Решение задач по теме: «Работа и мощность электрического тока» 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Тема 12: Электромагнитные явления. Повторение

• Видео
• Тренажер
• Теория

Заметили ошибку?

Необходимые формулы для решения задач

 

Работа – произведение силы тока, напряжения и времени, в течение которого протекает электрический ток.

 

Мощность – отношение работы ко времени, в течение которого протекает электрический ток.

Из закона Ома получили эквивалентные формулы.

 

Задача №1

 

 

Условие задачи:

 

«В течение 10 мин по некоторому участку протекает электрический ток, значение которого – 250 мА. Напряжение на этом участке – 4 В. Необходимо определить мощность электрического тока, который выделяется на этом участке, и работу электрического тока, произведенную за это время».

Краткое условие задачи и решение

Дано:	СИ	Решение
t = 10 мин U = 4 В I = 250 мА	600 с 0,25 А	Ответ: А = 600 Дж; Р = 1 Вт
Найти: А – ? Р – ?

Комментарий к решению:

10 минут – это время протекания электрического тока. Напряжение на концах участка цепи – 4 В. Сила тока определяется как 250 мА (миллиамперметры). 1 мА = 0,001 А.

Переведем все значение в интернациональную систему (СИ):

t = 10 мин = 10∙60 с = 600 с;

І = 250 мА = 250∙0,001 А = 0,25 А.

U = 4 В (так как вольт (в системе СИ) – международная единица)

 Первое уравнение – это вычисление работы.

 

Получаем ответ: А=600 Дж.

Существует 2 варианта определения мощности:

1.     Зная, что работа равна 600 Дж, а время протекания тока – 600 с, определяем мощность по формуле, или

2.   

Ответ: А = 600 Дж; Р = 1 Вт

 

Задача №2

 

 

Условие задачи:

 

«Две лампы мощностью 25 Вт и 100 Вт включаем в электрическую цепь под напряжением 220 В. Насколько отличается сила тока в этих лампах?»

Краткое условие и решение задачи:

Дано:	Решение
Р1 = 100 Вт Р2 = 25 Вт U = 220 В	І=I1-I2=0,45-0,11=0,34 [А] Ответ: І=0,34 А
Найти: І – ?

Комментарий к решению:

І означает, что мы должны найти разность сил тока в одной лампе и в другой. Из формулы для вычисления мощности  выражаем силу тока в первой лампе и во второй. Получаем, что в лампе мощностью 100 Вт протекает электрический ток в 0,45 А, в лампе с мощностью 25 Вт сила тока будет 0,11 А. Следовательно, І=0,45-0,11=0,34 А.

Лампа, которая обладает большей мощностью, будет гораздо ярче светить. Это значит, что чем больше электрический ток протекает в цепи, тем ярче будет гореть лампа. Можно заметить, что мощность первой лампы в 4 раза больше второй, тем самым в 4 раза больше и сила тока. Мощность, работа, сила тока, напряжение – величины, которые между собой связаны и характеризуют действие электрического тока.

 

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Electrono. ru (Источник)
2. Utrew.hut.ru (Источник)
3. Stoom.ru (Источник)

 

Домашнее задание

1. П. 50–52, вопросы 1–6 стр. 121, 1–3 стр. 122, задание 26 (1). Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Определите мощность электрического камина, спираль которого имеет сопротивление 500 Ом и потребляет ток 2 А.
3. С помощью каких формул можно определить работу и мощность электрического тока?

 

Заметили ошибку?

Расскажите нам об ошибке, и мы ее исправим.

Электрические явления — работа и мощность электрического тока (физика 8 класс)

Что такое мощность тока

Мощность тока это количество электрической энергии, потребляемой за секунду. Для того, чтобы определить мощность, умножаем величину напряжения, при котором работает потребитель на силу тока, проходящего через него. Чем большее количество электроэнергии потребляется за промежуток времени, равный секунде, тем большее количество работы выполняется тем или иным потребителем. Самой главной характеристикой любой установки, предназначенной для выполнения какой либо работы, называют мощность.

Расчет мощности

Всем известно, что подведенное к потребителю напряжение, означает количество работы, совершаемой электрическим полем, при перемещении через потребителя одного кулона электричества. Количество кулонов, прошедших за одну секунду, выражается силой тока, измеряемой в амперах. При умножении работы, совершенной всеми зарядами, на кол-во этих зарядов, которые прошли за одну секунду, мы получим в итоге всю работу электрического поля за этот промежуток времени. Фактически, это и будет потребленная мощность того или иного прибора. Измерение осуществляется в ваттах и киловаттах.

Единица измерения мощности названа в честь английского механика – изобретателя Джеймса Ватта (Уатта) (1736 – 1819), создателя универсальной паровой машины.

Один ватт – это мощность, выделяемая в проводнике, когда напряжение электрического поля на концах проводника составляет один вольт, а сила тока в проводнике – один ампер. Мощность тока в 1000 ватт называется 1 киловатт (Квт).

Существует два основных вида мощности

• Активная электрическая – преобразуется безвозвратно в другие виды энергии (световую, тепловую, механическую и др.). Измеряется в ваттах, киловаттах, мегаваттах;
• Реактивная электрическая – величина, характеризующаяся такой электрической нагрузкой, создаваемой потребителями колебаниями энергии электромагнитного поля. Характерна для двигателей. Единица измерения – вольт – ампер реактивный (ВАр).

Существует такое понятие, как допустимая суммарная мощность. Она определяет количество потребителей, которые могут быть одновременно подключены к сети и зависит от технических характеристик сети. Недопустимо одновременное подключение суммарной мощностью, превышающей нормативную. Это может привести к увеличению силы тока, перегрузке проводки, короткому замыканию.

Как определить мощность тока

В бытовых условиях израсходованную электроэнергию измеряют при помощи электрического счетчика. Во время прохождения тока через счетчик, внутри происходит вращение облегченного алюминиевого диска. Вращение диска происходит со скоростью, пропорциональной напряжению и силе. Число сделанных оборотов за определенное количество времени, показывает работу тока, совершенную за это время. Измерение работы тока производится в киловатт часах (кВт/ч).

Основные электрические величины – заряд, ток, напряжение, мощность и энергия

В электрических и электронных схемах есть пять основных электрических величин, которые используются для анализа цепей. Этими величинами являются электрический заряд, электрический ток, напряжение, электрическая мощность и электрическая энергия . В этой статье мы подробно узнаем об этих величинах.

Что такое электрический заряд?

Электрический заряд или просто заряд — это свойство субатомных частиц, таких как протоны и электроны. Электрический заряд обозначается символом q или q и измеряется в кулонов (Кл) .

Технически электрический заряд — это концепция, объясняющая электрические свойства материалов. Следовательно, именно электрический заряд составляет основу существования электричества. Электрический заряд — самая элементарная величина в электрической цепи.

Согласно электронной теории материи , мы знаем, что каждый материал состоит из мельчайших частиц, называемых молекулами, а молекулы, в свою очередь, состоят из атомов. Атом состоит из трех основных частиц, а именно электронов, протонов и нейтронов . Где электроны несут отрицательный заряд, протоны несут положительный заряд, а нейтрон нейтрален, то есть на нейтроне нет заряда. Эти три частицы называются субатомными частицами.

Следовательно, электрический заряд может быть двух видов −

В природе 9{-19}}C$, но положительно.

Два фундаментальных принципа электрического заряда

С электрическим зарядом связаны два фундаментальных принципа −

$$\mathrm{Q=ne;\:Где,n=0,1,2,..}$$

• Закон сохранения заряда — Согласно этому закону, электрический заряд не может быть ни создан, ни уничтожен. Таким образом, для замкнутой системы электрический заряд остается постоянным.

Что такое электрический ток?

Электрический ток определяется как направленный поток электрического заряда под действием электрического поля. Он обозначается символом I или i , где I используется для обозначения постоянного электрического тока, а i используется для обозначения изменяющегося во времени тока.

Математически скорость потока электрического заряда (электронов) во времени известна как электрического тока , т. е.

$$\mathrm{I=\frac{Q}{t}}$$

В дифференциальной форме

$$\mathrm{i(t)=\frac{dq(t)}{dt}}$$

Где Q — электрический заряд, измеренный в кулонах, а t — время в секундах. . Следовательно, единицей электрического тока является кулонов в секунду (Кл/с) . Однако на практике мы используем единицу СИ Ампер (А) для измерения электрического тока.

Обычное направление электрического тока — от точки с более высоким потенциалом (положительная клемма) к точке с более низким потенциалом (отрицательная клемма). Однако фактическое направление электрического тока — это направление потока электронов, то есть от отрицательного вывода к положительному.

Из определения электрического тока ясно, что электрический ток возникает из-за потока электрического заряда или электронов. Таким образом, он показывает два основных эффекта, а именно. эффект нагрева и эффект магнита . Это означает, что когда электрический ток течет по проводнику, он создает магнитное поле вокруг проводника и выделяет тепло в проводнике.

Виды электрического тока

В зависимости от направления потока заряда электрический ток можно разделить на два типа −

Что такое напряжение?

Напряжение , также известное как разность потенциалов , представляет собой электрическое давление, которое заставляет электрические заряды течь в проводнике. Напряжение определяется как работа или энергия, необходимая для перемещения единичного заряда из одной точки в другую в электрической цепи. Обозначается символом V (постоянное напряжение) и v (изменяющееся во времени напряжение).

$$\mathrm{Voltage,V=\frac{W}{Q}}$$

В дифференциальной форме,

$$\mathrm{v(t)=\frac{dw}{dq}}$ $

Где W — проделанная работа, измеренная в джоулях (Дж) и Q — заряд в кулонах (Кл) . Таким образом, напряжение измеряется в джоулей на кулон (Дж/Кл) . Однако на практике мы измеряем напряжение в вольт (В) .

Наиболее важным фактом о напряжении является то, что оно не существует в точке само по себе, а это означает, что оно всегда измеряется относительно какой-либо другой точки. Из-за этого напряжение также известно как «разность потенциалов». В любой электрической цепи напряжение является фактором, который полностью отвечает за протекание тока в цепи.

Типы напряжения

Как и электрический ток, напряжение также подразделяется на два типа −

Что такое электроэнергия?

Скорость расширения или поглощения энергии в электрической цепи известна как электрическая мощность . Другими словами, скорость совершения работы в электрической цепи называется электроэнергии электроэнергии. Обозначается буквой P или p . Где P используется для представления постоянной или средней мощности , а p используется для обозначения мгновенной мощности .

Математически электрическая мощность определяется как,

$$\mathrm{P=\frac{Work\:done (𝑊)}{Время (𝑡)}}$$

А мгновенная мощность определяется как,

$$\mathrm{p(t)=\frac{dw}{dt}}$$

Где W — проделанная работа, измеренная в джоулях (Дж) , а t — время в секундах (с) . Таким образом, единицей электрической мощности является Джоулей в секунду (Дж/с) . Но на практике мы используем единицу мощности СИ, которая равна 9.0003 Вт (Вт) .

$$\mathrm{∵dw=v(t).dq}$$

и $$dt=\frac{dq}{i(t)}$$

$$\mathrm{∴p(t )=\frac{v(t).dq}{dq/i(t)}=v(t).i(t)}$$

Следовательно, электрическая мощность – это просто произведение напряжения в цепи элемент и ток, протекающий через элемент.

В любой электрической цепи, если электрический ток входит в элемент цепи на положительном полюсе и выходит из элемента на отрицательном полюсе, то говорят, что мощность равна поглотил элемент . С другой стороны, если ток входит в элемент через отрицательную клемму и выходит через положительную клемму, элемент выдает электрическую мощность.

Для любой электрической энергии должно выполняться уравнение баланса мощности, т. е.

Отдаваемая мощность = потребляемая мощность

Что такое электрическая энергия?

Способность выполнять работу в электрической цепи известна как электрическая энергия . Электрическая энергия определяется как общее количество выполненной работы или общей энергии, затраченной за определенный период времени в электрической цепи. 9{{t_{2}}}p(\tau)d\tau}$$

Мощность измеряется в ваттах, а время в секундах, следовательно, единицей измерения электрической энергии является ватт-секунда (Вт-с) . Энергия также измеряется в Дж .

Электроэнергетические компании измеряют потребление электроэнергии потребителями в Ватт-часах (Втч) , где

$$\mathrm{1Втч = 3600\;Джоулей}$$

Заключение

В этой статье мы обсуждали, что электрический заряд является наиболее фундаментальной электрической величиной в электрической цепи. Когда этот заряд протекает через проводящий материал, он образует электрический ток в проводнике. Фактором, который заставляет электрический заряд течь, является напряжение или разность потенциалов. Помимо заряда, тока и напряжения, для практических расчетов нам потребуются еще две величины, а именно «мощность» и «энергия». Мощность — это скорость, с которой энергия расходуется в цепи, а энергия — это общий объем работы, выполненной за определенный период времени в цепи.

Оптимизация электронной нагрузки для сильноточных низковольтных источников питания, часть 2

Abstract

В этой второй части серии из трех статей, посвященных проектированию высокопроизводительных электронных нагрузок для тестирования сильноточных низковольтных источников питания, обсуждаются вопросы проектирования электрических устройств для специализированного нагрузочного устройства, включая пассивные и активные компоненты. выбор, компоновка платы и методы точного измерения тока. Аналогичная версия этого руководства изначально появилась 8 апреля 2020 г. в Electronic Design.

Введение

В части 1 этого руководства, состоящего из нескольких частей, показано, как схема с активным стоком тока может удовлетворить все требования, предъявляемые к тестированию сильноточных низковольтных источников питания. Однако успешная реализация этой схемы связана с некоторыми проблемами проектирования. Тщательный выбор компонентов схемы имеет решающее значение для производительности и долговечности конечной схемы электронной нагрузки.

Выбор полевого МОП-транзистора

Силовой транзистор должен быть выбран так, чтобы он обеспечивал быстрый отклик, а также выдерживал высокую рассеиваемую мощность. Необходимо учитывать несколько электрических и тепловых характеристик.

Общий заряд затвора обеспечивает хорошую метрику

Для модуляции тока, протекающего через MOSFET, с хорошей стабильностью и широкой полосой пропускания операционный усилитель должен иметь возможность быстро изменять напряжение затвор-исток. МОП-транзистор с высокими емкостями затвор-исток и затвор-сток (C _GS и C _GD соответственно) потребует более высокого управляющего тока для достижения желаемой скорости нарастания. Поэтому важно выбрать МОП-транзистор с низкой «добротностью»

1 и соответственно низкие паразитные емкости. Для многих полевых МОП-транзисторов общий заряд затвора Q _G является хорошей метрикой, и сравнение полевых МОП-транзисторов с аналогичным сопротивлением в открытом состоянии R _DS(ON) может быть выполнено быстро, используя только этот параметр.

Напряжение сток-исток должно выдерживать напряжение тестируемого источника питания

Напряжение сток-исток В _DS должно быть достаточно высоким, чтобы выдерживать напряжение тестируемого источника питания, включая любые переходные выбросы или выбросы. Большинство дискретных мощных полевых МОП-транзисторов рассчитаны на 12 В, 25 В, 30 В или даже выше, поэтому выбор МОП-транзистора с напряжением V

DS подходит для тестирования источников питания низкого и среднего напряжения. Как правило, МОП-транзистор следует выбирать с номиналом V _DS , который составляет не менее 125 % тестируемого напряжения. Более высокий номинал V _DS для транзистора того же размера негативно повлияет на другие рабочие характеристики, поэтому выбирайте устройство с наименьшим допустимым номиналом V _DS .

Номинальный ток стока должен соответствовать требуемому току нагрузки

Номинальный ток сток-исток I

D(MAX) полевого МОП-транзистора должен быть достаточным, чтобы пропускать требуемый ток нагрузки. Когда необходимо генерировать очень большие токи, использование массива параллельных цепей стока тока снижает рассеиваемую мощность и требования I _DS для отдельных полевых МОП-транзисторов. Другими словами, если используется массив из N одинаковых стоков с активным током, как показано на рис.

Рис. 1. Массив из N цепей стока тока, подключенных к тестируемому источнику питания.

Обратите внимание, что один операционный усилитель может управлять несколькими полевыми МОП-транзисторами параллельно, как показано на рис. 2 , при условии, что каждый полевой МОП-транзистор подключен к независимому считывающему резистору на выводе истока. Эта схема обеспечивает равномерное распределение общего тока между полевыми МОП-транзисторами из-за характеристики отрицательной обратной связи истокового повторителя, описанной ранее.

Рис. 2. Один усилитель, параллельно подключенный к двум полевым МОП-транзисторам.

При таком управлении двумя или более полевыми МОП-транзисторами обычно необходимо добавлять небольшие сопротивления последовательно с затворами МОП-транзисторов для предотвращения колебаний. Конфигурация дифференциального усилителя дополнительно расширена за счет суммирования путем дублирования сопротивлений обратной связи и входного делителя в каждом плече схемы. Это изолирует два чувствительных сопротивления, чтобы сохранить независимость их отрицательной обратной связи на каждом полевом МОП-транзисторе.

Транзисторный блок и рассеивание тепла

Пожалуй, наиболее важной характеристикой полевого МОП-транзистора, используемого в электронной нагрузке, является его способность рассеивать отработанное тепло. Полная мощность в нагрузке (P _L ), очевидно, является произведением тока нагрузки и тестируемого напряжения:

P _L = I _{НАГРУЗКА} x V _ТУ

Если количество N цепей стока тока работает параллельно, каждая «ветвь» стока тока несет I _{НАГРУЗКА} /Н, а общая мощность нагрузки распределяется между ветвями более или менее равномерно.

Некоторая часть этой мощности рассеивается на чувствительных резисторах (P _R ), и эта часть изменяется пропорционально квадрату тока нагрузки:

P _R = (I _{НАГРУЗКА} /N) ² x R _{ЧУВСТВО}

Остаток мощности рассеивается в MOSFET (P _M ):

P _L = (P _M + P _R ) x N

P _M = P _L /N – P _R

P _M = (I _{НАГРУЗКА} x V _ТУ )/N – (I _{НАГРУЗКА} /N) ² x R _SENSE

Способность полевого МОП-транзистора рассеивать тепло определяется двумя ключевыми параметрами: тепловым сопротивлением переход-корпус Θ _JC и рассеиваемой мощностью в установившемся режиме P _D(MAX) . Из этих двух наиболее полезным является значение Θ _JC , так как оно указывает на минимально возможный рост температуры перехода MOSFET в зависимости от мощности, исключая все воздействия внешней среды.

Хотя в техническом описании полевого МОП-транзистора также, вероятно, будет указано значение теплового сопротивления корпуса к окружающей среде Θ _CA , это значение определяется стандартным размером и конструкцией печатной платы ² . Мощная электронная нагрузка будет специально разработана для максимального отвода тепла при значительно более низком тепловом сопротивлении, чем типичные значения теплового сопротивления перехода на открытом воздухе к окружающей среде Θ _JA , указанные в спецификациях полевых МОП-транзисторов. Другими словами, поскольку для мощной электронной нагрузки потребуется радиатор, сильно отличающийся от стандартного Θ _JA , значение Θ _JC наиболее полезно.

В дополнение к характеристикам теплового сопротивления корпуса устройства необходимо также учитывать максимальную температуру перехода кремниевого полевого МОП-транзистора T _J(MAX) . Большинство мощных полевых МОП-транзисторов рассчитаны на диапазон от T _J(MAX) = 150°C до T _J(MAX) = 175°C. Электронная нагрузка должна быть рассчитана таким образом, чтобы произведение мощности MOSFET PM и теплового сопротивления корпуса в сочетании с максимальной температурой монтажной поверхности устройства или температурой корпуса T _МБ = T _C , не превышает T _J(MAX) .

P _M (T _J(MAX) – T _C )/(Θ _JC )

В зависимости от выбора неизвестных это соотношение дает либо максимально допустимую установившуюся мощность для MOSFET, либо максимально допустимую температуру радиатора при желаемой максимальной установившейся мощности.

Безопасная рабочая зона (SOA)

Спецификация мощного полевого МОП-транзистора будет включать график безопасной рабочей зоны или SOA. На этом графике показана непрерывная (постоянная) импульсная мощность МОП-транзистора. График SOA для Nexperia PSM2R0-30YLE показан на Рисунок 3 .

Рис. 3. Безопасная рабочая зона силового МОП-транзистора Nexperia PSMN2R0-30YLE, TMB = 25°C. Изображение предоставлено Nexperia.

Обратите внимание, что график SOA создан для фиксированной температуры монтажного основания T _MB . На рис. 3 T _MB = 25°C. Предел пакета 100 А отображается как плоская часть кривой постоянного тока при I _DS = 100 А, для V _DS ниже примерно 1,3 В. Предел общей мощности P _TOT = 272 Вт появляется в точке, где V _ДС = 1В и I _ДС = 272А. Дополнительные кривые показывают прогрессивно возрастающую пиковую мощность при прогрессивно меньшей длительности импульса. Стоит отметить, что кривые на графике SOA обычно представляют собой линии постоянной мощности; другими словами, постоянный продукт I _DS x V _DS .

Способность полевого МОП-транзистора выдерживать гораздо большую мощность для коротких импульсов очень полезна для электронной нагрузки, предназначенной для проверки переходной характеристики, поскольку переходные процессы не должны длиться дольше, чем время восстановления питания, обычно измеряемое десятками или сотнями микросекунды. Безопасная мощность импульса может быть увеличена за счет уменьшения длительности импульса и наоборот.

Важно спроектировать электронную нагрузку таким образом, чтобы полевой МОП-транзистор не работал выше своей кривой SOA при любой предполагаемой длительности импульса, в противном случае возможен отказ МОП-транзистора. Желаемые рабочие точки должны быть расположены на графике SOA, чтобы гарантировать, что проект будет работать безопасно.

Некоторые силовые полевые МОП-транзисторы оптимизированы для работы в линейной области и специально спроектированы так, чтобы иметь большую площадь под кривой SOA по сравнению с полевыми МОП-транзисторами, оптимизированными для приложений с быстрым включением-выключением. Например, линейка продуктов Nexperia NextPower Live оптимизирована для использования в линейных приложениях, таких как горячая замена и плавный пуск. Эта дополнительная надежность в линейной области также хорошо подходит для использования в схеме с активным стоком тока. PSMN2R0-30YLE (таблица 1) относится к этой линейке продуктов и очень хорошо работает в активных электронных нагрузках с высокой рассеиваемой мощностью.

Переходное тепловое сопротивление

Спецификация полевого МОП-транзистора также будет включать график переходного теплового сопротивления, такой как график для PSMN2R0-30YLE, показанный на рис. 4 . Ограниченное по времени переходное тепловое сопротивление MOSFET ниже, чем стационарное тепловое сопротивление из-за теплоемкости кристалла устройства, выводной рамки и материалов корпуса.

Рис. 4. График переходного теплового сопротивления силового полевого МОП-транзистора Nexperia PSMN2R0-30YLE. Изображение предоставлено Nexperia.

В отличие от графика SOA, график переходного теплового сопротивления не зависит от конкретного значения T _MB . Это делает его очень полезным для определения превышения температуры перехода MOSFET выше T _MB для любой заданной ширины импульса мощности и рабочего цикла. Когда рабочий цикл приближается к 100%, а ширина импульса приближается к постоянному току, график переходного теплового сопротивления сходится с установившимся значением теплового сопротивления переход-корпус Θ _JC . В некоторых спецификациях полевых МОП-транзисторов представлен график переходного теплового импеданса, который нормализован таким образом, что ось Y представляет долю от нуля до 1 стационарного значения Θ _{Значение JC} . Важно не путать эту безразмерную нормализованную дробь с фактическим значением импеданса в °C/Вт.

Например, используя рис. 4, если на МОП-транзистор поступает импульс мощностью 200 Вт длительностью всего 100 мкс при коэффициенте заполнения 10 % (другими словами, импульс длительностью 100 мкс повторяется с частотой 1 кГц), эффективное переходное тепловое сопротивление составляет всего около 0,075. Вт/°C по сравнению с установившимся значением Θ _JC = 0,55°C/Вт. Произведение этого переходного теплового импеданса и амплитуды импульса 200 Вт дает прогнозируемый рост T _J около 200 Вт x 0,075°C/Вт = 15°C.

Выбор правильных компонентов чувствительного резистора

Допустимая мощность и ток

Как и силовой полевой МОП-транзистор, сенсорный резистор в активной цепи стока тока также должен рассеивать значительную часть общей мощности нагрузки. Важно выбрать чувствительный резистор, который может не только выдерживать полный ток нагрузки каждой параллельной ветви стока тока, но также может быстро отводить отработанное тепло на печатную плату и радиатор.

Резистор здравого смысла будет иметь все следующие механические характеристики.

1. Большая площадь электрического соединения с медными дорожками или заливками печатной платы
2. Пакет, который может быть соединен с верхним охлаждением (радиатор) с низким тепловым сопротивлением
3. Материалы резистивных элементов и корпусов, способные выдерживать высокие рабочие температуры

Первая характеристика благоприятствует компонентам для поверхностного монтажа, поскольку резисторы со сквозными отверстиями электрически соединяются с печатной платой только через две контактные площадки со сквозными отверстиями (по одной для каждого провода). Проволочные выводы также являются значительным узким местом по сопротивлению и индуктивности для тока нагрузки. Кроме того, большинство освинцованных корпусов сложнее термически соединить с печатной платой и радиатором для эффективного охлаждения.

Резисторы для поверхностного монтажа

имеют два ключевых преимущества: они припаяны к широким контактным площадкам на печатной плате и обычно имеют тонкий плоский корпус, что позволяет легко установить низкоомное тепловое соединение с радиатором. Ток может передаваться от внутреннего слоя меди в печатной плате к контактным площадкам верхнего слоя с помощью сквозных переходных отверстий, часто внутри самих контактных площадок.

Элемент резистора для поверхностного монтажа обычно представляет собой проводящую пленку или фольгу на керамической подложке или сплошной металлический элемент. Из этих двух элементов металлический элемент, вероятно, будет более надежным при работе на высокой мощности. Упаковочные материалы также важны для тепловых характеристик. Преимущество сенсорного резистора, заключенного в пластиковую капсулу, состоит в том, что он электрически изолирован от радиатора, но герметизация обычно имеет более высокое тепловое сопротивление, чем сам элемент, поэтому негерметизированные устройства могут иметь более низкое общее тепловое сопротивление.

Низкая паразитная индуктивность

Паразитная индуктивность в чувствительном элементе L _SENSE непосредственно ограничивает максимальную скорость нарастания тока, которая может быть достигнута в электронной нагрузке, поскольку ток не может возрастать быстрее, чем позволяет индуктивность.

dI/dt = V/L _{ЧУВСТВО}

Кроме того, при высоких скоростях нарастания тока паразитная индуктивность вызывает отклонение напряжения на чувствительном элементе от истинного тока нагрузки. Вместо этого переходное напряжение на резисторе представляет собой сумму резистивного напряжения и индуктивного напряжения.

I _{ЧУВСТВО} = (V _{ЧУВСТВО} /R _{ЧУВСТВО} ) x (1 – e ^-t/τ )

В _{ЧУВСТВО} = (I _{ЧУВСТВО} x RM _{ЧУВСТВО} )/(1 – e ^>-t/τ )

τ = L _{ЧУВСТВО} /R _{ЧУВСТВО}

Схема усилителя стока тока не может отличить индуктивную часть сигнала от резистивной части, поэтому фактический ток нагрузки растет медленнее, чем сигнал напряжения чувствительного резистора, как показано на рис. 9.0003 Рисунок 5 .

Рис. 5. Переходная характеристика резистора 5 мОм с индуктивностью 1 нГн.

На рис. 5 «кажущийся ток» — это напряжение на чувствительном резисторе, которое регулируется до постоянного значения операционным усилителем в цепи стока тока в ответ на скачок входного управляющего напряжения («форма сигнала нагрузки»). из более ранних примеров.) «Реальный ток» отстает от напряжения чувствительного резистора с постоянной времени τ ˜ 200 нс. Фактический ток согласуется с сигналом датчика только после того, как прошло примерно 5 x τ = 1 мкс, что делает схему неэффективной для генерации более быстрых переходных процессов нагрузки.

Это отставание представляет проблему как для цепей стока тока, так и для цепей измерения тока; оба должны быть скомпенсированы для этой постоянной времени. Индуктивный сигнал можно подавить, применив однополюсный фильтр нижних частот к сигналу датчика. Это может быть просто RC-фильтр на чувствительном резисторе или реализовано в контуре обратной связи операционного усилителя. Фильтр следует выбирать таким образом, чтобы постоянная времени соответствовала чувствительному резистору:

τ = R _ФИЛЬТР x C _ФИЛЬТР = L _SENSE /R _SENSE

Если к резистору считывания добавляется фильтр, необходимо следить за тем, чтобы коэффициент усиления по постоянному току дифференциального усилителя с током-приемником не изменился.

Чтобы устранить проблему до того, как она возникнет, выберите чувствительный резистор с низкой индуктивностью. Резистивный элемент, который является коротким, широким и тонким, будет иметь меньшую индуктивность, чем длинный и тонкий резистивный элемент того же значения или тот, в котором для увеличения сопротивления используется змеевик.

Почему важна точность измерительного резистора

Хотя это и не критично для испытаний на переходные процессы, абсолютная точность электронной нагрузки чрезвычайно важна, если измеренный ток будет использоваться для расчета эффективности тестируемого источника питания. Электронная нагрузка никогда не может быть более точной, чем сам чувствительный резистор, поэтому важно выбирать чувствительный резистор с высокой точностью.

Поскольку чувствительный резистор также будет рассеивать мощность, температурный коэффициент удельного сопротивления (TCR) играет важную роль в точности нагрузки в широком диапазоне мощностей. Когда резистор нагревается, его сопротивление также увеличивается, обычно прямо пропорционально температуре.

R _HOT = R _{НОМИНАЛ} x (1 + (T _HOT — 25°C) x TCR)

К счастью, многие подходящие сенсорные резисторы имеют значения TCR не более 50 ppm/°C. Это эквивалентно изменению сопротивления всего на 0,5% при повышении температуры на 100°C. Если требуется дополнительная точность, к электронной нагрузке можно добавить схему измерения температуры. Текущие измерения затем могут быть скорректированы после сбора на основе значения TCR из таблицы данных чувствительного резистора и температуры элемента во время измерения.

Сенсорный резистор с отдельными разъемами для питания и сенсора также помогает повысить точность. Благодаря разделению соединений на сильноточный путь и слаботочный или нулевой путь для измерения измеряемый ток не добавляет дополнительного падения напряжения в измерительных соединениях. Это обычно называют соединением Кельвина или, в более общем смысле, четырехконтактным зондированием. Многие сенсорные резисторы сконструированы таким образом, особенно когда резистор рассчитан на большой ток и низкое сопротивление. Даже если сенсорный резистор не имеет физически отдельных сенсорных контактов, в техническом описании часто описываются правильные точки подключения и трассировка для максимальной точности.

Учет максимального тока

Максимальный допустимый ток электронной нагрузки представляет собой простую функцию напряжения тестируемого источника питания и суммарного сопротивления всех полевых МОП-транзисторов и чувствительных резисторов, причем полевые МОП-транзисторы полностью улучшены. Чтобы предотвратить насыщение усилителя при максимальном токе нагрузки, конструкция должна иметь общее последовательное сопротивление, которое существенно ниже, чем тестируемое напряжение, деленное на максимальный требуемый ток.

R _{НАГРУЗКА, МИН} = (R _{DS, O} + R _SENSE )/N

R _{НАГРУЗКА, МИН} НАГРУЗКА, МИН/I _{НАГРУЗКА, МАКС}

Это позволяет операционному усилителю удерживать полевой МОП-транзистор в линейной области при максимальном заданном токе. Если заданный ток превысит значение I _LOAD,MAX , схема стока тока войдет в режим насыщения, что приведет к полному открытию полевых МОП-транзисторов, но больше не сможет поддерживать замкнутый контур управления током нагрузки.

Хорошая тепловая конструкция для предотвращения теплового повреждения

Поскольку активная схема стока тока управляет током нагрузки, удерживая полевой МОП-транзистор в области насыщения, МОП-транзистор рассеивает большую часть мощности электронной нагрузки. Измерительный резистор также рассеивает мощность, пропорциональную квадрату тока нагрузки. Поскольку резистор и полевой МОП-транзистор рассеивают значительную мощность при нагрузке, их следует выбирать тщательно. Хорошая тепловая конструкция очень важна, чтобы избежать повреждений, вызванных чрезмерным нагревом.

Равномерное распределение полной мощности

Если и полевые МОП-транзисторы, и чувствительные резисторы имеют одинаковую мощность, конструкцию электронной нагрузки можно грубо оптимизировать, равномерно распределяя рассеиваемую мощность между MOSFET и чувствительным элементом при максимальном токе. Это достигается установкой значения резистора считывания примерно равным R _DS,ON MOSFET. Этот метод также минимизирует пиковую мощность как резисторов считывания, так и полевых МОП-транзисторов. График в На рис. 6 показано, как рассеиваемая мощность в полевых МОП-транзисторах и чувствительных резисторах изменяется в зависимости от нагрузки. Если либо полевые МОП-транзисторы, либо чувствительные резисторы являются ограничивающим фактором для общей рассеиваемой мощности, баланс R _LOAD,MIN Сопротивление можно сместить, чтобы уменьшить мощность либо в MOSFET, либо в чувствительном резисторе за счет более высокой пиковой мощности в противоположном компоненте.

Рис. 6. Мощность резистора и полевого МОП-транзистора в зависимости от тока нагрузки.

При использовании этой схемы при уровнях тока ниже максимального МОП-транзистор всегда будет рассеивать больше энергии, чем чувствительный резистор, поскольку большая часть падения напряжения приходится на МОП-транзистор. Конечно, баланс рассеиваемой мощности также сильно зависит от напряжения тестируемого источника питания. Комбинированные сопротивления должны быть достаточно низкими, чтобы выдержать максимальный требуемый ток при самом низком значении V _{ДУТ,МИН} . Рассеивание мощности в наихудшем случае происходит при максимальном испытательном напряжении V _DUT,MAX .

Важные сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель должен иметь достаточную выходную мощность для управления затвором полевого МОП-транзистора, который создает емкостную нагрузку на операционный усилитель. Полоса пропускания и скорость нарастания напряжения также являются важными параметрами при выборе операционного усилителя, особенно когда требуется высокая скорость нарастания тока нагрузки.

Работа с однополярным питанием

Поскольку электронная нагрузка должна демонстрировать линейный отклик от нулевой нагрузки до полной нагрузки при работе от одного напряжения питания, входы, которые качаются на отрицательную шину (в данном случае на землю).

Выход Rail-to-rail необязателен, поскольку MOSFET перестает проводить ток, когда выходное напряжение операционного усилителя становится меньше порогового напряжения затвора V _GS,TH . Тем не менее, операционный усилитель и его источник питания должны быть выбраны таким образом, чтобы затвор MOSFET мог управляться достаточно высоко для достижения максимального желаемого тока нагрузки. Это означает, что выходное напряжение операционного усилителя должно превышать I _{НАГРУЗКА,МАКС} x R _{ЧУВСТВО} + V _GS,TH . Это соображение быстро сужает диапазон подходящих операционных усилителей, поскольку многие высокопроизводительные устройства с однополярным питанием ограничены мощностью +5 В. Доступно меньше операционных усилителей, которые могут принимать напряжение питания +12 В или выше.

Прецизионный операционный усилитель для повышения точности

Прецизионный операционный усилитель обеспечивает более высокую точность зависимости тока нагрузки от входного управляющего сигнала. Это делает нагрузку более удобной и стабильной. Низкое входное напряжение смещения может уменьшить или устранить смещения тока нагрузки, особенно когда управляющий сигнал имеет нулевое напряжение. Низкие входные токи смещения позволяют использовать более высокие сопротивления входа и обратной связи в схеме дифференциального усилителя, что, в свою очередь, улучшает входное сопротивление.

Мониторинг тока

В дополнение к созданию быстрых и точных переходных процессов тока нагрузки полезная электронная нагрузка также включает средства для контроля тока нагрузки. Как правило, это выходной сигнал, который можно подключить к входу осциллографа для обеспечения графической индикации формы кривой тока нагрузки в реальном времени. Если для передачи данных о токе нагрузки используется отдельный усилитель, прецизионный операционный усилитель может уменьшить или устранить необходимость в калибровке. Это особенно полезно для очень высоких токовых нагрузок, когда может оказаться невозможным найти прецизионный шунт, способный работать с полным током нагрузки, что затрудняет или делает невозможной калибровку по внешнему эталону.

Выходной сигнал напряжения или тока

Наиболее простой схемой для контроля тока является суммирующий усилитель, генерирующий выходное напряжение, пропорциональное току нагрузки.

Одним из возможных улучшений является преобразование выхода суммирующего усилителя в источник тока, как показано на рис. 7 . Это обеспечивает выходной ток, пропорциональный току нагрузки. Этот подход имеет некоторые преимущества перед сигналом напряжения. Выходы отдельных источников тока можно легко суммировать, подав их на один резистор на землю, что позволяет нескольким нагрузочным устройствам сообщать общий ток нагрузки без необходимости в дополнительном суммирующем усилителе. Выходы источника тока также менее чувствительны к шуму, создаваемому сдвигами потенциала земли между нагрузочным устройством и измерительным оборудованием, особенно если суммирующий резистор расположен на измерительном оборудовании.

Рис. 7. Транскондуктивный усилитель для контроля тока нагрузки.

Прецизионные операционные усилители для контроля тока

Схема измерения тока или контроля может быть оптимизирована по точности или скорости и полосе пропускания. Первое важно, если электронная нагрузка будет использоваться для измерения эффективности, где должен быть точно известен установившийся ток нагрузки. Последнее важно для анализа переходных характеристик, где форма кривой тока нагрузки имеет решающее значение для точного представления скорости нарастания тока нагрузки.

К счастью, во многих случаях можно достичь хорошего компромисса между скоростью и точностью. Усилители с более высокой точностью обычно имеют меньшую полосу пропускания, в то время как более быстрые усилители обычно имеют более высокие входные напряжения смещения и токи смещения.

Независимо от того, оптимизирована ли схема передачи данных для скорости или точности, конструкция упрощается, если усилитель может работать от одного источника питания. Способность выхода колебаться от рельса к рельсу также имеет решающее значение для конструкций с выходом по напряжению, чтобы обеспечить индикацию состояния низкой нагрузки или отсутствия нагрузки. В конструкции с источником тока (крутопроводимость) может не требоваться выходное напряжение от шины к шине, потому что транзистор истокового повторителя позволит выходному сигналу операционного усилителя оставаться в пределах напряжения шины питания.

Заключение

Когда электрический расчет нагрузки завершен, завершающим этапом проектирования является система охлаждения. Пожалуйста, просмотрите третью часть этого руководства, состоящего из трех частей, чтобы получить дополнительную информацию. Продолжить чтение Часть 3.

Ссылки

1. «Показатель качества» (FOM) — это способ оценки МОП-транзисторов.