Пассивная нагрузка

Проект выходного дня

Возможно, отнесение этого измерительного прибора к разделу проектов выходного дня является слишком оптимистичной оценкой его сложности. Даже если в вашем хозяйстве найдется подходящий по размерам готовый корпус, слесарные и электромонтажные работы, которые вам предстоит выполнить, могут не уместиться в один выходной, однако, при наличии всех необходимых компонентов, собрать его за пару дней можно наверняка. Поэтому будем считать его проектом, как минимум, двух выходных. Кстати, если вы повторили это изделие, можете поделиться с читателями сайта информацией о том, сколько времени у вас это заняло, написав соответствующий комментарий и прислав нам фото того, что у вас получилось. Устроим "Фотогалерею пассивных нагрузок".

Что это и для чего оно нужно?

Нагрузка, как следует из ее названия, требуется для того, чтобы что-нибудь нагрузить. А поскольку занимаемся мы тут не погрузо-разгрузочными работами, а изготовлением радиоэлектронных устройств, то и нагрузка у нас будет электрическая. Что же именно мы собираемся нагружать?

• В первую очередь приходят в голову различные источники питания - как химические (батареи, аккумуляторы), так и электронные (выпрямители, стабилизаторы, конвертеры). В процессе изготовления, настройки или ремонта источников питания вам потребуется определенная нагрузка для того чтобы убедиться в их способности отдавать в эту нагрузку номинальное напряжение (ток, мощность). Часто также приходится измерять зависимость параметров источника питания, например, выходного напряжения, к.п.д. или уровня пульсаций от величины нагрузки. Для этого необходимо иметь возможность оперативно изменять эту величину.
• Кроме источников питания нагрузка обязательно потребуется при испытаниях, ремонте и настройке усилителей низкой частоты. Здесь также может потребоваться изменять в определенных пределах сопротивление нагрузки, наблюдая при этом, как изменяется выходная мощность, нелинейные искажения и другие параметры усилителя.

Можно назвать и другие ситуации, когда необходимо иметь под рукой некое устройство, способное поглощать определенное количество электрической энергии и дающее возможность управлять этим количеством, меняя его электрическое сопротивление.

Активная или пассивная?

В зависимости от того, какой элемент используется для рассеивания потребляемой мощности, приборы такого рода могут быть отнесены либо к активным либо к пассивным нагрузкам. Термины "активная" и "пассивная" в данном случае происходят не от известных в электротехнике понятий "активная мощность" или "пассивная (реактивная) мощность", а от того что в составе активной нагрузки имеется активный элемент, чаще всего MOSFET или IGBT транзистор, на котором и рассеивается вся поглощаемая нагрузкой мощность, а пассивная нагрузка рассеивает мощность на пассивном элементе - резисторе. Чтобы избежать путаницы, будем далее называть активную нагрузку "электронной".

Пассивная нагрузка чрезвычайно проста в устройстве - примером может служить лабораторный реостат (см. рисунок справа), который обладает минимумом необходимых функций - он способен рассеивать довольно большую мощность, измеряемую десятками ватт, а также позволяет менять его сопротивление при помощи ползунка. Однако, есть и неудобства, главное из которых - невозможность без привлечения внешнего измерительного прибора (омметра) выставить точное значение сопротивления и оперативно менять его в процессе работы. Поэтому в качестве пассивной нагрузки чаще используется не реостат, а набор постоянных резисторов с переключателями, позволяющими быстро выбрать необходимое фиксированное значение сопротивления, не отключая нагрузку от измерительной цепи. Мы именно такую нагрузку и будем собирать сегодня.

Электронная нагрузка устроена гораздо сложнее - кроме собственно активного элемента, рассеивающего мощность, она содержит достаточно хитроумные схемы управления, включающие прецизионные источники опорного напряжения, усилители сигналов от датчиков тока, дифференциальные и другие специальные усилители, схемы защиты от перегрузок и так далее. В последнее время в состав таких схем управления часто входят и микроконтроллеры, которые дополнительно расширяют возможности электронных нагрузок, добавляя в них целый ряд новых функций. Например, в отличии от пассивной нагрузки, которая всегда работает в одном режиме - режиме постоянного сопротивления (CR), электронные нагрузки, как правило, могут работать еще и в режимах постоянного тока (СС), постоянного напряжения (CV) и постоянной мощности (CW). Часто в таких устройствах имеется возможность плавно или скачкообразно менять нагрузку по заданной программе, запоминая при этом результаты измерений, что позволяет автоматизировать снятие характеристик испытуемых устройств. Выпускаются даже электронные нагрузки, которые умеют возвращать часть рассеиваемой на них электрической энергии обратно в электросеть, уменьшая тем самым бесполезное превращение этой энергии в тепло.

Нетрудно догадаться, что электронные нагрузки при всех своих восхитительных возможностях должны стоить в десятки раз дороже пассивных, а их самостоятельное изготовление доступно лишь при наличии определенного опыта и достаточного количества свободного времени. Мы же в этом проекте "двух выходных дней" опишем устройство, собрать которое сможет даже начинающий. Важно также, что, решив собрать описываемую здесь пассивную нагрузку, домашний конструктор точно не разорит семью покупкой дорогостоящих электронных компонентов.

Принципиальная схема

Схема, как видите, совершенно незатейлива - между выходными клеммами прибора последовательно включены три галетных переключателя S3-S5 на 10 положений каждый с наборами постоянных резисторов, а также тумблер S2, который позволяет к суммарному сопротивлению, набранному на переключателях, добавить еще один резистор сопротивлением 1 Ом. В итоге вся эта цепь в зависимости от положений переключателей S3-S5 и тумблера S2 может иметь суммарное сопротивление от 0 до 1999 Ом, изменяемое с шагом в 1 Ом.

Для удобства внешних подключений в приборе предусмотрены две пары клемм, соединенные параллельно. К одной паре можно подключить выход испытуемого источника питания или усилителя, а к другой - осциллограф для наблюдения формы напряжения на нагрузке или любые другие измерительные приборы.

Чтобы немного повысить комфортность использования прибора и слегка украсить его унылый внешний вид, автор добавил в него цифровой вольтметр-амперметр постоянного тока U1, показывающий напряжение на нагрузке и силу протекающего через нее тока. Питание вольтметра-амперметра поступает от источника U2 напряжением 12 В. Тумблер S1 выключает питание вольтметра-амперметра и отсоединяет его вход от измерительной цепи в ситуациях, когда он не используется (об этом см. далее).

Выбор компонентов

Основные компоненты, использованные автором для изготовления прибора, показаны на следующем фото.

Цифрами на рисунке обозначены:

1. Галетные переключатели 10П1Н (их понадобится 3 шт.)
2. Ручки для переключателей (тоже 3 шт.)
3. Тумблеры
4. Проволочные резисторы типа SQP мощностью 10 Вт в керамическом корпусе ("цементные резисторы"). Таких резисторов с разными номинальными сопротивлениями потребуется 28 шт.
5. Цифровой вольтметр-амперметр 30 В / 10 А на 3 или на 4 десятичных разряда.
6. 7. 8. Различные варианты источников питания 220 В 50 Гц AC --> 12 В DC. В приборе можно использовать любой из показанных на фото или какой-нибудь другой с выходным напряжением от 5 до 15 В.

Кроме того потребуются две пары клемм для внешних подключений, электролитический конденсатор емкостью 2200 мкФ на напряжение не менее 15 В, много монтажного провода и подходящий по размеру металлический корпус. Пластмассовый корпус использовать не рекомендуется, поскольку резисторы R1-R28 при работе нагрузки могут довольно сильно нагреваться.

Автор не планировал использовать нагрузку для испытаний источников питания большой мощности, предполагалось, что рассеиваемая мощность не будет превышать нескольких ватт, поэтому в качестве резисторов R1-R28 были выбраны резисторы мощностью 10 Вт, а галетные переключатели и тумблеры - с максимально допустимым током не более 5 А. Это позволило сделать прибор достаточно компактным - габариты корпуса не превышают 220 * 115 * 70 мм. Если вам требуется более мощная нагрузка, используйте резисторы большей мощности, переключатели с большим допустимым током и монтажные провода соответствующего сечения, однако, в этом случае придется использовать более просторный корпус и, возможно, даже встроить в него компьютерный вентилятор для охлаждения.

Вольтметр-амперметр и его особенности

Малогабаритные 3-х или 4-х разрядные цифровые вольтметры, амперметры и комбинированные вольтметры-амперметры сейчас очень распространены в любительских конструкциях и их можно недорого приобрести в популярных интернет-магазинах. Один из таких приборов и использован в этом проекте. Вообще говоря, об этих малогабаритных цифровых приборчиках можно написать большое исследование, включающее, например, рекомендации о том, как правильно подключать прибор к измеряемым цепям, как простыми средствами повысить его точность, от какого источника лучше подавать питание на прибор и так далее. Возможно, автор когда-нибудь соберется с духом и напишет такой материал для раздела "Обзоры", однако, сейчас упомянем только о трех особенностях этих миниатюрных измерительных приборов, которые следует иметь в виду.

1. Об установке нуля

От любого вольтметра (амперметра), как аналогового, так и цифрового, мы ожидаем, что при отсутствии входного напряжения (тока) он покажет нулевое значение. К сожалению, в реальной жизни это не всегда соблюдается. Из-за разброса параметров компонентов, из-за изменения питающих напряжений и влияния других внешних факторов при отсутствии входного напряжения (тока) на дисплее прибора может отображаться некоторое ненулевое начальное значение. Поэтому конструкторы измерительных приборов, как правило, предусматривают тот или иной способ установки нуля. В рассматриваемых 3-х или 4-х разрядных вольтметрах-амперметрах могут использоваться по меньшей мере три разных способа:

• У некоторых моделей таких приборов на печатной плате установлен подстроечный резистор, вращая который можно добиться нулевых показаний.
• У других моделей на печатной плате имеются две контактные площадки, которые до подачи питания необходимо замкнуть между собой при помощи проволочной перемычки или пинцета, а затем подать на прибор питание. При этом в программе микроконтроллера активизируется процедура автоустановки нуля и в течение нескольких секунд на дисплее установятся нулевые показания. Настройки будут сохранены в энергонезависимой памяти микроконтроллера и повторять эту процедуру при каждом включении вольтметра в дальнейшем не придется.
• И наконец, в большинстве моделей ничего из вышеизложенного не имеется, однако, в прошивке их микроконтроллеров используется особый трюк - все результаты измерений ниже определенного порогового значения считаются нулевыми и отображаются на дисплее как "00.0" или "00.00". Это пороговое значение обычно составляет 300-350 мВ для вольтметра на 30 В и 20-50 мА для амперметра на 10 А. Таким образом, если начальное смещение нуля не превышает это пороговое значение, то никакой установки нуля и не требуется - показания прибора будут нулевыми.

Понятно, что последний способ является самым дешевым и поэтому именно он и используется в подавляющем большинстве комбинированных цифровых вольтметров-амперметров, имеющихся в продаже. Если, приобретая этот прибор в интернет-магазине, вы выбрали одну из наиболее дешевых моделей, то почти наверняка ваш экземпляр будет использовать третий из перечисленных способов. Хуже того, частенько на фотографии в описании товара вы видите изображение печатной платы с подстроечным резистором для установки нуля или с контактными площадками для активизации процедуры автоустановки, а в посылке вам приходит изделие, в котором использован трюк с пороговым значением. Так что, получив на почте заказанный прибор, внимательно рассмотрите печатную плату изделия чтобы понять, с каким именно вариантом вы имеете дело. А как этот трюк сказывается на точности измерений, вы прочитаете ниже.

2. О точности измерений

Продавцы таких приборов в своих описаниях товара обычно вообще не указывают никаких данных о погрешности измерений, но, если все же указывают, то пишут что-то вроде "Погрешность менее 1%", могут написать и "менее 0.5%", наиболее яростные из них пишут "менее 0.1%", а более продвинутые в техническом отношении - "0.5% ± 1 единица младшего разряда", но мы никому из них не верим на слово и полагаемся только на результаты объективных измерений.

Так вот, эти результаты показывают, что погрешность измерений может достигать 5% и более, особенно у тех приборов, которые используют третий из описанных выше методов установки нуля - метод, при котором все результаты измерений ниже определенного порогового значения отображаются как нулевые. И особенно это заметно при измерениях малых напряжений и токов таким прибором. Практически это означает, что, например, для вольтметра на 30 В весь диапазон измерений может быть разделен на три участка:

• первый - мертвая зона от 0 до 350 мВ, в которой показания прибора нулевые;
• второй - от 350 мВ до 3-4 В, в начале которого погрешность измерений максимальна и может составлять до 8-10%, плавно снижаясь по мере повышения входного напряжения;
• третий - от 4 В до 30В, где погрешность, как правило, укладывается в ±1%.

Иначе говоря, к показаниям такого встроенного вольтметра-амперметра можно относиться только как к ориентировочным. Кроме того, в случае использования 4-х разрядного прибора надо понимать, что младший десятичный разряд существует в таких приборах исключительно для красоты и что точности результатов по сравнению с 3-х разрядными приборами он совершенно не добавляет. Поэтому в случаях, когда важно иметь максимально достоверные результаты измерений, лучше не полагаться на показания встроенного в пассивную нагрузку вольтметра-амперметра и использовать внешние приборы необходимой точности.

3. Что если подать напряжение не той полярности или переменное?

Сама по себе пассивная нагрузка и входящие в ее состав резисторы и переключатели не чувствительны к полярности подаваемого на них напряжения и одинаково хорошо работают как с постоянным напряжением любой полярности, так и с переменным напряжением. Этим пассивные нагрузки выгодно отличаются от электронных, которые в большинстве случаев работают только с постоянным напряжением и требуют соблюдения полярности при подключении. Именно эта нечувствительность к полярности входного напряжения и позволяет использовать пассивную нагрузку для испытания усилителей низкой частоты, различных генераторов, трансформаторов и других источников переменного напряжения. А вот встроенный цифровой вольтметр-амперметр к полярности чувствителен и даже может быть выведен из строя, если на его вход подать отрицательное или переменное напряжение.

Вообще говоря, в схеме самого вольтметра-амперметра обычно имеется защитный диод, который открывается при поступлении на вход вольтметра отрицательного постоянного напряжения или отрицательных полупериодов переменного напряжения, а на его печатной плате должно быть предусмотрено соответсвующее посадочное место для этого диода. Если этот диод находится на месте, то в принципе, от отрицательного или от переменного напряжения ничего плохого с прибором произойти не должно, его показания будут нулевыми, но аналоговый вход микроконтроллера, на который подается измеряемое напряжение, будет защищен.

Однако, иногда в продаже попадаются вольтметры-амперметры у которых в это посадочное место ничего не запаяно, видимо, с целью экономии на копеечной стоимости этого диода. На фото справа показана печатная плата такого прибора с отсутствующим защитным диодом. В таком случае подача на вход отрицательного или переменного напряжения неизбежно вызовет трагические последствия в виде сгоревшего микроконтроллера.

Исходя из этого можно порекомендовать:

• Проверить наличие защитного диода на плате вольтметра-амперметра и при его отсутствии запаять туда с соблюдением полярности любой маломощный диод в SMD исполнении.
• Подключая нагрузку к источнику отрицательного или переменного напряжения, выключать амперметр-вольтметр тумблером S1. Все равно толку от него в этой ситуации будет мало, поскольку ни отрицательное, ни переменное напряжение он не измеряет, зато отключение его входа от измерительной цепи гарантирует, что он не выйдет из строя.

Конструкция и монтаж

Как уже говорилось, лучше всего разместить все элементы прибора в подходящем по размерам металлическом корпусе от какого-нибудь вышедшего из употребления прибора. Автор использовал алюминиевый корпус размерами 220 * 115 * 70 мм. Такие размеры корпуса достаточны для того, чтобы разместить в нем все компоненты прибора и большое количество соединяющих их между собой монтажных проводов, и при этом прибор не занимает слишком много места на рабочем столе. Необходимо будет для выбранного корпуса сделать новую лицевую панель и разместить на ней галетные переключатели, тумблеры и цифровой вольтметр-амперметр. Должно получиться что-то вроде показанного на рисунке ниже изделия.

Резисторы R1-R28 при помощи хомутов закрепляются на дне корпуса, источник питания U1 и конденсатор C1 прикрепляются к одной из боковых стенок корпуса, а все соединения между элементами выполняются монтажным проводом сечением не менее 0,35 мм².

Использование пассивной нагрузки

Прежде чем начинать использовать пассивную нагрузку, полезно задаться вопросом, какие максимальные напряжения можно подавать на нее чтобы не сжечь резисторы R1-R28. Понятно, что эти предельно допустимые величины напряжений зависят от установленной в данный момент величины сопротивления а также от мощности использованных в приборе резисторов. Так что вооружайтесь формулой, говорящей о том, что мощность равна произведению тока на напряжение, законом Ома, а также калькулятором и составляйте небольшую табличку, где в первой колонке будет установленная при помощи переключателей величина сопротивления - 1 Ом, 2 Ома, 3 Ома и так далее, а во второй и третьей - максимальное допустимое напряжение на нагрузке и протекающий через нее при этом ток.

И последнее, о чем хочется сказать в этой публикации, это о возможности использовать изготовленный прибор не только по прямому назначению, в качестве силовой нагрузки для источников питания, усилителей, трансформаторов и так далее, а еще и в качестве магазина сопротивлений, когда необходимо оперативно подобрать величину сопротивления, включаемого в какую-либо цепь. Автор изначально изготавливал этот прибор для одной конкретной цели - изучения характеристик маломощных DC-to-DC конвертеров, вроде тех, которые описаны в обзоре на этом сайте. Однако, после того, как эта пассивная нагрузка была изготовлена и заняла свое место на рабочем столе, неожиданно выяснилось, что с ее помощью чрезвычайно удобно подбирать величину сопротивлений не только в силовых, но и в совершенно слаботочных цепях. И вот тут-то оказывается, что диапазона сопротивлений 0 - 1999 Ом не всегда хватает для такого использования прибора и что хорошо бы добавить в устройство еще пару или тройку декадных переключателей и необходимое количество резисторов с тем чтобы расширить его диапазон до 200 кОм или даже до 2 МОм. Причем в добавляемых старших декадах мощность резисторов не должна составлять десятки или единицы ватт, вполне достаточно обычных резисторов мощностью 0,5 Вт или даже 0,25 Вт. Поэтому, приступая к изготовлению этого прибора, вы можете сразу предусмотреть место не для трех галетных переключателей, а для пяти или шести, что резко повысит его полезность.

Если у вас остались вопросы по устройству прибора или есть предложения по его улучшению и приданию ему каких-либо новых функций - воспользуйтесь формой для комментариев внизу, автор будет рад ответить вам.