Elektroniczne obciążenie DC – Dummy Load (z trybem stałego prądu i stałej rezystancji C.C/C.R)

Projekt powstał dobre dwa lata temu, wykonywałem wówczas sporo różnego rodzaju zasilaczy impulsowych i potrzebowałem elektronicznego obciążenia, którym ów twory mógł bym do celów testowych obciążać i jednocześnie płynnie regulować wartość tego obciążenia (prądu i nie tylko).

Zasada działania

Poniżej znajduje się pełny schemat układu.

Jak łatwo można zauważyć układ składa się z 8 identycznych bloków + sterowanie. Każdy z tych bloków, składa się z wzmacniacza operacyjnego, dwóch rezystorów i tranzystora mocy (tutaj akurat zostały użyte mosfety). Omówmy sobie jeden z tych bloków…

Wzmacniacz operacyjny pracuje tutaj w konfiguracji wzmacniacza nie odwracającego (obok wzmacniacza odwracającego oraz wtórnika napięcia, jest to jeden z najbardziej elementrarnuch układów pracy wzmacniacza operacyjnego w elektronice analogowej). Poniżej schemat „książkowego” układu wzmacniacza nie odwracającego.

Napięcie na wyjściu takiego wzmacniacza jest równe Vout = (1+R2/R1)Vin. Generalnie wzmacniacz operacyjny w takiej konfiguracji, mówiąc bardzo obrazowo, działa w ten sposób, że stara się tak sterować swoim wyjściem, aby napięcie na wejściiu odrwacającym (-) było równe napięciu na wejściu nie odwracającym (+). Z kolei rezystory R1 i R2 tworzą dzielnik napięcia, który odpowiednio te napięcie „zmniejsza” a co z tym idzie, napięcie na wyjściu wzmacniacza musi być n-razy większe od napięcia na wejściu nie odwracającym (+), aby doprowadzić do sytuacji wyrównania się napięć na wejściu odwracającym i nie odwracającym. W ten sposób, przy pomocy tego dzielnika, określamy wzmocnienie takiego układu.
W naszym przypadku, wykorzystamy tą cechę (sterowanie wyjściem w ten sposób aby napięcia na wejściu nieodwracającym i odwracającym były identyczne), do budowy układu stabilizacji prądu płynącego przez odbiornik.
Wróćmy za tem do schematu jednego z naszych ośmiu bloków. Na wejśćie nie odwracające wzmacniacza U101, podajemy napięcie odniesienia, regulowane przy pomocy potencjometru R104. (Wzmacniacz U100 ma tutaj wzmocnienie równe 1 tak że w naszych rozważaniach go pomijamy – po prostu nie ma on wpływu na napięcie które jest ustawiane przy pomocy R104). Natomiast na wejście odwracające (-) podajemy napięcie, które jest spadkiem napięcia na rezystorze pomiarowym R105, który to jest połączony szeregowo z naszym obciążeniem do masy układu. Korzystając z prawa Ohma, wiemy że spodaek napięcia na tym rezystorze jest równy: U=R*I. Czyli jeżeli nasz rezystor ma wartość 0,1Ohm i prąd płynący na obciążeniu to 5A, wówczas spadek napięcia na tym że rezystorze wyniesie 0,5V. Jeśli napięcie odniesienia ustawione przy pomocy R104 jest równe 0,5V wówczas nic się nie dzieje, jeśli z kolei jest mniejsze, to napięcie na wyjściu wzmacniacza spada i tranzystor T100 się zamyka, jeśli z kolei napięcie odniesienia jest większe, wówczas napięcie na wyjściu wzmacniacza rośnie, i tranzystor się otwiera, a co z tym idzie przez nasze obciążenie zaczyna płynąć coraz to większy prąd. To z kolei powoduje większy spadek napięcia na rezystorze pomiarowym R105 i cała sytuacja powtarza się w kółko. W ten sposób uzyskujemy stabilizację prądu na obciążeniu. Należało by jeszcze tylko wspomnieć że kondensator C100 ma służyć wygładzeniu ewentualnych oscylacji (których ja w swoim układzie nie odnotowałem), natomiast R102 na bramce mosfeta, stosujemy w celu ograniczenia prądu… Chwila, jakiego prądu? Przecież mosfety sterujemy napięciowo a nie prądowo! Oczywiście, z tym że bramka mosfeta ma charakter pojemnościowy i w dużym uproszczeniu możemy ją traktować jako mały kondensatorek, a co za tym idzie, w momencie gdy zaczynamy włączać tranzystor i napięcie rośnie z 0V w górę, przez krótki czas mamy w zasadzie zwarcie i właśnie po to nam ten rezystorek.

Charakterystyka takiego układu wygląda jak poniżej:

Jak widzimy prąd jest zawsze stały, nie zależnie od napięcia. Jeśli jednak napięcie odniesienia przełączyli (S100) byśmy z stałęgo źródła napięciowego, na wejście naszego obciążanego układu, to wówczas charakterystyka zmieni się na stało rezystancyjną i będzie wyglądała następująco:

Pułapki, pułapeczki…

Układ wydawać by się mógł bardzo prosty w swoim działaniu, jest jednak kilka szczegółów które decydują o jego prawidłowym działaniu.
Po pierwsze, być może wydaje ci się dziwnym że zastosowałem osiem równoległych wzmacniaczy dla każdego z tranzystorów mocy osobno, zamiast sterować wszystkimi z jednego… Otóż takie rozwiązanie jest konieczne ponieważ, otwarte mosfety mają różne rezystancje kanału, przez co prąd na nich rozkłada się nie równomiernie, co za tym idzie, tylko niektóre z nich rozpraszały by energią z układu obciążanego i w rezultacie dokładając kolejne tranzystory wcale nie zwiększali byśmy maksymalnego prądu, bo i tak część tranzystorów spaliła by się zanim dotarli byśmy do naszej teoretycznej granicy. Stosując oddzielny układ dla każdego tranzystora, prąd w każdym z tranzystorów będzie taki samo (albo przynajmniej zbliżony).
Po drugie, należy zwrócić uwagę aby mosfety, były „logic level” czyli były w stanie w pełni się otworzyć przy stosunkowo niewielkim napięciu bramki. W innym wypadku, rezystancje otwartego kanału była by zbyt wielka.

Podsumowanie

Na końcu artykułu, znajduje się paczka zip, z kompletną dokumentacją, wraz ze schematami, front panelem na obudowę, wzorem płytki drukowanej itd. Na schemacie oraz na płytce, znajduje się jeszcze zasilacz oraz bardzo prosty termostat który służy do włączania i wyłączania wentylatorka w zależności od temperatury radiatora.

• Kompletny projekt (DC_DummyLoad.zip)