Подключение индуктивной нагрузки к блоку питания

Обновлено: 07.07.2024

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.

Содержание / Contents

↑ Преимущества электронного эквивалента нагрузки

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

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

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

↑ Особенности импульсного варианта ЭН

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

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

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

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

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

↑ Схема

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

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

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

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

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

Не указанные на схеме номиналы резисторов и конденсаторов:

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен 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.

Народ! Помогите кто может!

Схема импусьсного блока питания прилагается.

Трансформатор такой: два кольца 45х28х12, первичная обмотка 2 по 34 витка, вторичная 2 по 15 витков, провода соответствующие мощности примерно 1кв. Преобразование на частоте 65кГц. Транзисторы 2sk1794 - 6А, 900В, 100Вт.

Он работает, но не так как хотелось: При вючении на 150В блок питания работает, преобразовывает, на выходе есть напряжения 2 по 40В, при подключении нагрузки, 180Вт он работает без шума и ничего не греется ни транзисторы, ни трансформатор, всё работает как надо!
При включении на 320В БЕЗ нагрузки, сразу сдохли транзисторы, микросхема - уже второй комплект. Что за феномен твориться с блоком питания на напряжении 320В?

Примечание: 320В Это напряжение сети выпрямленное через диодный мост и сгаженное конденсатором 1000мкф на 400В.

Заранее благодарен за ответы.

1. При работе на индуктивную нагрузку есть всякие неприятные вещи типа самоиндукции. Хотя транзисторы на 900 вольт. но может и не хватить. Иногда шунтируют диодами обмотки.

2. Сквозные токи возрастают немеряно при повышении напряжения. Хотя мелкосхема должна этого не допускать. Но всяко может быть.

3. А откуда 12 вольт берется для питания мелкосхемы? Может с питанием не все гладко? В момент включения подскакивает напруга и вышибает мелкосхему с ключами.

4. Есть подозрение, что включать надо под нагрузкой. Многие импульсники не хотят работать без нагрузки.

__________________
Опыт - это школа, в которой человек узнает, каким дураком он был раньше.

Я уже убил 2 комплекта полевиков и микросхем под нагрузкой один, а другой без нагрузки, НО самое интересное оба при включении в сеть сразу! А питание 12В это от отдельного трансформаторного блока питания, так что напряжением 12В микросхему убить не могло.

Может быть при включении микросхема как-то сначала не гладко работает, а потом входит в нормальный режим? Или ещё что-нибудь?

У TL494 есть схема включения с плавным запуском генератора, на такой мощности желательно ее использовать. Я вообще такой же блок собирался делать но замутил кап ремонт в квартире и дело пошло в долгий ящик

Есть следующие мысли по этой теме.

1. Данная схема не рекомендуется к применению при высоком напряжении питания, так как к закрытому транзистору прикладывается удвоенное напряжение питания (учитывая 10% допуск на напряжение сети, оно может составить 700 В). А ещё есть выбросы напряжения при выключении транзисторов.

Вероятнее всего, транзисторы выбиваются высоким напряжением. Поэтому без цепей защиты от перенапряжения не обойтись.

Достойная альтернатива - полумостовой или мостовой преобразователь. При этом, правда, придётся повозиться со схемой управления верхними силовыми ключами.

2. Возможно насыщение магнитопровода трансформатора, что может привести к перегрузке транзисторов по току. Хотя трансформатор, похоже, рассчитан верно.

3. Не будет лишней обратная связь по току через силовые транзисторы, благо схемой включения TL494 это предусмотрено. Будет защита от перегрузок по выходу. Кстати, в момент включения преобразователь работает практически на кз - пока заряжаются конденсаторы фильтра (10 тыс. мкФ - это довольно много).

4. В показанной схеме некорректно осуществляется стабилизация напряжения. В выходной цепи перед конденсаторами фильтра должна стоять индуктивность (см. схемы БП для PC).

5. В том, что транзисторы вылетаюс сразу, ничего удивительного нет.
Это свидетельствует о том, что превышаются предельно допустимые режимы работы транзистора (либо по напряжению, либо по току, или превышена импульсная рассеиваемая мощность).

Хотя компанией предпринимаются все меры для гарантирования стабильной работы силовых устройств при работе на разные виды нагрузок, существует возможность выходных колебаний при работе на высоко индуктивную нагрузку.

Это ожидаемо, учитывая, что выход источника питания – высокоемкостной и внутренняя обратная связь неизбежно имеет конечную полосу пропускания. Когда, при работе на индуктивную нагрузку, выходное напряжение имеет форму ступеньки или быстро изменяется, то на выходе мы можем получить один из двух вариантов:

продолжительные колебания
затухающие колебания, которые стабилизируются после нескольких циклов.

Частота колебаний есть функция от выходной емкости источника питания и значения подсоединенной индуктивности. Ситуация может быть саппроксимизирована с классическим LCR-контуром с сопротивлением катушки индуктивности, представленным значением “R”. Обычно значение “R” крайне мало, чтобы оказать эффект на затухание колебаний.

Для усиления затухания колебаний в такой цепи, резистор подключается напрямую, параллельно индуктивности. Значение сопротивления резистора будет определятся по значению индуктивности катушки. Хорошей точкой начала в подборе резистора считается значение, приблизительно равное значению:

(L нагрузки(Генри) / С выходного каскада (Фарад)) 0.5 ,

где C – емкость выхода источника питания. Для каждой модели этот параметр указан в руководстве по эксплуатации. Мощностные характеристики резистора должны быть следующими:

(1,5 х Vout 2 ) / R.

На графиках 1 и 2 изображены колебания выходного напряжения при различных значениях сопротивления шунтирующего резистора для данной индуктивности нагрузки и емкости выхода источника питания. В данном примере рассматривается модель XHR300-2 (емкость выхода 120 микрофарад), работающая на нагрузку 2 Генри. Шаг изменения выходного тока запрограммирован на 1.5 Ампера для демонстрации отклика цепи.

На графике видно, что при использовании шунтирующего резистора сопротивлением в 510 Ом выходное значение напряжения сперва возрастает до большого начального значения и затем пытается упасть ниже нулевой отметки. Выходной выпрямитель в источнике питания останавливает это значение на отметке -1 Вольт. В этом случае сопротивления резистора недостаточно и может быть вызваны нелинейные продолжительные колебания напряжения.

При сопротивлении 120 Ом также наблюдаются затухающие колебания напряжения, но значительно меньше выходящие за установленные пределы по току в нагрузке. Однако, при использовании 75-тиомного сопротивления мы наблюдаем значительное улучшение в переходном процессе и отсутствие превышения в значениях выходного тока. Конечное значение тока в катушке будет несколько меньше требуемого (за счет протекания части тока через шунт), но для компенсации его можно несколько увеличить путем программирования токового предела источника питания.

Мощность выбранного резистора вычисляем по вышеприведенной формуле 1.5 х 18 2 / 75 = 6.47 Ватта. Таким образом, для данного применения будет достаточно шунтирующего резистора сопротивлением 75 Ом и мощностью 10 Ватт.

МОП (по буржуйски MOSFET ) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.

МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.

При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе составит около 3 вольт. Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что заметно меньше.

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или t on , t off , в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора C_iss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие. Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.

При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО . Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.

321 thoughts on “Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3.”

Читайте также: