Как подключить нагрузку к блоку питания

Обновлено: 07.07.2024

Тема электронных нагрузок довольно популярна в настоящее время. Однако, не смотря на разнообразие схем и вариантов, большинство из них реализуют один и тот же принцип управления током. Я говорю о линейных нагрузках, а не импульсных. Причем это касается и выпускаемых промышленностью нагрузок.

В основе очень многих электронных нагрузок лежит схема, подобная такой

Схема известна очень давно и многократно публиковалась. Различные модификации, например, замена полевого транзистора на биполярный, не влияют радикально на работу схемы.

Еще больше различных тем на форумах, где эти нагрузки обсуждаются. Но эти обсуждения часто касаются какой то модели и ее изготовления. Объяснение лежащих в основе работы нагрузок принципов и решений часто остается "за скобками", что не очень радует начинающих любителей. Давайте попробуем восполнить этот пробел.

Статья рассчитана на начинающих любителей электроники и тех, кто еще не сталкивался с активными (электронными) нагрузками. Я постараюсь просто и наглядно , с минимумом формул (причем простых) , рассказать о работе электронных нагрузок и некоторых их особенностях.

В конце статьи я приведу ссылку на полную схему своего силового модуля электронной нагрузки. Просто в качестве примера того, как все это может выглядеть в реальной схеме с учетом всего написанного в статье. В качестве примера, не более того.

Зачем нужны электронные нагрузки

Если очень просто, то электронные нагрузки позволяют заменить реостаты (регулируемые мощные резисторы), используемые для настройки и проверки блоков питания, тестирования аккумуляторов и батарей и измерения их емкости. Это их основное применение.

Электронные нагрузки просто удобнее, чем реостаты. Кроме того, можно автоматизировать процесс управляя нагрузкой с помощью компьютера. Классический реостат, например, не позволяет разряжать аккумулятор постоянным током. Так как ток разряда будет зависеть от напряжения, при постоянном сопротивлении.

Самые простые электронные нагрузки обычно реализуют только один режим работы - постоянный ток нагрузки. То есть, являются стабилизаторами тока, по своей сути. Более сложные нагрузки позволяют задавать дополнительно режим постоянного сопротивления, что аналогично классическому реостату. Возможен и режим постоянной мощности, когда ток растет при снижении напряжения.

Поскольку все электронные нагрузки являются стабилизаторами тока, их можно использовать (совместно с источником питания) для заряда аккумуляторов или регулирования мощности нагрузки постоянного тока.

В отличии от обычного реостата, электронная нагрузка может отслеживать выход тока нагрузки или напряжения на нагрузке за установленные пределы. Что позволяет избежать слишком глубокого разряда аккумуляторов и батарей в процессе тестирования. Кроме управления от компьютера нагрузка может вести журнал тестирования, который передается на компьютер.

Ограничения электронных нагрузок

Кроме плюсов электронные нагрузки имеют и минусы. Причем речь идет даже не о большей сложности или высокой цене. Дело в том, что электронная нагрузка, как активный элемент цепи, обладает определенной инерционностью. Что создает фазовый сдвиг между протекающим через нагрузку током и приложенным к нагрузке напряжением.

Именно по этой причине электронные нагрузки обычно используют только в цепях постоянного тока. Заменить динамик при настройке УНЧ не получится. Как не получится имитировать комплексную нагрузку, например, емкостно-индуктивную.

При этом теоретическая возможность создания нагрузки лишенной подобных ограничений имеется. И такие нагрузки, где ограничения в определенной степени сняты или уменьшены, есть. Но это дорогие профессиональные модели, о которых сегодня разговора не будет.

Как стабилизировать ток? Или простейшая нагрузка

На самом деле, решение задачи стабилизации тока очень простое. Но что бы оно стало понятным, начнем немного издалека. А именно, с закона Ома,который безусловно все знают.

Что бы ток был неизменным, нам нужно постоянство сопротивления и приложенного к нему напряжения. С постоянством сопротивления проблем нет, но как обеспечить постоянство приложенного напряжения, если входное напряжение изменяется? Нет, мы не будем использовать стабилитроны. Мы используем эмиттерный повторитель.

Вряд ли эта схема нуждается в серьезных пояснениях. Но все таки, для новичков, я приведу некоторые формулы. Для транзистора работающего в активном режиме, поскольку это источник тока управляемый током, можно записать соотношения

То есть, ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора. Поскольку мы сейчас работаем не с малосигнальными параметрами (малые приращения токов и напряжений), необходимо использовать коэффициент передачи тока базы для большого сигнала H21э вместо h21э.

Напряжение на резисторе R1, который и является в нашем случае нагрузкой повторителя, равно

То есть полностью определяется током эмиттера (при постоянном сопротивлении R1). Что бы обеспечить требуемое напряжение на нагрузке нам необходимо обеспечить входное напряжение

При этом ток базы будет определяться параметрами транзистора и сопротивлением нагрузки

Поскольку коэффициент передачи тока базы обычно много большей, знаменатель можно упростить. И наконец мы можем получить классическую формулу

То есть, напряжение на выходе эмиттерного повторителя не зависит от напряжения на коллекторе транзистора. Во всяком случае, для идеального транзистора. А значит, зафиксировав напряжение на базе транзистора эмиттерного повторителя (относительно земли), мы обеспечиваем постоянство тока протекающего через R1 вне зависимости от напряжения на коллекторе.

Остается вспомнить, что ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы. При этом ток базы существенно меньше (в H21э раз) тока коллектора, а значит можно просто считать ток коллектора примерно равным току эмиттера.

Получается, что эмиттерный повторитель можно рассматривать как стабилизатор тока коллектора. При неизменном напряжении на базе. И мы получили простейшую электронную нагрузку

Простейшая электронная нагрузка из эмиттерного повторителя. Иллюстрация моя Простейшая электронная нагрузка из эмиттерного повторителя. Иллюстрация моя

Здесь Uрег это напряжение регулирующее ток нагрузки.

Вместо биполярного транзистора можно использовать полевой с изолированным затвором и индуцированным каналом (E-MOS). То есть, не эмиттерный, а истоковый повторитель. Принцип работы останется неизменным, только вместо Uбэ будет использоваться пороговое напряжение Uth, а вместо коэффициента передачи тока базы будет использоваться крутизна S транзистора. В статическом режиме ток затвора будет отсутствовать (для идеального транзистора) и ток истока будет равен току стока. Я не буду приводить все формулы, ограничусь лишь одной

Uн = Uвх - Uth

Напряжение на выходе истокового повторителя не зависит от напряжения на стоке. Тоже для идеального транзистора.

Недостатки простейшей схемы

Для идеальных транзисторов все выглядит очень просто и красиво. Почему тогда схемы реальных нагрузок гораздо сложнее? Дело в том, что параметры реальных транзисторов не являются постоянными величинами.

Коэффициент передачи тока базы реальных транзисторов зависит от тока коллектора и напряжения коллектор эмиттер

Зависимость коэффициента передачи тока базы от тока коллектора для мощного транзистора TIP33. Зависимость коэффициента передачи тока базы от тока коллектора для мощного транзистора TIP33.

Напряжение насыщения коллектор эмиттер, которое оказывает влияние на максимально достижимое выходное напряжение, зависит от тока базы и тока коллектора

Зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от токов базы и коллектора для мощного транзистора TIP33 Зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от токов базы и коллектора для мощного транзистора TIP33

Напряжение база-эмиттер зависит от тока коллектора

Зависимость напряжения база-эмиттер от тока коллектора для мощного транзистора TIP33 Зависимость напряжения база-эмиттер от тока коллектора для мощного транзистора TIP33

Крутизна полевых транзисторов зависит от тока стока и температуры

Зависимость крутизны от тока стока и температуры для мощного полевого транзистора IRF40 Зависимость крутизны от тока стока и температуры для мощного полевого транзистора IRF40

Все это приводит к тому, ток нагрузки становится зависимым от напряжения на нагрузке (выходе тестируемого блока питания) и температуры, как минимум. А передаточная характеристика, то есть, зависимость тока нагрузки от управляющего напряжения Uрег, становится нелинейной.

И если с последним иногда можно смириться (проградуировав шкалу или введя поправочные коэффициенты в программу), то зависимость тока от напряжения является заметным недостатком.

Улучшаем свойства нагрузки усложняя ее схему

Для устранения недостатков простейшей нагрузки нам надо каким то образом исключить влияние параметров транзистора на ее работу. Одним из самых простых решений является введение в схему операционного усилителя

Идеализированный эмиттерный повторитель. Усложненный вариант схемы электронной нагрузки. Иллюстрация моя Идеализированный эмиттерный повторитель. Усложненный вариант схемы электронной нагрузки. Иллюстрация моя

Не обращайте внимания на номера выводов ОУ. Операционный усилитель здесь включен как повторитель. У классической схемы повторителя на ОУ выход соединен с инвертирующим входом. В данном случае в петлю обратной связи включен и эмиттерный повторитель.

И это не менее классическая схема идеализированного (улучшенного) эмиттерного повторителя. Или схема усилителя на ОУ с усилителем мощности на эмиттерном повторителе. Кому как больше нравится.

Резистор R2 ограничивает выходной ток ОУ, который является одновременно током базы транзистора. Резистор R1 ограничивает входной ток ОУ при пробое транзистора или переходных процессах (о них чуть позже). В цепи эмиттера транзистора по прежнему установлен резистор. Теперь это шунт, который используется для измерения тока нагрузки.

За счет большого коэффициента усиления ОУ мы получаем коэффициент передачи повторителя по напряжению очень близкий (но чуть меньший) к единице. То есть, практически полностью исключается влияние коэффициента передачи тока базы транзистора. Кроме того, теперь исключено и влияние Uбэ на работу повторителя в целом.

При этом остается зависимость от напряжения насыщения коллектор-эмиттер (плюс падение напряжения на шунте), что сильно сказывается на работе при низких напряжениях. Так для уже упоминавшего ранее TIP33 минимальное напряжение тестируемого блока питания должно быть выше 0.5 В. И тут ничего не поделать. Параллельное включения мощных транзисторов не позволит решить проблему.

Осталась неизменной и зависимость от температуры.

Как и ранее, можно заменить биполярный транзистор полевым. Это позволит снизить мощность в цепи управления транзистором (ток выхода ОУ). Одновременно, несколько уменьшится и минимальное напряжение, при котором будет работать нагрузка. Так при использовании транзистора 2N6755 для работы нагрузки будет достаточно 0.25 В на выходе тестируемого блока питания.

В остальном, у полевых транзисторов нет преимуществ перед биполярными при таком использовании. Рассеиваемая транзисторами мощность, а это один из основных параметров, будет одинакова. Тем не менее, полевые транзисторы используют в электронных нагрузках чаще.

Идеализированный истоковый повторитель в качестве электронной нагрузки. Иллюстрация моя Идеализированный истоковый повторитель в качестве электронной нагрузки. Иллюстрация моя

Если сравнить эту схему с той, что я разместил в начале статьи, то станет видна их похожесть. Собственно говоря, это и есть упрощенный (можно сказать, функциональный) вариант той довольно популярной схемы. В дальнейшем я буду отталкиваться именно от этой схемы идеализированного истокового повторителя.

Динамические параметры и стабильность

Всем известно, что операционные усилители (как и прочие усилители) нуждаются в частотной коррекции, что бы избежать самовозбуждения. Однако, выпускается не мало и усилителей с внутренней коррекцией, которая не требует внешних элементов.

При этом внутренняя коррекция не является абсолютной панацеей. Частотно-зависимые элементы в цепи обратной связи все равно могут привести к самовозбуждению. Идеальный истоковый повторитель не вносит сдвига фазы между входным и выходным сигналами. А вот реальный это делать может.

Причиной тому ограниченные частотные свойства транзисторов и их внутренние емкости. Кроме того, у нас есть и RC цепочка, которая влияет на сдвиг фазы. Это резистор R2 и входная емкость (нелинейная) транзистора.

Полноценное рассмотрение частотной коррекции усилителей не является целью данной статьи. Поэтому я рассмотрю вопрос кратко, очень кратко.

В схеме в начале статьи самовозбуждение подавляется конденсатором С2 включенным между затвором и истоком транзистора. Это просто ограничивает полосу пропускания каскада в целом. Теперь частота самовозбуждения оказывается за пределами полосы пропускания, что и исключает самовозбуждение. В целом, это довольно типичный метод.

Однако, это приводит к заметному ухудшению времени реакции на внешние возмущения. Например, на изменение напряжения на выходе тестируемого блока питания. Другими словами, на динамические характеристики нагрузки. И вот этот вопрос давайте рассмотрим подробнее.

Пусть у нас на входе Uрег присутствует некоторое напряжение, которое должно определять ток нагрузки. При этом тестируемый блок питания отключен. А значит, напряжение на Rш равно нулю. На входах ОУ присутствует дифференциальное напряжение, что вызывает появление напряжения на выходе ОУ. А это напряжение полностью открывает мощный транзистор.

То есть, при ненулевом напряжении на входе управления и нулевом напряжении на входе нагрузки мощный транзистор полностью открыт .

Если теперь подать напряжение на вход нагрузки (включить тестируемый БП), то через канал открытого транзистора, резистор шунта, соединительные провода, потечет ток ограниченный лишь суммарным сопротивлением перечисленных элементов. И этот ток будет гораздо выше, чем установлено управляющим напряжением.

Фактически, к шунту будет приложено практически полное напряжение с тестируемого блока питания. Это напряжение поступит на инвертирующий вход ОУ. Это напряжение будет гораздо выше, чем при установившемся режиме работы. И резистор R1 как раз и защищает вход ОУ от протекания слишком большого тока.

Теперь ОУ будет корректировать выходное напряжение, что бы отработать резкий скачок напряжения шунте. Однако, быстродействие ОУ ограничено, поэтому выходное напряжение начнет изменяться с небольшой задержкой. Дополнительную задержку изменения напряжения на затворе даст резистор R2 и входная емкость транзистора. И сам транзистор обладает ограниченным быстродействием.

Правда полевые транзисторы обычно более быстрые, чем типовые биполярные (часто используют низкочастотные). Так что время реакции нагрузки будет в большей степени определяться параметрами ОУ (быстродействие и скорость изменения выходного напряжения) и параметрами RC цепи.

приветствую, не могу сказать, что совсем чайник в электронике, но в некоторымх областях - большие пробелы.

и поэтому вопрос.
необходимо подключить программатор. требования к питанию: 12V или 15V DC, min 300 mA

Имеется импульсный блок питания от сканера с выходными параметрами:
15В, 1А.

Подойдет? И в связи с этим вопрос, который возникает в связи с позорным непониманием основ
Сила тока на блоке питания указывается для чего? Это максимальная, которую он может обеспечить? А в принципе, сила тока будет зависеть от сопротивления нагрузки и напряжения на блоке питания, разве нет?

Аналогично, параметры квартирной сети: 220В, 5А.

И здесь 5А - это максимальная сила тока, так?
А реальная при подключении утсройства - будет I=U/R?

Если я совсем ошибаюсь, и объяснение слишком длинное, отошлите к источникам плиз. Или порекомендуйте книгу, материал онлайн.

и поэтому вопрос.
необходимо подключить программатор. требования к питанию: 12V или 15V DC, min 300 mA

Имеется импульсный блок питания от сканера с выходными параметрами:
15В, 1А.

Аналогично, параметры квартирной сети: 220В, 5А.

И здесь 5А - это максимальная сила тока, так?
А реальная при подключении утсройства - будет I=U/R?

Да Вы все вроде правильно понимаете. На блоках питания указывают обычно максимальный ток, который он способен отдавать в нагрузку длительное время (не выходя из строя). А реальная зависит от сопротивления нагрузки. И если он получается больше максимального, то либо блок сгорит, либо сработает защита (если он есть).

Доброго времени суток! Есть задача проверять блок питания, но под нагрузкой. Такая задача возникает всё чаще. Существенную нагрузку мне обеспечить нечем, поэтому задался вопросом приобретения девайса или сборкой по схеме необходимого устройства. У китайцев есть куча готовых решений на 5В (USB). И недорого и удобно. Вроде такого:

Нужно нечто подобное, но на 12В. Готовых решений не нашел. Никто не сталкивался?
Если колхозить, то чем посоветуете? На уме были автомобильные лампочки, но если делать с переключателем на 1, 2, 3 и 5 ампер к примеру - то нужно уже несколько. Выйдет дороговато и громоздко. Резисторы? Но с точным номиналом и такой мощности я вряд ли найду, ну и опять же цена.
В радиоэлектронике не силён, поэтому искал готовое, но простую схемку спаять смогу. Подскажите, в какую сторону смотреть Спасибо!

Нужно вспомнить физику за 6 клас.Закон Ома и тестер в руки

и спираль с раздолбаного фена как самый доступный "реостат"

Злые вы люди
Спираль с феном мне как использовать? На весу?) А нагрузку менять - перекидывать крокодильчик по меткам на спирали?
В идеале - это наверное несколько резисторов (2.4, 4, 6, 12 Ом) но адовых размеров из-за мощности. Да и найти еще такие нужно. Упаковать такое в коробочку для удобного использования девайса - тоже непростая задача.
Или делать гирлянду из резисторов помельче, но сопротивлением побольше и в параллель.
Ну не знаю я, как будет грамотнее. Не моё это направление) Как бы вы сделали для себя?

Какая разница, где выделяется тепло - на резисторе или спирали? Берите обычную нихромовую спираль и хороший многопозиционный переключатель. Все это можно разместить внутри жестяной перфорированной коробочки.

У нихрома есть один досадный "косяк" , его сопротивление очень сильно зависит от температуры .

Strv, по запросу "эквивалент нагрузки для БП" дядька Гугл выдает ссылок на любой вкус. Может быть стабилизатор тока или стабилизатор сопротивления. Я делал свой вариант на лм358 и кт827. Рассеивает до 120Вт с обдувом, напряжение до 30В. Регулировка плавная. Тепловая мощность выделяется на транзисторе.

Tygra, При чём его температурная не стабильность?Если последовательно нихрому,намотанному на оправку из не горючего материала подцепить АМПЕРМЕТР и зажимом типа крокодил изменять его длину,можно создать любую нагрузку.Давно таким пользуюсь и ставлю на зарядные для автомобильных аккумуляторов.Провод диаметром 1 мм сложенный вдвое,свивается дрелью и наматывается на оправку.Кстати с помощью этого реостата произвожу и калибровку измерительных головок,стрелочных,от старых магнитофонов.Ставлю их ребятишкам на зарядники.Удобно шунт подгонять,естественно используется при этом мультиметр с пределом измерения 10 ампер.

petrovitsh, Спасибо, я их видел, смутил всё таки размер. Радиатор ставить точно не буду, на долгий тест ставить не планирую
msmmmm, Спасибо! Искал без слова эквивалент, вываливалась тонна инфы и всё про usb и акб банки. Нашел много интересных схем, правда большинство для меня сложноваты.

Проверять неисправный БП компьютера, подключая его к исправному системному блоку чревато выходом материнской платы и другого оборудования из строя. Ведь неизвестно, какие напряжения выдает БП, и если они завышены, то последствия могут быть серьезные, вплоть до выхода из строя материнской платы. Поэтому проверять и ремонтировать БП безопаснее и удобнее, подключая его к Блоку нагрузок. Блок нагрузок не сложно сделать самостоятельно и это целесообразно, если приходится периодически сталкиваться c необходимостью проверки блоков питания компьютеров.

Электрическая схема Блока нагрузок

Приведенная схема Блока нагрузок и индикации наличия напряжений, несмотря на свою простоту, позволяет даже без измерительных приборов, с помощью этого простейшего испытательного стенда моментально оценить работоспособность любого БП компьютера, даже не извлекая его из системного блока.

Для полноценной проверки БП компьютера, достаточно нагрузить его на 10% от максимальной мощности. Исходя из этих требований и выбраны номиналы нагрузочных резисторов стенда R1-R5 по шинам +3,3 В, +5 В и +12 В соответственно. Резисторы R6-R12 служат для ограничения тока через светодиоды для индикации наличия напряжения VD1-VD7. Выключатель S1 имитирует ключевой транзистор на материнской плате включения блока питания, как будто нажимается кнопка на системном блоке «Пуск». Переключатель служит для коммутации шин питающих напряжений к розетке, предназначенной для подключения измерительных приборов – вольтметра и осциллографа.

О цветовой маркировке проводов БП для подключения компьютера Вы можете узнать из статьи «Цветовая маркировка проводов».

Конструкция Блока нагрузок и индикации напряжений

Все детали Блока нагрузок собраны в корпусе блока питания от компьютера, отслуживший свой срок.

На одной из сторон установлены светодиоды, выключатель S1, розетка для подключения измерительных приборов и переключатель для коммутации.

На противоположной стороне стенда, на месте, где подключался шнур питания, закреплена печатная плата с двумя разными разъемами для возможности подключения любых моделей блоков питания. Плата вместе с разъемами выпилена из неисправной материнской платы. Снизу прикручены четыре ножки, которые улучшают отвод тепла и не дают винтам царапать поверхность стола.

Монтаж элементов стенда выполнен навесным способом. Резистор R5 мощностью 50 Вт закреплен на уголке, который привинчен к дну корпуса. Остальные мощные резисторы привинчены к алюминиевой пластине. Пластина закреплена к дну винтами на стойках. Светодиоды вклеены в отверстия корпуса клеем Момент, на их ножки напаяны токоограничительные резисторы. Так как при подключении источника питания, на нагрузочных резисторах выделяется много тепла, то в корпусе стенда оставлен родной кулер, который заодно выполняет функцию нагрузки по цепи -12 В. Резисторы R1-R5 применены переменные проволочные типа ППБ.

Проволочные переменные резисторы ППБ можно с успехом заменить постоянными типа ПЭВ, С5-35, С5-37, подключив их, как показано на схеме, подойдут и автомобильные лампочки, подобранные по мощности. Можно резисторы намотать и самостоятельно из нихромовой проволоки. Светодиоды можно применить любого типа. Для индикации напряжений положительной и отрицательной полярности лучше применить светодиоды разного цвета свечения. Для положительной полярности – красного, а для отрицательной – зеленого цвета.

Проверка БП компьютера

Проверку Блока питания компьютера проводить просто, достаточно подключить разъем блока к разъему Блока нагрузок и подать штатным шнуром на блок питания 220 В.

Когда выключатель S1 находится в разомкнутом положении, то должен светиться только один светодиод +5 B_SB. Это говорит о том, что схема формирования дежурного напряжения +5 В SB в Блоке питания работает и источник готов к запуску. После включения S1 сразу же должен заработать кулер и засветиться все светодиоды, кроме светодиода VD5, Power Good. Он должен засветиться с задержкой 0,1-0,5 секунд. Это время задержки подачи питающих напряжений на материнскую плату на время переходных процессов в Блоке питания при запуске. Отсутствие задержки может вывести материнскую плату из строя из-за подачи на нее ненормированных напряжений.

Если происходит так, как я описал, то Блок питания исправен. При размыкании S1 все светодиоды должны погаснуть, кроме, VD4 (+5 B SB). Напряжение -5 В в последних моделях Блоков питания компьютеров отсутствует и светодиод может не светиться. В Блоках питания последних моделей может также отсутствовать напряжение -12 В.

Для более детальной проверки Блока питания компьютера, необходимо подсоединить к разъему на лицевой стороне стенда-тестера вольтметр постоянного тока, мультиметр или стрелочный тестер, включенный в режим измерения постоянного напряжения и осциллограф. Устанавливая переключатель на стенде в нужные положения, проверяются все напряжения, а с помощью осциллографа измеряется размах пульсаций. Как видите, практически за минуту с помощью сделанного своими руками нагрузочного стенда, можно проверить любой Блок питания компьютера даже без приборов, не подвергая риску материнскую плату.

Отклонение питающих напряжений от номинальных значений и размах пульсаций не должны превышать значений, приведенных в таблице.

При измерении напряжений «минусовой» конец щупа подсоединяется к черному проводу (общему), а «плюсовой» – к контактам в разъеме. Можно проводить измерения выходных напряжений непосредственно в работающем компьютере.

Читайте также: