Масштабируемая электронная нагрузка с режимом постоянного сопротивления

Konstantin Stefanov

Для тестирования источников питания и батарей требуются электронные нагрузки, способные принимать большой ток и рассеивать значительное количество энергии. Простую, но точную электронную нагрузку можно создать, используя всего один операционный усилитель и мощный MOSFET, как показано на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Эта простая электронная нагрузка и соединенные параллельно MOSFET могут использоваться для увеличения токов и рассеивания дополнительной мощности.

Ток через MOSFET Q1 вычисляется с помощью этой формулы:

(1)

Им легко управлять, изменяя опорное напряжение V_REF. Операционный усилитель должен иметь низкое входное напряжение смещения и быть способным работать от однополярного источника питания.

Если схема должна принимать большой ток или рассеивать десятки ватт, можно использовать несколько работающих параллельно MOSFET, управляемых одним операционным усилителем. Однако простое параллельное соединение MOSFET создает два нежелательных эффекта. Во-первых, пороги включения часто бывают разными у разных транзисторов (даже одной модели и одного производителя), а напряжения их порогов имеют отрицательные температурные коэффициенты. Это означает, что уже первоначально токи стоков каждого транзистора могут существенно различаться, а как только транзистор начнет нагреваться, его порог уменьшится, что еще больше увеличит ток и сделает его еще более горячим.

Чтобы выровнять токи MOSFET, в исток каждого транзистора можно добавить небольшой последовательный резистор. Чтобы это было эффективным, падение напряжения на истоковом резисторе должно быть сопоставимо с уровнем порога, что составляет немалую величину. Следствием этого является то, что выравнивающие резисторы рассеивают большую мощность, а падение напряжения на них сокращает минимальное напряжение, при котором может работать схема.

Рисунок 2.	В этой схеме электронной нагрузки используются два независимо управляемых MOSFET.

Наилучший подход к созданию сильноточной и мощной электронной нагрузки, позволяющий избежать дисбаланса токов из-за разброса пороговых напряжений, – это индивидуальное управление каждым отдельным MOSFET. На Рисунке 2 показаны два таких блока, соединенных параллельно, но при необходимости их количество может быть увеличено. Когда перемычка J1 установлена, а J2 снята, схема работает в режиме стабилизации выходного тока, текущего через клемму LOAD, значение которого вычисляется по формуле

(2)

Если сопротивления токоизмерительных резисторов равны (R₂ = R₅ = R_S), общий ток нагрузки просто равен

(3)

Для измерения общего тока нагрузки нужно просуммировать токи всех транзисторов; в данном случае путем сложения напряжений, падающих на всех токоизмерительных резисторах. Обычно это делается с помощью инвертирующего сумматора и следующего за ним инвертора, собранных на двух операционных усилителях. Недостатком является то, что из-за инверсии напряжения на выходе сумматора для них требуется биполярный источник питания.

В этой статье показан более простой способ суммирования падений напряжения с использованием резисторов R₇ и R₈ и всего одного операционного усилителя. Принцип такого суммирования поясняется Рисунком 3. Каждый из N резисторов управляется источником напряжения, импеданс которого очень низок благодаря низкому сопротивлению токоизмерительных резисторов.

Рисунок 3.	Схема, иллюстрирующая суммирование напряжений на VOUT.

Если из клеммы V_OUT не забирается ток, из закона Кирхгофа мы получаем:

(4)

и, следовательно,

(5)

В случае двух токоизмерительных резисторов, показанном на Рисунке 2, напряжение на неинвертирующем входе U2A составляет половину суммы падений напряжения на R₂ и R₅. После усиления в два раза микросхемой U2A выходное напряжение на клемме IMON представляет собой сумму напряжений двух токоизмерительных резисторов и может использоваться для контроля общего тока нагрузки. Схему можно масштабировать, если добавить параллельные базовые блоки и, подставив в формулы (3) и (5) количество используемых блоков, рассчитать общий ток нагрузки и напряжение на токоизмерительных резисторах до усиления микросхемой U2A. Удобно, что с тремя силовыми блоками может быть использован один счетверенный операционный усилитель.

Наконец, электронную нагрузку можно заставить вести себя как постоянный резистор, что может быть очень полезно при тестировании некоторых источников питания. Это достигается за счет использования части напряжения нагрузки V_L в качестве опорного напряжения. Когда перемычка J2 установлена (а J1 снята), напряжение на неинвертирующих входах U1A и U1B определяется напряжением V_L и делителем, образованным резисторами R₉ и R₁₀, и ток нагрузки становится равным

(6)

Отсюда мы можем видеть, что эффективное сопротивление нагрузки R_L равно

(7)

Корректируя коэффициент деления, или заменив R₁₀ потенциометром, можно изменять сопротивление нагрузки от номинального значения 2.55 Ом, рассчитанного по формуле (7) для номиналов компонентов, показанных на Рисунке 2, почти до бесконечности при R₁₀ = 0.