Wspólnie projektujemy: Uniwersalne obciążenie aktywne

Już dawno w naszym czasopiśmie opublikowany był projekt Mój uniwersalny tester impulsowy i szereg przykładów jego wykorzystania. Jednak w niektórych zastosowaniach potrzebny jest pomiar ciągły, a nie impulsowy. Dlatego wspólnie zajęliśmy się realizacją uniwersalnego układu aktywnego obciążenia.

W numerze lutowym naszego czasopisma postawione było zadanie konkursowe YK012: Zaproponuj schemat układu elektronicznego uniwersalnego, aktywnego obciążenia, o możliwie dużej mocy.

Okazuje się, że aktywne obciążenie w wielu sytuacjach jest bardzo potrzebne, wręcz konieczne. W następnych numerach ZE przedstawione będą opisy zrealizowanych układów. A w dalszej części tego artykułu są zaprezentowane dwa rozwiązania, na razie teoretyczne, które mogą być inspiracją dla innych zainteresowanych tematem. Przypomnę też najważniejsze, podstawowe informacje.

Otóż opisany wcześniej Mój uniwersalny tester impulsowy w wielu przypadkach jest niezastąpiony, ale dość często potrzebne jest też obciążenie o dużej mocy, które może pracować nie impulsowo, tylko ciągle. W najprostszym przypadku takim obciążeniem o dużej mocy może być zestaw rezystorów, zestaw żarówek albo grzałki z drutu oporowego.

Jednak takie proste rozwiązania mają poważne wady, przede wszystkim brak uniwersalności i konieczność kłopotliwego dobierania, zależnie od potrzeb i warunków. Na pozór najprostsze do wykorzystania żarówki mają liczne słabości, w tym dużą nieliniowość, co niekiedy wręcz je dyskwalifikuje. Dlatego wiele osób decyduje się na realizację układu elektronicznego, pełniącego funkcję mniej lub bardziej uniwersalnego obciążenia aktywnego. Ogólnie mówiąc, układu o możliwe dużej mocy, służącego do zamiany energii elektrycznej na energię cieplną.

I właśnie w ramach kolejnego wątku Wspólnie projektujemy, chcemy zająć się zaprojektowaniem możliwie najbardziej uniwersalnego układu elektronicznego obciążenia o jak największej mocy.

Dziś można niedrogo kupić gotowe układy aktywnego obciążenia. Przykład widać na rysunku 1.

Jest to układ o prądzie maksymalnym aż 20 amperów i deklarowanej mocy strat 150 watów. Zasilany jest z małego wtyczkowego zasilacza 12-woltowego. Ma kolorowy ekran, który jest nie tylko monitorem podczas pracy, ale pozwala wygodnie ustawić potrzebne parametry. Dla wielu osób zakup gotowego urządzenia tego typu jest rozwiązaniem optymalnym. Ale nie dla wszystkich.

Po pierwsze, podobny układ wielu elektroników może i zechce zrealizować wielokrotnie taniej, wykorzystując posiadane popularne elementy. Co prawda tania wersja nie będzie miała wyświetlacza i cyfrowego sterowania, ale jej kluczowe parametry nie będą gorsze, a nawet mogą być lepsze. Układ elektroniczny może być zaskakująco prosty i tani!

Po drugie, część elektroników chce zrealizować układ aktywnego obciążenia „dla sportu”, aby mieć satysfakcję nie tyle z posiadania, co z samodzielnego wykonania urządzenia. Co bardzo istotne, można się przy tym naprawdę dużo nauczyć.

Po trzecie, często potrzebny jest układ o parametrach znacząco lepszych, niż oferują chińscy producenci, na przykład o większej mocy strat, o większym napięciu maksymalnym, czy o jeszcze większym prądzie.

Są to wystarczające powody, żeby zastanowić się nad samodzielną realizacją aktywnego obciążenia. Układ może być genialnie prosty i tani, a przy tym może mieć możliwości i kluczowe parametry dużo lepsze niż niedrogie urządzenia fabryczne.

Aktywne obciążenie – nietypowe potrzeby

Przypomnę, że inspiracją do tego zadania był interesujący e-mail, jaki w grudniu otrzymałem od Marcina Foltyna. Ucieszyłem się, że ktoś zajmuje się tematami, które interesują także mnie i zapewne wiele innych osób. Oto fragmenty otrzymanego w grudniu e-maila:

Dzień dobry,

interesuję się oświetleniem LED i po trochu wszystkim, co jest z tym związane. Aktualnie testuję kilka zasilaczy stałoprądowych, zdejmując ich charakterystyki mocy strat w funkcji ich mocy wyjściowej. Ostatnio wpadł mi w ręce zasilacz (…) By zdjąć jego charakterystyki chcę moc z jego wyjścia wytracić (…) oraz na tranzystorze IXFH20N50P3 (…) Maksymalna moc strat na tranzystorze MOSFET wyniesie 120 W, dlatego muszę go „rozbić” na trzy równolegle połączone tranzystory (…) Proszę o radę, czy w takim przypadku parowanie tranzystorów ma sens, a jeżeli tak, to jak się do tego zabrać? (…) Pozdrawiam

Marcin Foltyn

Odpisałem, że równoległe łączenie tranzystorów MOSFET do pracy liniowej jest bardzo ryzykowne. A w sumie najważniejszym problemem jest rozpraszanie ciepła, co wyznacza zastosowany radiator.

Rodzaje aktywnego obciążenia

Muszę też przypomnieć, że są trzy główne odmiany aktywnego obciążenia.

Otóż obciążeniem może być zestaw rezystorów, grzałek lub żarówek. To najprostszy rodzaj obciążenia – obciążenia o charakterze rezystancji (w przypadku żarówek mocno nieliniowej rezystancji).

Jednak często potrzebne jest obciążenie zachowujące się jak źródło prądowe, a nie jak rezystancja. W przypadku obciążenia rezystancyjnego o wartości prądu decyduje napięcie na rezystancji według oczywistego wzoru I = U / R. Natomiast w przypadku źródła prądowego napięcie na obciążeniu nie ma żadnego wpływu na wartość prądu, która jest ustawiana przez użytkownika.

Trzecim głównym rodzajem jest obciążenie stałonapięciowe, a raczej obciążenie o napięciu ustawionym przez użytkownika.

Dodatkowo trzeba wspomnieć, że czwartym godnym uwagi rodzajem jest bardziej skomplikowane rozwiązanie elektronicznego obciążenia, które niejako dostosowuje się do sytuacji. Tak dostosowuje, żeby w obciążeniu wydzielała się określona moc, ustawiona przez użytkownika.

Wymienione cztery główne odmiany aktywnego obciążenia przedstawione są na rysunku 2.

Każdy rodzaj (każdą charakterystykę) obciążenia można zrealizować za pomocą odpowiednio sterowanego tranzystora. Może to być tranzystor bipolarny, MOSFET lub IGBT. Bodaj najprostsze realizacje obciążenia stałonapięciowego i stałoprądowego z wykorzystaniem tranzystora bipolarnego NPN są pokazane na rysunku 3.

Bywają wykorzystywane w praktyce, ale z kilku powodów nie są dobrą podstawą do realizacji uniwersalnego obciążenia aktywnego o możliwie dużej mocy.

Dziś absolutnie najpopularniejsze są tranzystory MOSFET z kanałem typu N. Właśnie taki tranzystor może być kluczowym elementem uniwersalnego obciążenia aktywnego. Nie warto jednak zawracać sobie głowy odpowiednikami rozwiązań z rysunku 3, pokazanymi na rysunku 4. Owszem, mogą być użyteczne, ale my chcemy zrealizować obciążenie jak najbardziej uniwersalne.

A wtedy warto się zastanowić, czy aby najlepszym punktem wyjścia nie będzie układ z rysunku 5. Co prawda wymaga oddzielnego napięcia zasilania U_P, ale ma ogromny potencjał.

Zasadniczo jest to sterowane napięciem źródło prądowe, którego prąd wyznaczony jest przez napięcie sterujące U_S.

Napięcie to może pochodzić z jakiegoś dobrze stabilizowanego źródła, co schematycznie pokazuje rysunek 6 – mamy realizację regulowanego w szerokim zakresie źródła prądowego, według rysunku 2b.

Jeżeli napięcie U_S pochodzić będzie z dzielnika rezystancyjnego według rysunku 7, to uzyskamy obciążenie o charakterze… rezystancyjnym, jak na rysunku 2a! Prąd tranzystora jest tu wprost proporcjonalny do napięcia na obciążeniu. A potencjometr pozwala regulować zastępczą rezystancję R takiego obciążenia w szerokim zakresie.

I wreszcie rysunek 8 pokazuje w dużym uproszczeniu konfigurację, która jest obciążeniem stałonapięciowym według rysunku 2c. Na schemacie znów umieściłem symbol regulowanej diody Zenera, żeby pokazać tylko zarys koncepcji.

Tego rodzaju układ jak najbardziej sprawdziłby się w większości zastosowań, jednak taka konfiguracja nie do końca realizuje bliskie ideału obciążenie stałonapięciowe. Ma bowiem znaczną dynamiczną rezystancję wewnętrzną. Warto się zastanowić, jak w praktyce zrealizować obciążenie stałonapięciowe o jak najlepszych parametrach.

Można się też zastanowić, czy i jak można zrealizować (regulowane) obciążenie o stałej mocy. Od razu ostrzegam: moc to iloczyn napięcia i prądu. Układ musi więc mieć jakiś analogowy albo cyfrowy układ mnożący, bowiem to wynik mnożenia ma zmieniać wysterowanie tranzystora mocy. Pokazuje to w ogromnym uproszczeniu rysunek 9.

W rzeczywistości oprócz układu mnożącego potrzebny jest jakiś obwód regulacji poziomu mocy. Dlatego taką wersję stałomocową można spokojnie pominąć, o ile układ uniwersalnego obciążenia ma być jak najbardziej prosty i tani.

Podstawowy problem – moc strat

Trzy podstawowe wersje według rysunków 6…8 można zrealizować bardzo łatwo, ale podstawowym problemem będzie (duża) moc strat.

Ograniczeniem jest dopuszczalna moc strat użytego tranzystora. Przypominam, że podana w katalogu maksymalna moc strat tranzystora dotyczy warunków idealnego chłodzenia, co w praktyce jest niemal niemożliwe do zrealizowania.

W praktyce głównym ograniczeniem są możliwości zastosowanego radiatora. Najprościej biorąc, należy zastosować i tranzystor o jak największej katalogowej mocy strat, i jak najbardziej skuteczny radiator. W ewentualnych obliczeniach należy wykorzystać informacje o rezystancjach termicznych.

Ogólnie biorąc, jest kłopot, jeśli moc strat ma być większa niż 100 watów.

Szczegóły mogę omówić przy rozwiązaniu tego zadania konkursowego, a na razie wspomnę tylko, że dla zwiększenia mocy można zastosować równoległe połączenie tranzystorów mocy, ale na pewno nie bezpośrednio, według rysunku 10! To byłaby prosta droga do katastrofy!

Słabym i niegodnym polecenia byłoby też rozwiązanie z rezystorami wyrównawczymi według rysunku 11. Jeśli ma to być układ uniwersalny, o szerokim zakresie prądów pracy, dobór właściwych rezystorów wyrównawczych jest praktycznie niemożliwy.

Dlatego należy po prostu zastosować równolegle połączone moduły według rysunku 12! Wtedy poszczególne wzmacniacze operacyjne skutecznie rozwiązują problem różnic parametrów tranzystorów i nie potrzeba żadnego dobierania MOSFET-ów. Mogłyby one nawet być zupełnie różnych typów, o odmiennych charakterystykach.

Rozwiązanie Tadeusza Susfała

I właśnie takie rozwiązanie zaproponował Tadeusz Susfał z Warszawy: (…) Przedstawiona propozycja dotyczy rozwiązania o mocy 300 W, prądzie 30 A, napięciu 100 V (z możliwością do 300 V). Układ ma możliwość pracy w trzech trybach U, I, R. Ze względu na wydzielaną maksymalną moc 300 W proponuję wykonanie aktywnego obciążenia w połączeniu równoległym trzech tranzystorów typu MOSFET N. Wtedy moc wydzielana 300 W rozłoży się na trzy tranzystory. Po 100 W na każdy tranzystor, co wydaje się jeszcze realne do wytracenia bez specjalnych rozwiązań w systemie chłodzenia.

Wytracenie mocy 100 W na każdym tranzystorze też będzie niemałym wyzwaniem. W tej chwili nie będę wnikał w szczegóły systemu chłodzenia i w jego skuteczne rozwiązanie. Zostawiam to na później, po uzyskaniu pozytywnych efektów prób i testów dotyczących zarówno rozwiązania układowego jak również doboru tranzystorów MOSFET N. Moja propozycja przedstawiona jest na rysunku 13. Układ widoczny na rysunku jest ustawiony w trybie stałego prądu I.

W układzie wykorzystuję dwie kostki LM324, co łącznie daje 8 wykorzystanych WO. Dla lepszego zrozumienia schematu i działania układu jako całości, źródło napięciowe zostało przedstawione jako blok. Jego schemat wewnętrzny prezentuję na rysunku 14.

Z tego samego względu na rysunkach brak jest kondensatorów na zasilaniu WO. W tym rozwiązaniu z użyciem LM324 wystarczy zastosować dla każdej kostki (4 WO) osobno odpowiednie kondensatory podłączone do pinu Vcc. Brak jest obwodów tłumiących, zabezpieczających przed ewentualnymi oscylacjami. Jest to schemat poglądowy do analizy i dyskusji i stąd te uproszczenia. Również brak jest typów zastosowanych tranzystorów MOSFET N. Dopiero po testach okaże się, jakie tranzystory i inne elementy zostaną wybrane.

Sam wybór odpowiednich tranzystorów też do łatwych nie należy. Ale w tej chwili nie będę się tym zajmował szczegółowo. Wspomnę jedynie, że istnieją tranzystory Linear Power MOSFET, które zostały zaprojektowane z myślą o pracy w zakresie mocy i sterowania sygnałem analogowym. W skrócie – Linear Power MOSFET to specjalna odmiana tranzystora MOSFET, zoptymalizowana do pracy w zakresie mocy i umożliwiająca efektywne sterowanie sygnałem analogowym w trybie liniowym. Standardowe tranzystory MOSFET są zazwyczaj bardziej odpowiednie do zastosowań cyfrowych i sygnałów niskiej mocy. Jeśli istnieje potrzeba precyzyjnej regulacji i kontroli sygnału w trybie liniowym, Linear Power MOSFET mogą być bardziej odpowiednie. Posiadają one parametry, które pozwalają na efektywne działanie w trybie liniowym, co również jest istotne w zastosowaniach aktywnego obciążenia. Należy zwrócić uwagę na odmienne zachowanie tranzystora MOSFET w obszarze pracy liniowej niż w obszarze nasycenia. W stanie nasycenia wraz ze wzrostem temperatury rezystancja RDS(ON) rośnie, co ogranicza wartość płynącego prądu. Układ pozostaje w stanie stabilnym. W stanie liniowym na skutek płynącego prądu przez tranzystor następuje nagrzewanie się struktury, co powoduje, że obniża się napięcie progowe, wywołując wzrost prądu drenu i większe nagrzewanie tranzystora. Powstaje termiczne dodatnie sprzężenie zwrotne. Dodatni współczynnik temperaturowy tranzystora typu MOSFET w stanie liniowym powoduje, że na skutek nagrzewania może dojść do niekontrolowanego przekroczenia granic obszaru pracy bezpiecznej (obszar SOA). Warunki pracy muszą mieścić się w jego bezpiecznym obszarze roboczym (SOA). To wymusza szukanie elementów o dużym obszarze pracy bezpiecznej, gdyż zapewnią one niższą temperaturę złącza, a tym samym będą wymagać mniejszego radiatora. Dedykowane do tego zastosowania tranzystory Linear Power MOSFET do tanich nie należą, co może stanowić barierę przy ich zakupie w przypadku konstrukcji amatorskich. Zwłaszcza ze względu na wymagane parametry tranzystorów w zastosowaniu aktywnego obciążenia.

W układzie użyto rezystorów 50 mΩ i w związku z tym w obwodzie sprzężenia zwrotnego każdego WO sterującego tranzystorem MOSFET N został zastosowany układ wzmacniacza nieodwracającego o wzmocnieniu x2. Dzięki temu zmniejsza się wydzielona moc na rezystorach. W tym przypadku będzie to dla prądu 10 A, 5 W mocy. Rezystory 50 mΩ zostaną zestawione z połączenia równoległego dwóch rezystorów 0,1 Ω/10 W w obudowie aluminiowej. W związku z tym na każdym z nich wydzieli się maksymalnie po 2,5 W.

W zależności od trybu pracy jest możliwość wykonania stosownych przełączeń z pomocą przełączników S1 i S2. S1 jest przełącznikiem jednoobwodowym, natomiast S2 jest przełącznikiem trójobwodowym. Potencjometr P1 służy do regulacji ustawień parametrów w danym trybie pracy.

Źródło napięciowe jest wykorzystywane w trybie pracy stałego napięcia U. Na wyjściu U2/4 uzyskujemy napięcie różnicowe w wyniku ustawień za pomocą potencjometrów wieloobrotowych (np. typu helitrim) P2 i P3. Przy ustawieniu na wyjściu U2/4 napięcia 50 mV uzyskamy możliwość regulacji z pomocą P1 napięcia w zakresie nawet poniżej 1 V do 100 V. Żeby uzyskać większą wartość napięcia, ok. 300 V, należy zwiększyć wartość napięcia różnicowego na wyjściu U2/4.

Można zastosować pomiar napięcia i prądu na wyjściu układu aktywnego obciążenia. Pomiar napięcia można zrealizować za pomocą multimetru lub panelu. Pomiar prądu można zrealizować przez pomiar napięcia na wyjściu WO w pętli sprzężenia zwrotnego np. U1/3. Wtedy 1 V napięcia odpowiada prądowi 10 A. Ponieważ są trzy obwody, wypadkowa wartość prądu wynosi wskazane napięcie x 30. Trochę to niewygodne. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie pomiaru z użyciem modułu czujnika pomiaru prądu DC z wykorzystaniem efektu Halla lub cęgów prądowych DC.

Zastosowanie więcej niż jednego tranzystora umożliwia uzyskanie większego prądu maksymalnego. Również moc wydzielona może być większa niż w przypadku pojedynczego tranzystora. Połączenie równoległe tranzystorów zmniejsza wypadkową rezystancję przy pracy w trybie stałej rezystancji. Szczególnie może to być zauważalne przy ustawieniu minimalnej wartości rezystancji.

Wartość napięcia zasilającego ma znaczenie głównie w trybie prądowym. Im większe, tym większy prąd można uzyskać. Układ można zasilać napięciem w granicach 9–15 V. Praktyczne testy wykażą czy uda się uzyskać założone parametry oraz możliwość ich regulacji w oczekiwanym zakresie.

Tadeusz Susfał

Z zainteresowaniem wszyscy poczytamy o efektach praktycznych prób takiego potrójnego układu tranzystorowego! Cenne są wszelkie informacje na ten temat: zarówno wiadomości o sukcesach, jak też wszelkie informacje o problemach, kłopotach czy kwestiach do poprawienia. Należy się bowiem spodziewać, że układ z takim potrójnym stopniem wyjściowym może sprawić pewne problemy i okazać się niewygodny w obsłudze.

Właśnie duża moc tracona jest największym problemem, jeśli ma być większa niż 100 watów. Jeżeli chcemy zrealizować układ praktycznie użyteczny to problemem będzie też dobór odpowiedniego radiatora. Zastosowanie 3 tranzystorów i 3 radiatorów z wentylatorami łagodzi problem.

Wersja z jednym MOSFET-em

Wersja z kilkoma tranzystorami mocy jest bardzo obiecująca i ma zalety, ale ja postanowiłem pójść inną drogą. Po części dla ciekawości, ale też w ramach wstępnych przygotowań do realizacji bardzo precyzyjnego źródła prądowego, które miałoby również służyć do kalibracji amperomierzy w multimetrach.

Do bardzo precyzyjnego źródła o dużym prądzie rzędu 1 ampera lub więcej, droga jest jeszcze bardzo daleka, ale właśnie omawiane uniwersalne obciążenie aktywne może być dobrą przymiarką. Założyłem, że konstrukcja ma być możliwie jak najprostsza i ma zawierać tylko jeden potężny tranzystor MOSFET.

Układ ma pełnić rolę możliwie najprostszego uniwersalnego obciążenia aktywnego, które można będzie skonfigurować do pracy w trzech trybach:

1. Obciążenie o stałym prądzie (I_L = const),
2. Obciążenie o stałym napięciu (U_L = const),
3. Obciążenie o stałej rezystancji (R_L = const).

Niezbędne funkcje może zrealizować jeden wzmacniacz operacyjny, do którego zasilania potrzebne jest autonomiczne źródło zasilania od kilku do kilkunastu woltów. Może to być zasilacz, ale w pewnych zastosowaniach celowe może się okazać wykorzystanie akumulatorów.

W wersjach o stałym prądzie i o stałym napięciu, potrzebne będzie jakieś źródło napięcia odniesienia, napięcia wzorcowego.

Jeżeli parametry mają być regulowane, to potrzebny jest jakiś potencjometr, być może wieloobrotowy.

Mocno uproszczony schemat obciążenia o stałym prądzie, czyli obciążającego źródła prądowego, pokazany jest w dużym uproszczeniu na rysunku 15. Wzmacniacz operacyjny na tyle otworzy tu tranzystor MOSFET, żeby spadek napięcia na rezystancji pomiarowej R_S (U_L = I_L × R_S) zrównał się z ustawionym przez użytkownika napięciem U_SET. Taki układ pilnuje tylko wartości prądu obciążenia I_L, a wartość napięcia na obciążeniu U_L nie ma żadnego znaczenia.

Odwrotnie jest w układzie według rysunku 16. Tu zasadniczo prąd I_L w ogóle nie jest mierzony. Gdy napięcie U_L wzrośnie do takiej wartości, przy której napięcie na nieodwracającym wejściu wzmacniacza operacyjnego zrówna się z napięciem U_REF, zostanie otwarty MOSFET. Tranzystor ten nie dopuści do dalszego wzrostu napięcia U_L, bowiem przejmie tyle prądu ile trzeba, żeby do takiego wzrostu napięcia nie dopuścić. Potencjometr, a właściwie dzielnik napięcia z potencjometrem wyznaczą napięcie U_L. Zasadniczo nie potrzeba rezystora R_S w obwodzie źródła MOSFET-a, ale jego obecność może być pożyteczna, bo zwiększy stabilność układu, a ponadto pozwoli mierzyć aktualną wartość prądu jako spadek napięcia na R_S.

I wreszcie uproszczony układ według rysunku 17 pokazuje koncepcję aktywnego obciążenia o stałej rezystancji. Analizę warto zacząć od napięcia U_X na wejściu nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego, które jest wprost proporcjonalne do napięcia U_L (i zależne od ustawienia potencjometru).

Wzmacniacz operacyjny na tyle otworzy MOSFET-a, żeby popłynął przezeń prąd, który na rezystancji R_S wywoła spadek napięcia równy U_X. Oznacza to, że prąd I_L będzie wprost proporcjonalny do napięcia U_L, a tak jest w przypadku liniowej, omowej rezystancji. Taki układ z tranzystorem MOSFET powinien zachowywać się jak rezystor.

W teoretycznym, idealnym przypadku, gdyby nie było dzielnika z potencjometrem, tylko napięcie U_L byłoby podawane wprost na wzmacniacz operacyjny i gdyby MOSFET był idealny, to rezystancja zastępcza takiego aktywnego obciążenia byłaby równa wartości rezystora pomiarowego R_S. W przypadku zastosowania dzielnika, rezystancja zastępcza układu będzie tyle razy większa od wartości R_S, ile razy napięcie U_L jest tłumione przez dzielnik.

Proponowane rozwiązanie układowe

Trzy koncepcje z rysunków 15…17 można zrealizować w jednym układzie. Potrzebny tryb pracy można uzyskać, konfigurując urządzenie przed użyciem, choćby za pomocą zworek.

Po zastanowieniu i przeanalizowaniu szczegółów uważam, że w roli źródła napięcia odniesienia warto wykorzystać układ, który daje napięcie 1,2 V (1,25 V), na przykład LM385 – 1,2 V z rezystorem R2 2,2…3,3 kΩ, albo coś z rodziny TL431, ale o napięciu 1,25 V, a nie 2,5 V. Taki wybór mogę dokładniej uzasadnić w oddzielnym artykule.

W mojej koncepcji ma być wykorzystany tylko jeden tranzystor mocy, a konkretnie potężny MOSFET. Najpopularniejsze MOSFET-y mocy mają moc strat rzędu 100 do 300 watów, ale wiadomo, że katalogowa moc strat dotyczy, najprościej biorąc, idealnego chłodzenia. Ale są też MOSFET-y dużo „silniejsze”. W dalszej części artykułu wrócę do tej kwestii.

Podstawą konstrukcji ma być podwójny wzmacniacz operacyjny, zasilany napięciem 9…15 woltów. Napięcie zasilania nie może być mniejsze niż 9 V, bo trzeba zagwarantować pełne otwarcie MOSFET-a.

Rysunek 18 pokazuje wstępnie przygotowany, jeszcze niesprawdzony praktycznie, schemat bodaj najprostszej uniwersalnej wersji.

Dla ochrony delikatnego obwodu bramki MOSFET-a T1 przewidziany jest obwód z rezystorem R8 i diodą Zenera DZ. Na schemacie nie ma obwodów zabezpieczenia nieodwracających wejść wzmacniacza operacyjnego, ale można je dodać później, po sprawdzeniu czy ogólna koncepcja jest prawidłowa. Takie zabezpieczenia obu wejść „dodatnich” można zrealizować rozmaicie, najprościej za pomocą dwóch zwykłych diod 1N4148.

Ponieważ układ ma być jak najbardziej uniwersalny, tranzystor T1 i rezystor pomiarowy R_S są montowane w zaciskach śrubowych ARK.

Na schemacie podany jest typ wzmacniacza operacyjnego LM358, ale w wersji precyzyjnej należy zastosować inny, o dużo mniejszym napięciu niezrównoważenia i dryfcie. „Dolna połówka” wzmacniacza operacyjnego U1 to wzmacniacz o wzmocnieniu dokładnie równym 10×, dzięki zastosowaniu sześciu jednakowych rezystorów R9…R14. Wzmacnia on dziesięciokrotnie spadek napięcia na szeregowym rezystorze R_S. Pozwala to zastosować rezystor R_S o mniejszym nominale, o dużo mniejszej mocy strat.

Przy założonym maksymalnym prądzie 10 A można zastosować R_S = 0,01 Ω, co da spadek napięcia na tym rezystorze 0,1 V i stosunkowo małą, w pełni akceptowalną, moc strat tylko 1 W.

Woltomierzem oznaczonym V2 można na bieżąco kontrolować wartość prądu I_L. Ewentualny woltomierz V1 mierzy napięcie U_L na obciążeniu.

Stosownie do potrzebnego trybu pracy (I_L = const, U_L = const, R_L = const) należy nałożyć odpowiednio dwie zworki przy potencjometrze i przy odwracającym wejściu „górnego” wzmacniacza operacyjnego, stosownie do rysunków 15…17.

Rezystory R6, R7 wyznaczają dwa zakresy napięciowe, potrzebne w trybach U_L = const, R_L = const. Dwa, a może nawet trzy zakresy są potrzebne z uwagi na wymagania co do napięcia U_L, które według założeń ma wynosić od 1 V do 300 V. W omawianym układzie jeden zakres obejmuje napięcia od około 1,25 V do około 30 V, drugi od kilkunastu woltów do około 300 V.

Wyjaśnienia wymaga jeszcze obecność dwóch jednakowych rezystorów R4, R5. W trybie stałego napięcia (U_L = const) możliwa byłaby praca przy różnym napięciu na wejściu odwracającym „górnego” wzmacniacza. Przy dzielniku R4, R5, zawierającym dwa jednakowe rezystory, na niższym zakresie minimalne napięcie powinno być rzędu 1 wolta i wtedy potrzebny jest rezystor R6 o wartości mniej więcej 10 kiloomów. Dodatkowo rezystor ten może służyć jako pewnego rodzaju zabezpieczenie i ochrona przed uszkodzeniem w przypadku, gdy suwak potencjometru jest w skrajnym górnym położeniu (minimalne napięcie U_L). To szerszy temat na później.

Rozważania projektowe

Wstępnie założony zakres regulacji prądu w pierwszym trybie (stałoprądowym) to 1 mA do 10 A, czyli zakres szeroki, na pewno wymagający jakiegoś przełączania zakresów. Po zastanowieniu zdecydowałem, że najprościej robić to przez wymianę rezystora pomiarowego R_S, właśnie dlatego dołączanego do zacisków śrubowych.

W trybie drugim, przy pracy stałonapięciowej, wstępnie założony zakres regulacji napięcia na obciążeniu to 1…300 V, czyli też dość szeroki, co sugeruje rozbicie go na dwa, a może nawet trzy zakresy (z rezystorami R6, R7).

W trybie trzecim (R_L = const) zakres regulacji rezystancji zastępczej tego obciążenia może być bardzo szeroki, od co najmniej 0,1 oma do co najmniej kilkudziesięciu kiloomów. To też powinny zapewnić wspólnie: rezystory R6, R7 i rezystor R_S.

Od początku ma to być wersja możliwie prosta i uniwersalna, dlatego rezystor szeregowy do pomiaru prądu R_S oraz tranzystor MOSFET T1 będą dołączane za pomocą zacisków śrubowych. Podobnie wzmacniacz operacyjny nie będzie wlutowany w płytkę, tylko włożony w podstawkę, co pozwoli w razie potrzeby zastosować typ lub egzemplarz dużo bardziej precyzyjny.

Do pierwszych prób z powodzeniem wystarczy wersja jak najprostsza i najtańsza U1, wiec od razu dopuszczamy możliwość istotnych kompromisów. Stąd propozycja wykorzystania najtańszego wzmacniacza operacyjnego LM358. Gdyby opisywane rozwiązanie sprawdziło się w praktyce, a pożądana byłaby lepsza dokładność i stabilność, wtedy można pomyśleć o wersji znacznie ulepszonej: zapewne droższej i być może bardziej rozbudowanej.

Kluczowe funkcje realizuje tu wzmacniacz operacyjny, do którego zasilania potrzebne jest autonomiczne źródło napięcia – od kilku do kilkunastu woltów. Podkreślam, że napięcie zasilania układu nie powinno być niższe niż 9 V, by zapewnić pełne otwarcie MOSFET-a. Napięcie zasilania nie może być też zbyt wysokie z uwagi na dopuszczalne napięcie bramka–źródło, wynoszące dla większości MOSFET-ów 20 V. A gdyby potrzebna była wersja bardzo precyzyjna, to być może trzeba będzie zastosować nowoczesny wzmacniacz operacyjny typu zero drift, a takie wzmacniacze z reguły mają maksymalne napięcie zasilania 5,5 wolta. Wtedy trzeba będzie zmienić i skomplikować układ.

Precyzja, dokładność i stabilność cieplna układu aktywnego obciążenia zależeć będą od parametrów użytych elementów. Nie tylko od wzmacniacza operacyjnego, ale też od źródła napięcia odniesienia oraz rezystora pomiarowego R_S.

Moc strat tranzystora

Maksymalne założone napięcie U_L to 300 V, a maksymalny prąd I_L to 10 A, co dałoby maksymalną moc strat 3000 watów. To oczywiście jest nierealne do osiągnięcia i niecelowe. W tym prostym i niedrogim układzie, głównym tranzystorem, w którym będzie się wydzielać większość mocy strat, ma być pojedynczy MOSFET. A jeśli pojedynczy, to właśnie on wyznaczy maksymalną moc proponowanego aktywnego obciążenia. Nie ma szans na uzyskanie obciążenia o mocy strat 3000 watów (chyba, że ktoś chciałby samodzielnie rozważyć możliwość wykorzystania jakiegoś odpowiednio potężnego modułu IGBT). Maksymalna moc strat układu będzie zależeć od dopuszczalnej mocy strat użytego MOSFET-a oraz od zastosowanego radiatora i skuteczności jego chłodzenia.

O wszystkim zadecydują parametry termiczne! Niska musi być i rezystancja R_thJC samego tranzystora, i rezystancja R_thRA użytego radiatora. W praktyce zapewne okaże się, że wąskim gardłem jest rezystancja termiczna R_thCR styku tranzystora z radiatorem. Z popularnymi MOSFET-ami kosztującymi kilka czy kilkanaście złotych i dobrymi radiatorami z wentylatorem, jest możliwe uzyskanie układu aktywnego obciążenia o mocy strat rzędu 100…200 watów.

Jeśli ktoś potrzebuje układu o większej mocy strat, musi zainwestować w droższy tranzystor o rezystancji R_thJC poniżej 0,1°C/W i w odpowiedni radiator, być może o chłodzeniu wodnym. Rysunek 19 pokazuje przykładowe propozycje „silniejszych” MOSFET-ów. Jak widać, wersje o katalogowej mocy strat ponad 1000 watów można kupić już za 40 złotych brutto!

Dobra wiadomość jest taka, że pierwszą wersję do wstępnych testów można i warto wykonać z wykorzystaniem tanich podzespołów: niemal dowolnego MOSFET-a z dowolnym radiatorem i najpopularniejszego wzmacniacza operacyjnego LM358. ©

Piotr Górecki