Общеизвестно, что электронные нагрузки играют важную роль в источниках питания и тестировании батарей. Однако может быть трудно выбрать электронную нагрузку из-за множества вариантов, представленных сегодня на рынке. В этой статье мы рассмотрим ключевые характеристики электронных нагрузок и что нужно учитывать при запуске нового приложения.
Когда дело доходит до электронных нагрузок, существует два основных типа потребляемой мощности: линейный и рекуперативный регулятор. Линейные регуляторы используются в приложениях, требующих быстрого отклика и низкого уровня шума. Рекуперативные отличаются высокой удельной мощностью и низкими потерями мощности. В линейных регуляторах мощность потребляется устройствами, преобразующими электрическую энергию в тепло. В рекуперативных регуляторах устройства питания используются для возврата электроэнергии обратно в питающую сеть.
Электронные нагрузки имеют множество функций, таких как, работа при низком напряжении, комбинированные режимы работы, интерфейсы дистанционного управления, зависящие от времени настройки, функции измерения и многое другое. Их слишком много, чтобы перечислять здесь, но важно учитывать, какие функции будут полезны для приложения (рисунок ниже).
Рабочий диапазон электронных нагрузок часто указывается в единицах мощности, тока и напряжения. Если вашему приложению требуется мощность больше, чем предлагает электронная нагрузка, ее не стоит рассматривать. Однако, если мощность электронной нагрузки намного больше, чем у нашего приложения, то это может быть пустой тратой. Помимо ненужной стоимости и размера электронной нагрузки, большая мощности может означать более низкую производительность. Часто бывает так, что чем выше номинальная мощность, тем хуже точность настройки, разрешение и отклик для приложений с меньшей мощностью.
Рассказ о двух «грузах»
Давайте рассмотрим пример нагрузки A и B, которые имеют похожие, но разные рабочие характеристики. A рассчитана на 50 ампер, в диапазоне рабочего напряжения 5 ~ 50 В, с минимальным шагом 2 В, с номинальной мощностью 1000 Вт. B — 70-A, 70-В, 10 ~ 70 В (5 В мин.) устройство мощностью 1000 Вт. На первый взгляд, B выглядит лучше, чем A. На рисунках ниже показаны рабочие зоны каждой электронной нагрузки.
Рабочие зоны отслеживаются пересечением верхних пределов мощности, напряжения и тока согласно спецификациям. Зеленые линии показывают верхние пределы напряжения. Синие линии показывают верхние пределы напряжения и тока, ограниченные номинальной мощностью. Красные линии показывают верхние пределы тока. Фиолетовые линии показывают верхние пределы тока в области, не входящей в спецификации напряжения. Желтые линии показывают верхние пределы тока в диапазонах минимального рабочего напряжения.
Важно знать, какая рабочая область потребуется для вашего приложения. Выбор электронной нагрузки с мощностью, ненамного превышающей требуемую для вас, может избавить вас от ненужных затрат. Сравним рабочие зоны нагрузки A и B (рисунок ниже).
В диапазоне 30-40 В ни одна нагрузка не имеет преимущества, поскольку обе нагрузки имеют одинаковую номинальную мощность. Однако нагрузка A может быть лучшим выбором, чем B, если нам нужно использовать более низкие напряжения, потому что нагрузка A имеет больший диапазон тока для более низких напряжений, что показано желтой линией. Несмотря на то, что большая мощность может казаться более привлекательной, она часто требует больших затрат. Если нашему приложению не потребуется больше мощности, чем предлагает нагрузка A, маловероятно, что большая мощность нагрузки B даст какие-либо преимущества. Кроме того, более высокая мощность нагрузки B может привести к снижению разрешения, точности измерений и настроек.
Методы потребления энергии
Как упоминалось ранее, в электронных нагрузках используются два типа методов энергопотребления, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Тип линейного регулятора имеет более быстрый отклик, потому что он использует линейный усилитель, у которого отклик быстрее, чем у импульсных элементов, используемых в рекуперативных типах. Отсутствие переключающих (ключей типа транзисторов) устройств также приводит к снижению шума линейных регуляторов. Еще одним преимуществом линейной электронной нагрузки является возможность использовать обычную однофазную сеть 120/240 В переменного тока в качестве входного источника питания даже для нагрузок большой мощности (20 кВт или выше).
Преимущество рекуперативных типов состоит в том, что они более эффективны и работают, выделяя меньше тепла. В рекуперативной нагрузке используются переключающие элементы для перенаправления энергии обратно в сеть, что обеспечивает лучшую эффективность, но также более медленный отклик с появлением шума (высших гармоник). Для рекуперативного типа, чтобы вернуть энергию в сеть, требуется подключения трехфазного переменного тока и более высокого напряжения, что может быть не всегда доступно в небольшой лаборатории.
Рекуперативный тип также работает при более низкой температуре, чем линейный тип, потому что меньше энергии рассеивается в виде тепла, что снижает затраты на кондиционирование воздуха в лаборатории. При выборе между различными типами энергопотребления следует также учитывать оборудование, имеющееся в лаборатории, а также затраты на электроэнергию и требования к приложениям.
Функциональность
Как отмечалось ранее, меню функций электронной загрузки, доступных в наши дни, довольно обширное, и этой статье невозможно подробно объяснить их. Рекомендуется прочитать спецификации производителя, чтобы найти функции, наиболее подходящие для вашего приложения. Если для вашего приложения требуется электронная загрузка со специальными функциями, следует проконсультироваться с производителем, чтобы убедиться, что потребности вашего приложения будут удовлетворены. Таблицы данных и руководства пользователя помогают понять основные функции, но они не могут объяснить все ограничения, с которыми вы можете столкнуться на практике. Если возможно, запросите демонстрацию возможностей нагрузки перед покупкой или изучите различные обзоры.
Отклик
Другие характеристики электронных нагрузок, которые мы должны рассмотреть перед покупкой, — это скорость нарастания, отклик CR и отклик CV. Что касается скорости нарастания сигнала, нас часто беспокоит разница между идеальной скоростью нарастания и фактической скоростью нарастания. Когда поставщики электронных нагрузок перечисляют спецификации в своем каталоге или руководстве по эксплуатации, значение скорости нарастания напряжения часто записывается как идеальное значение.
Когда мы используем нагрузку для нашего приложения, мы можем обнаружить, что она не совпадает со спецификацией. Основная причина этого в том, что скорость нарастания напряжения не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от амплитуды тока. Для большего тока мы можем ожидать более высокую скорость нарастания напряжения. Если приложение требует меньшей амплитуды тока, скорость нарастания будет ниже идеального значения, указанного в спецификациях.
На рисунке ниже показан пример использования электронной нагрузки со спецификацией времени нарастания 100 мкс, когда настройка CC составляет 100% от номинального тока. В идеале, время нарастания составляет 100 мкс, когда значение настройки равно 100%, и время нарастания составляет 1 мкс, когда значение настройки составляет 1%. Но на самом деле скорость нарастания не изменяется линейно относительно текущей настройки. На рисунке ниже показано представление скорости нарастания и текущего значения в процентах от максимального значения, где синяя линия представляет реальный случай, а красная линия представляет идеальный случай.
Когда время нарастания и спада напряжения на нашей электронной нагрузке важно для нашего приложения, необходимо выяснить ограничения скорости нарастания в пределах текущего диапазона, в котором мы будем использовать электронную нагрузку, и когда нагрузка будет использоваться, убедитесь, что соответствующая установка диапазона используется для получения максимально возможной скорости нарастания напряжения.
Вам также необходимо понимать важность скорости нарастания напряжения в приложении. Важно иметь высокую скорость нарастания напряжения, потому что это помогает определить полное сопротивление испытуемого устройства (DUT или ИУ). Идеальный источник постоянного напряжения имеет нулевое сопротивление; однако у реальных источников постоянного напряжения действительно есть выходной импеданс, который влияет на переходную характеристику трестируемого устройства. Например, на рисунке ниже показаны подключенные ИУ и электронная нагрузка.
Если электронная нагрузка переключает уровень CC, форма сигнала будет такой, как на рисунке ниже, где синяя линия представляет уровень CC нагрузки, а желтая линия представляет выходное напряжение ИУ. По мере увеличения тока уровень напряжения падает на индуктивности ИУ. Затем трестируемое устройство пытается восстановить выходное напряжение с помощью управления обратной связью и восстановить настройку CV. Когда электронная нагрузка с быстрым временем нарастания / спада используется с большими колебаниями тока, это позволяет пользователю наблюдать переходные колебания напряжения и связанный с ними импеданс ИУ.
Между прочим, когда большое падение напряжения вызвано импедансом испытуемого устройства, это иногда может вызвать сбой в работе электронной нагрузки постоянного тока, потому что напряжение упадет ниже рабочей области нагрузки, и она не сможет потреблять ток. Если мы тестируем ИУ, которое, как мы подозреваем, имеет падение напряжения, мы должны убедиться, что оно не будет ниже рабочей зоны электронной нагрузки. Мы также можем найти нагрузки со встроенными источниками питания смещения, которые рассчитаны на низкий ток или даже 0 В.
Что касается реакции CR, то колебание тока нагрузки отстает от колебания напряжения из-за управления обратной связью в электронной нагрузке. Задержка разная для каждой электронной нагрузки. Если нам нужен быстрый ответ CR, мы должны проверить ответ CR, указанный в спецификациях производителя, и запросить у поставщиков информацию об ответе в пределах диапазона, который мы планируем использовать (рисунок ниже).
При рассмотрении отклика CV самое важное, на что следует обратить внимание, — это колебания. Режим CV достигается за счет использования управления с обратной связью, которое включает импеданс провода и сопротивление тестируемого устройства. Поскольку точка возникновения колебаний различается в зависимости от тестовой среды, поставщикам сложно точно указать характеристики отклика в своем каталоге. Однако, когда нам не нужен быстрый отклик, можно использовать усиление контура, подключив большой конденсатор к клемме электронной нагрузки, чтобы замедлить отклик и предотвратить колебания.
Расширение рабочей зоны
Еще одна важная вещь, которую следует понимать при покупке электронных нагрузок, — это то, как можно подключить несколько блоков для увеличения суммарной нагрузки. Если у вас есть опыт использования источников питания, возможно, вы привыкли подключать их последовательно или параллельно для расширения диапазона рабочего напряжения или тока соответственно. С электронными нагрузками все не так просто.
Электронные нагрузки нельзя подключать последовательно для увеличения допустимого напряжения из-за методов, которые электронные нагрузки используют для управления током для достижения рабочих режимов CC / CR / CV / CP. Если две нагрузки подключены последовательно, это вызовет нестабильную работу, такую как колебания, повреждение и сбой теста. Если приложению требуется более высокое напряжение, необходимо приобрести электронную нагрузку с большей рабочей зоной напряжения (рисунок ниже).
Для приложения, в котором требуется больший рабочий ток, можно подключить электронные нагрузки параллельно, чтобы увеличить их текущую пропускную способность. При рассмотрении электронных нагрузок для нового применения выясните возможности параллельного подключения нагрузки. Может потребоваться приобрести несколько устройств, отвечающих требованиям по напряжению, и подключить их параллельно, чтобы удовлетворить текущим требованиям приложения (рисунок ниже).
И каков итог?
Из приведенных выше примеров мы увидели, что электронные нагрузки, представленные сегодня на рынке, обладают широким набором функций, которые делают тестирование испытуемых устройств более эффективным и действенным. Возможности электронных нагрузок позволяют использовать их в более требовательных приложениях, но также затрудняют производителям точное представление ограничений своих продуктов в документации со спецификациями.
Как покупателю важно учитывать, насколько электронная нагрузка будет соответствовать требованиям вашего приложения и насколько легко ее можно интегрировать в ваш испытательный стенд, а также эксплуатационные расходы на использование нагрузки. Рекомендуется использовать спецификацию производителя, чтобы сузить область поиска, а затем запросить демонстрацию оставшихся устройств, чтобы вы могли быть уверены, что выбранная вами нагрузка подойдет для вашего приложения.
