Не выдержать напряжения. Почему нельзя подключать электронные нагрузки последовательно?

Алексей Телегин

Мы продолжаем знакомить читателей с материалами, посвященными базовым понятиям и подходам в использовании источников питания (ИП), современным решениям в данной области и уникальным функциям, помогающим решить самые сложные задачи, возникающие при тестировании. В этом номере инженер по системам электропитания и ведущий раздела по системам электропитания объединенного блога Keysight Technologies в России Алексей Телегин обсуждает особенности подключения электронных нагрузок.

Краткий ответ на вопрос подзаголовка этой статьи звучит следующим образом: потому что превышение допустимого напряжения, скорее всего, приведет к повреждению как минимум одной из таких нагрузок. Но данная тема требует развернутого объяснения.

Начнем с краткого пояснения того, что представляет собой электронная нагрузка и для чего она используется. Сразу оговорюсь: речь пойдет об электронных нагрузках постоянного тока. Электронная нагрузка постоянного тока — это электрический прибор с двумя клеммами для подключения, который потребляет мощность от источника постоянного тока. Нагрузки используются для тестирования источников постоянного тока. Любое устройство с источником выходной мощности постоянного тока (DC) — например, источник питания постоянного тока, преобразователь DC/DC, аккумулятор, топливный элемент или солнечная батарея — может быть нагружено посредством электронной нагрузки.

Рис. 1. Электронная нагрузка Keysight Technologies

Так, для тестирования источника питания постоянного тока с фиксированным выходным напряжением с номиналами 20 В, 5 A, 100 Вт нужно соединить выход источника питания с электронной нагрузкой с номинальными характеристиками (равными или превышающими номиналы источника питания), которая может потреблять постоянный ток от этого источника питания. Поскольку источник питания регулирует напряжение (20 В), нагрузка должна регулировать ток, потребляемый ею от этого источника (до 5 А). Если источник питания является источником постоянного тока, нагрузка должна быть способна потреблять питание с одновременным регулированием напряжения. Большинство электронных нагрузок можно настроить на потребление питания путем регулирования постоянного напряжения (CV) или постоянного тока (CC). Многие электронные нагрузки также можно настроить на регулирование постоянного сопротивления (CR) на входных клеммах, а некоторые блоки нагрузки способны регулировать постоянную мощность (CP).

Если тестируемый источник питания имеет выходное напряжение, превышающее величину, которую принимает одна электронная нагрузка, то возникает возникнуть мысль: а не подключить ли несколько входов нагрузок последовательно для решения проблемы повышенного напряжения? В конце концов, ведь можно же последовательно соединять выходы источника питания для увеличения напряжения, так почему бы не проделать то же самое с нагрузками?

Последовательное соединение электронных нагрузок может привести к тому, что на входы одной из нагрузок будет подано напряжение, превышающее ее возможности, а это может стать причиной повреждения нагрузки. Итак, есть намерение подключить нагрузки последовательно, потому что одной нагрузке не хватает номинального напряжения, чтобы справиться с напряжением источника постоянного тока. Но, поскольку сопротивление на входах одной из последовательно подключенных нагрузок во время тестирования снижается до минимального (практически до состояния короткого замыкания), напряжение от источника постоянного тока может появиться на входах других последовательно соединенных нагрузок цепи. Далее возможно несколько сценариев развития событий, способных привести к разрушительным последствиям. Чтобы разобраться в этих сценариях, сначала нужно понять, как действует электронная нагрузка.

Нагрузки работают по принципу регулирования проводимости полевых транзисторов на входных клеммах. Данный процесс осуществляется с помощью контура обратной связи для корректировки измеряемого уровня (например, входного тока) таким образом, чтобы он был равен контрольному уровню — в нашем случае заданной силе тока.

Одна из проблем, связанных с последовательным соединением нескольких электронных нагрузок для соответствия более высоким напряжениям, возникает, если обе нагрузки настроены на работу в режиме СС. В этом случае задается одна и та же сила тока на обеих нагрузках. Через обе нагрузки проходит один и тот же ток (рис. 2.1, 2.2), однако из-за небольших погрешностей в настройках реально установленные значения никогда не будут полностью идентичными друг другу. Следовательно, одна из нагрузок будет пытаться потребить больший ток (нагрузка на рис. 2.1 и 2.2), чем другая (нагрузка 1 на рис. 2.1 и 2.2). Поскольку нагрузка 1 будет удерживать силу тока на более низком уровне (в данном примере 9,99 A), нагрузка 2 никогда не сможет достигнуть своего реально установленного значения (в данном примере 10,01 A). В результате внутренний контур обратной связи продолжает отдавать команды полевым транзисторам проводить все больше и больше тока — до тех пор пока они не станут работать на пределе своих возможностей, на грани короткого замыкания. Это приводит к тому, что почти все напряжение источника питания оказывается на входе нагрузки 1, что может вызвать повреждение схемы.

Рис. 2.1. Две включенные последовательно 60-В электронные нагрузки, работающие в режиме постоянного тока

Последовательное подключение нагрузок, настроенных на работу в режиме постоянного тока (CC), приводит к превышению допустимого напряжения на одной из них (в данном случае на нагрузке 1). Высокое установленное значение выходного напряжения переводит полевые транзисторы в «жесткий» режим работы.

Рис. 2.2. Две включенные последовательно электронные нагрузки (нагрузка 1 в режиме постоянного тока поддерживает ток на уровне 10 А; нагрузка 2 установлена в режим постоянного напряжения)

На первый взгляд может показаться, что если установить одну нагрузку в режим CC, а другую — в режим CV, будет получен вполне стабильный рабочий режим. Однако при этом придется как следует подумать о том, что потребуется для обеспечения такой стабильности. Если установить режимы нагрузок до подачи напряжения, нагрузка CC не будет обеспечена (отсутствует ток), поэтому она перейдет в состояние короткого замыкания; условия нагрузки CV также не будут удовлетворены (отсутствует напряжение), соответственно, она перейдет в режим обрыва цепи. При подаче испытательного напряжения все напряжение сначала появится на разомкнутой нагрузке CV, что может вызвать ее повреждение. Существуют и другие процедуры, выполнение которых может на какое-то время обеспечить стабильный рабочий режим (например, постепенное повышение испытательного напряжения, если прибор обладает такой функцией). Но любая неисправность в одной из нагрузок приведет к активации механизмов защиты, что повлечет за собой перевод полевых транзисторов в «жесткий» режим (короткое замыкание) либо размыкание полевых транзисторов. В любом их этих случаев на одной из нагрузок в последовательном соединении появится высокое напряжение, способное привести к повреждению цепи.

Итак, теперь ясно, почему последовательное соединение нагрузок может моментально вызвать повреждение входных цепей как минимум одной из подключаемых нагрузок. Настоятельно рекомендую никогда этого не делать!

Ссылка на блог Keysight Technologies в России 

Материал предоставлен Группой компаний "Диполь". 

Официальный сайт Группы компаний "Диполь": www.dipaul.ru

Понравилась статья? Поставьте лайк 16

Электроника Контроль, испытания, исследования Электрический контроль Измерительное оборудование Измерительное оборудование Keysight Technologies Keysight Technologies