Электронные нагрузки АКИП с режимом тестирования LED-драйверов

За последние несколько лет светотехническая аппаратура на базе светодиодов стала самым популярным способом решения вопроса энергосбережения при организации локального освещения. Помимо этого светодиоды широко применяются в аудио- и видеоаппаратуре, промышленности, электронном дизайне, автомобилестроении, бытовой технике и медицине.

Светодиоды обладают целым рядом конкурентных преимуществ: это малое энергопотребление, большой срок службы, прочность, широкая цветовая палитра для различных приложений освещения, безопасность, быстродействие и миниатюрные габариты. Но в отличие 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, и однонаправленным протеканием тока (от анода к катоду). Для того чтобы включить светодиод, к нему нужно приложить напряжение правильной полярности и тем самым обеспечить протекание электрического тока в требуемом направлении.

На рис. 1 приведена схема замещения светодиода и его экспоненциальная вольт-амперная характеристика (ВАХ). Судя по зависимости I(V), 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.

Рис. 1. Схема замещения светодиода и его ВАХ

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 (Io). При «прямом» подключении к источнику питания через светодиод может протекать ток в несколько раз выше номинального. Для того чтобы избежать сгорания светодиода и обеспечить длительный срок его эксплуатации, необходимо использовать стабилизированные по току источники питания, называемые LED-драйверами.

Неотъемлемой частью сертифицированного производства любого современного электронного устройства или его элементов является обязательное тестирование и обеспечение полного выходного контроля готовых изделий. Тестирование LED-драйвера — длительная и дорогостоящая процедура, так как для полноценного тестирования необходимо множество светодиодов с различными характеристиками в одиночном исполнении либо 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 нагрузки — АКИП-1334, АКИП-1335 или АКИП-1336, имеющий, например, режим LED.

Электронные нагрузки — это особый тип оборудования, предназначенный для имитации нагрузки как первичных, так и вторичных источников электропитания (рис. 2). Электронная нагрузка способна не только выступать в роли нагрузочного элемента, как эту роль ранее 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 (табл. 1).

Рис. 2. Общий вид электронной нагрузки АКИП (вверху — модуль АКИП-1134, внизу — шасси 3305F)

Таблица 1. Классические режимы работы электронной нагрузки

Режим работы	Описание	График зависимости
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 необходим при определении характеристик ограничения по току источников питания, его можно применять и для тестирования зарядных устройств, где режим CV эмулирует наилучшее выходное напряжение для зарядки
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 можно использовать 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 = IU = const). При этом изменение напряжения (тока) на выходе источника приведет к изменению силы тока (напряжения), протекающего через нагрузку. Таким образом, мощность, рассеиваемая на нагрузке, остается постоянной
Динамическая нагрузка	В последнее время широкое применение получили нагрузки, при которых сброс и наброс нагрузки происходит практически мгновенно от холостого хода до максимального значения. Например, компьютерный жесткий диск: при работе 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

Режим LED, наряду со стандартным набором режимов, имеют три новые модели электронных нагрузок — АКИП-1334, АКИП-1335 и АКИП-1336.

Основные отличия моделей представлены в таблице 2.

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 токоограничивающего резистора.

Электронная нагрузка имитирует работу светодиода (рис. 3). По зависимости видно, что в режиме LED только при достижении значения больше заданного параметра Vd через нагрузку будет протекать ток.

Рис. 3. Зависимость тока от напряжения в режиме LED

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-фосфат галлия) — 1,2 В; GaP (фосфат галлия) — 1,8 В и т. д. При отсутствии конкретной спецификации для настройки нагрузки можно воспользоваться параметрами тестируемого LED-драйвера:

• Vo — выходное напряжение LED-драйвера;
• Vd — 70–90% от установленного значения 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 тех случаях, когда это условие не выполняется (то есть при Vo<Vd), необходимо ввести дополнительный параметр Rr.

На рис. 4 представлена кривая зависимости I(V) при этом типе подключения.

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%.

Для тестирования светодиода необходимо подключить его к специализированному выходу на передней панели (рис. 5). Для удобства подключения рекомендуется использовать кабель из комплекта поставки. Затем нужно 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 рис. 5, подключить цифровой осциллограф, то можно визуально проконтролировать форму сигнала, а также количественно оценить параметры и спецификации, используя меню измерений.

Рис. 5. Разъем для коммутации цепей в режимах LED, Short и при подключении внешнего монитора

На рис. 6 показаны снимки экрана осциллографа, подключенного к электронной нагрузке, в режиме DIM с различной скважностью выходного сигнала.

Рис. 6. Экран осциллографа, подключенного к электронной нагрузке в режиме DIM (F = 200 Гц; Vp = 1,5 В): а) скважность 10%; б) скважность 75%

Специализированный разъем, показанный на рис. 5, также используют 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 измерять их значения. 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 необходимость использовать внешние короткозамыкатели при тестировании источников питания. В этом режиме значения токов и напряжений короткого замыкания будут отображаться на встроенных индикаторах нагрузки.

Электронные нагрузки АКИП-1334, АКИП-1335 и АКИП-1336 имеют модульное исполнение, и для их работы необходимо управляющее шасси (системный блок). На выбор доступны три типа шасси на различное число модулей: шасси 3300F позволяет установить одновременно до четырех модулей электронной нагрузки; шасси 3302F — один модуль, а 3305F — два. В одном шасси можно комбинировать различные модули нагрузки.

Электронные нагрузки можно комплектовать интерфейсами RS-232, GPIB, LAN или USB для дистанционного управления (ДУ) с внешнего компьютера (опции). В режимах ДУ и программирования электронная нагрузка обеспечивает управление всеми режимами работы и настройками. Программирование организовано при помощи набора команд (язык SCPI). Каждый тип шасси (3302F, 3305F, 3300F) имеет только один слот для установки опциональных модулей ДУ.

Электронные нагрузки АКИП — это современные приборы, которые позволяют проводить тестирование классических источников питания (в статистическом и динамическом режимах), специализированных источников питания светодиодов (LED-драйверов), а также светодиодных ламп под управлением диммера. С помощью встроенных в электронные нагрузки измерительных индикаторов можно минимизировать число других средств измерения, используемых при разработке, тестировании, отладке и проверке продукции.

В настоящее время в соответствии с заявкой проводятся испытания для утверждения типа и внесения электронных нагрузок АКИП-1334, АКИП-1335 и АКИП-1336 в Госреестр СИ РФ.