Konstruktorzy i serwisanci zasilaczy, przetwornic, ładowarek, paneli słonecznych, wzmacniaczy mocy, falowników, zestawów oświetlenia LED itp. często stają wobec problemu obciążania tych urządzeń podczas prowadzenia prac inżynierskich. Konieczne jest stosowanie substytutów rzeczywistych odbiorników energii. Urządzenia takie są produkowane, należy ich szukać w grupie tzw. sztucznych obciążeń.

Uwaga! Drugą część artykułu publikujemy pod adresem.

Wyobraźmy sobie serwisanta, który naprawia na przykład sterownik silnika prądu stałego o mocy kilkuset watów. Ośmiogodzinna praca z ryczącym silnikiem przy uchu nie nastraja optymistycznie. Nie byłoby też zbyt komfortowe naprawianie lub konstruowanie modułu oświetleniowego o mocy kilkuset watów, chociaż z pewnością łatwiej byłoby przykryć jakoś źródło światła niż wyciszyć huk silnika.

W obu tych przypadkach, które są przecież tylko wybranymi przykładami spośród wielu, rozwiązaniem jest stosowanie sztucznego obciążenia. Urządzenia pełniące taką funkcję są w ofercie kilku producentów, wśród których jest firma B&K Precision Corporation mająca siedzibę w Kalifornii. W rzeczywistości mamy do czynienia z rodziną firm, które w różnych rejonach świata występują pod różnymi nazwami (m.in. B+K Precision, Sefram, ITECH i Lodestar).

Budowa i zasada działania

Przyglądając się urządzeniu oznaczonemu symbolem IT8513C+ można dostrzec szereg gniazd, łączówek i zacisków. Większość z nich pełni jednak tylko funkcje pomocnicze, a samo obciążenie z zasady działania jest urządzeniem dwukońcówkowym. Zaciski połączeniowe umieszczono na płycie czołowej poniżej pokrętła regulacyjnego (fot. 1). Obciążenie IT8513C+ może być dołączane wyłącznie do źródeł napięcia stałego (zasilacze prądu stałego, baterie itp.). W trakcie wykonywania połączeń należy zwracać baczną uwagę na biegunowość.

Fot. 1. Płyta czołowa sztucznego obciążenia IT8513C+ z elementami regulacyjnymi

Sztuczne obciążenie można traktować jako regulowaną elektronicznie rezystancję dużej mocy. Mimo pozornej prostoty jest to w rzeczywistości dość skomplikowane urządzenie umożliwiające realizację wielu algorytmów pomiarowych. Wybierając jeden z dostępnych trybów pracy użytkownik może symulować określone zdarzenia występujące w praktyce. IT8513C+ może zatem pracować jako:

• odbiornik utrzymujący stałe napięcie na wyjściu badanego urządzenia – tryb CV,
• odbiornik zachowujący stały pobór prądu z wyjścia badanego urządzenia – tryb CC,
• odbiornik utrzymujący stałą moc pobieraną z badanego urządzenia – tryb CW,
• odbiornik zachowujący stałą rezystancję – tryb CR.

Można w przybliżeniu uznać, że spełnianie każdego z wymienionych przypadków jest związane z odpowiednią zmianą rezystancji obciążenia. W trybie CV obciążenie tak zmienia swoją rezystancję, aby występujące na jego zaciskach napięcie pozostawało na poziomie określonym przez użytkownika. Parametr ten może być zmieniany w trakcie pomiarów. Tryb CV jest wykorzystywany do badania urządzeń o charakterze źródeł prądowych. Na rys. 2 przedstawiono przykładowy schemat układu pomiarowego. Zachowanie się sztucznego obciążenia zilustrowano na wykresie (rys. 3). Jak widać, w chwili t1 wydajność źródła prądowego zaczęła maleć. Rezystancja sztucznego obciążenia musiała więc stopniowo rosnąć aby utrzymać stałe napięcie na zaciskach. W chwili t2 parametry ustabilizowały się. Należy zauważyć, że zgodnie z prawem Ohma przy liniowych zmianach prądu rezystancja zmienia się nieliniowo (R=U/I).

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego w trybie CV

Rys. 3. Przykładowy przebieg pomiaru w trybie CV

W trybie CC reakcja jest analogiczna, zmieniają się tylko parametry sterujące i kontrolowane. W tym przypadku obciążenie sztuczne tak zmienia swoją rezystancję, aby z badanego urządzenia pobierany był stały prąd wynikający z nastawy. Jak widać, jest to tryb pomiarowy stosowany do badania urządzeń o charakterze źródeł napięciowych. Pomiar w tym trybie przedstawiono na rys. 4 (schemat) i na rys. 5 (przykładowy przebieg pomiaru). Liniowym zmianom napięcia towarzyszą liniowe zmiany rezystancji sztucznego obciążenia.

Rys. 4. Schemat układu pomiarowego w trybie CC

Rys. 5. Przykładowy przebieg pomiaru w trybie CC

Można uznać, że połączeniem obu powyższych trybów jest tryb CW, w którym rezystancja obciążenia zmienia się tak, aby z badanego urządzenia była pobierana stała moc będąca parametrem pomiaru. Przykładowy schemat i wykresy przedstawiono na rysunkach 6 i 7. Sztuczne obciążenie analizuje w tym trybie zarówno napięcie, jak i natężenie prądu. Rezystancja zmienia się nieliniowo dla liniowych zmian napięcia lub prądu.

Rys. 6. Schemat układu pomiarowego w trybie CW

Rys. 7. Przykładowy przebieg pomiaru w trybie CW

Ostatni tryb – CR – jest chyba najbardziej naturalny. Urządzenie nie analizuje żadnych parametrów zewnętrznych, a rezystancja, którą przyjmuje wynika wprost z nastawy. Rezystancja ta może być regulowana w trakcie pomiarów, podobnie jak napięcie, prąd i moc w trybach CV, CC i CW. Służy do tego pokrętło uniwersalne, którym parametry są zmieniane quasianalogowo, lub klawiatura umożliwiająca wprowadzanie precyzyjnych wartości parametrów.

Zabezpieczenia

Maksymalna moc wydzielana na sztucznym obciążeniu jest równa 600 W, na zaciskach może występować napięcie do 120 V dc, a natężenie prądu płynącego przewodami dołączonymi do zacisków może być równe aż 120 A. Są to wartości bardzo duże, zagrażające życiu. Należy jednak pamiętać, że samo obciążenie z definicji nie wytwarza ani napięcia ani prądu. Podane parametry należy traktować jako maksymalne dla urządzeń dołączanych z zewnątrz. Mimo to, podczas pomiarów niezwykle ważne jest zachowanie wszelkich zasad bezpieczeństwa.

Pomijając sprawy związane z bezpieczeństwem osoby wykonującej pomiary, nieodpowiedni dobór nastaw obciążenia IT8513C+ może spowodować również uszkodzenie, a nawet całkowite zniszczenie urządzenia zewnętrznego. Dlatego dobrym zwyczajem jest stosowanie programowych zabezpieczeń i ograniczeń parametrów zawartych w opcji Config->Protect.

Załóżmy teraz, że wprowadzono ograniczenie mocy np. do 5 W i ustawiono urządzenie w tryb CR (ze stałą opornością). Dla dużych oporności moc wydzielana na obciążeniu będzie mniejsza od 5 W. Wskutek zmniejszania oporności moc będzie rosła. Po osiągnięciu wartości wynikającej z ograniczenia (5 W) dalsze zmniejszanie oporności, np. za pomocą pokrętła, nie będzie powodowało zmiany faktycznej oporności sztucznego obciążenia, o czym mogłaby świadczyć wartość wyświetlana na wyświetlaczu. Obciążenie nie jest jednak fizycznie odłączane i pozostaje w stanie, w którym wydziela się na nim moc 5 W (wprowadzona jako ograniczenie).

Inaczej będzie w przypadku zastosowania zabezpieczenia. W tym przypadku obciążenie zostanie automatycznie odłączone od źródła po określonym przez użytkownika czasie od chwili przekroczenia limitu. Zwłoka czasu jest bardzo ważna i powinna być dobierana bardzo starannie, gdyż do momentu odłączenia obciążenia urządzenie zachowuje się normalnie. Oznacza to, że dalsze zmniejszanie rezystancji będzie powodowało wzrost mocy. Jedną z opcji zabezpieczających jest niezależna zwłoka czasowa. Włączenie tej opcji powoduje, że w każdym pomiarze sztuczne obciążenie jest odłączane od źródła po określonym czasie.

Wszystkich zabezpieczeń jest dość dużo. Mogą one funkcjonować niezależnie, więc aktywując je można trochę się pogubić. Najprostszą metodą opanowania sytuacji jest przywrócenie wartości domyślnych odpowiadające wyłączeniu wszystkich zabezpieczeń.

W sztucznym obciążeniu IT8513C+ zaimplementowano szereg dodatkowych funkcji bardzo przydatnych w praktyce. Omówiono je w 2. części artykułu.

Jarosław Doliński