В настоящее время большое внимание уделяется вопросам технической аттестации обширного парка самых разнообразных источников питания, как уже включённых в Госреестр средств измерений, так и вновь разрабатываемых моделей. В геометрической прогрессии увеличивается предложение по номенклатуре изделий на рынке полупроводниковых компонентов, в том числе для целей светодиодной индикации и освещения, что требует верификации их технических параметров и выходного контроля готовой продукции. Именно для этих задач предназначены электронные нагрузки. В статье рассмотрена новая серия модульных электронных нагрузок АКИП-1334, АКИП-1335, АКИП-1336 (АКИП™), их особенности, функции и специализированные режимы, а также возможности применения для тестирования LED драйверов, источников тока и напряжения.
За последние несколько лет светотехническая арматура на базе светодиодов стала самым популярным способом решения вопроса энергосбережения при организации локального освещения. Помимо этого светодиоды широко применяются в аудио и видеоаппаратуре, в промышленности и электронном дизайне, в автомобилестроении, в бытовой технике и медицине.
Светодиоды обладают целым рядом конкурентных преимуществ: малое энергопотребление, большой срок службы, прочность, широкая цветовая палитра для различных приложений освещения, безопасность, быстродействие и миниатюрные габариты. Но в отличии от обычных ламп накаливания, которые постепенно выводятся из производства, для корректной работы светодиода нужно выполнить определенные условия.
По своей сути, светодиодный элемент — это полупроводниковый компонент с двумя выводами: анодом и катодом, а также однонаправленным протеканием тока (от анода к катоду). Для того, что бы включить светодиод к нему нужно приложить напряжение правильной полярности и тем самым обеспечить протекание электрического тока в требуемом направлении. На рисунке 1 приведена схема замещения светодиода и его экспоненциальная вольтамперная характеристика (ВАХ). Исходя из зависимости V-I видно, что каждому значению напряжения будет соответствовать определенная величина тока, которая протекает через светодиод. От этого зависит яркость свечения светодиода, так как чем выше будет напряжение, тем выше будет значение тока.
Прямое подключение светодиода к источнику питания недопустимо, так как это может привести к его сгоранию. У каждого типа светодиодов нормируется такой параметр, как номинальный ток (Iо). При «прямом» подключении к источнику питания, через светодиод может протекать ток в несколько раз выше номинального. Для того что бы избежать сгорания светодиода и обеспечить длительный срок эксплуатации, необходимо использовать стабилизированные по току источники питания, называемые LED драйверами.
Неотъемлемой частью сертифицированного производства любого современного электронного устройства или их элементов является его обязательное тестирование и обеспечение полного выходного контроля готовых изделий. Тестирование LED драйвера является длительной и дорогостоящей процедурой, так для полноценного тестирования необходимо множество светодиодов с различными характеристиками в одиночном исполнении или соединенных последовательно или параллельно. Именно такие сочетания и конфигурации в дальнейшем могут быть использованы при монтаже устройств светотехники или во время эксплуатации готовых систем освещения. Все эти тесты может обеспечить один из модулей специализированной электронной нагрузкиАКИП-1334, АКИП-1335, АКИП-1336, имеющий т.н. режим LED.
Электронные нагрузки — это особый тип оборудования, предназначенный для имитации нагрузки как первичных, так и вторичных источников электропитания. Электронная нагрузка способна не только выступать в роли нагрузочного элемента, как эту роль ранее выполняли и до сих пор выполняют реостаты, но и в роли средства измерения, способного обеспечить измерения основных параметров источников питания. Электронные нагрузки могут эмулировать режимы постоянного тока (Constant Current/CC), постоянного сопротивления (Constant Resistance/CR), постоянного напряжения (Constant Voltage/CV), динамической нагрузки и короткого замыкания.
«Классические» режимы работы электронной нагрузки
Режим постоянного тока — через электронную нагрузку будет протекать ток в соответствии с заданным значением тока на электронной нагрузке, и это значение тока будет поддерживаться постоянным при изменении значения входного напряжения ИП.
Режим постоянного тока CC может быть использован для тестирования источников напряжения и определения их основных параметров – погрешности установки выходного напряжения и нестабильности выходного напряжения.
Режим постоянного напряжения — через электронную нагрузку будет протекать ток в соответствии с заданным значением тока на источнике питания, который находится в режиме стабилизации тока, и это значение напряжения будет поддерживаться постоянным при изменении значения входного тока источника питания.
Режим CV используется для тестирования источников тока. Он часто используется при определении характеристик ограничения по току источников питания, так же его можно применять для тестирования зарядных устройств, где режим CV эмулирует наилучше для зарядки выходное напряжение.
Режим постоянного сопротивления — на электронной нагрузке устанавливается значение сопротивления, это означает, что через нагрузку будет протекать ток, линейно пропорциональный входному напряжению в соответствии с заданным сопротивлением.
Режим CR может использоваться для тестирования источников напряжения (тока) при определении предельно возможных (минимальных и максимальных) значений выдаваемого тока.
Режим постоянной мощности — на электронной нагрузке устанавливается значение потребляемой мощности — это означает, что на электронной нагрузке будет рассеиваться заданное значение мощности (P=I*U=const). При этом изменение напряжения (тока) на выходе источника приведет к изменению силы тока (напряжения), протекающего через нагрузку, таким образом, что мощность, рассеиваемая на нагрузке остается постоянной.
Динамическая нагрузка. В последнее время широкое применение получили электронные нагрузки, у которых сброс и наброс нагрузки происходит практически мгновенно от холостого хода до максимального значения. Например, компьютерный жёсткий диск, при работе которого через него протекает различный ток. При этом частота изменения нагрузки находится в пределах от единиц герц до единиц килогерц. Такой режим работы ИП называется динамическим. Динамический режим применяется для тестирования переходных процессов в источниках питания.
Режимом LED, наряду со стандартным набором режимов, обладают три новые модели электронных нагрузокАКИП-1334, АКИП-1335, АКИП-1336. Основные отличия моделей представлены в таблице:
| Параметры> | АКИП-1334h | АКИП-1335 | АКИП-1336 |
|---|---|---|---|
| Напряжение на нагрузке | 0…300 В | 0…100 В | 0…500 В |
| Ток в нагрузке | 0…0,6 А 0…2 А | 0…6 А 0…20 А | 0…0,6 А 0…2 А |
| Потребляемая мощность | 150 Вт | 300 Вт | 300 Вт |
| Мин. Uвх | 6 В (при 2 А) | 0,7 В (при 20 А) | 6 В (при 2 А) |
Рассмотрим подробнее параметры и технические возможности электронной нагрузки. При тестировании LED драйвера электронная нагрузка имитирует светодиод с определенными параметрами. В число задаваемых параметров входят: No – количество светодиодов, Vd – пороговое напряжение; Vo — напряжение источника питания; Io — номинальный рабочий ток светодиода; Rd – рабочее сопротивление, Rr — сопротивление токограничевающего резистора. Электронная нагрузка имитирует работу светодиода по принципу экспоненциальной зависимости тока от напряжения (рисунок). Из зависимости видно, что в режиме LED только при достижении значения больше заданного параметра Vd, через нагрузку будет протекать ток.
Рис. 2. Кривая зависимости V-I
Если точно известны спецификации имитируемого светодиода, то необходимо использовать их для настройки параметров режима LED. Значение порогового напряжения (Vd) различно для разных моделей светодиодов и зависит от материала, из которого он изготовлен, например: GaAs (Арсенид галлия) – 1 В; красный GaAsP (Арсенид-фосфид галлия) – 1,2 В; GaP (Фосфид галлия) – 1,8 и т.д. При отсутствии конкретных спецификаций, для настройки нагрузки можно воспользоваться параметрами тестируемого LED драйвера: Vo – выходное напряжение LED драйвера; Vd – 70 ~ 90% от установленного значений Vo (по умолчанию – 80%); Io – максимальный выходной уровень тока LED драйвера, Rd=(Vo-Vd)/Io.
Для корректной работы светодиода необходимо чтобы напряжение источника от которого питается светодиод, было выше уровня порогового напряжения светодиода. В случаях, когда это условие не выполняется (т.е. при Vo<Vd), необходимо ввести дополнительный параметр Rr (сопротивление токограничевающего резистора). На рисунке 4 представлена кривая зависимости V-I при данном типе подключения.
Рис. 3. ВАХ
При использовании данной схемы подключения, рабочее сопротивление рассчитывается по следующей формуле:
Помимо режима тестирования источников питания светодиодов, электронная нагрузка позволяет произвести контроль светодиодов на мерцание и проверку регулирования яркости свечения. Для этого в нагрузках АКИП-1334, АКИП-1335, АКИП-1336 предусмотрен режим DIM (режим имитации диммера). Диммер является электронным регулирующим устройством, благодаря которому можно варьировать режим работы источника света для изменения яркости освещения. Электронная нагрузка позволяет имитировать аналоговый диммер с регулируемым напряжением от 0 до 10 В, частотой управляющего ШИМ-сигнала от 0 до 1 кГц и скважностью от 1 до 99%.
Рис. 4. Разъем для коммутации цепей в режимах LED, Short и для подключения дополнительных приборов при измерении формы и значения тока
Для тестирования светодиода, необходимо подключить его к специализированному выходу на передней панели (рис. 4) для удобства подключения рекомендуется использовать кабель из комплекта поставки. Затем необходимо установить уровень выходного напряжения и частоту сигнала. Регулируя скважность можно изменять яркость свечения светодиода, а при уменьшении частоты выходного ШИМ-сигнала светодиод начинает мигать. Визуально мерцание светодиода различимо при частоте ниже 40 Гц. Если к контактам разъема светодиода, показанного на рисунке 4, подключить цифровой осциллограф, то можно визуально проконтролировать форму сигнала, а также количественно оценить параметры и спецификации используя меню измерений. На рисунке 5 показаны снимки экрана осциллографа, подключенного к электронной нагрузке в режиме DIM с различной скважностью выходного сигнала.
F – 200 Гц; Vp – 1,5 В; Скважность 10 % F – 200 Гц; Vp – 1,5 В; Скважность 75 %
Рис. 5. Экрана осциллографа подключенного к электронной нагрузке в режиме DIM (щелчок по изображению — увеличение)
Специализированный разъем, показанный на рисунке 4, так же используется в режиме короткого замыкания и для подключения осциллографа. Подключение осциллографа или вольтметра к электронной нагрузке позволяет наблюдать форму тока, наличие пульсаций и шумов тока, а также производить измерения их значений. Все эти функции расширяют эксплуатационные возможности электронных нагрузок
АКИП по сравнению с другими типами и сериями.
Так как источники питания имеют очень малое внутреннее сопротивление, схемы их защиты должны включаться при достижении предела по выходному току, например в условиях короткого замыкания, что защищает источник питания от повреждения. Режим короткого замыкания позволяет с помощью нагрузки АКИП эмулировать короткое замыкание одним нажатием кнопки, при этом отпадает всякая необходимость использовать внешние короткозамыкатели при тестировании источников питания. В данном режиме значения токов и напряжений короткого замыкания будут отображаться на встроенных индикаторах нагрузки.
Электронные нагрузки АКИП-1334, АКИП-1335, АКИП-1336 имеют модульное исполнение и для их работы необходимо управляющее шасси (системный блок). На выбор доступны 3 типа шасси на различное число модулей: шасси 3300F позволяет установить одновременно до 4-х модулей электронной нагрузки; шасси 3302F позволяет установить 1 (один) модуль электронной нагрузки; а 3305F
позволяет установить 2 модуля. В одном шасси возможна комбинация различных модулей нагрузок. На рисунке 6 приведен пример многоканального подключения 4-х модулей установленных в шасси 3300F.
Рис. 6. Шасси 3305F для установки двух модулей
Электронная нагрузка обеспечивает связь с внешним компьютером по стыку RS-232, GPIB, LAN или USB (опции). В режиме дистанционного управления (ДУ) и программирования электронная нагрузка обеспечивает управление всеми режимами работы и настройками. Программирование обеспечивается при помощи набора команд (язык SCPI). Каждый тип шасси (3302F, 3305F, 3300F) имеет только один слот для установки опциональных модулей ДУ (GPIB, RS-232, USB или LAN). На рисунке 7 изображена задняя панель шасси 3305F с установленным модулем интерфейса LAN.
Рис. 7. Шасси 3305F (задняя панель)
Электронные нагрузки АКИП-1334, АКИП-1335, АКИП-1336 это современные приборы, которые позволяют производить тестирование классических источников питания (в статистическом и динамическом режимах), специализированных источников питания светодиодов (LED драйверов), а также светодиодных ламп под управлением диммера. Встроенные в электронные нагрузки высокоточные измерительные индикаторы позволяют минимизировать число других средств измерения, используемых при разработке, тестировании, отладке и проверке продукции.
В настоящее время в соответствии с заявкой проводятся испытания для целей утверждения типа и внесения электронных нагрузок АКИП-1334, АКИП-1335, АКИП-1336 в Госреестр СИ РФ.
Д.A. Серков, ЗАО «ПриСТ»
