор, мною замечено не было. Значит, опять придется все делать самому. Э-эх… Начнем.

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

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:
Исключён фрагмент. Наш журнал существует на пожертвования читателей. Полный вариант этой статьи доступен только меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа!

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.

Еще несколько фото

Файлы

▼ opredelenie-toka-nasyscheniya-katushek-induktivnosti-s-magnitoprovodami.rar 🕗 22/07/11 ⚖️ 125,08 Kb ⇣ 279
▼ kosenko_universalnyy-pribor-dlya-proverki-iip.rar 🕗 22/07/11 ⚖️ 45,07 Kb ⇣ 285
Эксперименты с данным вариантом нагрузки продолжаются.

Камрад, смотри полезняхи!

Константин (riswel) Россия, г. Калининград Список всех статей Профиль riswel C детства — музыка и электро/радио-техника. Перепаял множество схем самых различных по разным поводам и просто, — для интереса, — и своих, и чужих.
За 18 лет работы в Северо-Западном Телекоме изготовил много различных стендов для проверки различного ремонтируемого оборудования.
Сконструировал несколько, различных по функционалу и элементной базе, цифровых измерителей длительности импульсов.
Более 30-ти рацпредложений по модернизации узлов различного профильного оборудования, в т.ч. — электропитающего. С давних пор все больше занимаюсь силовой автоматикой и электроникой.
Почему я здесь? Да потому, что здесь все — такие же, как я. Здесь много для меня интересного, поскольку я не силен в аудио-технике, а хотелось бы иметь больший опыт именно в этом направлении.

Универсальная электронная нагрузка 150W

Далеко не новинка, но когда представилась возможность потестировать эту нагрузку, естественно, её использовал, так как имеющейся в наличии 3-амперной резистивной нагрузки за $2 сейчас явно не хватает, чтобы полноценно провести оценку качества кабелей, БП и повербанков. Если вкратце, задумка интересная, но со своими нюансами.

Технические характеристики
Максимальная мощность — 150Вт
Максимальное входное напряжение — 200В
Максимальный ток — 20А
Напряжение питания 6-12В
Скорость измерения: 1 раз в 2 секунды
Режим сигнализации перенапряжения и перегрузки по току
Настройка напоминания о низком напряжении: 0 ~ 190 в
Тип дисплея: ЖК
Размер платы: 156 мм х 96 мм х 58 мм
Рабочая температура:-10 ~ + 60 градусов Цельсия
Рабочая влажность: 10 ~ 80%
Рабочее давление: 80 ~ 106 кПа
Внешний вид
Упаковка блистер. Всё это было изначально помещено в картонную коробку
Сопутствующая комплектация такова:
— блок питания 9В/1А
— короткий кабель USB — «крокодилы»
— ещё два коротких кабеля «крокодила» с оголёнными концами
— переходник с плоской вилку на евро
— инструкция
Нагрузка имеет массивные размеры (156х96х58 мм), это если сравнивать с массовыми нагрузками на 35Вт, выполнена на зелёной плате (в продаже могут попадаться на жёлтой плате). Лепестки радиатора довольно мягкие и были помяты во время доставки. Пришлось выпрямлять, чтобы лопасти охлаждающего кулера не цеплялись за лепестки.
Нагрузка рассчитана на работу с постоянным током и напряжением.
Её предназначение: тестирование различных аккумуляторов, повербанков, качества кабелей, блоков и иных источников питания. Указанная стоковая рассеиваемая мощность — 150Вт, правда с нюансами. В сети есть информация про разгон до безумных 300Вт. Кулер установлен на 775-м сокете. Заметил небольшое улучшение по сравнению с нагрузками рассматриваемыми в других прошлых обзорах — дисплей таки приклеили, он уже не болтается, а нежный шлейф усилили изолентой. Мелочь, и на том спасибо.
Обратная сторона платы. Всё тоже самое, что и на жёлтой версии — массивные полигоны и сквозная перфорация в районе кулера. FUN JACK — это 3-контактный разъём для подключения дополнительного кулера для охлаждения. По углам установлены пластиковые стойки.
Разъёмы
Это задняя сторона, расположенная за кулером. Здесь два входа — для подключения напряжения, необходимого для питания самой платы нагрузки (дисплей, кулер, работы схемы). Слева круглый разъём 5.5х2.5, правее электрически параллельный ему microUSB-разъём. Диапазон входных напряжений 6-12В, и поскольку в комплекте положили блок питания на 9В, в отзывах нередко отмечают глюки при работе от этих 9В и рекомендуют для нормальной работы использовать все 12В. Поэтому наличие здесь microUSB-разъёма, который обычно работает на 5В, не совсем понятно. Кроме того, можно заметить, что из-за установленного кулера плата искривлена — стало быть крепёжные отверстия под сокет 775 были рассверлены не совсем точно.
Боковая сторона платы.
Здесь виден перечень различных запараллеленных USB разъёмов для подключения тестируемых источников: USB C, microUSB, miniUSB, а также USB A (жен. крайний слева), который задуман под подключение триггеров и других тестеров, например для просмотра напряжения на сигнальных линиях D+/D-, так как сама нагрузка этого не умеет.
Круглый разъём 5.5×2.5mm и контактная колодка для подключения «крокодилов» либо просто проводов — находятся уже на другой силовой шине, — под них на плате разведены намного более широкие дорожки. С USB-разъёмами они, логично, не прозваниваются.
Противоложная сторона. Здесь выходной круглый разъём 5.5х2.5мм, предназначенный для подключения внешней нагрузки вроде мощных резисторов, ламп накаливания, канталовой или нихромовой проволоки, а сама плата (естественно с повёрнутыми до нулевого положения крутилками) уже выступает в роли вольтметра/амперметра и омметра, мерящим сопротивление источника.
Этот выходной разъём работает только, если источник питания подаётся на мощные разъёмы — 5.5х2.5мм и контактную зажимную колодку, которые выше уже показывал.
C переднего края только заклеенный шлейф и кнопка.
По видимой элементной базе слева-направо:
— ss5200 — диод Шоттки для защиты от переплюсовки на входных разъёмах
— 00SB807 — управляющий МК
— ATHYC532 — EEPROM-память, там сохраняются настройки
— MC34063A — DC-DC-преобразователь напряжения (ШИМ)
— 6203A — линейный стабилизатор напряжения
И сразу по органам управления. Две крутилки — переменные резисторы, один для грубой регулировки тока нагрузки, второй следовательно — для точной настройки. А всё остальное управление проделывается с помощью… всего одной тактовой кнопки.
Хотя плата голая, но до главного элемента — нагрузочного транзистора, добраться таки надо.
Под радиатором находится нагрузочный мосфет, смазанный термопастой, левее два диода Шоттки STPS41H100C6.
Маркировка мосфета IRFP260 в корпусе TO-247
Экран. Меню. Настройки.
Сразу после подачи питания на плату, появляется надпись Welcome и главный экран с пока нулевыми показаниями, но на китайском языке. По однократному нажатию на тактовую кнопку произойдёт переход на следующий экран — он буквально точно такой же, но уже на английском языке.
Из показаний присутствуют строки с:
— напряжением
— током
— счётчик ёмкости (Ампер/час)
— счётчик энергии (Ватт/час)
— счётчик прошедшего времени
— показание температуры мосфета
— OFF (?)
Следующая страница, кроме компоновки, ничем не отличается
А здесь добавилось отображения внутреннего сопротивления подключенного аккумулятора
Подсветка. Сейчас включено, но доступна регулировка времени.
Далее пойдут скрины установок порогов отсечки тока, напряжения и предел мощности.
Как уже сказал, управление сделано всего от одной кнопки. И чтобы вносить изменения, придётся поиграть в «морзянку». Итак,
Увеличение значения: быстро нажать кнопку 2 раза и не отпускать её — побегут циферки и значение начнёт увеличиваться.
Уменьшение значения: быстро нажать кнопку 3 раза и не отпускать её — циферки побегут в сторону уменьшения значения.
После установки требуемого значения — просто подождать, оно само сохранится.
PS. если просто быстро нажать кнопку 2 или 3 раза и отпустить её, то число изменится только на 0.1В, поэтому рекомендую быстро нажимать с удерживанием кнопки на последнем нажатии.
Отсечка по максимальному напряжению (по умолчанию 300В).
Отсечка по минимальному напряжению (по умолчанию 0В).
Когда вольметр нагрузки упирается в это напряжение, разряд аккумулятора прекращается. Можно, например поставить 2.75-3В для лития.
Пределы по току и мощности. Величина в 300Вт намекает про возможный разгон нагрузки, но тут придётся производить хардварный апгрейд.
Сервисное меню
Чтобы в него попасть, нужно подключить питание к нагрузке с зажатой клавишей. Здесь открывается дополнительное меню калибровки амперметра и вольметра. Предварительно отключить всякую нагрузку от портов, крутилки выставить в минимальное положение. Значение вольтметра и амперметра нужно сбросить в 0.
Здесь управление уже несколько иное. Нужно быстро 2 раза нажать на кнопку. Цифры замигают и тогда можно менять значения: быстрое двухкратное с удержанием — это увеличение. Однократное удержание кнопки с удержанием — уменьшение.
Следующие экраны это отсечки по напряжению/мощности/току — скрины дублировать не буду, они есть выше. Из нового — только непонятный коэффициент и информация о плате:

Тесты электрические

Разбег показаний вольтметра оказался нелинейным, но колеблется в пределах 0.02-0.10В. Показания представлены для ознакомления, так как соединительные провода не лучшего качества и измерения на высокую точность не претендуют.
ЛБП 1В/0.54А — нагрузка 0.97В, тестер 0.99В, темп 25С
ЛБП 1В/1.03А — нагрузка 0.90В, тестер 0.97В, темп 26С
Дополнительная информация
ЛБП 5В1.02А — нагрузка 4.89В, тестер 4.92В, темп 28С
ЛБП 5В/2.05А — нагрузка 4.82В, тестер 4.87В, темп 29С
ЛБП 5В/3.04А — нагрузка 4.74В, тестер 4.83В, темп 32С
ЛБП 5В/5.08А — нагрузка 4.67В, тестер 4.74В, темп 34С (вентиль ускоряется)
Дополнительная информация
ЛБП 10В/0А — нагрузка 9.94В, тестер 9.99В, темп 26С
ЛБП 10В/1.03А — нагрузка 9.87В, тестер 9.94В, темп 28С
ЛБП 10В/2.02А — нагрузка 9.79В, тестер 9.86В, темп 32С
ЛБП 10В/3.05А — нагрузка 9.72В, тестер 9.81В, темп 32С
ЛБП 10В/4.05А — нагрузка 9.72В, тестер 9.77В, темп 33С
ЛБП 10В/5.08А — нагрузка 9.64В, тестер 9.72В, темп 36С
Дополнительная информация

ЛБП 20В/5.04А — нагрузка 19.60В, тестер 19.69В, темп 50С
ЛБП 25В/5.02А — нагрузка 24.70В, тестер 24.60В, темп 54С
Дополнительная информация
Разбег показаний амперметра не такой размашистый. Провода плохие, на них падает напряжение, но в этом тесте не его меряем, а ток.
ЛБП 5В/1.04А — нагрузка 1.020А, тестер 1.024А
ЛБП 5В/2.03А — нагрузка 1.990А, тестер 1.998А
ЛБП 5В/3.04А — нагрузка 2.990А, тестер 2.996А
ЛБП 5В/5.09А — нагрузка 5.02А, тестер 5.01А
Дополнительная информация
ЛБП 20В/5.04А — нагрузка 4.97А, тестер 4.96А
ЛБП 25В/5.03А — нагрузка 4.97А, тестер 4.95А
Дополнительная информация
Установил нижний порог отсечки 3В
На ЛБП понизил убавил напряжение ниже предела, срабатывает отсечка и сопровождается писклявым сигналом. Ток при этом нагрузка качать перестаёт.

Тесты кабелей, БП, повербанка

Современный кабель средней паршивости microUSB Earldom, 1метр
Без нагрузки — 5.12В
1А — 4.89В
2А — 4.59В
3А — 4.37В
microUSB-кабель Nokia, 1метр
Кабель Nokia — мой лично обнаруженный эталон. Кабелю скоро будет 10 лет, поэтому оболочка начала разваливаться, но посмотрите какие характеристики у него. Многим сегодняшним китайским кабелям даст фору.
Без нагрузки — 5.12В
1А — 4.97В
2А — 4.82В
3А — 4.59В
Эталон современности — кабель microUSB Huawei, 1.5метра, с USB-C-переходником
Без нагрузки — 5.12В
1А — 4.97В
2А — 4.82В
3А — 4.67В
Пример плохого microUSB-кабеля, 1метр
Это безымянные кабели, которые обычно кладут в комплекте к разным околоподвальным гаджетам. Используя эти кабели для зарядки телефонов, часто удивляются, почему заряд идёт дольше, чем через «другой» кабель.
Без нагрузки — 5.12В
1А — 4.59В
2А — 4.07В
3А — 3.54В
Кабель USB C из комплекта от нагревательных очков Xiaomi, 1 метр
Без нагрузки — 5.12В
1А — 4.89В
2А — 4.74В
3А — 4.59В
miniUSB, 0.5м, из комплекта к видеорегистратору за $120
Хороший толстый кабель
Без нагрузки — 5.12В
1А — 4.97В
2А — 4.89В
3А — 4.67В
Блок питания ThinkPlus 65Вт (суббренд Lenovo ThinkPad)
Но кабели-кабелями, их в принципе можно и обычной дешёвкой нагрузкой потестить. А обозреваемая — мощная. У меня нашёлся компактный блочок питания ThinkPlus с нетипичной для таких размером мощностью 65Вт. Блок поддерживает PD-протоколы зарядки ноутбуков, — собственно свой ноутбук я им и заряжаю, а также запитываю паяльник TS100. Поэтому блок уже проверен, но под регулируемой нагрузкой потестить было интересно.
Для подключения к нагрузке использовал двусторонний USB C кабель, который шёл в комплекте с БП ThinkPlus + триггер-переходник USB C -> 5.5×2.5мм.
Без нагрузки — 20.5В (триггер работает)
1А — 20.2В
2А — 20В
3А — 19.8В
3.3А — 19.7В
>3.3A — уход в защиту
PD-режим у повербанка Xiaomi 3 Pro
Этот повербанк, который поддерживает протокол PD 20В, я подключил посредством двустороннего кабеля USB C и переходника USB C -> 5.5×2.5мм к нагрузке, дабы проверить его выходные возможности. Оказалось на уровне заявленного.
Без нагрузки — 19.9В (триггер работает)
1А — 19.7В
2А — 19.4В
>2A — уход в защиту
Итоги.
Из минусов в плане пользования отметил бы неудобное управление, которое сводится всего к одной кнопке, нереализованную функцию измерения напряжения на сигнальных линиях USB, не обозначены ± на контактной колодке.
В остальном, инструмент устраивает, использовать в дальнейшем буду, но по-хорошему требуется доработка. Если заниматься «разгоном», то придётся городить несколько таких транзисторов и организовывать раздельное управление каждым из них и обновить систему охлаждения. В стоковом виде нагрузкой можно пользоваться, но максимум на половину мощности до 75Вт — для моих задач, например, этого вполне хватит. Если же использовать нагрузку за пределами 100Вт, то мосфет гарантированно начнёт перегреваться и деградировать, а в дальнейшем выйдет из строя, хотя на первый взгляд, даже если поднять мощность на максимальные 150Вт, виузально будет казаться, что всё в порядке.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

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 RSHUNT измеряет ток нагрузки ILOAD, и результирующее напряжение в качестве сигнала обратной связи возвращается на инвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) IC1A. Благодаря высокому коэффициенту усиления этого ОУ в линейной зоне работы обратной связи, напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах остаются одинаковыми и равными VREF. 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 VREF на входе усилителя обратной связи и равно

Для установки требуемой величины VREF 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 RA/RB, что позволяет электронной нагрузке работать при напряжениях, превышающих напряжение питания операционного усилителя. Измеренное напряжение служит сигналом обратной связи, поступающим на неинвертирующий вход усилителя IC1B, 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 VMPP (напряжение в точке максимальной мощности), которая соответствует источнику напряжения. При напряжениях ниже VMPP 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.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх