Простая электронная нагрузка 650 Вт на основе преобразователя RIDEN

Эта статья — не обзор товара, а описание переделки источника питания RD6006 в устройство для тестирования источников питания — мощную электронную нагрузку. Проект делал чисто для себя, он вряд ли подходит для повторения, но возможно какие-то отдельные моменты или технические решения кому-то окажутся полезными.

Среди людей, занимающихся электроникой, преобразователи Riden RD хорошо известны и популярны, здесь было уже немало подробных обзоров на практически все модели линейки RD60XX. В моих статьях эти устройства также можно увидеть, я ими постоянно пользуюсь и мне они нравятся за качество, функциональность и удобство управления. За шесть лет с момента выпуска первой версии модельный ряд существенно расширился, на данный момент в линейке уже одиннадцать моделей. Однако в основном развитие шло за счёт масштабирования и увеличения выходного тока, так что, несмотря на разнообразие, все модели RD — это понижающие преобразователи/источники питания, никаких других устройств в таком формфакторе компания Ruideng до сих пор не выпустила. Хотя, на мой взгляд, дополнить линейку устройств мощной электронной нагрузкой было бы логичным шагом — и просторный металлический корпус, и панель управления отлично для этого подходят и могут быть унифицированы, а модульная конструкция и разные варианты комплектации, как и с линейкой RD60XX, стали бы дополнительным плюсом для радиолюбителей.

Мне такая нагрузка также была бы интересна, периодически приходится тестировать различные АКБ и блоки питания, и двух моих нагрузок, 400-ваттной от Unit и старой самодельной на 250 ватт, иногда бывает недостаточно. Конечно, модели с мощностью больше 400 ватт есть в продаже, но они либо слишком дорогие, либо слишком примитивные по конструкции и возможностям. Ну а раз нет возможности купить устройство с нужными параметрами, то остаётся только собрать его самому. Но, как это часто бывает, идея эта долго откладывалась и не доходила до практической реализации, пока в мои руки не попал преобразователь RD6006 с неисправной силовой частью — после диагностики было решено его не восстанавливать, а попробовать сделать на его основе мощную электронную нагрузку.

Вообще, мысль о том, что панель управления RD можно использовать и с другими устройствами, появилась у меня очень давно, ещё после покупки и изучения первого такого преобразователя. Почему это вообще возможно? Если кратко, то по двум причинам: во-первых, панель управления, судя по всему, с самого начала проектировалась как универсальная и унифицированная для разных моделей, поэтому подключить её очень просто. Ну и во-вторых, панель имеет все необходимые функции для управления простыми устройствами, типа БП или нагрузки. Думаю, такой модуль в комплекте с корпусом мог бы быть отличной заготовкой для многих любительских конструкций, если бы не относительно высокая цена и отсутствие исходников прошивки в открытом доступе. 

Напомню конструкцию модулей RD60ХХ (здесь и далее речь пойдёт только о моделях без индекса «P», их схемотехника сильно отличается):

В корпусе установлены две основные платы, силовая и плата управления. На верхней плате размещены все основные компоненты преобразователя с ШИМ-контроллером, драйвером и системой охлаждения, реле для подключения аккумуляторов, предохранители, вспомогательные преобразователи и стабилизаторы цепей питания, шунт и операционные усилители для измерения напряжения и тока. Силовые платы у разных моделей линейки разные, платы же управления с экраном и корпусом одинаковые и отличаются по сути только прошивкой контроллера. На управляющей плате находится микроконтроллер STM32F103 с обвязкой, экран, кнопки, USB с гальванической развязкой, батарейка для часов реального времени и разъёмы для соединения с силовой платой и для подключения субмодулей Wi-Fi/RS485. Плата управления может работать полностью независимо от силовой, для её работы нужно только питание 5 вольт. 
Подключение к силовой плате очень простое, все аналоговые сигналы однополярные, имеют общую землю и привязаны к диапазону питания контроллера (0-3,3 В). На фото подписано назначение каждого вывода:

Микроконтроллер формирует с помощью ШИМа два опорных напряжения (V-set, I-set) для задания уставок напряжения и тока, измеряет выходные напряжение и ток (V-mon, I-mon), измеряет напряжения на входе (Vinput), на разъёме для заряда аккумуляторов (V-bat), на двух терморезисторах, управляет реле и вентилятором. Этого небольшого набора функций вполне достаточно для управления простой электронной нагрузкой, а большое количество настроек в прошивке позволяет гибко адаптировать устройство под большинство сценариев использования.

Так как устройство создавалось в качестве эксперимента, я в самом начале решил отказаться от большей части своих задумок и собрать пусть и предельно простую, но зато рабочую конструкцию :) Поэтому ТЗ получилось такое:
-режимы работы — CC и CV, как наиболее простые в реализации,
-ток до 20 ампер,
-мощность 600+ ватт, соответственно минимум 8 каналов с транзисторами в TO-247,
-однополярное питание.
 

Принципиальная схема

После некоторого времени моделирования в симуляторе получилась вот такая принципиальная схема (чтобы не было лишней путаницы, привожу уже финальную версию, после всех доработок и исправлений в процессе отладки. Здесь и далее все картинки увеличиваются при нажатии):

В верхней части собственно сама нагрузка — восемь одинаковых силовых модулей, общие цепи управления и питания; в нижней — то, что осталось на плате преобразователя, изменённые/добавленные детали отмечены красным. Для управления нагрузкой используется минимальное количество сигналов: два опорных напряжения для задания уровней тока и напряжения, сигнал с выхода ОУ, измеряющего входное напряжение — для работы обратной связи в режиме CV, и сигнал с ключа реле для включения нагрузки; в преобразователе это реле подключало отдельный терминал для заряда батарей. Цепи измерения напряжения и тока остались практически без изменений. Питается вся схема от однополярного источника 12 В, общий ток потребления примерно 130-140 мА. Линейный стабилизатор 9 В служит для питания всех ОУ платы нагрузки, от стабилизатора 5 В запитана панель управления RD.

Рассмотрим отдельные фрагменты схемы поподробнее:

Один из силовых модулей. Это простейший управляемый генератор тока на ОУ, с отдельным усилителем напряжения с шунта. Схема поддерживает на резисторах шунта напряжение, пропорциональное управляющему напряжению на входе v_prog. Эту часть я с минимальными изменениями заимствовал из своей старой аналоговой нагрузки на 250 ватт, которая без проблем работает уже несколько лет. Один такой модуль рассчитан на максимальный ток 2,5-3А (ток задаётся в основном сопротивлением шунта), можно параллельно соединять любое разумное количество таких секций, в старой нагрузке их было четыре, здесь мощность намного больше, поэтому секций восемь. Для управления служат цепи v_prog и v_off, напряжение v_prog задаёт ток через транзисторы, высокий уровень в цепи v_off закрывает транзисторы и выключает нагрузку.

Резисторы датчика тока сопротивлением 160 мОм, по две штуки параллельно на каждый канал. От стабильности их сопротивления зависит стабильность тока всей нагрузки, поэтому важно, чтобы эти резисторы не перегревались и имели минимальный температурный коэффициент сопротивления (ТКС); от точности номиналов зависит только балансировка тока по каналам, поэтому высокая точность здесь не критична. Я применил выводные металлопленочные резисторы Yageo MFR200JT-73 мощностью 2 Вт, заявленный ТКС ±100 ppm/°C, измеренный около 55 ppm в диапазоне 25-100°C, для сравнения, у обычных «синих» резисторов с али ТКС, как правило, в районе 150-300 ppm/°C. При максимальном расчётном токе 2,5 А на канал на резисторах будет рассеиваться по 0,25 Вт на каждый, так что запас по мощности есть.

Напряжение с датчика тока усиливается в 15 раз с помощью дифференциального усилителя U201.2, таким образом, оно приводится к диапазону управляющих напряжений с платы управления (0-3 В). Применение дифусилителя позволяет измерять напряжение непосредственно на выводах резисторов, без учёта падения на дорожках, это уменьшает погрешности, связанные с разводкой шины земли, что для большого количества каналов может быть критично. Резисторы в обвязке дифусилителей с точностью 0,1%, хотя вполне можно было отобрать пары из обычных 1%. Резисторы 10 МОм служат для создания небольшого положительного смещения, без них при однополярном питании будет мёртвая зона на малых токах.

Большинство операционных усилителей в схеме нагрузки типа TPA1862-SR (даташит). Это недорогие прецизионные ОУ от китайского производителя 3Peak с отличными характеристиками:

Низкий уровень шума и тепловой дрейф напряжения смещения всего 10 нВ/°С позволяют использовать их в качестве усилителя датчика тока. Я разводил плату под двухканальные ОУ, выпускаются также 4-канальные (TPA1864) и одноканальные (TPA1861, TP27) версии. В принципе, схема способна работать даже с LM358, но точность и стабильность будут заметно хуже, также придётся пересчитывать параметры коррекции для обеспечения необходимого запаса устойчивости.

В качестве силовых применил транзисторы STW20NM60 (600 вольт, 20 ампер, 0,26 ом), которые покупал несколько лет назад на али, стоили порядка $8 за 20 штук. Транзисторы б/у, похожи на оригинальные и вполне рабочие, по даташиту максимальная рассеиваемая мощность около 100 ватт при температуре подложки Тс 100°C. По ОБР в линейном режиме ситуация неоднозначная, в ранних версиях даташита ОБР для постоянного тока указана без ограничения на высоких напряжениях и допустимая мощность около 180 Ватт при Tc=25°C:

Но в более поздних графики общие для разных корпусов и линейный режим пропадает. Есть версия даташита, где для корпуса TO-247 графика ОБР вообще нет ¯\_(ツ)_/¯ Впрочем, аналоги таких транзисторов этого поколения неплохо работают в линейном режиме и не склонны к тепловому разгону, по крайней мере, на невысоких напряжениях. Я тестировал такие транзисторы при мощностях около 100 ватт и напряжении 40 В и они без проблем работали, в любом случае, ничто не мешает в будущем заменить их на что-то более подходящее, ну а пока буду тестировать работу с этими.

Один транзистор из партии заметно отличался по Vgs(th) и Rds(on) от остальных, ради интереса разобрал:

Площадь кристалла около 30 мм². Фото на пределе макро-возможностей моей камеры, по-хорошему здесь нужен микроскоп, но даже так можно разглядеть структуру поверхности. Если вы знаете, как выглядит кристалл оригинального STW20NM60, можете сравнить.

Для защиты от случайной переполюсовки силовые модули включены через диоды Шоттки, это немного повышает минимальное рабочее напряжение, что для меня не так критично; зато такое решение позволяет безопасно тестировать аккумуляторы и не сжигать шунты нагрузки при случайной ошибке подключения.

На ОУ U103.1 собран усилитель ошибки режима CV. Когда входное напряжение достигает установленного порога, этот ОУ повышает напряжение на шине v_prog, увеличивая ток через транзисторы; таким образом напряжение стабилизируется. При реализации этого режима сознательно пошёл на некоторые компромиссы, например, ограничение тока в CV не регулируется и установлено на уровне 20-22 А, работают только программные триггерные защиты по превышению максимального тока и мощности.
R102/C107 и R103/C110 образуют дополнительные ФНЧ для опорных напряжений.

Ещё один фрагмент, здесь на U104.2 собрана схема включения нагрузки, в качестве управляющего сигнала используется цепь управления реле на плате RD6006; при нажатии кнопки активации выхода в этой цепи появляется высокий уровень 3,3 В, это переключает компаратор U104.2 и снимает блокировку работы. 
На компараторе U104.1 собрана схема защиты от включения без напряжения, она принудительно закрывает транзисторы при входном напряжении менее ~0,5 В. Без этой схемы включенная нагрузка без напряжения на входе будет полностью открывать транзисторы, и подключенный источник на короткое время окажется в КЗ, что может быть нежелательным как для источника, так и для самой нагрузки, как минимум могут обгореть клеммы. Светодиод для индикации работы блокировки, поставил просто для отладки.

Удивительно, но даже в моделях RD6024 и RD6030 на 24 и 30 ампер не реализовано четырёхпроводное подключение для компенсации падения на силовых проводах. В нагрузке я этот недостаток попытался устранить. Обычно в промышленных нагрузках режимы работы 2w/4w выбираются либо установкой перемычек в разъёме, либо переключателем, либо реле с управлением из меню. Я просто подключил измерительные цепи ОУ напряжения к отдельному разъёму на передней панели, а силовые клеммы соединил с ними через слаботочные самовосстанавливающиеся предохранители: 

Такой способ вносит небольшую погрешность в измерения и не может компенсировать слишком большое падение на силовых проводах (больше 1,5-2 вольт), зато не требуется ничего переключать и схема не боится ошибочного подключения или обрыва измерительных проводов. Была мысль использовать специальный разъём с переключающимися контактами для коммутации входов ОУ, но ничего подходящего у меня не нашлось, отложил эту идею. 

Конструкция

Система охлаждения это самая крупная деталь, определяющая компоновку всего устройства. В промышленных нагрузках чаще всего используется радиатор в виде тоннеля, через который вентилятор прокачивает воздух; я решил не изобретать велосипед и сделать так же. Корпус Riden имеет внутреннюю высоту 85 мм, это позволяет использовать самые распространённые вентиляторы 80х80. По длине система охлаждения может быть до 250-260 мм; исходя из этого решил делать радиатор с габаритами 80х80х200 мм, тем более что подходящие железки у меня были.

Определившись с размерами радиатора, можно заняться платами. Возиться с самостоятельным изготовлением печатных плат я не люблю, к тому же ЛУТ накладывает некоторые ограничения на трассировку, поэтому платы сразу планировалось заказывать на производстве. Плату спроектировал таким образом, чтобы вписаться в ограничения минимального заказа в Китае (5 штук размером не более 100х100 мм). Получилась вот такая платка размерами 80х100 мм, на ней размещаются два силовых модуля с мосфетами и диодной сборкой, схема управления и сопряжения с платой RD, линейные стабы питания и входной разъём. Трассировка дорожек и контактных отверстий предусматривает сопряжение нескольких плат друг с другом, в любом порядке; на радиаторе устанавливаются четыре таких платы, по две с каждой стороны, на одной распаиваются все детали, на трёх остальных только детали силовых модулей. Таким образом, за примерно 9 долларов получаем полный комплект плат для нагрузки + 1 запасную.

(Здесь на картинке плата уже со всеми доработками и изменениями схемы, но заказывал немного другую версию. Также, если бы я заказывал сейчас, убрал бы отверстия для сквозного соединения плат через радиатор и предусмотрел открытые прорези вместо отверстий под выводы транзисторов, для упрощения их замены).

Сборка

Система охлаждения собрана из алюминиевого уголка толщиной 5 мм и обрезков радиаторного профиля, конструкция думаю понятна по фото. Профиль с толстыми и высокими рёбрами с шагом 8 мм, не совсем оптимален для такого применения и предназначен скорее для конвекционного охлаждения, но покупать что-то специально для нагрузки не хотелось, поставил в порядке эксперимента.

Вентилятор типоразмера 80х80х38, с высокой производительностью и статическим давлением, при 12 В потребляет около 1,5 А и разгоняется до 7700-7800 об/мин. Отлично отбалансирован, не вибрирует. Покупался когда-то давно на али.

Размеры получившегося радиатора 80х90х200 мм, вентилятор и ограничительная рамка сзади добавляют ещё примерно 50 мм длины. Вес около 2 кг.

60 отверстий, из них 48 с резьбой, замучался их размечать и сверлить))

Подготавливаем корпус, пропиливаем отверстие дыру для выхода нагретого воздуха:

Корпус S06, которым раньше комплектовались шестиамперные модели, не очень хорошо подходит для переделки, так как отверстия под сетевой разъём и выключатель  у него расположены ближе к центру. Чтобы всё поместилось, пришлось заменить штатный сетевой разъём на более компактный и перенести его в угол задней панели. Сейчас преобразователи идут с корпусами S400/S800, у которых отверстия под вентилятор, выключатель и разъём размещены более оптимально.

Предварительная примерка в корпусе, вроде всё помещается:

Для питания применил качественный фирменный БП на 12 вольт от TDK-Lambda. Не то чтобы здесь это было так уж критично, просто он у меня был)

Справа видна платка с индикатором, это готовый модуль контроллера вентилятора с 4-проводным подключением:

Удобная платка, позволяет плавно управлять оборотами вентилятора в зависимости от температуры датчика, легко настраивается, при работе на индикатор выводится температура и обороты по данным тахометра. Не хватает только крепежных отверстий.

Транзисторы крепятся к радиатору без изолирующих прокладок, поэтому радиатор приходится изолировать от корпуса пластиковыми прокладками, а крепёжные винты — втулками.

Параллельно подготовил плату RD6006: удалил все ненужные детали, распаял и закрепил шлейф, подключил силовые провода, замкнул перемычкой выводы плюсового и батарейного терминалов, заменил резистор в цепи измерения входного напряжения — чтобы отключить защиту от нештатного входного напряжения. 

Вместо ненужного больше разъёма для зарядки батарей установил гнездо RCA для измерительных проводов 4-проводной схемы подключения. Не самый лучший выбор, так как гнездо неизолированное, и можно случайно его закоротить на одну из клемм, но другие варианты невозможно было установить без рассверливания передней панели, а мне этого делать не хотелось. 

Основные изменения затронули токоизмерительный шунт. Во-первых, я перевернул его включение, так как в нагрузке, по сравнению с БП, ток течёт в противоположном направлении. Теперь общая земля всего устройства (верхние, по фото, выводы резисторов шунта) соединена с минусовым терминалом. Ну и конечно, нужно изменить номиналы резисторов, ведь максимальный расчётный ток теперь 20 А. Штатно здесь в RD6006 стоят два резистора по 30 мОм, что при токе 6 А даёт падение 90 мВ и мощность на одном резисторе 0,27 Вт. Я поставил резисторы такого же типа и мощности, но сопротивлением 8 мОм, соответственно при 20 А получаем 1,6 Вт или по 0,8 Вт на каждый, что вполне допустимо для трёхваттных резисторов, особенно с учётом улучшенного теплоотвода через пропаянные полигоны.

Было/стало:

Тем временем приехали заказанные платы, и можно переходить к предварительным испытаниям и отладке, для проверки работы собрал одну плату и подключил к панели управления:

В основном всё заработало сразу, но некоторые моменты при разработке схемы я не учёл, пришлось вносить изменения, например, был полностью переделан узел, отвечающий за включение/отключение нагрузки. Платы перезаказывать не стал, навесной монтаж на соплях — это база))

После всех доработок можно наконец-то полностью собрать платы, смонтировать на системе охлаждения и соединить между собой. Транзисторы и диоды установил на термопасту GD900. На двух транзисторах закреплены термодатчики, один подключается к плате контроллера вентилятора, второй к плате управления и служит для индикации и работы защиты от перегрева. Готовый модуль нагрузки в сборе:

Изначально планировал силовые соединительные провода между платами пропускать насквозь через радиатор, но потом от этой идеи отказался — провода внутри ухудшают продувку рёбер радиатора, да и подключать их сложнее.

Завершаем сборку. Удивительно, волшебный белый дым при включении почему-то не вышел, наверно что-то сделано неправильно. Осталось только выставить все необходимые настройки в прошивке и откалибровать.

Ещё фото собранного устройства без крышки:

Ну и немного фотографий электронной нагрузки в сборе:

Для нагрузки и других устройств Riden заказал комплектные силиконовые накладки. Они оказались очень удобными, практически не скользят по столу и позволяют ставить устройства друг на друга, при этом углубления и выступы сверху и снизу надёжно фиксируют блоки от смещений. Также, с накладками корпус становится немного выше над поверхностью, что улучшает забор воздуха снизу. Ну и смотрится довольно симпатично :)

Крышку корпуса развернул вентиляционными прорезями назад, чтобы проходящий воздух лучше охлаждал блок питания и платы нагрузки.

Вид сзади. BNC разъём служит для подключения управляющего сигнала с внешнего источника. 

Для изоляции винтов крепления радиатора пригодились штатные резиновые ножки от корпуса:

Краткие характеристики готового устройства:

-Мощность 650 Вт длительно / 800 Вт кратковременно
-Рабочее напряжение 1-60 В
-Tок 10 мА-18 А
-Режимы работы CC/CV/динамический (с внешнего источника)
-Защита от напряжения обратной полярности
-Программируемые защиты от перегрузки по напряжению (OVP), току (OCP), мощности (OPP), от перегрева (OTP)
-Программируемое отключение по уровню входного напряжения (UVP) или по таймеру

Установлена альтернативная прошивка от UniSofta, она намного богаче стоковой и по функционалу, и по возможностям кастомизации интерфейса; некоторые фичи официальных прошивок были заимствованы из альтернативной. 
В целом, управление нагрузкой ничем не отличается от управления обычными преобразователями Riden, режимы работы CC/CV определяются установленными значениями напряжения и тока. Переключение режимов, как и в обычном ЛБП, происходит автоматически; выбирать режимы в меню не нужно. Все основные настройки, которые необходимы для нагрузки, здесь имеются. Можно задать отключение по минимальному напряжению, по таймеру, времени работы или подсчитанной ёмкости; настроить пороги защиты по мощности, току, напряжению и температуре. 

Управление с ПК

Разумеется, нагрузкой можно управлять и дистанционно, с ПК или телефона, в этом плане также нет никаких отличий от обычных преобразователей RD. 
Интерфейс родного ПО для ПК RidenPowerSupply:

Но я предпочитаю пользоваться ПО TestController (домашняя страница, ветка на eevblog, cтатья на Хабре). Это приложение намного функциональнее родного, позволяет управлять множеством различных устройств (причём одновременно), собирать, сохранять и анализировать данные с них, строить графики, выводить данные измерений в оверлее, писать пользовательские скрипты и тд, на сайте автора есть документация с примерами работы. Короче, возможностей у приложения намного больше, чем у меня свободного времени для его изучения ;) 
Просто несколько примеров, панель управления для устройств RD:

Ну и примеры использования с нагрузкой, график разряда мелкой аккумуляторной сборки 18650 постоянным током:

Можно строить графики для пяти различных параметров, для каждого независимо настраивать масштаб, добавлять примечания и тд. Кстати, поскольку приложение может работать одновременно с разными устройствами, то можно организовать режим циклического заряда/разряда, подключив к батарее нагрузку и БП параллельно.

Нагрузочный тест блока питания 24 В с помощью инструмента Parameter sweeper, здесь ток нагрузки пошагово увеличивается до момента срабатывания защиты у БП, на графике и в логе можно посмотреть максимальные значения тока и величину просадки напряжения:

Тесты

Переходим к испытаниям, всегда интересно выяснить реальные а не расчётные возможности собранного устройства.

Было проведено множество нагрузочных тестов, в ходе которых исследовался тепловой режим транзисторов на разных мощностях и настраивались оптимальные параметры работы вентилятора. 

Один из нагрузочных тестов, мощность 650 ватт в течение получаса, эту мощность я считаю максимально допустимой для длительной работы. В таком режиме на каждом транзисторе рассеивается около 80 ватт.

Термофото через 30 минут работы с мощностью 650 ватт,, максимальные температуры на поверхности транзисторов от 94 до 98 градусов (на другой стороне на 1-2 градуса меньше, там чуть больше площадь радиатора). 

Вообще интересно, насколько температура корпуса над кристаллом транзистора отличается от используемых для расчётов температур Tcase и Tjunction. Для транзисторов в SMD-корпусах, например LFPAK, не раз встречал информацию, что максимальная температура поверхности корпуса примерно равна температуре кристалла Tj; для корпусов TO-247 и подобных, очевидно, это не так и температуры при большой рассеиваемой мощности различаются, но вот насколько именно, такие данные мне не попадались.

Один из транзисторов на фото выглядит заметно холоднее остальных из-за того, что он заклеен скотчем, чтобы проходящий вдоль плат поток воздуха меньше остужал закреплённый на транзисторе датчик. Впрочем, это не особо помогает, и датчик с ростом температуры довольно сильно её занижает, надо будет подобрать терморезистор с другой характеристикой.

Радиатор на такой мощности прогревается примерно до 70-75°, воздух на выходе до 66° (при температуре в помещении 27°).

Пробовал подавать и больше, до 800 ватт, но при такой мощности СО уже не справляется, температура транзисторов довольно быстро доходит до 105-108° и продолжает расти. Надо было ставить 16 транзисторов :) Впрочем, даже такую мощность считаю вполне допустимой, но кратковременно, пока радиатор не прогрет. На всякий случай настроил порог защиты от перегрева на 110° по тепловизору.

Конечно, вентилятор при таких мощностях дует на все свои 7800 об/мин и шумит как пылесос, с этим ничего не поделаешь. Впрочем, до 150-200 ватт он работает относительно тихо, а на 20-30 ваттах вообще может не включаться, теплоёмкость и размеры 2 кг. куска алюминия это позволяют.
 

Проверка точности установки и измерения напряжения и тока, источником питания послужит RD6018, а эталоном — мультиметр Unit UT171B. На момент тестирования, со времени калибровки нагрузки прошло около двух месяцев, у RD6018 калибровка ещё заводская (куплен больше года назад).

Напряжение на терминалах нагрузки, нагрузка в режиме CV стабилизирует заданное напряжение, преобразователь работает в режиме CC с ограничением тока 1 А. Задано напряжение 1, 2, 5 10, 20 и 60 вольт:

Теперь измерение тока, здесь нагрузка работает в режиме СС, а источник в режиме CV.
10, 20, 50, 100, 200 и 500 миллиампер:

RD6018 на измерении малых токов немного занижает, надо бы подправить калибровочные коэффициенты.

1, 2, 5 и 10 ампер:

У мультиметра на больших токах из-за нагрева шунта растёт погрешность, поэтому используем внешний шунт — стабильный мощный резистор Isabellenhütte PBV с измеренным сопротивлением 10,018 миллиом. Ток 10, 14 и 18 ампер:

В пересчёте на амперы получаем 10,001, 14,001 и 18,001 А.

Максимальное отклонение измеренного мультиметром значения от заданного составило для напряжения менее 0,05% от полной шкалы, для тока менее 0,1%. Вообще, каких-то сюрпризов с точностью я и не ждал, так как схема измерения напряжения и тока практически не менялась, и на погрешность мои доработки не должны были серьёзно повлиять. 

Проверка стабильности удержания заданного тока, для электронной нагрузки очень показательный тест, так как стабильность тока зависит от множества компонентов схемы, а температура плат в процессе работы может сильно меняться. Заданный ток 10 ампер, мощность 200 ватт:

На графике напряжение на внешнем шунте за 30 минут работы с момента включения, без предварительного прогрева:

За полчаса ток изменился на 2 мА, как по мне, результат просто отличный. По графику видно, что максимальное отклонение тока наблюдалось в первые минуты после включения, то есть, на предварительно прогретом устройстве дрейф будет ещё меньше. Нагрузку вполне можно использовать в качестве эталонного источника тока, например, для измерения субмиллиомных сопротивлений. Для сравнения, тест нагрузки Unit UTL8211 с точно такими же условиями:

Немного хуже, но также очень неплохо.

Ну и ради интереса после остывания нагрузки провёл аналогичный тест, но для тока 10 мА, вдруг понадобится разрядить батарейку для наручных часов)) Мощность при таком токе слишком мала, чтобы заметно что-то нагреть, поэтому тест скорее характеризует стабильность опорного напряжения с микроконтроллера. Здесь ток измерялся мультиметром:

Заметного дрейфа не видно, зато присутствуют медленные циклические колебания тока в виде характерной «пилы», с периодом 20-25 секунд. Они вызваны колебаниями опорного напряжения и есть у всех преобразователей RD60XX (кроме версий «P», где опорные напряжения задаются внешним ЦАПом).

Похожие картинки видел и в отзывах к одной из моделей ЛБП Owon, то есть это не какая-то специфическая проблема у преобразователей Riden. Я полагаю, что это какой-то артефакт формирования опорного напряжения с помощью ШИМ, но точная причина мне неизвестна, если есть идеи, поделитесь в комментариях.

Минимальное рабочее напряжение при токе 18 ампер меньше 2 вольт, при меньших токах до 1 вольта, для работы с большинством типов аккумуляторов этого достаточно. Заодно проверим работу компенсации падения на силовых проводах, слева двухпроводное подключение, справа четырёхпроводное:

Оценка шума и пульсаций.

Да, нагрузки, как и БП, тоже могут создавать пульсации тока или напряжения; для многих задач это не критично, но, например, при измерении шума источника питания пульсации тока нагрузки могут влиять на результаты. 
Пульсации тока я измерял на резисторе 1 Ом, включенным последовательно с нагрузкой. Щуп осциллографа подключался напрямую к выводам резистора, при таком подключении щуп ловит большое количество ВЧ-помех и наводок даже когда нагрузка отключена от сети, поэтому на осциллографе включен режим «HighRes», который сглаживает сигнал и снижает ВЧ-шум. На скриншотах нагрузка в режиме СС, в качестве источника напряжения аккумуляторная батарея, токи 0, 0,1, 1 и 10 ампер:

На токе 100 мА размах пульсаций около 2 мА (0,5 мА RMS), на токе 10 ампер меньше 10 мА (2 мА RMS). Много это или мало? Производители нагрузок довольно редко указывают этот параметр в спецификациях (интересно почему ;)), и ещё реже — условия измерения. Как пример, для 150 Вт нагрузки Agilent N3302A заявлено Ripple and noise current 2mA RMS/20mA p-p, для 500 Вт N3305A 4mA RMS/40mA p-p; получается, 10 мА не так уж и плохо. 
Что интересно, частота пульсаций (1,45 кГц) соответствует частоте ШИМ, которая формирует опорные напряжения. Видимо, переменная составляющая всё-таки пролазит, несмотря на ФНЧ. Думаю, если улучшить фильтрацию или применить малошумящий ЦАП, пульсации тока можно ещё уменьшить. 
При измерении на терминалах в режиме СС никаких пульсаций не видно, независимо от тока.
В режиме CV при тестировании с линейным БП с током около 5 А на терминалах нагрузки также всё относительно чисто:

Зато при тестировании с аккумуляторной батареей на таком же токе характер шума изменился и появились небольшие пульсации:

С ростом тока размах пульсаций не увеличивался, подключение конденсатора параллельно клеммам их уменьшило, но не убрало полностью. Надо будет разобраться с причинами такого поведения. 
С импульсными источниками проверять пульсации в CV особого смысла не имеет, так как они сами сильно шумят, но ничего критичного я не видел. 

Тесты в динамике.

Для проверки скорости отклика в режиме источника тока подаём в качестве управляющего напряжения сигнал с внешнего генератора:

На осциллограмме первый канал — управляющий сигнал, второй канал — ток через внешний шунт сопротивлением 10 мОм.

Как видно, переходной процесс здесь занимает около 30 мкс. Скорость нарастания зависит от заданного тока и напряжения на входе, в ходе тестов я получал значения примерно от 0,5 А/мкс до 4 А/мкс; на скриншоте наиболее типичная картина импульса. Неплохой результат, намного лучше, чем у бюджетных китайских нагрузок. Скорость нарастания можно ещё увеличить, уменьшив ёмкости С202 до нескольких сотен пикофарад, но по опыту работы с моей старой нагрузкой это может привести к неустойчивой работе в связке с некоторыми БП. Кстати, динамический режим здесь можно реализовать и без внешнего генератора, это потребует доработки прошивки и небольших изменений в схеме.

Подаём меандр 20 кГц, сверху вниз: сигнал с генератора, напряжение на затворе одного из транзисторов, ток нагрузки.

Возможно, имеет смысл увеличить сопротивление затворных резисторов, чтобы убрать овершут на затворе; сейчас у меня впаяны на 33 ома.

Ну и ещё один тест, подключим ко входу простой нестабилизированный источник питания из трансформатора, выпрямителя и конденсатора емкостью 1000 мкФ. Напряжение на выходе такого БП под нагрузкой пульсирует с частотой 100 герц, проверим, насколько хорошо нагрузка отрабатывает эти колебания. 
Режим СС, первый канал — напряжение, второй — ток:

Режим CV:

В режиме CV нагрузка немного не успевает отрабатывать колебания, тут есть что улучшить.

Работа защиты от включения без напряжения, к терминалам включенной нагрузки с заданным током 5 А подключается источник напряжения, первый канал напряжение, второй ток:

Выброс тока отсутствует, короткий импульс в момент подключения — это ток заряда входного конденсатора. Небольшая задержка включения введена специально, для защиты от дребезга.

Выводы.
 

Я считаю, устройство получилось вполне удачное, по крайней мере, меня полностью устраивает. На момент публикации обзора нагрузка активно используется уже около трёх месяцев, за это время никаких проблем с ней не было, ничего не сгорело и не отказало, хотя я старался :)

Конечно, по возможностям и функционалу такая нагрузка уступает фирменным решениям, но, во-первых, они и по стоимости значительно дороже, особенно на такую мощность, а во-вторых, я не пытался скопировать промышленное устройство, основной целью была проверка самой идеи такого использования панели от RD, и эта проверка, по-моему, прошла вполне успешно.

Есть ли у такой конструкции потенциал для дальнейшего развития? 

Я считаю да; в первую очередь, конечно, нужно переписать прошивку и применить внешние прецизионные АЦП и ЦАП; это позволило бы полноценно реализовать динамический режим, добавить программные режимы CR и CP, а также повысить точность и разрешение. Хотелось бы увеличить максимальный ток до 40-60 А, но это потребует не только изменения прошивки, но и замены транзисторов с шунтами. Стоковые терминалы также не рассчитаны на большой ток, потребуется устанавливать более мощные либо дублировать их на задней панели.

В заключение хотел бы сказать огромное спасибо UniSoftу, автору кастомных прошивок; без них я вряд ли взялся бы за этот проект. 

На этом у меня всё, надеюсь, статья была полезна и как обычно, буду рад вашим вопросам и комментариям.

Ссылки:

Схема в pdf
Плата в SprintLayout
Ветка с обсуждением устройств RD и прошивок к ним на мониторе
Ещё одна на eevblog
ПО TestController
Контроллер вентилятора 4Pin
Силиконовые накладки для корпусов Riden 1 комплект, 2 комплекта