Як вибрати електронне навантаження

Досить тривалий час для перевірки, наприклад, блока живлення під навантаженням використовували найпростіші рішення — потужні резистори або лампочки. Але з широким поширенням потужних напівпровідникових компонентів, а також появою не менш потужних джерел живлення стало можливим зробити цей процес зручнішим, застосувавши електронний еквівалент навантаження.

Нагадую: щоб завжди бути в курсі нових тем у блозі, рекомендую підписатися на мій інстаграм, де я публікуватиму сповіщення про всі нові теми й, можливо, просто писатиму про щось цікаве — посилання на акаунт

Також підписатися на оновлення та нові статті можна в телеграм-каналі — https://t.me/KirichBlog


Варто, мабуть, одразу пояснити, що навантаження у вигляді резисторів має перевагу, оскільки воно близьке до ідеального, але також потребує додаткового охолодження, як і інші електронні компоненти. У випадку з лампочками маємо проблему іншого характеру: опір нитки розжарювання в холодному й гарячому стані сильно відрізняється, тому підключення такого навантаження навіть до цілком справного блока живлення може спричинити спрацьовування його захисту від перевантаження.

Але в будь-якому разі основне призначення будь-якого навантаження — хоч електронного, хоч із потужними резисторами — перетворювати енергію, яку воно відбирає від джерела, на тепло, тому більшу частину такого пристрою займає силовий вузол із системою охолодження. Виняток становлять електронні навантаження з функцією рекуперації, які повертають до 95% енергії назад у мережу, але такі пристрої дуже дорогі й трапляються вкрай рідко.
Усе інше впливає лише на точність вимірювання та сервісні можливості, тому найчастіше перше, що ви побачите під час огляду, — це великий радіатор і потужні вентилятори.

Відповідно, під час вибору слід орієнтуватися на такі критерії:
1. Бюджет: потужні навантаження можуть коштувати недешево.
2. Максимальні потрібні параметри — найчастіше це потужність, струм і напруга.
3. Наявність чотирипровідного підключення, особливо для роботи з великими струмами.
4. Можливість підключення до комп’ютера для побудови графіків і керування.
5. Функціональні можливості як під час автономної роботи, так і під час роботи з ПК.
6. Точність вимірювання та встановлення параметрів. У деяких ситуаціях нижча точність ніяк не позначається на тестах, тож тут можна заощадити.



Якщо з вибором характеристик загалом усе зрозуміло й логічно, то про максимальну напругу варто сказати окремо. Загальне коло вимірювання охоплює дроти, роз’єми, шунти для вимірювання струму та силовий вузол.
При цьому мінімальне падіння напруги на транзисторах залежить від того, на яку напругу вони розраховані. Купивши навантаження, розраховане на високу напругу «із запасом», можна опинитися в ситуації, коли воно не зможе створити заявлений струм за дуже низької напруги.

Наприклад, під час тестування акумуляторів, особливо LiFePO4 і LTO, напруга може бути меншою за 2 вольти, і якщо на початку струм дорівнюватиме встановленому значенню, то наприкінці розряджання він падатиме. Це проявляється за поєднання максимального струму навантаження та мінімальної напруги джерела.



Здебільшого прості електронні навантаження працюють у режимі генератора струму, тобто стабілізують струм у колі підключеного до них джерела, але це не підходить для тестування джерел, які самі є генераторами струму, наприклад зарядних пристроїв. Для спрощеного розуміння можна сказати, що джерело напруги (блок живлення, акумулятор) навантажують стабілізатором струму, а джерело струму (зарядний пристрій) — відповідно, стабілізатором напруги, інакше вони конфліктуватимуть.
Насправді режимів більше ніж два, але основних — чотири:
CC або Constant Current — стабілізація струму
CV або Constant Voltage — стабілізація напруги; навантаження не дає напрузі піднятися вище встановленого значення, збільшуючи струм.
CP (CW) або Constant Power — стабілізація потужності; пристрій змінює струм так, щоб споживалася встановлена потужність.
CR або Constant Resistance — стабільний опір; автоматична зміна струму навантаження залежно від вхідної напруги.


Крім того, якщо для резистора чи лампочки рід струму не має значення, то електронні навантаження поділяються на два класи — постійного та змінного струму.
І, звісно, є сервісні функції: найпростіші пристрої мають звичайний ампервольтметр, складніші — мікроконтролер і вміють рахувати ємність, що пройшла через них, а також є версії з підключенням до комп’ютера і, звісно, програмовані електронні навантаження, для яких можна задати алгоритм роботи, імітацію навантаження з пульсівним струмом, комбінації різних режимів, функції аналізу тощо.

Найчастіше силовий вузол будують на польових транзисторах: керувати ними набагато простіше, але важливіше те, що вони можуть навантажувати джерела майже від нульової напруги. Крім цього, бувають електронні навантаження на біполярних транзисторах — такі транзистори краще працюють у лінійному режимі. Третій варіант — транзистори IGBT, їх застосовують там, де потрібна велика потужність.

Китайські розробники навіть певний час випускали гібридний блок живлення, поєднаний із функцією електронного навантаження, де силовий вузол міг працювати або як регулятор блока живлення, або як навантаження.



Найпростішу електронну нагрузку, що працює в режимі CC (як, утім, і CV), можна зробити власноруч буквально з кількох компонентів: операційного підсилювача, транзистора та пари резисторів. Звісно, вона матиме свої недоліки, але працюватиме.
Змінним резистором задаємо струм, а постійний використовуємо як вимірювальний.



Щоб підвищити стабільність роботи, доведеться її трохи ускладнити, але вона все одно буде доступною для повторення радіоаматору-початківцю. Нижче, власне, і наведено схему електронного навантаження.


Приблизно такий самий варіант є і в готовому вигляді: він дає змогу навантажувати струмом до 10А джерела з напругою до 100В і потужністю до 75Вт. Для такої плати потрібно докупити лише радіатор, малопотужний блок живлення та змінний резистор для регулювання струму…


Але наведені вище варіанти схем мають недоліки: невелику потужність, а якщо збирати все самостійно — доведеться шукати й купувати окремі компоненти, виготовляти друковану плату тощо. Тому для радіоаматора-початківця хорошим рішенням буде придбати набір комплектуючих для складання електронного навантаження на ОП LM324, до якого входить майже все необхідне. — огляд


Після складання залишиться лише підібрати радіатор відповідного розміру — і електронне навантаження фактично готове. Але для підвищення стабільності роботи рекомендується замінити комплектні конденсатори ємністю 1нФ на інші, у діапазоні 22-47нФ.

У результаті ви отримаєте електронне навантаження на 150Вт (за умови відповідного радіатора) з режимом CC. За бажання його можна доопрацювати для роботи в режимах CV і навіть CP, але це тема іншої статті.



Якщо хочеться більшого, радіоаматорам варто звернути увагу на «напівфабрикати» або просто готові силові модулі, які вже мають і електроніку, і систему охолодження. Зазвичай вони розраховані на потужність близько 100-300Вт і мають різні варіанти конфігурації за максимальним струмом і напругою.

Особливо вирізняються в цьому плані модулі виробництва Sousim: вони є на різну потужність і навіть із можливістю керування через RS485. Але навіть прості моделі з регулюванням за допомогою змінного резистора можуть працювати не лише в режимі CC, а й у режимі CV. Крім того, вони мають «на борту» мікроконтролер, який стежить за перевантаженням і температурою, а також керує встановленими вентиляторами залежно від температури та потужності.
Огляд




А якщо доповнити такі модулі невеликим блоком живлення та ампервольтметром, то легко можна зібрати електронне навантаження постійного струму — просте й доволі функціональне. Наприклад, на фото варіант потужністю 300Вт, зі струмом 40А та напругою до 150В, режимами CC і CV (за половинної потужності) та вимірюванням ємності акумуляторів.


Наступним кроком будуть пристрої, що містять не лише силову частину, а й контролер керування. Найчастіше, залежно від розміру радіатора, вони мають потужність 150 або 180Вт. Але слід зазначити, що це максимальна потужність, до того ж вона значною мірою залежить від напруги джерела. Наприклад, навантаженню простіше працювати за 12 В і 10 А, ніж за 120 В і 1 А, хоча потужність, що виділяється, в обох випадках однакова. Це зумовлено характеристиками силових транзисторів.


Є подібні моделі, але з можливістю підключення до комп’ютера та красивішим дисплеєм; за рештою характеристик вони схожі на попередні.


Окремо варто згадати про електронні навантаження серії TEC40K. Ці пристрої випускаються у трьох модифікаціях — на 400, 800 і 1600 Вт — і забезпечують струм навантаження до 45 А.


Пристрої мають власну панель керування, але дають змогу не лише керувати ними з комп’ютера, а й будувати графіки розряджання. Попри непоказний вигляд, це пристрої досить високого класу.



Якщо ви не ремонтуєте блоки живлення, але час від часу вам потрібно виміряти ємність акумулятора, є спеціалізованіші плати. Загалом вони також можуть працювати як звичайне електронне навантаження, але значно краще підходять саме для тестування акумуляторів. У цьому разі акумулятор спочатку заряджають будь-яким відповідним зарядним пристроєм, а потім розряджають за допомогою такого навантаження.
ZB206+ (ліворуч) має максимальну напругу 8,5 В, що підходить для тестування двох послідовно з’єднаних літій-іонних акумуляторів, максимальний струм — 2,6 А, а потужність — до 12 Вт. — огляд
ZPB30A1 (праворуч) помітно потужніший: до 60 Вт, 10 А і 30 В.

Обидва пристрої мають можливість чотирипровідного підключення та функцію вимірювання внутрішнього опору акумулятора.


Тим, хто хоче отримати стабільно працюючий пристрій із широкими можливостями, не беручись за паяльник, варто звернути увагу на великий вибір електронних навантажень ZKEtech. Це китайська компанія, що спеціалізується саме на таких пристроях.
Їхні вироби поділяються на два основні класи:
EBD — просто електронні навантаження.
EBC — електронні навантаження, поєднані із зарядним пристроєм, фактично тестери акумуляторних батарей.
Крім того, вони відрізняються потужністю, струмом і максимальною напругою.

Але перш ніж перейти до загального опису моделей, варто розповісти про ключові особливості пристроїв цієї компанії.

1. Усі пристрої цієї компанії підтримують підключення до комп’ютера. Це потрібно як для керування ними, так і для побудови графіків струму, напруги та потужності, а в моделях серії EBC — ще й для роботи за програмою.
Крім того, якщо у вас є кілька електронних навантажень цієї компанії, ними можна керувати одночасно з одного вікна програми. Вони доступні на додаткових вкладках у верхньому лівому куті вікна.


Ця функція потрібна не лише для контролю, а й зручна для побудови групових графіків, на які можна накласти до 9 кривих.


2. Усі навантаження також мають чотирипровідне підключення, що одразу усуває проблему точності вимірювання.


Для цього навантаження мають чотири клеми: дві для силового підключення і дві для вимірювання.


Для підключення найчастіше використовують або дроти із «крокодилами», або спеціальний тримач акумулятора.


Найпростішою є EBD-M05. Вона не має зарядного пристрою, а її потужність становить лише 35 Вт за напруги до 19,5 В і струму до 5 А, але в усьому іншому вона зберігає можливості старших моделей. Серед її особливостей — висока точність вимірювання напруги та встановлення струму, ну і, звісно, чотирипровідне підключення — усе «по-дорослому».


EBC-A05+ — функціональніший пристрій, оскільки має вбудований зарядний пристрій. Його потужність сягає 60 Вт за максимальної напруги 30 В і струму до 5 А. Крім того, він має корпус, комплектується блоком живлення та кабелем для підключення до комп’ютера. Це навантаження добре підходить для вимірювання ємності акумуляторів, розрахованих на невеликий струм, наприклад акумуляторів мобільних телефонів, планшетів, смартфонів і ноутбуків.
Є також зовні дуже схожий пристрій EBC-A01. Його потужність становить лише до 30 Вт, а струм — до 1 А, проте його ключова перевага в тому, що він може працювати з малими струмами — від 1 мА. Ця особливість важлива під час тестування акумуляторів дуже малої ємності, де звичайні тестери будуть надто «грубими» й, відповідно, матимуть велику похибку вимірювань.


Якщо потрібно тестувати акумулятори з великою струмовіддачею, краще підійде EBC-A20. Він також має вбудований зарядний пристрій, але максимальний струм становить 20 амперів. Слід враховувати, що його максимальна потужність — лише 85Вт, тож таким струмом можна навантажувати лише за напруги до 4.25 вольта.
Водночас EBC-A20 підтримує роботу і за вхідної напруги до 30 вольт із пропорційним зниженням струму.
Ця модель також добре підійде для заряджання й тестування свинцево-кислотних акумуляторів: вона дає змогу заряджати їх струмом до 5А, а розряджати — до 6А. Як і в інших навантажень, тут використовується чотирипровідне підключення, пари проводів з'єднані безпосередньо на «крокодилах». - огляд


Як універсальніше рішення, наприклад для тестування блоків живлення, вимірювання ємності акумуляторів і їх заряджання, можна розглянути модель EBC-A10H. Вона може забезпечувати струм навантаження до 10А і струм заряджання до 5А, але її максимальна потужність розсіювання вже становить 150Вт, що помітно більше, ніж у попередніх моделей. Керування здійснюється натискним енкодером, тому автономно користуватися нею трохи зручніше, ніж попередніми, хоча вона також може підключатися до комп'ютера. - огляд


Якщо вам потрібно тестувати і блоки живлення, і акумулятори, але хочеться мати струм до 20А та пристойну потужність, є модель EBD-A20. Фактично це своєрідний гібрид EBC-A20 і EBC-A10H, адже він має максимальний струм 20А, потужність 200Вт і максимальну напругу 30В. Але слід враховувати, що зарядного пристрою в ньому немає (як і в усіх моделях серії EBD), тож для тестування акумуляторів їх доведеться заряджати окремо. Крім того, робота за програмою буде недоступна, оскільки вона також зав'язана на зарядний пристрій.

Зовні дуже схожа на EBC-A10H, відмінність лише в інших клемах і боковому розташуванні вентилятора.


Для більш вузькоспеціалізованого застосування компанія випускає й інші варіанти, що відрізняються максимальним струмом, напругою та потужністю. Об'єднує їх те, що майже всі вони працюють з одним і тим самим програмним забезпеченням, а це справді зручно.


Випускаються також ще більш спеціалізовані пристрої — багатоканальні тестери серії EBC-X.
Вони призначені для тестування «старіння» акумуляторів, або, кажучи правильно, для ресурсних випробувань: після якої кількості циклів ємність акумуляторів упаде нижче певного значення.
Є три моделі, розраховані на різні струми розряджання й заряджання: 1/1А, 10/5А і 10/10А. Крім того, вони відрізняються конструктивно: одні підключаються до зовнішніх тримачів, які розміщуються у спеціальних лотках, а інші мають вбудований тримач, зручніший для тестування акумуляторів однакової довжини.


У цих тестерах використовується окреме програмне забезпечення, призначене саме для ресурсних випробувань.


Але це ще не все: існує адаптер, який дає змогу об'єднати до 8 навантажень в еквівалент EBC-X. Щоправда, він працює лише з двома навантаженнями: EBC-A40L (низьковольтне, 40А) і EBC-B20H (високовольтне, 20А). У програмному забезпеченні EBC-X вони відображатимуться як один багатоканальний тестер. - огляд


Тим, хто планує використовувати навантаження насамперед для тестування імпульсних блоків живлення, а робота з акумуляторами буде радше додатковою функцією, варто звернути увагу на наступну пару пристроїв.

Ці дві моделі мають багато спільного: потужність до 400Вт, напругу до 150В і максимальний струм навантаження до 40А, роботу в режимах CC, CV, CP, CR і навіть приблизно однакову ціну. Але водночас вони відрізняються додатковими функціями.

Наприклад, KUNKIN KP184 має простий індикатор, можливість підключення до комп'ютера, чотирипровідне підключення, функцію динамічного тестування блоків живлення (частота 10кГц), вимірювання ємності акумулятора та його внутрішнього опору. Тому ця модель більше підійде тим, хто хоче тестувати не лише блоки живлення, а й акумуляторні батареї з напругою до 150В.


Водночас East Tester ET5410 має інформативніший дисплей і помітно більше функцій: динамічне тестування не на одній частоті, а з гнучким вибором параметрів, комплексне навантаження CC + CV і CR + CV, режим вимірювання опору, напруги та струму, а також можливість підключення клавіатури для зручнішого керування. Її можна використовувати для тестування акумуляторів, але вона має двопровідне підключення, а можливість зв’язку з комп’ютером відсутня.


Вище йшлося про функцію динамічного тестування. Цей режим може бути важливим під час перевірки блоків живлення на імпульсні навантаження та перепади струму: іноді блок живлення, який нормально працює за стабільного струму навантаження, починає «божеволіти» після підключення навантажень з імпульсним характером споживання. Для таких тестів і передбачено режим динамічного навантаження: у ньому струм споживання змінюється із заданою частотою та шпаруватістю.


Якщо ж потрібні точність і функціональність, близькі до максимальних, то краще звернути увагу на пристрої відоміших виробників. Але слід врахувати, що вони часто розраховані на меншу потужність, ніж наведені вище, або ж їхня ціна почне суттєво зростати.

Як приклад — програмоване навантаження ITECH IT8511A+, 150 В, 150 Вт, 30 А. Звісно, є режими CC, CV, CP і CR, динамічне навантаження, повний набір необхідних захистів, функція роботи за списком (програмований аналог динамічного режиму), перевірка джерела на коротке замикання, пряме задання параметрів, підключення до комп’ютера та «теплий ламповий» VFD-дисплей.


Наступним кроком може бути RIGOL DL3021: потужність уже 200 Вт, струм до 40 А, напруга та сама — 150 В. Є все перелічене вище, а також великий екран, цифрові входи/виходи, підключення до комп’ютера не лише через USB, а й через локальну мережу, робота за заданою програмою.


Розповідаючи про навантаження — від недорогих наборів до професійних рішень, — не можна не згадати про пристрої лабораторного класу, наприклад ITECH IT8615.
Тут потужність уже 1800 Вт, напруга 420 В, струм до 20 А. Але головне не це, а те, що це навантаження розраховане на роботу не лише з постійним, а й зі змінним струмом. Крім звичайного набору режимів роботи, воно має налаштовувані пік-фактор і коефіцієнт потужності.
Але якщо поглянути на нього ззаду, то видно, що «в душі» це все той самий прилад для перетворення електричної енергії на тепло, хоч і дуже розумний.


Виробники оснастили своє дітище не лише великим екраном, а й вбудованим осцилографом, щоб можна було спостерігати за процесом тестування в динаміці та бачити, як на нього реагує пристрій, що тестується. Крім того, навантаження дає змогу вимірювати гармонічні спотворення до п’ятдесятої гармоніки.


Ну а якщо комусь буде замало її 1800 Вт, то передбачено функцію паралельної роботи та роботи в трифазному режимі — як за схемою з’єднання «трикутник», так і «зірка». Відповідно, сумарна потужність зростатиме пропорційно до кількості підключених пристроїв.


Щоб спростити вибір, можна сказати так:
1. Радіоаматору-початківцю, який не планує багато витрачати, можна розглянути варіанти для «домашньої творчості», наприклад набір на базі LM324. Так можна і заощадити, і отримати потужне навантаження, хоч і дуже просте.
2. Якщо ви вже «знайшли себе» і плануєте ремонтувати блоки живлення, а також можете виділити трохи більше коштів, то можна розглянути готові модулі Sousim або TGEC40k, а також молодші моделі фабричного виробництва, наприклад East Tester ET5410. У першому випадку буде дешевше, у другому — помітно функціональніше.
3. Окремо стоять електронні навантаження, що поєднують у собі тестери акумуляторних батарей, — у них своя ніша. Загалом акумулятори може тестувати більшість електронних навантажень, але пристрої серії EBC виробництва ZKEtech здатні не лише робити це в автоматичному режимі, чергуючи цикли заряджання/розряджання та паралельно будуючи графік заряджання/розряджання, а й проводити ресурсні випробування акумуляторів.
4. Фахівців, найімовірніше, зацікавлять фірмові навантаження, які, крім широкого функціоналу та високої точності, підтримують режими, відсутні в простіших варіантах. Щоправда, варто зазначити: якщо знадобиться ще й велика потужність, ціна також може бути суттєвою. Втім, хороші речі рідко коштують дешево.
5. Тим, хто користується пристроями лабораторного класу, складно щось рекомендувати, адже зазвичай це люди, які знають, що їм потрібно від пристрою, і підбирають інструмент під конкретні завдання.