Обычно при изготовлении (как впрочем и при ремонте) блоков питания или преобразователей напряжения требуется проверить их работоспособность под нагрузкой. И тут начинаются поиски. В ход идёт всё, что есть под рукой: различные лампы накаливания, старые электронные лампы, мощные резисторы и тому подобное. Подбирать нужную нагрузку таким образом — это невероятно затратное (как по времени, так и по нервам) занятие. Вместо этого очень удобно пользоваться электронной регулируемой нагрузкой. Нет, нет, не надо ничего покупать. Сделать такую нагрузку сможет даже школьник. Всё, что нужно, — это мощный полевик, операционный усилитель, несколько резисторов и радиатор побольше. Схема — более чем простая и, тем не менее, отлично работает.
Идея заключается в том, чтобы с помощью операционника стабилизировать падение напряжения на специальном токоизмерительном резисторе. Делается это следующим образом: на неинвертирующий вход операционника подаётся некое опорное напряжение, а на инвертирующий вход — падение напряжения на токоизмерительном резисторе. Операционник обладает таким свойством, что в установившемся режиме, разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах равна нулю (если конечно он не находится в режиме насыщения, но нам для того и мозг с калькулятором, чтобы всё посчитать и подобрать). Выход операционного усилителя подается на затвор MOSFET и, таким образом, управляет степенью открытия полевого транзистора, и, следовательно, током через него. А чем больше ток через полевик, тем больше падение напряжения на токоизмерительном резисторе. Получается отрицательная обратная связь.
То есть, если в результате нагрева характеристики полевика изменятся так, что ток через него увеличится, то это вызовет увеличение падения напряжения на токоизмерительном резисторе, появится отрицательная разность напряжений (ошибка) на входах ОУ и выходное напряжение операционника начнёт уменьшаться (при этом начнёт уменьшаться степень открытия полевика и ток через него), до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю. Если же ток через полевик по каким-либо причинам уменьшится, то это вызовет уменьшение падения напряжения на токоизмерительном резисторе, появится положительная разность напряжений (ошибка) на входах ОУ и выходное напряжение операционника начнёт увеличиваться (при этом начнёт увеличиваться степень открытия полевика и ток через него), до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю. Короче, такая схема стабилизирует падение напряжения на токоизмерительном резисторе — оно после всех переходных процессов устанавливается равным опорному напряжению (которое подаётся на неинвертирующий вход).
Изменяя в этой схеме опорное напряжение, можно произвольным образом регулировать ток через полевик, причём заданный ток получается стабильным, поскольку зависит только от величины опорного напряжения и сопротивления токоизмерительного резистора, и не зависит от параметров MOSFET, которые могут очень сильно меняться в результате нагрева. Опорное напряжение можно задавать простым делителем, а регулировать — подстроечными резисторами.
Элементы схемы:
Операционный усилитель — любой, допускающий однополярное питание, я использовал OP220.
T1 — мощный MOSFET, любой, лишь бы мощность побольше мог рассеять, я брал CEP603AL из старого компьютерного блока питания. (тут понятное дело есть ограничение по напряжению открытия полевика и току через него, но об этом ниже)
Rti — токоизмерительный резистор на десятые доли Ом, таких полно везде: в принтерах, в мониторах и т.д., я брал из принтера 0,22 Ом, 3 Вт
Rnd = 10 кОм — резистор, определяющий диапазон задания тока
Rkd = 10 кОм — резистор, определяющий начальный диапазон задания тока
Rgn = 2 кОм — резистор, с помощью которого выставляется ток в пределах заданного диапазона
Rtn = 330 Ом — резистор, необходимый для точной подстройки заданного тока
Отличные подстроечники, с удобными ручками, можно снять с плат старых компьютерных мониторов.
Готовое изделие:
Итак, теперь посмотрим, как это всё рассчитывается:
U1=Uп*(Rgn+Rtn)/(Rnd+Rkd+Rtn+Rgn), где Uп — напряжение питания, U1 — напряжение на неинвертирующем входе ОУ
U2=Iн*Rti, где Iн — ток нагрузки, U2 — падение напряжения на токоизмерительном резисторе (и, соответственно, напряжение на инвертирующем входе ОУ)
Из условия равенства напряжений на входах ОУ, имеем:
Uп*(Rgn+Rtn)/(Rdn+Rkd+Rtn+Rgn)=Iн*Rti, отсюда находим:
Iн=Uп*(Rgn+Rtn) / ((Rdn+Rkd+Rtn+Rgn)*Rti)
Подставив в это выражение номиналы наших резисторов, определим диапазоны настройки тока:
при Rnd=10 кОм, получаем Iн = Uп*2,33/((2,33+10+10)*0,22)=Uп*0,47
при Rnd=0, получаем: Iн = Uп*2,33/((2,33+10)*0,22)=Uп*0,86
То есть, изменяя сопротивление резистора Rnd от 10 кОм до нуля, мы изменяем верхнюю границу диапазона настройки тока от 0,47*Uп до 0,86*Uп. Это означает, что, например, для питания +10В мы сможем настраивать ток в диапазоне от 0 до 4,7 А или от 0 до 8,6 А, в зависимости от сопротивления резистора Rnd, а для питания +5В от 0 до 2,35 А или от 0 до 4,3 А. В заданном диапазоне ток настраивается подстроечниками Rgn (грубо) и Rtn (точно).
Есть три ограничения. Первое ограничение связано с токоизмерительным резистором. Поскольку этот резистор рассчитан на максимальную рассеиваемую мощность PR, то максимальный ток через него не должен превышать значения, определяемого выражением: I2макс=PR/Rti. Для указанных номиналов: I2макс=(3/0,22), Iмакс=3,7 А. Увеличить это значение можно выбрав резистор с меньшим сопротивлением (тогда диапазоны тоже придётся пересчитать), применив радиатор или соединив параллельно несколько таких резисторов.
Вторые два ограничения связаны с транзистором. Во-первых, на транзисторе выделяется основная рассеиваемая мощность (поэтому для лучшего теплоотвода следует прикрутить к нему радиатор размером побольше). Во-вторых, транзистор начинает открываться, когда напряжение между затвором и истоком (Vgs превысит некоторое пороговое значение, threshold voltage), так что девайс не будет работать, если напряжение питания меньше этого порогового значения. Эта же величина будет влиять и на максимальный возможный ток при заданном напряжении питания.