Электронные нагрузки – что это такое и зачем они нужны - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

640
Электронные нагрузки – что это такое и зачем они нужны

Что такое электронная нагрузка

Электронная нагрузка (ЭН) – это испытательный прибор, предназначенный для поглощения тока или поглощения энергии из источника питания. Если для питания электронного устройства используется источник питания, то ЭН используется для проверки источника питания путем эмуляции испытуемого устройства (ИУ). Источники питания и ЭН являются дополнительным испытательным оборудованием. Источник питания проверяет электронные схемы при определенных условиях, то есть, при заданных значениях напряжения и тока. А ЭН проверяет источники энергии или блоки преобразования энергии при определенных ограничениях нагрузки. ЭН – это программируемый инструмент, который предлагает пользователю различные режимы управления, такие как стабилизация напряжение (constantvoltage, обозначается, как CV), стабилизация тока (constantcurrent, обозначается, как CC), стабилизация мощности (constantpower, обозначается, как CP) или постоянное сопротивление (constantresistance, обозначается, как CR). На рис.1 показана вольтамперная характеристика (ВАХ) ЭН в заданной полярности.

Для большинства электронных нагрузок их производитель указывают максимальный уровень мощности, который они могут поглотить, как показано в виде кривой максимальной мощности на рис.1. Пользователь может работать с ЭН только в пределах комбинаций напряжения и тока, ограниченных контуром максимальной мощности. Например, ЭН не может принять на себя ток в 20 А при напряжении ИУ равном 48 В. И напряжение, и ток здесь находятся в соответствующих для ЭН диапазонах, в то время как потребляемая мощность 960 Вт выходит за пределы максимального значения рассеиваемой мощности ЭН, равного 200 Вт. Этот факт необходимо принять к сведению и обязательно учитывать.

ЭН являются незаменимыми приборами, которые используются при разработке и изготовлении таких устройств как источники питания, преобразователи постоянного тока (DC/DC-преобразователи), зарядные устройства, адаптеры, батареи, солнечные батареи, топливные элементы и многое другое, включая некоторые исполнительные устройства и узлы светодиодного освещения.

Почему инженеры используют ЭН вместо мощного резистора с фиксированным значением? В ситуациях, когда вам нужна чисто резистивная нагрузка и управление по замкнутому контуру не требуется, достаточно использовать мощный резистор с фиксированным значением. Однако такой резистор с фиксированным значением имеет много ограничений. Он не подходит для загрузки и испытаний источников питания, которые имеют сложные требования к тестированию. Такие задачи требуют сложных функций нагрузки для проверки различных режимов работы.

Адаптация к изменениям с помощью фиксированных резисторов или реостатов является трудоемкой задачей, требующей большого количества резисторов, коммутационных матриц и соответствующего управляющего программного обеспечения. Здесь нет реально осуществимого способа контролировать и ограничивать напряжение или ток, который потребляет ЭН. При этом испытатель ИУ, чтобы избежать возможного повреждения, часто дорогого изделия, должен сам следить и учитывать критические с точки зрения безопасности и защиты устройства моменты.

ЭН обеспечивает более высокую гибкость, позволяя использовать различные уровни профилей мощности в нескольких режимах. ЭН эмулирует различные сценарии и реальные устройства, которые подключаются к вашему источнику питания. ЭН – это намного более эффективное решение для тестирования устройств, чем использование резистора с фиксированным значением.

 

Режимы работы с электронной нагрузкой постоянного тока

Режим работы со стабилизаций тока

Режим стабилизации тока (CC) является наиболее частым режимом, в котором используется ЭН. В это режиме ЭН потребляет запрограммированный ток независимо от выходного напряжения, которое обычно вызывается тестируемым источником напряжения, например, подключенным к ней аккумулятором.

Предположим, у вас есть батарея 3 В и вы хотите разрядить ее постоянным током 1 А (рис.2). Рабочая точка ВАХ – это уставка напряжения и тока, при которой выходное напряжение тестируемой батареи (аккумулятора) пересекает запрограммированную линию постоянного тока нагрузки ЭН.

На рис.3 показано, как ЭН регулирует свое сопротивление для достижения запрограммированного тока, когда она подключена к тестируемому источнику напряжения.

Когда ЭН работает в режиме CC, она для достижения желаемого запрограммированного тока нагружает внешний источник напряжения (например, аккумулятор 3 В) условным резистором с регулируемым сопротивлением. Большинство электронных нагрузок используют для этого мощные полевые транзисторы FETили МОП-транзисторы. Они при управлении напряжением по затвору действуют как переменный резистор для стабилизации тока принимаемого от ЭН, то есть, являются так называемыми генераторами втекающего тока. Для обеспечения большой мощности в ЭН, как правило, используется параллельное включения нескольких транзисторов.

Ток, принимаемый от ЭН, контролируется через шунтирующий резистор (например, 1 Ом). Падение напряжения, пропорциональное Iin• Rshunt, подается на операционный усилитель ОУ, выполняющий роль усилителя ошибки. Усилитель сравнивает падение напряжения на токовом шунте с заданным запрограммированным значением (пример 1 A • 1 Ом = 1 В). Выходной сигнал усилителя регулирует сопротивление канала полевого транзистора и, соответственно, втекающий ток в ЭН. Такая конфигурация с обратной связью позволяет ЭН динамически изменять сопротивление и поддерживать запрограммированный ток независимо от изменения напряжения вашего источника питания.

Читатели уже могли ознакомиться с практическим применением данного решения для правильного тестирования химических источников тока [2].

Минимальное напряжение, при котором ЭН может принять требуемый ток, ограничено уровнем входного тока и вольтамперной характеристикой полевого транзистора при низком напряжения сток-исток. На рис.4 показано снижение максимального втекающего тока в зависимости от напряжения тестируемого источника на примере оценки минимального напряжения в зависимости от программируемого втекающего тока для ЭН мощностью 100 Вт и 200 Вт с токозадающими резисторами с сопротивлением 80 мОм и 40 мОм, соответственно.

Способность поглощать высокие токи при исключительно низких напряжениях является сложной и крайне необходимой функцией для ЭН. Поглощение тока при низких напряжениях обязательно при тестировании топливных элементов, микросхем управления питанием или других устройств, работающих при низких напряжениях и высоких токах. ЭН 200 Вт, показанная на рис.3, использует для программирования втекающего тока малое сопротивление 40 мОм, что позволяет принять на себя ток до 1 А при входном напряжении на уровне 40 мВ и до 10 А при входном напряжении всего 0.4 В.

Режим стабилизации напряжения

В режиме стабилизации напряжения (CV) ЭН устанавливает фиксированное программируемое напряжение на своих клеммах независимо от протекающего через неё входного тока. В режиме CV ток задается подключенным к нему источником тока, например, зарядным устройством или светодиодным драйвером. ЭН изменяет свое сопротивление динамически для достижения запрограммированного напряжения при любом токе, установленном испытуемым источником тока.

Примером того, как вы будете использовать ЭН в режиме CV, является испытание зарядного устройства, работающего в режиме стабилизации тока. Вы можете использовать ЭН  для оценки тока зарядки аккумулятора, чтобы проверить поведение цепи зарядки при различных напряжениях аккумулятора, соответствующих определенному состоянию зарядного устройства и режима заряда. Например, скажем, у вас есть зарядное устройство с постоянным током 0.5 А, и вам нужно нагрузить его постоянным напряжением 3.8 В, чтобы эмулировать зарядку литий-ионной батареи. Рабочая точка на ВАХ – это заданное значение, при котором уровень источника тока пересекает запрограммированную линию нагрузки постоянного напряжения ЭН, как показано на рис.5.

На рис.6 показано как ЭН регулирует свое сопротивление для поддержания напряжения на клеммах при ее подключении к источнику тока.

ЭН, работающая в режиме CV, обычно используется для того чтобы проверять и нагружать устройства в виде источника тока, например, зарядные устройства. В этом режиме ЭН модулирует свое сопротивление для достижения запрограммированного напряжения. ЭН контролирует входное напряжение через делитель напряжения. Усилитель ошибки (ОУ) сравнивает потенциал делителя напряжения (пропорциональный напряжению на клеммах) с опорным напряжением (пропорциональным запрограммированному значению). Если измеренное напряжение выше, чем опорное напряжение, усилитель активирует полевой транзистор FETпропорционально уменьшить его сопротивление RFET в соответствии с запрограммированным напряжением.

Конфигурация обратной связи позволяет ЭН динамически изменять свое сопротивление и поддерживать запрограммированное напряжение независимо от изменения тока испытуемого источника. ЭН регулирует свой выходной потенциал для напряжений и тока в пределах своего диапазона до максимального напряжения, достижимого испытуемым источником питания.

Когда входной ток достигает предела для внешнего источника тока, ЭН больше не работает в режиме CV, и её входное напряжение больше не поддерживается на заданном уровне. Если напряжение превышает допустимое напряжение или выходит за кривую максимальной мощности для указанного тока, то срабатывает защита от перенапряжения и вход ЭН отключается.

Режим постоянного сопротивления

В режиме постоянного сопротивления (CR) ЭН действует как фиксированный с программируемым номиналом мощный резистор. Режим CR ЭН хорошо подходит для нагрузки источника питания, который работает в режиме источника напряжения или тока. Когда ЭН подключается к источнику напряжения, она потребляет ток, равный потенциалу источника, деленному на запрограммированное значение сопротивления. Когда ЭН подключается к источнику тока, напряжение на ее клеммах равно вытекающему из источника току, умноженному на запрограммированное значение сопротивления. На рис.7 изображена ВАХ ЭН в режиме CR при нагрузке источника напряжения или тока.

Заданная нагрузка 5 Ом для источника напряжения 3 В приведет к втекающему току 0.6 А. В качестве альтернативы, та же самая нагрузка на источник тока 0.6 A приводит к напряжению нагрузки 3 В. ЭН в режиме CR используется для создания определенного профиля батареи на заданную резистивную нагрузку, что бывает весьма полезно для целого ряда приложений.

Схему ЭН, работающей в режиме CR, иллюстрирует рис.8. Например, вы хотите нагрузить источник напряжения 5 В на мощный резистора 5 Ом. В режиме CR, для регулировки сопротивления полевого транзистора, ЭН должна измерять как напряжение, так и ток. Для достижения запрограммированного сопротивления 5 Ом соотношение между напряжением и током V/I должно быть равно пяти.

Делитель напряжения необходим для измерения напряжения испытуемого источника, а шунтирующий резистор измеряет ток. Для того чтобы поддерживать нагрузку на входе как постоянное сопротивления, усилитель ошибки (ОУ) сравнивает входное напряжение с входным током (падение напряжения на шунте, умноженное на запрограммированное сопротивление). На рис.8 показано измерение тока при напряжении 1 В на 1 А (шунтирующий резистор 1 Ом) и определение напряжения при отношении 0.2 В / В (для делителя напряжения 1/5). Ошибка (разность напряжений на входах ОУ) 0 В возникает при токе 1 А и входном сопротивлении 5 Ом (5 В / 1 А), что и позволяет поддерживать это заданное значение сопротивления.

Если ЭН должна эмулировать резистивную нагрузку 10 Ом на источнике напряжения 5 В, это приведет к току 0.5 А, протекающему в ЭН. Падение напряжения на шунте теперь составляет 0.5 В. Для достижения такого же падения напряжения 1 В для усилителя обратной связи необходимо задать коэффициент равный двум. Заданное значение R-in, которое вы программируете (10 • 1/5 = 2), управляет умножающим коэффициентом. Вы также можете запрограммировать и настроить динамически меняющееся сопротивление нагрузки на любое значение в пределах заданного диапазона. Это полезно для таких измерений, как сброс/наброс нагрузки на источник питания, что позволяет оценить работу петли регулирования по выявленным переходным процессам.

Режим поддержания постоянной мощности нагрузки

В режиме постоянной мощности (CP) ЭН нагружает ИУ постоянной мощностью независимо от изменения его выходных характеристики (естественно в некотором диапазоне, ограниченном кривой допустимой мощности). ЭН стабилизирует потребляемую мощность в соответствии с ее запрограммированным значением. ИУ может быть источником напряжения или тока. При тестировании источника напряжения в режиме CP ЭН регулирует втекающий ток так, чтобы принять на себя запрограммированный уровень мощности. При тестировании источника тока в режиме CP ЭН, для поглощения запрограммированного уровня мощности, регулирует напряжение.

На рис.9 показана ВАХ ЭНпри нагрузке источника напряжения в режиме стабилизации мощности. Нагрузка источника напряжения 5 В с постоянной мощностью 1 Вт приводит к втекающему в ЭН току 0.2 А. Напротив, нагрузка ЭН источником тока 0.2 А с такой же постоянной мощностью в 1 Вт приводит к напряжению на ЭН равном 5 В.

ЭН в режиме CP наиболее часто используется для разряда аккумулятора с постоянной мощностью, что необходимо для получения информации о сроке его службы. ЭН разряжает аккумулятор с постоянной мощностью и имитирует поведение DC/DC-преобразователя. Схемная реализация ЭН в режиме запрограммированной постоянной мощностипоказана нарис.10.

Например, у вас такая задача – есть батарея 5 В и вы хотите разрядить ее с фиксированной постоянной мощностью 1 Вт, чтобы имитировать ее поведение при работе на DC/DC-преобразователь. В этом случае ЭН, работающая в режиме CP, для того чтобы регулировать сопротивление канала полевого транзистора FET так, чтобы поддерживать постоянную мощность 1 Вт, должна измерять как напряжение, так и ток. ЭН контролирует входное напряжение через делитель напряжения, в то время как шунтирующий резистор измеряет ток. ЭН измеряет потребляемую мощность путем умножения напряжения и тока (падение напряжения на шунте). Результат умножения подается в усилитель ошибки (ОУ). Управляющий усилитель сравнивает входную мощность с эталонным значением мощности. Выходной сигнал усилителя регулирует проводимость FET, которая контролирует ток, втекающий в ЭН.

Конфигурация обратной связи для регулировки втекающего тока позволяет ЭН динамически изменять свое сопротивление. ЭН поддерживает один и тот же уровень энергопотребления независимо от колебаний напряжения источника питания. Максимальная мощность, которую ЭН может потреблять при низких напряжениях, ограничена напряжением источника и минимальным программируемым сопротивлением ЭН равным V2/Rshunt.

Разряд батареи с постоянной мощностью дает вам информацию о сроке службы батареи. Это позволяет понять, как преобразователь постоянного тока разряжает аккумулятор в аналогичных условиях. Напряжение батареи обычно уменьшается во время разряда, в этом случае ЭН в режиме CP для поддержания постоянного энергопотребления потребляет дополнительный ток. Например, при разрядке батареи с 5 В до 4 В в режиме мощности 1 Вт начальный ток разряда в режиме СР составляет 0.2 А. Когда напряжение батареи уменьшается до 4 В, ток разряда увеличивается до 0.25 А.

 

Заключение

Проверка надежности источника питания или эффективности блока преобразования энергии является важным шагом для самых различных отраслей промышленности. Такая проверка необходима для того, чтобы убедиться, что устройства соответствуют требуемым стандартам. Для нескольких устройств со сложными профилями нагрузки требуется испытательная система с расширенными функциями. ЭН – это программируемый прибор, который предлагает различные режимы управления. Он идеально подходит для систем автоматического тестирования, проверки прототипа в ходе выполнения ОКР, для отладки и проверки продукции при ее серийном изготовления.

Управляемая ЭН эмулирует различные сценарии и реальные устройства, которые подключаются к вашему источнику питания. ЭН обеспечивает более высокую гибкость, позволяя поглощать различные уровни мощности и произвольные профили. ЭН является эффективным решением, сокращает время и стоимость тестирования, легко адаптируясь к постоянным изменениям и требованиям по испытаниям.

 

Литература:

1. Electronic Load Fundamentals. Keysight Technologies, May 11, 2019, 5992-3625EN.

2. Рентюк В. Гальванические элементы – проверяем правильно. // Электрик. – 2018. – №3.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus

banner

banner

banner

banner

banner

banner

banner