В данном проекте мы соберем полезное устройство, которое может использоваться для ваших электронных разработок. Оно представляет собой регулируемую электронную нагрузку мощностью до 5A @ 30Вт. Данное устройство пригодно для создания требуемой токовой нагрузки от источника питания. Например, вы можете нагрузить им разрабатываемый блок питания для оценки мощности рассеяния на разных элементах схемы, использовать для разряда аккумулятора и т.д.

Электронная нагрузка позволяет управлять током путем измерения его значений с помощью амперметра. Многооборотный переменный резистор используется для установки точного значения тока. Схема питается от источника напряжением 15В-18В. Большой радиатор на плате помогает рассеивать тепло, генерируемое от MOSFET транзистора, который является главным элементом, используемым для ограничения тока.

Разработка схемы

Принцип работы электронной нагрузки очень простой. Он основан на равенстве напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входе операционного усилителя. Мы устанавливаем значение напряжения, прилагаемого к неинвертирующему входу с помощью многооборотного переменного резистора VR1. Напряжение регулируется в диапазоне 0-0.5В. Источником питания делителя напряжения служит точное напряжение 2.5В, генерируемое ИС источника опорного напряжения AD780. Значение напряжения на инвертирующем входе можно также измерить на неинвертирующем входе операционного усилителя LM324. Поэтому напряжение на резисторе R5 напрямую зависит от напряжения, которое мы установили. Установленное напряжение на резисторе R5 определяет настройку тока, который проходит через него. Этот ток также является током, который потребляется от источника питания во время тестирования. Выходное значение напряжения операционного усилителя LM324 появляется при использовании принципа равенства напряжений на входах. Следовательно оно управляет затвором Q1 MOSFET транзистора в линейной области. Сопротивление сток-исток (Rds) зависит от напряжения затвора. Выход операционного усилителя устанавливает значение Rds на требуемый уровень, который ограничивает ток по данной цепи. Именно MOSFET транзистор работает как резистивный элемент, который ограничивает ток с помощью операционного усилителя.

Поскольку MOSFET транзистор работает как резистивный элемент, он рассеивает тепло в зависимости от протекаемого через него тока. Простое равенство P = VI определяет количество тепла, которое будет генерироваться на MOSFET транзисторе. Для расширения диапазона мощности нагрузки нам необходимо прикрепить радиатор к корпусу MOSFET транзистора.

Используемый радиатор рассчитан на тепловое сопротивление 2.5 °C/Вт. Тепловое сопротивление р-n-перехода с корпусом MOSFET транзистора составляет 0.75 °C/Вт. Также тепловое сопротивление в месте соприкосновения корпуса с радиатором составляет 1.75 °C/Вт. Общее тепловое сопротивление составляет 5 °C/Вт. Мы можем предположить, что будем использовать нагрузку при комнатной температуре, а именно 25°C. Кристалл IRF3710 MOSFET транзистора рассчитан на температуру до 175 °C, поэтому мы в идеальном случае можем нагревать кристалл MOSFET транзистора до этой температуры. Разница температуры составит почти 175°C-25°C = 150°C. Используя данное значение, мы можем вычислить максимальную мощность, которая будет рассеиваться на электрической нагрузке. P = 150 / 5 = 30Вт.

MOSFET транзистор IRF3710 имеет максимальное напряжение сток-исток (Vds) величиной 100В. Поэтому не рекомендуется подключать источник питания напряжением более 100В.

Мощность 30Вт, ток 5A и напряжение 100В являются предельными параметрами для данной нагрузки. Следовательно, для подключения источника питания к нагрузке вам необходимо правильно рассчитать мощность рассеивания. Например, если вы подключаете к нагрузке источник питания напряжением 30В, тогда вы не должны превышать ток 1A в непрерывном режиме. В противном случае MOSFET транзистор может выйти из строя, поскольку будет превышена предельная температура кристалла MOSFET транзистора 175 °C.

Другой параметр, который нужно принять во внимание при работе с MOSFET транзисторами – это области устойчивой работы (SOA) MOSFET транзистора. Поскольку текущий ток не превышает 5A и мощность не превысит 30Вт, тогда MOSFET транзистор будет оставаться в области устойчивой работы. Превышение мощности 30W приведет к перегоранию MOSFET транзистора при больших напряжениях.

Последовательно с нагрузкой включается амперметр. Он показывает текущее значение тока, потребляемое от источника питания. Амперметр запитывается от стабилизатора напряжения 78L15, также как операционный усилитель и ИС источника опорного напряжения. Амперметр непрерывно измеряет ток и позволяет пользователю контролировать его в режиме реального времени.

Разработка печатной платы

Печатная плата изготовлена с помощью SoloPCB.

Сборка и тестирование

На плате устанавливаются SMD-компоненты. Поэтому вы должны использовать все свои навыки по пайке. Остальные детали для установки в отверстия очень легко паять.

Устройство должно заработать сразу же после финальной сборки. Многооборотный переменный резистор позволяет пользователю точно и правильно отрегулировать ток. Клеммная колодка J2 очень полезный компонент, поскольку является колодкой, соединяемой нажатием. Поэтому нет необходимости в использовании крепежных винтов. Выключатель вкл/выкл SW1 удобно включает и выключает источник питания электрической нагрузки.

На фотографии ниже показан пример использования данной схемы для разряда батареи при токе 1.2A во время измерения фактической емкости перед ее использованием.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
U1	Линейный регулятор	LM78L15	1
U2	Операционный усилитель	LM324	1
U3	Микросхема	AD780	1
Q1	MOSFET-транзистор	IRF3710	1
С1, С3, С10	Конденсатор	10 мкФ	3	С10 25 Вольт
С2, С4, С6	Конденсатор	0.1 мкФ	3
С5, С8	Конденсатор	0.01 мкФ	2	С8 50 Вольт
С7	Конденсатор	0.022 мкФ	1
С9	Конденсатор	1 мкФ 25 В	1
VR1	Переменный резистор	10 кОм	1
R1, R2, R6-R11	Резистор	2 кОм	8
R3	Резистор	150 Ом	1
R4	Резистор	39 кОм	1
R5	Резистор	0.1 Ом	1	5 Вт
LD1	Светодиод		1
М1	Амперметр		1
J1	Разьем для подключения питания		1
J2	Разьем для силового подключения		1