Управляемый напряжением точный генератор втекающего тока для проверки источников питания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2015

Luca Bruno

EDN

Поиск причин возникновения потенциальных проблем источников питания производится с помощью динамических и статических тестов. Предлагаемый простой генератор втекающего тока предназначен для тестирования источников питания малой и средней мощности и источников напряжения. В таких приложениях генератор может отдавать ток от 0 до 1.5 А в диапазоне входных напряжений от 0 до 5 В при напряжении питания до 20 В. Основным элементом схемы является прецизионный операционный усилитель OPA277 (IC₁) компании Texas Instruments [1], имеющий максимальное напряжение смещения всего 100 мкВ, входной ток 4 мкА и малый дрейф в диапазоне температур от –40 до +85 °C (Рисунок 1). Операционный усилитель IC₁ сравнивает напряжение на своем неинвертирующем входе с падением напряжения на токоизмерительном резисторе R_SENSE.

 

Рисунок 1.	Этот простой генератор втекающего тока позволит вам проверять характеристики источников питания, как в статическом, так и в динамическом режиме.

Выход микросхемы IC₁ управляет мощным N-канальным MOSFET Q₁ [2] таким образом, чтобы поддерживать падение напряжения на токоизмерительном резисторе равным напряжению на неинвертирующем входе. Напряжение на R_SENSE пропорционально току нагрузки, текущему из исследуемого источника питания, и не зависит от его напряжения.

Транзистор Q₁ имеет следующие основные предельные характеристики:

• максимальный ток стока: 14 А при температуре корпуса 25 °C;
• максимальное напряжение сток-исток: 100 В;
• максимальное сопротивление открытого канала: 0.16 В при напряжении затвор-исток 10 В и токе стока 7 А;

MOSFET может рассеивать конечное количество тепла – до 30 Вт при использовании радиатора с тепловым сопротивлением 1 °C/Вт или менее при неподвижном воздухе и температуре окружающей среды не более 40 °C. Поскольку максимальная мощность зависит от теплового сопротивления радиатора и температуры воздуха, при увеличении напряжения питания следует соответственно уменьшать ток нагрузки. При импульсном характере входного напряжения напряжение питания можно повысить в десятки раз, поскольку средняя мощность рассеивания намного меньше и зависит от средней нагрузки.

Точный резистивный делитель R₁, R₂ позволяет вам привести диапазон напряжений 0 … 5 В на входе схемы к диапазону 0 … 0.495 В на неинвертирующем входе IC₁, которому будет соответствовать диапазон выходных токов 0 … 1.5 А. При указанных на схеме сопротивлениях резисторов R₁ и R₂ входное сопротивление устройства равно 100 кОм. Этого вполне достаточно для использования большинства функциональных генераторов, имеющих выходной импеданс 50 или 75 Ом, и позволяет подключать генератор напрямую, без использования буферного операционного усилителя.

Из анализа схемы вытекает следующее соотношение:

I_LOAD = GV_IN,

в котором

где

G – проводимость,
α – коэффициент ослабления:

Коэффициент ослабления входного делителя напряжения можно изменить, чтобы, подняв верхнюю границу выходного тока до нескольких ампер, получить возможность тестирования низковольтных источников питания с большими выходными токами.

Конденсаторы C₃, C₄ и резисторы R₃, R₄ обеспечивают устойчивость петли обратной связи, устанавливая время нарастания равным 1.4 мкс при скачке входного напряжения от 0 до 5 В. Таким образом, вы можете проверять источники питания либо в статических условиях, подавая на вход постоянное напряжение, либо в динамике, подключив к входу, например, источник импульсов для имитации быстрых изменений нагрузки. Низкие сопротивления открытого канала транзистора Q₁ и токоизмерительного резистора R_SENSE позволяют вам испытывать источники питания или источники напряжения с минимальным выходным напряжением вплоть до 1 В. Нижний предел выходного напряжения тестируемого источника равен

(1.5 А) × (R_SENSE + R_DS(ON)) = 735 мВ,

где R_DS(ON) – сопротивление открытого канала Q₁.

Вы может тестировать также и многоканальные источники питания, имеющие, например, выходы напряжения –5 или –12 В. В этом случае необходимо соединить «землю» источника питания с выходом генератора тока, то есть, с выводом стока, а отрицательный вывод генератора подключить к «земле» схемы. Для повышения точности результатов динамических тестов, таких как проверка нестабильности выходного напряжения по нагрузке, времени восстановления или переходных характеристик, подключать тестируемый источник к схеме надо очень внимательно, следя за тем, чтобы площадь петли тока, образуемой соединительными проводами, была минимальной. Импульсный ток нагрузки является источником электромагнитных излучений, интенсивность которых пропорциональна этой площади, величине тока и квадрату частоты тока. Эти излучения могут нарушать работу, как самой схемы, так и измерительного оборудования.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments OPA277.
2. Datasheet International Rectifier IRF530.