Что такое активная нагрузка: Какие бывают виды нагрузок

Активная и реактивная мощность. Что это такое?!

Дело в том, что нагрузки, которые подключаются потребителями к электросети , делятся на активные и реактивные.

Активные нагрузки не генерируют реактивную мощность, а полностью поглощают энергию. Это к примеру, лампочки накаливания, электронагревательные тэны, спирали.

Реактивные нагрузки способны не только потреблять энергию, но и часть энергии возвращать обратно в сеть.

Делятся реактивные нагрузки на ёмкостные и индуктивные. К таки видам нагрузок относятся электродвигатели, трансформаторы, дроссели, конденсаторы. Чем же опасен реактивный ток в сети. Чем выше реактивный ток, создаваемый конкретной нагрузкой, тем хуже КПД этой нагрузки, поскольку она не способна потребить весь объём электроэнергии (она не согласована в резонанс), и часть энергии возвращается в электросеть, нагревая проводку за счёт роста реактивного тока, увеличивает уровень электромагнитных помех. Одним словом, энергия тратится впустую, а оплачивать её нужно.  Выпускаются измерительные приборы, к примеру вот такие, как фазометр Д301 , для контроля и настройки согласованности нагрузки с сетью переменного тока. Прибор показывает величину реактивного тока, ёмкостного или индуктивного характера. Если нагрузка правильно скомпенсирована по реактивности, то она становится практически активной, и прибор покажет единицу. Компенсация индуктивных нагрузок производится ёмкостями, а ёмкостных нагрузок индуктивностями. Многие специалисты считают, что в жилом секторе (квартиры, частные дома), компенсировать реактивную энергию не имеет смысла, по той причине, что электросчётчики учитывают только активную электроэнергию. В итоге за реактивную потребитель не платит. Да это так, потребитель оплачивает за активную электроэнергию согласно показаниям прибора учёта, НО! , давайте посмотрим, как всё происходит на самом деле, и, что же насчитывает счётчик активной энергии.Для эксперимента возьмём обычный бытовой холодильник. Хочу сказать, что мне лично не попадалось ни одного холодильника, который бы не имел реактивности, и потреблял как активная нагрузка. Измеренная прибором индуктивная реактивность компрессора, импортного холодильника SAMSUNG, составила 0,8. Это говорит о том, что примерно 20% мощности холодильник генерирует впустую, а потребляет реально от сети около 80% электроэнергии, именно полезной, которая идёт на охлаждение. То есть, говоря народным языком, холодильник взял 100% энергии из электросети, 80% использовал на охлаждение, а 20% вернул обратно в сеть. Но ведь холодильнику нужно охладить свои камеры до строго определённой температуры, установленной в настройках, и он это делает, но продолжительность работы без отключения, у него уже увеличивается на те же 20% потерянной энергии. Что же произойдёт с 20% реактивной энергии. Она будет циркулировать от потребителя к источнику и обратно, нагревая на своём пути провода, превращаясь в бесполезное тепло, создавая бесполезные электромагнитные поля в окружающем пространстве, которые как помеха будут влиять на другие устройства. В итоге, без компенсации реактивной мощности холодильник будет потреблять из сети больше активной электроэнергии, а прибор учёта, будет её подсчитывать. Сразу возникает вопрос, а как же устранить эту реактивность у компрессора холодильника, и сделать его активным близко к 100%. Оказывается совсем не сложно, достаточно параллельно точкам питания компрессора, установить конденсатор, подобрав точно его ёмкость по показаниям прибора. Выход показаний прибора ближе к единице, укажет, что нагрузка стала чисто активной и имеет кпд близкий к 100%. 

особенности оплаты, как найти формулу мощностей

Разбираясь в основных принципах электрики, важно понимать, что представляет собой активная и реактивная нагрузка. Первый тип энергии считается полезным и идет непосредственно на нужды потребителя, например, на обогрев здания, приготовление еды и работу электрических приборов. Вторая разновидность, реактивная, определяет ту часть энергии, которая не применяется для выполнения полезной работы.

• Активная и реактивная мощность
• Емкостные нагрузки
• Реальные потребители
• Оплата электричества
• Полезные советы

Активная и реактивная мощность

Понятия активной и полной мощности могут иметь ряд противоречивых интересов со стороны клиентов и поставщиков. Потребитель пытается сэкономить на электроэнергии, оплачивая счета за расходуемые ресурсы, а поставщик ищет выгодные пути для получения полной суммы за оба типа энергии. Но есть ли способы совмещения таких требований? Да, ведь если свести объемы реактивной мощности к нулю, то это позволит приблизиться к максимальной экономии денежных средств.

Не секрет, что у некоторых потребителей электричества показатели полной и активной мощности сопоставимы. Связано это с тем, что они используют специальные приборы, нагрузка которых осуществляется с помощью резисторов. В их числе:

1. Лампы накаливания.
2. Электрические плиты.
3. Жарочные шкафы и духовки.
4. Обогревательное оборудование.
5. Утюги.
6. Паяльники.

Для определения мощности нагрузок можно использовать знакомую со школьных времен формулу, умножив ток нагрузки на сетевое напряжение. В таком случае будут задействованы следующие единицы измерения:

1. Амперы (А) — указывают на силу тока.
2. Вольты (В) — характеризуют текущее напряжение.
3. Ватты (Вт) — указывают на показатель мощности.

В последнее время все чаще можно замечать такую картину, что на застекленных балконах расположена тонкая блестящая пленка. Ее создают из бракованных конденсаторов, которые раньше использовались на распределительных подстанциях. Как известно, конденсаторы являются главными потребителями реактивной нагрузки, которые состоят из диэлектрика, не проводящего электрический ток (в качестве главного элемента задействуется полимерная пленка или бумага, обработанная маслом).

Для сравнения, у потребителей активной мощности роль главного элемента выполняет проводящий ток материал, такой как вольфрамовый проводник, нихромовая спираль и другие.

Емкостные нагрузки

Пытаясь понять, как найти реактивную мощность, необходимо разбираться в особенностях и принципе действия конденсаторов.

Блестящие поверхности, которые расположены на балконе, являются обкладками конденсаторов из токопроводящего материала. Они отличаются способностью накапливать электроэнергию, а затем передавать ее для потребительских нужд. По сути, конденсаторы используются в качестве своеобразной аккумуляторной батареи.

А если присоединить конструкцию к источнику постоянного тока, это позволит зарядить ее кратковременным импульсом электротока, который со временем потеряет свою мощность. Для возвращения прежнего состояния конденсатора, достаточно отключить его от источника напряжения и подключить к обкладкам нагрузку. В течение какого-либо времени через нагрузку будет подаваться ток. В идеале, конденсатор должен отдать столько энергии, сколько он получил вначале.

Если подключить его к лампочке, это позволит ей на короткое время вспыхнуть, при этом неосторожный человек может даже получить незначительный удар током, если коснется к открытым контактам. Более того, если показатели напряжения довольно высокие, это может привести к фатальному исходу — смерти.

При присоединении конденсаторов к переменному току ситуация выглядит немного иначе. Так как источник переменного напряжения характеризуется свойством постоянно менять полярность, конденсаторный элемент будет постоянно разряжаться и заряжаться, пропуская переменный ток. Однако его значения не будут совпадать с напряжением источника, а составят на четверть периода больше.

Конечные показатели будут выглядеть следующим образом: примерно половину периода конденсатор будет получать электроэнергию от источника, а другую половину — отдавать потребителю. Это значит, что суммарный показатель активной мощности составит нулевое значение. Однако из-за того, что через конденсатор постоянно протекает значительный ток, для измерения которого используется амперметр, его относят к потребителям реактивных мощностей. Формула реактивной мощности вычисляется как произведение тока на напряжение, но в этом случае единицей измерения становится вольт-ампер реактивный (ВАр), а не Вт.

Реальные потребители

Разбираясь, как найти активную мощность, люди задумываются, что будет, если попытаться подключить емкостную и индуктивную нагрузку одновременно и параллельно. В таком случае реакция будет осуществляться противоположным образом, а конечные значения начнут компенсировать себя.

При определенных обстоятельствах можно достичь идеальной компенсации, но выглядит это парадоксально: подключенные амперметры отреагируют на значительные токи, а также их полное отсутствие. Но важно понимать, что идеальных конденсаторов не существует (то же самое касается катушек индуктивности), поэтому идеализация — это условная картина для расширенного понимания процессов.

Что касается реальной ситуации, то в бытовых условиях потребители расходуют чисто активную мощность, а также смешанную активно-индуктивную. В последнем случае основными потребителями являются такие приборы:

1. Электрические дрели.
2. Перфораторы.
3. Электрические двигатели.
4. Холодильники.
5. Стиральные машины.
6. Другая бытовая техника.

К тому же, к таким потребителям относятся электрические трансформаторы источников питания бытового оборудования и стабилизаторов напряжения. При смешанной нагрузке, кроме полезной, потребляется еще и реактивная, при этом ее значения могут превышать показатели активной мощности. В качестве единицы измерения полной мощности используется вольт-ампер.

В электротехнике присутствует такое понятие, как «косинус фи» или коэффициент мощности. Оно указывает на отношение активной мощности к реактивной. При использовании активных нагрузок, сопоставимых с реактивными, показатель cos φ равен 1. При совмещении емкостных и индуктивных нагрузок с нулевой активной мощностью значение «косинуса фи» будет составлять нулевое значение. Если речь идет о смешанных нагрузках, то коэффициент мощности будет варьироваться от 0 до 1.

Оплата электричества

Разобравшись, как найти активную и реактивную мощность, в чем может измеряться такое значение и как описать его простым языком, остается задать логичный вопрос, за что платит реальный потребитель, пользуясь электричеством. Оплачивать полную (реактивную) энергию нет смысла. Однако в этом вопросе существует множество подводных камней, которые кроются в незначительных деталях.

Как известно, смешанная нагрузка способствует повышению тока в электросети, в результате чего могут возникать разные трудности на электростанциях, где происходит выработка электричества синхронными генераторами. Дело в том, что индуктивные нагрузки вызывают «развозбуждение» генератора, а чтобы вернуть его в начальное состояние, придется потратить реальную активную энергию, то есть переплатить массу денежных средств. Есть смысл сделать реактивную мощность платной, так как это заставит клиента компенсировать полную составляющую нагрузок.

Если возникает необходимость оплачивать оба типа мощностей по отдельности, то потребитель может рассмотреть вариант монтажа специальных батарей конденсаторов, которые будут запускаться только по графику при достижении определенного уровня потребления электроэнергии. К тому же, есть возможность выполнить монтаж профессионального оборудования в виде компенсаторов реактивной энергии, которые подключают конденсаторы при росте количества потребляемой мощности. Они эффективно поднимают «косинус фи» с 0,6 до 0,97, то есть практически до отметки 1.

К тому же, согласно текущим нормам, если клиент использовал не больше 0,15 коэффициента мощности, то он освобождается от необходимости выполнять плату за полную нагрузку. Тем не менее, большинство индивидуальных потребителей используют совсем незначительный объем электричества, поэтому проводить разделение счетов на оплату двух типов энергии нецелесообразно.

К тому же, во многих зданиях установлены однофазные счетчики, которые не способны отслеживать расход реактивных электрических нагрузок, поэтому чек за электроэнергию выставляется с учетом израсходованной активной энергии.

Полезные советы

Заниматься компенсированием индуктивных нагрузок не совсем целесообразно, так как среднестатистический потребитель использует незначительное количество активной нагрузки. Да и обустройство приборов, разделяющих потоки, требует больших вложений и выглядит сложно в техническом плане.

Подключенные конденсаторы при отключении нагрузок бесполезно нагружают электропроводку. В некоторых случаях производители счетчиков оснащают их входы компенсационными конденсаторами с индуктивной нагрузкой. При правильной конфигурации такие элементы могут снизить энергопотери, а также немного поднять напряжение на приборе путем уменьшения падения напряжения на проводе подводки.

К тому же, компенсация реактивной энергии позволит снизить уровень токов по всей линии электропитания, что положительно скажется на экономии электричества и предотвратит чрезмерные энергопотери.

Active Electronic Loads [Analog Devices Wiki]

Эта версия (21 октября 2021 г., 15:39) была одобрена Дугом Мерсером. Доступна ранее одобренная версия (10 октября 2021 г., 20:37).

Содержание

• Активные электронные нагрузки

  • Цель:

  • Осторожно:

  • Примечание. Измерение напряжения вне пределов диапазона от 0 до 5 В:

  • Фон:

    • Термостойкая грунтовка:

  • Материалы:

    • Примеры использования M1k в качестве активной нагрузки

    • Примеры использования M2k в качестве активной нагрузки

  • Потребитель тока в замкнутом контуре.

  • Источник тока для отрицательных запасов.

Цель:

Целью этого документа является демонстрация методов, использующих модули ADALM1000 (M1k) и ADALM2000 (M2k) в качестве активных электронных токовых нагрузок для характеристики источников питания, таких как химические батареи, солнечные панели и регуляторы напряжения (источники питания).

Осторожно:

Выполнение испытаний цепей, которые генерируют, работают или используют высокое напряжение, представляет значительную опасность поражения электрическим током, и при работе с такими системами следует соблюдать большую осторожность.

Примечание. Измерение напряжения вне пределов диапазона от 0 до 5 В:

Персональные измерительные приборы (системы сбора данных на базе USB ) обычно поддерживают напряжения в диапазоне от +5 В до -5 В для генерации сигналов, измерения сигналов и источников питания. Некоторые могут иметь встроенные резисторные делители, которые расширяют диапазон измерения входного напряжения до +/- 25 В для M2k. Тем не менее, внешний резистивный делитель напряжения можно использовать для расширения возможностей измерения входного напряжения любого прибора за пределы его указанного расчетного диапазона, например, при использовании пробника с пассивным осциллографом 10X. Чтобы снизить себестоимость платы ADALM1000, были сделаны определенные компромиссы. Один из них заключался в отказе от программируемых диапазонов входного усиления, в которых использовались резисторные делители и, возможно, конденсаторы с регулируемой частотной компенсацией. Это проблематичное ограничение ADALM1000, ограничивающее диапазон входного напряжения от 0 до +5 9 .0073 В

. Пользователи столкнутся с этим ограничением при тестировании цепей, питаемых (как правило, более высокими) напряжениями питания, отличными от встроенных источников питания.

Одно предостережение, прежде чем продолжить!

Перед созданием или тестированием любых цепей, которые генерируют или работают от источников питания за пределами исходного диапазона от 0 до 5 В ADALM1000, вам необходимо защитить аналоговые входы в режимах Hi-Z или Split I/O и расширить полезный диапазон напряжения. Между контактами аналогового ввода-вывода и землей и внутренним источником питания +5 В установлены большие защитные диоды, которые обычно смещаются в обратном направлении, когда напряжение на контактах находится в диапазоне от 0 до 5·9.

0073 В . Если напряжение на штырьке превысит прямое напряжение диода за пределами этого диапазона, диоды, возможно, будут проводить большие токи.

Полную информацию о том, как сконструировать и откалибровать внешние делители напряжения, можно найти в этом документе: Измерение напряжений от 0 до 5 В с помощью ADALM1000 (M1K) Настоятельно рекомендуется прочитать и следовать этому документу, прежде чем пытаться проводить какие-либо эксперименты с цепями, питаемыми от внешнее напряжение от 0 до 5 В .

Фон:

В следующих примерах в качестве тестируемого источника питания показана солнечная панель, но с помощью этих методов можно тестировать любые источники питания, такие как химические батареи, солнечные панели, преобразователи напряжения постоянного тока и источники питания. Используя транзистор, BJT или MOS, в качестве стока тока, можно использовать резисторы с меньшим номиналом в плече эмиттер / исток. Большая часть мощности может рассеиваться в транзисторе, а не в резисторе.

Термостойкая грунтовка:

Ток, протекающий через любой «черный ящик», умноженный на падение напряжения на этом ящике, равен входной мощности, которую нужно будет каким-то образом вывести. В случае активной нагрузки (или любой нагрузки в этом отношении) мощность уходит в виде тепла. (Если «нагрузкой» является светодиод, часть этой мощности будет уходить в виде света, если это двигатель, мощность может уходить в виде механической энергии через вращающийся вал.)

Еще до того, как мы начнем создавать какие-либо схемы активной нагрузки, мы знаем, что нам придется избавиться от потенциально большого количества тепла. Силовые транзисторы и регулятор LT3080 из комплекта деталей ALP2000 находятся в очень обычном корпусе T0-220 с выступом для крепления к радиатору, как показано ниже.

Сверхмощные радиаторы TO-220

Другие определяющие термины:

Термическое сопротивление – Сопротивление потоку тепла, выраженное как повышение температуры из-за данной мощности, протекающей через сопротивление.

T _J – Температура перехода – Температура «важной части» кремниевого кристалла. Соединение должно поддерживаться ниже определенной температуры, чтобы деталь функционировала должным образом. Он крепится к металлическому выступу внутри детали и заключен в пластиковый корпус.

T _AMBIENT – Температура окружающей среды – температура окружающей среды вдали от детали.

T _C — Температура корпуса — температура интерфейса между корпусом и радиатором или печатной платой.

Эти, казалось бы, простые термины на самом деле довольно трудно измерить. Измерение «окружающего» не так уж и плохо; можно использовать соответствующий термометр для измерения температуры тепловой массы, в которую часть отдает тепло, часто это воздух в помещении. А как же “дело”? Температура корпуса определяется как температура большого куска металла (например, меди или алюминия), к которому оптимально крепится корпус. Он представляет собой теоретическое минимальное тепловое сопротивление, недостижимое в реальных приложениях (для большинства корпусов устройств). Таким образом, хотя верхняя часть упаковки устройства буквально является частью корпуса, измерение ее температуры НЕ является «температурой корпуса».

Это описание из Vishay Application Note 827 иллюстрирует этот момент: «Для сборки MOSFET/радиатора была использована специально разработанная сборка радиатора из медного блока (4 дюйма x 4 дюйма x 0,75 дюйма) для имитации бесконечного нагрева. раковина, прикрепленная к корпусу прибора ТО-220».

Температура перехода — это, как следует из названия, температура рабочего полупроводникового перехода в устройстве, которых в действительности может быть много переходов в сложной схеме. И именно эту температуру необходимо поддерживать ниже максимально указанной; при превышении не гарантируется надлежащая работа устройства. Но обратите внимание, что если ваше устройство не имеет встроенного датчика температуры (а некоторые из них имеют), трудно измерить температуру перехода напрямую.

Обратите внимание, что максимальная температура перехода может быть намного выше точки кипения воды — слишком горячей для прикосновения. Таким образом, использование пальца для проверки достаточности охлаждения цепи не только опасно, но и совершенно неточно. Так как же используются эти числа? Цель состоит в том, чтобы сохранить пересечение ниже максимально допустимого. Таким образом, мы можем использовать информацию о том, сколько мощности рассеивается в части (рядом с соединением) и тепловом сопротивлении воздуху, чтобы рассчитать, насколько горячим будет соединение.

T _J = T _{ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА} + P _D * Θ _JA

Где P _D — рассеиваемая мощность.

Одна очень полезная ментальная модель состоит в том, чтобы думать о тепловых сопротивлениях как об электрических сопротивлениях, например:

1°С/Вт = 1 Ом

1 Вт рассеяния = 1 А тока, проходящего через сопротивление

1 В = повышение температуры на сопротивлении на 1 °C.

Материалы:

Аппаратный модуль ADALM1000 (M1k)
Аппаратный модуль ADALM2000 (M2k)
Силовой транзистор TIP31 NPN
Силовой транзистор IRF510 NMOS
Силовой резистор 6,2 Ом и/или различные другие резисторы
Радиатор TO-220

Примеры использования M1k в качестве активной нагрузки

В следующих примерах в качестве тестируемого источника питания показана солнечная панель. Могут быть протестированы и другие источники питания, такие как преобразователи постоянного тока в постоянный с импульсным режимом или даже химические батареи.

Рисунок 1. Оба канала M1k в качестве стока активного тока BJT.

Поскольку напряжение тестируемого источника питания, вероятно, превышает допустимый входной диапазон M1k от 0 до 5 В , при измерении напряжения необходимо использовать делитель напряжения. Резистор R ₁ и R ₂ используется в сочетании с входным сопротивлением 1 МОм входа BIN модуля M1k (в режиме разделения ввода/вывода). Используя только один резистор 1 МОм R ₁ и исключив R ₂ , мы получаем делитель напряжения на 2 для 0-10 В 9Диапазон 0072. Включая второй резистор на 1 МОм, R ₂ , образует делитель напряжения на 3 для диапазона от 0 до 15 В . Даже более низкие значения для R ₂ позволят измерять еще большие напряжения. Дополнительные примеры см. на этой странице, посвященной измерению напряжений от 0 до 5 В с помощью M1k.

Точно так же напряжение тестируемого источника питания превышает выходной диапазон от 0 до 5 вольт источника напряжения канала A. Транзистор NPN Q ₁ (силовое устройство TIP31 с соответствующим радиатором), подключенный в качестве усилителя с общей базой, используется для передачи эмиттерного тока от нагрузочного резистора, R _E1 , к коллектору над рейкой +5 вольт (напряжение на базе). Этот ток от коллектора вытекает из тестируемого источника питания. Фактический ток, подаваемый тестируемым источником питания, ток коллектора, будет немного меньше, чем измеренный ток эмиттера, на величину β Q ₁ . В большинстве случаев это будет небольшая ошибка, и ею можно пренебречь, но можно использовать силовой NPN Дарлингтона, чтобы еще больше уменьшить потери тока. Точное значение R _E1 не имеет значения, поскольку M1k непосредственно измеряет ток в CHA. Текущая пропускная способность одного канала M1k ограничена 200 мА . Если второй канал используется вместе со вторым эмиттерным резистором, R _E2 на рисунке 1, максимальный ток потребления может быть удвоен до 400 мА .

Взяв несколько спецификаций из таблицы данных TIP31, мы знаем, что максимальный ток коллектора составляет 3 ампера, максимальное напряжение коллектор-эмиттер составляет 40 вольт. Это означает, что максимальная рассеиваемая мощность составляет 120 Вт. Максимальная температура перехода составляет 150°C. Начиная с температуры окружающей среды 25°C, разница температур составляет 125°C. Суммарное тепловое сопротивление теплоотвода от перехода к окружающей среде должно быть менее 1,9 Ом. 0220 или К/В. В этом конкретном сценарии применения ток ограничен 400 мА , возможными для M1k, поэтому максимальная мощность при 40 В будет составлять 16 Вт. Суммарное тепловое сопротивление радиатора от перехода к окружающей среде должно быть менее 7,8125 ^o Кл/Вт.

На рисунке 2 мы заменили силовое NMOS-устройство M ₁ силовым NPN-устройством. В транзисторе NMOS нет потери тока на выводе затвора, поэтому фактический ток, подаваемый тестируемым источником питания, ток стока, будет таким же, как измеренный ток источника. Как и на фиг.1, второй канал можно подключить параллельно, используя второй R _S для удвоения максимального тока.

Рис. 2. Один канал M1k в качестве активного стока тока NMOS.

При характеристике источников питания, таких как солнечные панели, одной из характеристик является ток короткого замыкания. В то время как тестовые конфигурации рисунков 1 и 2 допускают напряжение более 5 вольт, они не позволяют нагружать панель при 0 вольтах (короткое замыкание , т.е. ). На рисунке 3 минусовая клемма панели перенесена на фиксированную +5 В выход M1k. Так же, как регулируемые каналы AWG M1k, фиксированный выход 5 В может как генерировать, так и потреблять до 200 мА . В этой конфигурации ток в канале А может быть увеличен до точки, при которой напряжение, измеренное на положительной клемме панели, также равно +5 В , как и на отрицательной клемме. Теперь на панели будет 0 В , и это будет ток короткого замыкания.

Рисунок 3. Переместив отрицательную клемму солнечной панели на шину +5 В, можно измерить 0 В ток короткого замыкания.

Примеры использования M2k в качестве активной нагрузки

Для сравнения, модуль M2k можно использовать аналогично активной электронной нагрузке. M2k не может напрямую измерять ток, поэтому дифференциальные входы канала 1 используются для измерения напряжения на нагрузочном резисторе эмиттера и, таким образом, для расчета тока на основе известного значения R _E . Кроме того, каналы AWG M2k включают в себя внутренний резистор 50 Ом и могут обеспечивать только до 50 Ом.0212 мА тока. Это заставляет нас управлять базой силового NPN-устройства Q ₁ с источником AWG W1, а не эмиттером (как усилитель с общим эмиттером). Как показано на рис. 4. M2k имеет выбираемый внутренний резисторный делитель 10X, поэтому внешний делитель напряжения R ₁ /R ₂ здесь не потребуется для напряжений менее +25 В .

Рисунок 4. M2k управляет приемником активного тока BJT.

На рис. 5, как и на рис. 2, мы заменили силовое NMOS-устройство M ₁ , для устройства питания NPN. В транзисторе NMOS нет потери тока на выводе затвора, поэтому фактический ток, подаваемый тестируемым источником питания, ток стока, будет таким же, как измеренный ток источника.

Рис. 5. M2k в качестве стока активного тока NMOS.

Потребитель тока в замкнутом контуре.

Показанные до сих пор примеры являются разомкнутой цепью, в которой устанавливается напряжение (на резисторе) и измеряется результирующий ток. В приемнике тока с замкнутым контуром установленное напряжение активно форсируется через известный резистор R9.0118 E , например 1 Ом, чтобы обеспечить регулируемый ток. К предыдущим примерам можно добавить операционный усилитель для получения управляемого стокового тока, как показано на рисунках 6 и 7. Выходной стоковой ток будет равен Vset / R _E . КМОП ввода/вывода Rail-Rail AD8542 является хорошим выбором в этом примере. В этих примерах показано использование силового NPN-транзистора, но с таким же успехом можно использовать силовой NMOS-транзистор.

Рис. 6. Потребитель активного тока замкнутого контура M1k.

Рис. 7. Потребитель активного тока замкнутого контура M2k.

Источник тока для отрицательных запасов.

Для тестирования отрицательных источников питания, которые относятся к земле, необходима активная нагрузка источника тока. Чтобы превратить любой из этих примеров положительного (напряжения) тока в источник отрицательного (напряжения) тока, просто замените транзистор NPN / NMOS на устройство PNP / PMOS. На рис. 8 показано, как можно перевернуть рис. 2, чтобы проверить отрицательный источник питания. Аналогичным образом можно преобразовать любой из предыдущих примеров типа N.

Рис. 8. Отрицательный активный источник тока.

Для дальнейшего чтения:

Активная нагрузка
А, замкнутый контур, широкополосный, 100 А, активная нагрузка

Вернуться к содержанию лабораторной работы

университет/курсы/туториалы/alm-active-loads.txt · Последнее изменение: 21 октября 2021 г., 15:39, автор: Doug Mercer

Усилитель на МОП-транзисторах с активной нагрузкой отображается правильно, пожалуйста, используйте вид рабочего стола

Усилитель MOSFET с активной нагрузкой — это усилитель MOSFET, который использует активную нагрузку для определенной цели. По одной из основных причин активная нагрузка может увеличить коэффициент усиления усилителя вместо использования пассивной нагрузки, которая потребляет только энергию. Этот активный элемент, который используется в качестве нагрузки, известен как активная нагрузка.

Усилитель MOSFET с активной нагрузкой

Что такое активная нагрузка?

Активная нагрузка — это элемент, компонент или цепь, которые действуют как стабильный по току нелинейный резистор.

Для лучшего понимания взгляните на приведенный ниже обычный усилитель MOSFET с пассивной нагрузкой (резистор).

По сравнению с тем, что мы хотим узнать, усилитель MOSFET с активной нагрузкой ниже.

Выход нашего усилителя MOSFET с активной нагрузкой будет дополнительно усилен расчетным путем.

Почему нам необходимо использовать активную нагрузку для усилителя MOSFET

Современные усилители используются для интегральной схемы.

Даже если у нас есть возможность выбирать между BJT или MOSFET для создания усилителя на интегральной схеме, усилители на MOSFET более эффективны для построения интегральной схемы. Этот усилитель на интегральной схеме имеет некоторые преимущества и недостатки, такие как:

Преимущества:

• Схема может быть небольшой и недорогой
• Источник тока легко достать и использовать

Недостатки

• Схема будет довольно сложной невозможно, так как мы не можем сделать большой конденсатор
• Трудно сделать резисторы в интегральной схеме, поэтому мы используем транзистор в качестве нагрузки (активной нагрузки)

Усилитель MOSFET с активной или пассивной нагрузкой?

Чтобы полностью понять, почему мы используем активную нагрузку в усилителе MOSFET, нам нужно сначала понять это с пассивной нагрузкой. Обратите внимание на усилитель MOSFET с общим истоком и резистором, R _D ниже.

Как показано выше, общий коэффициент усиления NMOS-усилителя с общим истоком может быть рассчитан как

Где:
А _В = коэффициент усиления по напряжению
г _м = крутизна стока D8 R R сопротивление
r _o = выходное сопротивление

Из приведенного выше простого уравнения для увеличения коэффициента усиления нам нужно увеличить либо R _D , либо g _m . Но увеличение R _D приведет к снижению напряжения на стоке, поэтому полевой МОП-транзистор может работать в области насыщения.

С другой стороны, увеличение крутизны (g _m ) за счет увеличения тока стока (I _D ). Но увеличение тока стока приведет к большему рассеиванию мощности. Мало того, падение напряжения на резисторе R _D увеличится. Этот результат на MOSFET перестал работать в области отсечки.

Использование пассивной нагрузки создает небольшую проблему, связанную с обеспечением работы полевого МОП-транзистора в активной области в качестве усилителя. Конечно, мы можем увеличить напряжение источника питания, чтобы произвести усиление в некоторой степени. Но этот подход неэффективен для современных приложений, таких как интегральные схемы, где нам нужно делать все меньше и меньше.

Усилитель на МОП-транзисторах с активной нагрузкой и источником тока

Посмотрите на NMOS-усилитель с идеальным источником тока ниже.

Как и прежде, мы по-прежнему будем использовать NMOS с источником тока для замены сопротивления стока (R _D ).

Таким образом, усилитель смещается от источника тока. Конечно, поскольку источник тока генерирует энергию, он является активным элементом.

Учтите, что источник тока идеален, мы можем получить несколько преимуществ, таких как:

• Ток смещения стабилен и не зависит от параметра схемы, поскольку он обеспечивает подачу тока с требуемым значением независимо от нагрузки. .
• Источник тока имеет бесконечное выходное сопротивление.

Поскольку мы используем идеальный источник тока, нам нужно переписать коэффициент усиления по напряжению как

Где:
г _м = крутизна
r _o = выходное сопротивление

RD, поскольку мы не используем ‘RD замените его текущим источником. Просто для другой информации, мы также можем заменить источник тока разомкнутой цепью, поскольку он имеет бесконечное сопротивление.

Почему мы используем источник тока для усилителя в качестве активной нагрузки

Максимальное усиление, которое мы получаем от усилителя, зависит от его конфигурации. Если мы используем источник тока, его коэффициент усиления значительно возрастет. Этот источник тока используется для смещения в интегральной схеме. По сути, мы также можем использовать схему токового зеркала, но ее импеданс еще больше уменьшит коэффициент усиления.

Поскольку на практике не существует «идеальных» условий, наш источник тока также имеет конечный импеданс или сопротивление, как показано ниже, где r _o — выходное сопротивление.