Электронные нагрузки для профессионального применения

Новички, раньше не имевшие с ними дело, легко запутываются и не понимают разницы между ЭН и ИП. Они резонно спрашивают: «Почему же электронагрузка не выдаёт никакого напряжения?». Несмотря на внешнее и конструктивное сходство, они принципиально отличаются. Их нечасто встречают в радиолюбительских мастерских или небольших лабораториях, но они незаменимы при тестировании БП или аккумуляторов.

Электронагрузка — это электроизмерительный прибор для контролируемого потребления электротока. Совместно с БП она является дополняющим испытательным оборудованием: проектируемая схема проходит тестирование ИП в базовых условиях, а ЭН тестирует его при определенных режимах, что помогает проверить его соответствие качественным показателям.

Они используются разработчиками и производителями электроники и электротехники для тестирования силовых устройств: это ИП, преобразователи, элементы питания и аккумуляторы, зарядники, адаптеры и БП, солнечные панели, топливные электрогенераторы, электродвигатели, генераторы и многие другие.

Принципиально ЭН является аналогом переменного резистора, номинал которого устанавливается не вручную, а автоматически. Но у новичков вновь созревает вопрос: «Зачем её использовать, если можно взять резистор и самому его регулировать?». И, ведь действительно при подключении к выходу он образует замкнутую цепь, по которой течёт ток, а его величина по Закону Ома равна частному напряжения на резисторе и его номиналу:

В случаях, если единственным требованием будет постоянство сопротивления, подсоединение мощного переменного или даже постоянного резистора вполне оправдано. Более никакие параметры электроцепи он автоматически поддерживать не способен.

Но чаще требуется контролировать тройку: «ток-напряжение-мощность», предоставляя определение важнейших параметров ИП, допустим, эффективную аккумуляторную ёмкость. Тогда важно измерение всех электропараметров цепи и автоматическая регулировка тех, стабильность которых требуется в сейчас: это и выполняет электронагрузка. Ещё она имитирует разные сценарии поведения реального устройства: имитацию пускового тока, а также гарантирует безопасность тестирования блоков электропитания, контролируя и предотвращая возможные аварии. Поэтому она является эффективным тестировочным решением.

Ещё это программируемый измерительный инструмент, который предлагает множественные режимы контроля и поддержания состояния, такие как постоянство:

Все они подробнее будут описаны в следующем разделе.

Постоянство тока

Он используется чаще других. В нём нагрузка будет потреблять заданный ампераж независимо от выходного напряжения энергооборудования (например, аккумулятора).

Когда Electronic load работает так, она нагружает выход External DUT (3-вольтовго аккумулятора) до достижения ампеража. В большинстве конфигураций смонтированы силовые транзисторы-биполярники, полевые или IGBT-транзисторы (смотри статью «Транзисторы: принцип работы, схема включения, чем отличаются биполярные и полевые»), которые выступают в роли подстроечного резистора, регулирующего протекающий электроток. Транзисторы обычно объединены в матрицу со множеством параллельно и последовательно включённых элементов, способных в совокупности пропускать через себя большую мощность.

Электроток контролируется с помощью шунтирующего резистора Rshunt (у нас: 1 Ом). Падение вольтажа на нём, пропорциональное I, подается на вход ОС Pamp (подробнее в материале «Что такое операционный усилитель?»). ОУ сравнивает его на токовом шунте с опорным заданным значением Iin reference (в примере 1А*1Ом=1В). Выходной сигнал ОС регулирует степень открытия полевого транзистора Load FET (LF) и сопротивление канала RFET и, соответственно, ток, потребляемый электронагрузкой.

Такая конфигурация обратной связи помогает ей динамически менять резистивность и поддерживать установленный ампераж независимо от изменения вольтажа нагруженного ИП.

Постоянство напряжения

В нём прибор удерживает заданный вольтаж на своих клеммах независимо от тока. Последний задается, например, ЗУ или драйвером светодиодных ламп. Производится динамическая регулировка внутренней резистивности, чтобы достичь требуемого вольтажа при любой токовой величине, сформированной проверяемым ИП.

Используется обычно для тестов токовыдающего оборудования, например, ЗУ или LED-драйверов. Нагрузка регулирует свое сопротивление для достижения порога напряжения. Она контролирует входной вольтаж через делитель (у нас его образуют резисторы R1 и R2). ОС Pamp сравнивает потенциал его выхода (пропорциональный значению на её клеммах) с опорным Vin reference. Если он выше, усилитель открывает LF-полевик, чтобы уменьшить импеданс его канала RFET и так стабилизировать значение.

За счет этого она динамически меняет импеданс и сохраняет нужное напряжение вне зависимости от ампеража проверяемого БП.

Постоянство сопротивления

Здесь электронагрузка имитирует функционал высокомощного переменного резистора. Это подходит для регулируемых ЛБП. Когда к ней подключён источник напряжения, она пропускает электроток, равный частному потенциала заданного значения сопротивления-R. Когда же к ней подключён источник тока, потенциал равен произведению «электротока-импеданса».

Контролируемый разряд АКБ на стабильную резистивную нагрузку для определения оптимального зарядно-разрядного профиля батареи — вот основные цели.

На рисунке выше показана принципиальная схема ЭН, работающей в CR-режиме. Например, вы хотите загрузить 5-вольтовый источник энергии на 5Ом. Она должна измерять вольтаж с электротоком для регулировки сопротивления канала полевика - LF. Для этого соотношение между ними по закону Ома должно быть равно 5.

Делитель (в нашем примере образованный парой R1 и R2) измеряет потенциал источника, а шунтирующий резистор-Rshunt — ток в цепи. Управляющий ОС сравнивает вход в цепи (снижение напряжения-U на Rshunt, помноженное на заданное сопротивление), чтобы регулировать его, сохраняя стабильность импеданса. На схеме показано измерение ампеража при понижении напряжения на шунтирующем резисторе 1 В/А (Rshunt = 1 Ом) и его измерение с коэффициентом деления равным 5. Порог тогда возникает при 1 ампер и 5Ом (5В/1А).

Постоянство мощности

Здесь потребляется постоянная мощность от нагруженного ИП. Нагрузка регулирует её в соответствии с установками. БП — источник как вольтажа, так и электрического тока. При тестировании источника напряжения она регулирует электроток в цепи для его поддержания. При тестах источника тока она регулирует вольтаж на своих клеммах для поддержания того же заданного уровня электромощности.

Контролируемый разряд батареи в CP-режиме для получения информации о её ёмкости и сроке службы — это основная применимость. АКБ разряжается с постоянным мощностным показателем и имитируется тем самым поведение, скажем, DC-DC-преобразователя (подробно в статье «Источники питания. Виды и сферы применения»).

Выше изображена схема электронагрузки в CP-режиме. Если у вас есть аккумулятор на 5В и вы хотите разряжать его с интенсивностью 1Вт, чтобы имитировать поведение DC-DC-преобразователя. Она измеряет напряжение вместе с электротоком, чтобы регулировать импеданс LF-транзистора для поддержания постоянной 1-ваттной мощности. Нагрузка контролирует входящий потенциал посредством делителя (сформированного элементами R1 и R2), а через шунтирующий Rshunt – ток в цепи. Она измеряет потребление путем умножения величин U*I (падение на шунте Rshunt). Результат поступает в управляющий ОС. ОУ сравнивает входную мощность с эталонным значением. Выходной сигнал усилителя регулирует проводимость транзистора - LF, который контролирует ампераж. Если результат ниже опорного, усилитель пропорционально увеличивает его проводимость. Полевик уменьшает свое сопротивление (тогда ток увеличивается), чтобы соответствовать установленному уровню. Это даёт динамическую смену импеданса (и, пропорционально, обратную ему проводимость) для регулировки тока канала транзистора.

Она поддерживает один уровень энергопотребления независимо от изменения входного напряжения. Это позволяет разряжать АКБ под контролем, что помогает оценить его ёмкость и долговечность. И понять, как быстро DC-DC-преобразователь и подобные условия разряжают АКБ. В это время вольтаж снижается; ЭН потребляет дополнительный ток, чтобы стабилизировать энергопотребление. Например, разряд 5-вольтового АКБ до 4 вольт при CP 1 ватт формирует начальный электроток разряда на 0,2А, а при уменьшении до 4В он увеличится до 0,25А.

По мере развития электроники и регулярного выпуска на рынок всё новых видов электротехники увеличивается использование электроэнергии. Инженеры стремятся создавать более энергоэффективные продукты. Острая необходимость тщательных испытаний энергоисточников и их потребителей на предмет энергетической эффективности открывают всё новые схемы применения ЭН. Ниже рассмотрим типичные области в разных отраслях промышленности:

Здесь мы дадим практические рекомендации по выбору функционала и описание наиболее важных критериев, по которым выбирают инструмент для профессионального или промышленного применения.

Какая мощность требуется?

Начните с того, чтобы выяснить, сколько придется потреблять. Учтите суммарное значение, максимальную разность потенциалов и ток, которые устройство выдаёт. Просто знать, сколько ватт или киловатт нужно, недостаточно. Поэтому выбранная электронагрузка должна иметь подходящие диапазоны, которые соответствуют выходу испытуемого образца или превышают их . Обеспечивая совместимость требований к электропитанию, вы сможете проверять электроприборы и избегать любых препятствий или неприятностей с производительностью.

Какой вид электронагрузки вам необходим?

Есть два вида: постоянного тока (DC) и переменного (AC). В зависимости от вида приборов-испытуемых, которые вы хотите протестировать, потребуется выбрать соответствующую электронагрузку.

Если нужно поработать с выпрямителями, блоками-источниками напряжения, фотоэлектрическими панелями, электрохимическими генераторами, АКБ, ЗУ для них, преобразователями и т. п., вы будете нуждаться в ЭН постоянного тока.

Если же нужно протестировать представителей однофазных и трехфазных AC-систем, такие как силовые преобразователи и инверторы, ИБП, генераторы и электромоторы, автоматы и расцепители, энергопреобразователи, действующие совместно с элементами возобновляемой энергетики, вам понадобится нагрузка переменного тока.

Нужны ли вам несколько пределов входных параметров?

Когда мы рассматриваем требования, становится ясно, что важно также учесть, как вход электронагрузки повышает гибкость и приводит к меньшим затратам. Существуют версии с функцией автоматического выбора предела входных характеристик. Это помогает взаимодействовать с полной мощностью в широком диапазоне значений.

В сравнении с обычными электронагрузками, потребляющими максимум только при максимальном ампераже и вольтаже, приборы с автодиапазоном способны активировать её уже при 30% от номинального напряжения-тока. Это значит, что иногда можно применять менее мощные решения, что приводит к снижению стоимости измерительного оборудования и общих эксплуатационных трат средств, связанных, например, с охлаждением. Ещё иногда одна электронагрузка заменяет две: одну для тестов при низкой мощности и одну — при высокой. Экземпляры с автовыбором лучше адаптируются к будущим требованиям по сравнению с традиционными, то есть с фиксированными характеристиками.

Какие режимы функционирования вам нужны?

Есть четыре основных режимов. А ещё — дополнительные функции управления, что обеспечивает гибкость. Убедитесь, что выбор поможет контролировать все, что нужно.

Например, относительно ИП обычно требуется режим-CC для оценки его производительности в изменяемых условиях потребления. Аналогично, для ЗУ нужно постоянство вольтажа для анализа его реакции на изменение напряжённости АКБ. Если ваш протокол включает оценку в широком диапазоне сопротивлений, вам потребуется электронагрузка в CR-режиме.

Кроме того, если есть низковольтный выход, убедитесь, что ЭН работает с ним, потребляя при этом необходимый электроток. Проверьте, какое самое низкое напряжение она контролирует, потребляя при этом максимальный номинал.

Нужен ли вам функциональный синтезатор?

Поразмышляйте над тем, требуются ли вам для изменяющиеся условия, такие как быстрая изменчивость нагрузки или имитация помех и шума. Если вы тестируете аккумуляторы, зарядники, топливные и химические элементы или солнечных установки, вам потребуется моделировать эксплуатационные условия, чтобы оценить производительность. Для создания динамической нагрузки можно использовать функциональный синтезатор.

Он позволяет создавать собственные формы сигналов и моделировать некоторые условия: кривые тока-напряжения, а также создавать плавные или импульсные нагрузки для проверки реакции на их изменение.

Однако, стоит учесть, что сочетание мощной ЭН и функционального синтезатора делает испытательную установку более сложной и дорогой. Поэтому, задумайтесь, действительно ли она нужна.

Требуется ли вам рекуперация электротока?

Обычные электронагрузки потребляют электроэнергию и превращают её в тепло. Это не проблема для стендовых операций с маломощными системами. Однако, если она высока, особенно при продолжительных непрерывных производственных испытаниях, нагрев — причина серьёзных энергопотерь. Тогда лучше модели с рекуперативным восстановлением. Это означает, что они преобразуют потребляемую мощность и возвращают ее обратно в электросеть, вместо того чтобы рассеивать в виде тепла.

Хотя такие версии имеет высокую первоначальную стоимость по сравнению с традиционными, долгосрочная энергоэкономия компенсирует начальные инвестиции. Кроме снижения энергопотребления, также значительно сокращаются расходы на кондиционирование воздуха, что еще больше снижает общие эксплуатационные расходы. Нередко например, при крупных производственных испытаниях батарей для электромобилей, экономия полностью окупает стоимость испытательного оборудования. В нашу эпоху альтернативной энергетики и экономии ресурсов, восстановление энергии — отличная стратегическая практика для крупных промышленных компаний.

Позаботьтесь об инфраструктуре

Электронагрузки мощны и требуют разных условий для электропитания. В общем, модели до 3 кВт работают от однофазной бытовой сети, тогда как более мощные требуют трехфазного подключения. У большинства принудительное воздушное охлаждение для поддержания рабочей температуры. Однако, для высокомощных приборов также допустимо водяное охлаждение. При планировании испытательной лаборатории важно учесть не только кондиционирование воздуха, но и доступ к коммуникациям, таким как трехфазная электросеть, холодное водоснабжение и водоотведение.

Подумайте о системах безопасности

Первостепенную важность безопасности устройств сложно переоценить. Учитывая, с какими значениями электрических показателей приходится работать. Нужно убедиться, что они поддерживают адекватные механизмы защиты как себя, так и испытательной среды, включая персонал, ответственный за ее обслуживание. Тепловая защита важна для предотвращения повреждений или неисправностей путем автоматического отключения, когда внутренняя температура достигает опасного уровня.

Важно обеспечить, чтобы в конструкцию были интегрированы защита от перенапряжения, от перегрузки по току, поскольку эти функции нужны для предотвращения повреждения и поддержания безопасной эксплуатации. Хотя все модели оборудованы защитными механизмами, нужно учитывать их совместимость с условиями.

Отдавая приоритет безопасности и надежности, вы гарантируете их результативность, сводя при этом к минимуму риск несчастных случаев или отказа оборудования.

Как на счёт удалённого управления?

Рассмотрим интерфейсы дистанционного управления. Среди популярных — стандартные USB и Ethernet, предоставляющие простое подключение к компьютерам и другим девайсам.

Кроме стандартных интерфейсов, часть производителей предлагают дополнительные интерфейсы, устанавливаемые в виде отдельных модулей, например, RS-232.

Для условий промышленной эксплуатации, когда важна интеграция с программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) производственного оборудования, некоторые модели поддерживают протокол передачи данных Modbus. Интерфейсы CAN, CANopen, EtherCAT, Profibus и Profinet, облегчают интеграцию в системы управления на базе ПЛК. Ещё некоторыми можно управлять с помощью изолированного аналогового сигнала, что предоставляет эффективное управление в промышленных условиях с высоким уровнем шума и низкой электробезопасностью.

Требуется ли возможность расширения?

Бывает так, что объём одной ЭН бывает недостаточным для подробных и всеобъемливающих тестов. Тогда решение — выбор версий, способных работать коллективно для расширения поддерживаемого электротехнического диапазона. Некоторые их них предлагают опцию «главный-помощник», в котором основная «главная» ЭН управляет группой дополнительных, образуя «супернагрузку» с более впечатляющими параметрами, чем каждый компонент отдельно.

Отдельные версии способны равномерно распределять поступающую мощность между всеми. Этот механизм распределения предотвращает чрезмерное энергопотребление отдельными приборами и защищает их от потенциального повреждения. Используя его, инженеры без усилий расширяют свою испытательную лабораторию, поскольку будущие испытательные мощности вырастут до сотен киловатт и более, гарантируя точность для успешных экспериментов.

Будет ли полезна автоматизация процесса измерения?

Чтобы упростить тестирование, выбирайте модель, совместимую с вашей средой программирования.

Большинство поддерживают стандартные языки программирования как C или Python, а также языковые среды графического программирования LabView от National Instruments. Эти программные платформы позволяют легко и эффективно программировать и контролировать, оптимизируя автотестирование.

Если традиционное программирование не подходит, многие идут со специализированным ПО, через которое легко управлять, создавать последовательности управления и выполнять схемы испытаний для сценариев: теста АКБ, топливных элементов и т. д. Используя комплексные пакеты программного обеспечения, инженеры быстро разрабатывают программы автоматического управления, сокращая время и ресурсы на создание испытательной системы.

При учёте всех критериев вы купите идеальную нагрузку. Тщательно оценив характеристики, разобранные в этом разделе, используя опыт и рекомендации надёжного поставщика, такого как Supereyes, вы с полной уверенностью найдёте модель, которая даст точность измерения, оптимальную производительность и экономичность.

Это профессиональный измеритель для лаборатории. Потребляет до 1000 ватт, 150 вольт 40 ампер при сопротивлении до 150 килоом. Его элементная база гарантирует точность. Помимо основных (CC, CV, CP, CR), имеет спецрежимы для более тщательных испытаний: таких как определение ёмкости батарей. Есть динамическое тестирование, условия которого программируются. Оборудован высокопроизводительной системой воздушного охлаждения, что в сочетании с защитой от перегрева, а также системами, постоянно контролирующими электропараметры, даёт безопасность при круглосуточной эксплуатации. Подключение к персональному компьютеру и другому оборудованию выполняется с помощью цифровых интерфейсов RS-232, LAN, USB, а автоматический запуск испытуемого образца возможен с помощью дополнительного порта с двумя замыкающими контактными группами.

Эта серия представляет доступную и обширную линейку программируемых ЭН DC-класса. Они получили расширенный функционал, но недорогие. Они полностью контролируют процесс, отображают точные графики и результаты измерений, имеют внутреннюю память для локального хранения результатов измерений и возможность сохранения измерений на внешнем накопителе. Основные различия между моделями серии в том, что версии с индексом A уже имеют дополнительные порты, такие как LAN и DigitalIO, а также большее разрешение и оперируют с большей скоростью нарастания силы тока. Без индекса A LAN-порт и DigitalIO-порт могут иметь только в качестве опции (модули поставляются отдельно).

DigitalIO в Rigol — цифровой программируемый порт ввода-вывода для автоматизации задач (к примеру, дистанционное включение проверяемого устройства или другого оборудования).

Вся серия относится к профессиональной категории и принимает до 350 ватт. Есть один канал до 150В, 60А, позволяющий тестировать широкий класс ИП, преобразователей и АКБ. Линейка DL3000 получила все популярные рабочие режимы и защиты, что облегчает измерения в соответствии с любыми жёсткими нормами безопасности.

Они представляют серию прецизионных программируемых DC-электронагрузок, управляемых высокопроизводительным микропроцессором. Серия предлагает в распоряжение инженеров 4 основных режима, а также 10 специальных, расширяющих функциональность. Оборудованы вольтметром и амперметром высокой точности и отображением пульсаций в реальном времени.

Основополагающее отличие моделей внутри серии — различные диапазоны допустимых напряжений-токов при одинаковой максимальной мощности:

Различие в характеристиках помогает подобрать модель для ваших задач, не используя компромиссы.

Все они оборудованы средствами, защищающими измерители и персонал от аварий: комплексной системой, следящей за электрическими параметрами, защитой от перегрева, перегрузки по току или по мощности, от перенапряжения, контролем нежелательных автоколебаний. Вся серия поддерживает как цифровые интерфейсы передачи данных, так и аналоговые, что помогает быстро интегрировать любого из её представителей в измерительную лабораторию.

Решение китайского производителя JETHLEY является классическим представителем ЭН AC-класса. Создан для тестирования однофазных приборов, питаемых от AC бытовой (50/60 герц) или промышленной частоты (400 герц) и питающем напряжении до 300 вольт. Работает в диапазоне до 5000 ватт. Этих характеристик достаточно для многих сетевых устройств. При внешней простоте быстро и с точностью измеряет параметры, а также имеет все защиты, гарантирующие безопасность как для оборудования, так и для персонала.