Основной подход при создании электронной нагрузки[1] – включить транзистор между входами, чтобы ток протекал от стока (коллектора) к истоку (эмиттеру), как показано на рисунке 1. Коэффициент пропорциональности между током и напряжением и есть сопротивление: I = V/R.

Рис. 1. Подключение электронной нагрузки

Чтобы получить сопротивление 0 Ом, напряжение на терминале должно быть равно нулю при токе не равном нулю. Однако в этом случае через транзистор не может протекать ток, т.к. при протекании тока на открытом канале обязательно должно падать напряжение. Чтобы этого не происходило, подключается вспомогательный источник питания (см. рис. 2). Достаточно напряжения V_B ≥ I_In(max) × R_S + V_DS@I(max), чтобы сохранялась проводимость при V_In = 0 и 0 I_In ≤ I_In(max). Это условие соответствует нулевому эффективному входному сопротивлению.

Рис. 2. Модифицированная схема

Легко показать, что R_In = α × k × R_Sпри 0 ≤ α ≤ 1 и где k– коэффициент пропорциональности. Он может быть небольшим, чтобы уменьшить потери мощности.

Допустим, R_S = 1,0 Ом, k = 100, тогда 0 ≤ R_In ≤ 100 Ом при 0 ≤ α ≤ 1. Если I_In(max) = 1 A и V_DS@I(max) = 2 В, тогда V_B ≥ 3 В.

Мощность, рассеиваемая транзистором, составляет I_In(max) × (V_In(max) + V_B) – I_In(max)² × R_S. В нашем примере V_In(max) = 15 В, поэтому рассеивается не более 17 Вт.

В каких случаях может потребоваться электронная нагрузка 0 Ом? Почему рекомендуется использовать второй источник питания, а не реле или другой полевой транзистор?

Дело в том, что электронная нагрузка может использоваться для получения источников питания с малым напряжением (3,3 В и меньше), когда нельзя тестировать в условиях короткого замыкания. Например, при исследовании реакции источника питания на КЗ или при оценке эффективности защиты от перегрузки.

Более того, даже с малым сопротивлением R_DS(on) МОП-транзистор не будет проводить при V_DS = 0 В (см. прим. А).

Наконец, с помощью ключа или реле невозможно гладко изменить сопротивление. Предложенная схема работает как реостат, но с возможностью управления напряжением дистанционно (см. прим. В). Контроллер не должен нести ток нагрузки. Для покрытия диапазона нагрузок может потребоваться несколько реле. Эта схема обеспечивает плавное регулирование (без ступеньки) эффективной резистивной нагрузки в большом диапазоне, включающим 0 Ом.

Схема может применяться и для более высоких напряжений и токов (см. рис. 3). 

Рис. 3. Обеспечение нулевой электронной нагрузки для низковольтных источников питания

Прим. A: Например, МОП-транзистор RFP30N06 имеет сопротивление R_DS(on) = 0,047 Ом. При 30 А требуется по крайней мере V_DS = 2 В. Он не сможет обеспечить эффективное короткое замыкание при 3,3 В, 30 А. При напряжении питания 1,8 В он не проводит этот ток.

Прим. В. Эффективное сопротивление может регулироваться с помощью усилителя, управляемого напряжением.