ИМПУЛЬСНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ НАГРУЗКА СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ТОКА

Полезная модель относится к конструкциям, используемым в области электроэнергетики и связи, в частности при тестировании аккумуляторных батарей и блоков питания оборудования.
Задачей полезной модели является определение качества аккумуляторных батарей и повышение эффективности проведения ремонта и контроля параметров источников питания оборудования.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается путем совмещения в одном устройстве импульсной нагрузки со стабилизацией тока и измерительного микроконтроллерного блока управления.
При разряде батареи на активное сопротивление, напряжение на ней падает и, соответственно, будет падать разрядный ток. В этом случае, сложно точно измерить емкость батареи и определить ее годность. Если разряжать аккумуляторную батарею стабильным током, можно точно определить емкость батареи в ампер-часах. В связи с тем, что в данной схеме применяется стабилизация тока, этот ток не будет меняться с уменьшением напряжения, как это происходит с обычной нагрузкой с активным сопротивлением.
При разряде до определенного уровня напряжения, который выставляется в блоке управления, устройство отключиться. Блок управления зафиксирует время разряда, измерит емкость батареи в ампер-часах, ватт-часах и отобразит на графическом дисплее. Каждый час происходит фиксация тока и напряжения и записывается в энергонезависимую память микроконтроллера. В последующем, эту информацию можно передать в компьютер и отобразить полученную характеристику разряда-заряда виде графика или таблицы.
После ремонтно-восстановительных работ, проводимых с блоками питания, а также, при выяснении причины сбоя работы оборудования, необходимо проверить стабильность работы и измерить параметры блоков питания, например, снять нагрузочную характеристику.
При использовании предлагаемого устройства, можно подключить практически к любому источнику до 100 В и нагрузить его любым током до 50 А. Ток нагрузки плавно регулируется и не зависит от напряжения испытуемого источника. Таким образом, можно измерить параметры источника напряжения.
Известен прибор, описанный в [1], передает полученную электроэнергию в энергосеть общего пользования для питания других потребителей и решает вопрос утилизации электроэнергии, получаемой от испытываемого источника тока. Однако, имеет очень сложную конструкцию и систему управления, соответственно, имеет высокую стоимость. Это не оправдано при малых и средних мощностях (1-5000 Вт.). Это устройство возможно эксплуатировать только стационарно, нет возможности оперативного использования.
Устройство [2] работает в линейном режиме, поэтому, вся мощность испытываемого источника тока выделяется на регулирующих полупроводниковых элементах. Это пагубно сказывается на стабильности работы и надежности всего устройства. Необходимо применять сложную и громоздкую систему охлаждения регулирующих элементов, содержащую радиатор с ребрами, систему для нагнетания и удаления хладагента.
У рассматриваемой полезной модели регуляторы тока работают в импульсном режиме. Мощность, рассеиваемая на них равна:
max
max
DS
2
2
P=I*R=200*0,002=80 (Вт), где:
DS
R - общее внутреннее сопротивление регулирующих элементов. То есть, сопротивление сток-исток транзисторов в открытом состоянии, соединенных параллельно, Ом;
max
I - максимальный ток через транзисторы в импульсе, А;
Мощность, рассеиваемая транзисторами не более 80 Вт.
Мощность, рассеиваемая устройством, не менее: 50А*100В=5000 Вт.
Практически, вся мощность, отдаваемая источником тока, выделяется на внешнем резисторе. Организовать охлаждение резистора проще, чем активные полупроводниковые элементы. В данном случае, охлаждение регулирующих элементов не требует больших затрат. При большой мощности нагрузки, регулирующие элементы не испытывают критических температур и нагрузок, то есть они работают в ключевом режиме: полностью открыты или полностью закрыты. Это выгодно отличает от устройства, описанного в [2].
Электрическая блок-схема прибора представлена на фиг. 1. Электронная нагрузка состоит из электронного блока (1), измерительного микроконтроллерного блока управления (2), блока питания (3) и внешнего резистора (4).
Принципиальная электрическая схема электронного блока представлена на фиг. 2. Работа блока основана на интегральном контроллере TL494 (8) широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и подробно описана в [3]. Ток нагрузки зависит от ширины импульса, чем шире импульс, тем больше ток. Переменным резистором (5) устанавливается ток нагрузки. Резисторами (6) и (7) устанавливается максимальный ток и частота сигнала ШИМ, соответственно. Разъем (9) подключается к блоку управления и служит для запуска и останова генератора сигнала ШИМ. На транзисторах (10), (11) и (12) реализован драйвер управления транзисторами (15), (16), (17), (18). Эти транзисторы соединены параллельно для уменьшения сопротивления импульсного ключа и увеличения тока нагрузки. Драйвер необходим для ускоренного заряда и разряда емкости затворов этих транзисторов, то есть, для уменьшения времени переднего и заднего фронтов импульсов. Конденсатор (20) и резистор (21) - это демпфирующая цепь, уменьшающая паразитные выбросы напряжения на транзисторах (15), (16), (17), (18). Конденсаторы (22), (23), (24), (25), (26), (27) образуют импульсный интегрирующий конденсатор, описанный выше. (13) - микросхема L7812 - стабилизатор напряжения для работы генератора ШИМ и драйвера. (19) - стабилизатор напряжения питания L7805 датчика тока (28) серии ACS758 работающий на основе эффекта Холла. В отличии от измерительного шунта, он имеет практически нулевое сопротивление, менее 100 мкОм. Посредством этого датчика тока осуществляется обратная связь для микросхемы ШИМ TL494 (8), которая изменяет параметры импульсов ШИМ, таким образом, осуществляется стабилизация тока нагрузки. К разъему ХТ3 (14) подключатся питание электронного блока. Внешний резистор подключен к контактам (30) и (31). Испытуемый источник напряжения подключается к точкам (29) и (32).
Блок питания (3) обеспечивает напряжение 15 В и ток 1 А.
Микропроцессорный блок управления, фиг. 3, измеряет напряжение и ток испытуемого источника напряжения, обеспечивает защиту всей схемы от повышенного тока и напряжения, так же, управляет электронным блоком. Блок управления имеет в своем составе цветной графический дисплей (36), клавиатуру (35) и основную плату (33), где установлен микроконтроллер, модуль Wi-Fi (34) и измерительный блок (37) с измеряющим шунтом (38). Для организации функций управления, контроля, ввода и вывода параметров реализовано программное обеспечение для микроконтроллера.
Измерительный блок измеряет входное напряжение и, с помощью измеряющего шунта, контролирует ток нагрузки. Модуль Wi-Fi необходим для передачи данных в компьютер для дальнейшей обработки информации.
С помощью клавиатуры (35) и программного обеспечения можно установить отключение по максимальному и минимальному току и напряжению, задать время работы нагрузки, включать и выключать нагрузку в ручном режиме. При работе с аккумуляторами выставляется номинальная емкость батареи для того, чтобы отображалась информация в процентах от емкости аккумулятора. Микроконтроллер этого блока отслеживает время работы, вычисляет ампер-часы и ватт-часы и выводит значения на дисплей. Таким образом, можно точно измерить емкость аккумулятора в А/Час и в Вт/Час. Можно задать отключение нагрузки при достижении минимального напряжения. А также, выставить защиту всего устройства и исследуемого источника тока, то есть, выставить отключение при достижении максимального ток и напряжения.
На графическом дисплее (36) отображается следующая информация:
- включен или отключен прибор;
- ток и напряжение нагрузки;
- отданная емкость аккумулятора в ампер-часах, ватт-часах и процентах;
- время разряда (от 1 сек. до 10 суток).
Моделирование работы устройства и трассировка печатных плат проводились в интегрированной среде разработки «Proteus 8.6» [4,5].
Источники информации:
1. Патент №2394247 «Устройство управления первой ступенью электронной нерассеивающей нагрузки».
2. Патент RU 92286 U1 «Узел электронной нагрузки».
3. Браун М.; Попов С.Л. (перевод) Источники питания. Расчет и конструирование / Браун М. - М.: МК Пресс, 2007. - 288 с.
4. Краткий учебный курс PROTEUS [Электронный ресурс]. URL: http://oproteus.narod.ru (дата обращения 09.11.2019).
5. Журнал «Радиоежегодник 2013. Выпуск 24. Proteus по-русски». [Электронный ресурс]. URL: www.rlocman.ru/radioyearbook (дата обращения 09.11.2019).