Электронная нагрузка не поддерживает заданный ток

В процессе тестирования электронной нагрузки на большой мощности (больше 220W при подключении к автомобильному аккумулятору) заметил что нагрузка не поддерживает заданный ток и он заметно изменяется по мере прогрева силовой платы.

Сначала было подозрение на схему ЦАП, которая представляет собой 8-битный R-2R из резисторов 1% точности, но замер напряжения на выходе не показал отклонений во время работы (колебания в десятые доли милливольта я не беру во внимание).

Дальше стал мерить падение напряжения на токоизмерительных шунтах силовой платы и оказалось что напряжение на них растёт по мере нагрева самих шунтов (в качестве шунтов установлены керамические резисторы 5W 0.1Ω с точностью 5%). При токе 20A через каждый шунт течет ток около 5A что даёт 2.5W рассеиваемой мощности. Через 5 минут работы в таком режиме шунты нагреваются до 50 градусов (при начальной температуре 29 градусов). При нагреве резистора его сопротивление увеличивается и величина этого изменения характеризуется параметром ТКС (Температурный Коэфициент Сопротивления). Я не знаю какой ТКС у шунтов поэтому расчитаю для аналогичного резистора из той же партии (я брал 10 штук и у меня осталось еще 6).

Сначала мне нужно измерить сопротивление резистора при комнатной температуре (29 градусов). Поскольку у меня нет миллиомметра, то буду использовать закон Ома. Для этого резистор подключается ко входу ЛБП с ограничением тока 100mA и параллельно мультиметр в режиме измерения милливольт - результат 9.71mV. Получается сопротивление 97.1mΩ (0.00971V / 0.1A).

Далее устанавливаю ограничение тока 3A и даю резистору прогреться до 50 градусов. Теперь напряжение на резисторе 294.3mV, а значит новое сопротивление 98.1mΩ (0.2943V / 3A). Выходит что при нагреве с 29 до 50 градусов сопротивление возросло с 97.1mΩ до 98.1mΩ. ТКС можно вычистить по формуле (R2 - R1) / (R1 * (T2 - T1)) или (0.0981 - 0.0971)/(0.0971*(50-29)) = 490ppm/C.

Эти вычисления я повторил еще с двумя аналогичными резисторами:

Измерение сопротивления при комнатной температуре (29 градусов):

• второй резистор: 9.87mV при 0.1A что даёт 98.7mΩ
• третий резистор: 9.81mV при 0.1A что даёт 98.1mΩ

Измерение сопротивления после прогрева до 50 градусов:

• второй резистор: 298.1mV при 3A что даёт 99.37mΩ
• третий резистор: 295.6mV при 3A что даёт 98.53mΩ

Вычисление ТКС:

• второй резистор: (0.09937 - 0.0987) / (0.0987 * (50 - 29)) = 323ppm/C
• третий резистор: (0.09853 - 0.0981) / (0.0981 * (50 - 29)) = 208ppm/C

Выводы по трём измерениям:

• Точность номинала сопротивления 5% соблюдена;
• ТКС "гуляет" от 208 до 490ppm/C;

По мере нагрева шунтов ОУ будет пытаться уравнять управляющее напряжение на входе и падение напряжение на шунтах. Рост сопротивления означает рост падения напряжения, а чтобы скомпенсировать разницу ОУ будет "прикрывать" транзисторы и ток уменьшится. Т.е. уменьшение тока по мере разогрева шунтов это ожидаемое поведение. Разный ТКС у шунтов означает что сопротивление каждого шунта будет отличаться и изменение общего тока будет нелинейным.

Я вижу два способа борьбы с этим явлением:

1. Программный - ввести обратную связь и корректировать управляющее напряжение на силовую плату при отклонении тока от заданного значения. Скорее всего нужно предусмотреть пределы регулирования в целях безопасности и при выходе за разрешенные пределы регулировая отключать нагрузку.
2. Аппаратный - заменить керамические резисторы на более качественные (например WSR5R1000FEA от Vishay) или на шунты из константана или магнанина. Последний вариант более предпочтителен, т.к. smd монтаж мне не нужен, а ТКС у константана порядка ±40ppm/C.

Уже заказал шунты из сплава константана на 100mΩ, к тому времени уже должны прийти MCP4725 и появится возможность прокачать нагрузку.