Elektrooniline koormusseade

Elektrooniline koormusseade (ka koormuspank) on seade, mida kasutatakse elektrilise koormuse tekitamiseks ja sellest tuleneva energia muundamiseks või hajutamiseks. Elektroonilist koormusseadet kasutatakse põhiliselt elektroonikaskeemides tarvitite simuleerimiseks ja toiteallikate omaduste testimiseks. Erinevalt praktilistest toiteallikate rakendusest, kus tarbimismahtu on tihti raske täpselt prognoosida, pakub koormuspank lihtsalt kontrollitavat ja mõõdetavat elektrilise koormuse simuleerimist. Koormuspankadel on tihti mitu reguleeritavat töörežiimi, näiteks konstantne võimsus, konstantne takistus, konstantne voolutugevus ja konstantne pinge. Lihtsamad elektroonilised koormusseadmed võivad olla ka vaid ühe reguleeritava töörežiimiga. Sageli on koormuspankadesse integreeritud ka voltmeetrid ja ampermeetrid, et mõõta testitava toiteallika pinget ja koormust läbivat voolu. Elektroonilised koormusseadmed erinevad nii tööpõhimõtte kui ka võimsuse poolest. Lihtsaid mõnesajavatise võimsusega seadmeid kasutatakse elektroonikalaborites v'ikese võimsusega toiteallikate testimiseks. Nende hulka kuuluvad akud, toiteadapterid ja laboritoiteplokid. Võimsamaid koormuspanku saab kasutada elektrijaamade generaatorite ja muude suure võimsusega seadmete testimiseks. Kõige levinumad koormusseadmed on aktiivtakistuslikud. Aktiivtakistuslikud koormuspangad eemaldavad toitesüsteemist kogu tarbitava energia. See muundatakse soojusenergiaks, mille hajutamiseks koormusseadmelt kasutatakse õhku või jahutusvedelikke, mis võivad soojust hajutada nii konvektsiooni kui ka sunniviisilise liigutamise kaasabil. Sellised koormusseadmed sobivad nii alalis- kui ka vahelduvtoiteallikate koormamiseks, kuigi tüüpiliselt kasutatakse nende jaoks eraldi seadmeid. Lihtsa aktiivtakistusliku elektroonilise koormusseadme põhiliseks tarbijaks on transistor. See transistor peab taluma suhteliselt suuri võimsusi, seega kasutatakse koormusseadmetes tüüpiliselt kas jõu-bipolaartransistore (BJT), jõu-väljatransistore (tavaliselt jõu-MOSFET) või isoleeritud paisuga bipolaartransistore (IGBT). Osa energiast eraldub ka transistori järele ühendatud takistil. Olenevalt valitud takistist võib sellel eralduva energia osakaal kogu tarbitavast energiast kõikuda. Transistori avatuse reguleerimiseks kasutatakse operatsioonivõimendit, mille positiivsesse sisendisse suunatakse tugipinge, mis võib pärineda näiteks potentsiomeetrilt või analoog-digitaalmuundurilt. Operatsioonivõimendi negatiivsesse sisendisse ühendatakse tagasisideahel. Operatsioonivõimendipoolse kahe sisendi diferentseerimise mõjul läbib transistori konstantne vool kuni võimendi positiivsesse sisendisse suunatud tugipinge ei muutu. Seda tüüpi koormusahelad ei suuda väga palju energiat tarbida, kuna kogu energia peab neelduma ühel transistoril ja ühel takistil. Üks viis ahela tarbitavat maksimaalset võimsust suurendada on panna mitu samatüübilist ahelat rööbiti. Seda tüüpi ahelad on äärmiselt väikse efektiivsusega, mistõttu vajavad need neelduva energia hajutamiseks jahutusmehhanisme. Efektiivsuse suurendamiseks saab kasutada kõrgtehnoloogilisi muundavaid koormusseadmeid. Need rakendavad keerulisemaid elektroonikaskeeme, et koormusseadme poolt neelatav energia muundada õige sageduse, pinge ja faaside arvuga vahelduvvooluks. Seejärel suunatakse see vool tagasi üldisse vooluvõrku. Sellised seadmed suudavad üldiselt üle 80% elektrienergiast taaskasutada ja need ei vaja väga palju jahutust. Reaktiivtakistuslikud koormusseadmed sisaldavad komponente, mis põhjustavad reaktiivtakistust. Selleks kasutatakse induktiivseid ja mahtuvuslikke komponente. Tüüpiliselt sisaldavad induktiivsed koormuspangad ferromagnetiliste südamikega induktiivseid elemente, näiteks poole. Kui kasutada induktiivelemente koos aktiivtakistusega, saab vahelduvtoiteallikaid testides põhjustada võimsusteguri mahajäämist. Induktiivsed elektroonilised koormusseadmed on kasulikud, sest paljud sellised laialt levinud elektriseadmed nagu elektromagnetid, elektrimootorid ja elektriküttekehad sisaldavad ka induktiivsust tekitavaid komponente. Kuna elektriseadmete induktiivpoolidel on tavaliselt lisaks induktiivsusele ka aktiivtakistus, on induktiivsetel koormuspankadel enamasti võimalik ka aktiivtakistust seadistada. Seetõttu ei erine tüüpiline induktiivne koormusseade kuigi palju aktiivtakistuslikust koormusseadmest. Mahtuvuslikud elektroonilised koormusseadmed sisaldavad kondensaatoreid. Nende tööpõhimõte sarnaneb induktiivsete komponentide omaga, ainuke vahe on selles, et need põhjustavad võimsusteguri ettenihkumist. Mahtuvuslikud koormuspangad leiavad rakendust telekommunikatsioonis ja arvutitööstuses. Toiteplokk "Load Bank Fundamentals"; http://simplexdirect.com/loadbanksEducation.aspx; Vaadatud 6.10.2014 "Types of Load Banks"; http://www.steadypower.com/pages.php?pageid=63; Vaadatud 6.10.2014 L. Rosén, S. Samimi; "Small Electronic Load"; 2012; http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/169764/169764.pdf; Vaadatud 6.10.2014 L. Haiying, W. Jing, H. Songling, Z. Wei; "Design of the feedback type DC electronic load hardware circuit using IPM"; 2011; http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6030429; Vaadatud: 6.10.2014 M. B. Borage, S. R. Tiwari, S. Kotaiah; "Inductive electronic load for testing of magnet power supplies in particle accelerators"; 2003; http://scitation.aip.org/content/aip/journal/rsi/74/12/10.1063/1.1622971; Vaadatud: 25.10.2014