直流電子負(fù)載的工作原理及使用方法

/ 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

在電子技術(shù)和測試領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)人員經(jīng)常會對直流穩(wěn)壓電源、開關(guān)電源、線性電源、變壓器、整流器、電池、充電器等電子設(shè)備的輸出特性進(jìn)行測試，怎樣可靠全面且較簡單快捷進(jìn)行測試，一直是儀器儀表從業(yè)人員探索的問題。傳統(tǒng)的方法一般采用電阻、滑線變阻器、電感、電容等充當(dāng)測試負(fù)載，這些負(fù)載結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代電子設(shè)備對于負(fù)載輸出特性的測試要求。本文介紹的直流電子負(fù)載比一般的負(fù)載具備更多的測試模式。具有直流電子負(fù)載用恒定電流(CC)，恒定電壓(CV)，恒定電阻(CR)模式，可分別用于不同的電源參數(shù)的測量。它能替代傳統(tǒng)的負(fù)載，更好地用來測試評估直流電源的輸出特性、蓄電池的壽命特性。直流電子負(fù)載在作為一個(gè)可變或恒定電阻時(shí)，還可以作為直流電壓、直流電流的測量表具，有一定的測量分辨力和準(zhǔn)確度，而且有保護(hù)功能，這樣既利于提高測量速度也方便測量。因此，深入理解直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)原理，從而正確使用電子負(fù)載在工業(yè)領(lǐng)域顯得尤為重要。

1 直流電子負(fù)載的工作原理

直流電子負(fù)載的工作模式有四種：恒流工作模式、恒壓工作模式、恒阻工作模式、恒功率工作模式。

1.1 恒流電路

圖1是一個(gè)常用多見的恒流電路，在恒流工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定的電流值而保持恒定，與輸入電壓的大小無關(guān)，即負(fù)載電流保持不變。圖1中，R3 為取樣電阻，VREF是參考電壓，其工作原理是：當(dāng)給定一個(gè)參考電壓VREF時(shí)，如果R3 上的電壓小于VREF，也就是運(yùn)放的-IN小于+IN時(shí)，運(yùn)放加大輸出，使MOS導(dǎo)通程度加深，使MOS管輸出回路電流加大。如果R3上的電壓大于VREF時(shí)，-IN 大于+IN，運(yùn)放減小輸出，也就降了MOS管輸出回路電流，這樣也就實(shí)現(xiàn)了恒流工作。如參考電壓VREF為10 mV，R3 為0.01 Ω時(shí)電路恒流為1 A，改變VREF可改變恒流值，VREF可用電位器調(diào)節(jié)輸入或用DAC芯片由MCU 控制輸入，采用電位器可手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流。如采用DAC 輸入可實(shí)現(xiàn)數(shù)控恒流電子負(fù)載。

圖1 恒流電路

1.2 恒壓電路

圖2為可調(diào)直流恒壓電子負(fù)載電路。在恒壓工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定的負(fù)載電壓而定，此時(shí)負(fù)載電流將會增加直到負(fù)載電壓等于設(shè)定值為止，即負(fù)載電壓保持不變。圖2中MOS 管上的電壓經(jīng)R3與R2分壓后送入運(yùn)放IN+與參考電壓值進(jìn)行比較，當(dāng)電位器在10%時(shí)IN-為1 V，那么MOS 管上的電壓應(yīng)為2 V。

1.3 恒阻電路

恒阻功能，在有些數(shù)控電子負(fù)載中并不設(shè)計(jì)專用電路，而是在恒流電路的基礎(chǔ)上通過MCU 檢測到的輸入電壓來計(jì)算電流，達(dá)到恒阻功能的目的。比如要恒定電阻為10 Ω時(shí)，MCU 檢測到輸入電壓為20 V，那么會控制輸出電流為2 A，但這種方法響應(yīng)較慢，只適用于輸入變化較慢，且要求不高的場合。專業(yè)的恒阻電子負(fù)載都是由硬件實(shí)現(xiàn)的。

圖2 恒壓電路

圖3電路是由硬變件實(shí)現(xiàn)的恒阻電路，R4 為1%，如果輸入電壓為1 V，那么IN+上的電壓為10 mV，也就控制R1上的電壓為10 mV，等效電阻測為1 Ω。

圖3 恒阻電路

1.4 恒功率電路

恒功率功能，大部分電子負(fù)載都采用恒流電路來實(shí)現(xiàn)，原理是MCU 采樣到輸入電壓后，根據(jù)設(shè)定的功率值來計(jì)算輸出電流。

2 直流電子負(fù)載的使用方法

基本了解直流電子負(fù)載的四種工作模式后，下面介紹電子負(fù)載基本的使用方法。

其測試接線如圖4所示，直流電子負(fù)載是用電子器件實(shí)現(xiàn)的“負(fù)載”功能，其輸出端口符合歐姆定律。電子負(fù)載是通過控制內(nèi)部功率器件MOSFET或晶體管的導(dǎo)通量，使功率管耗散功率，消耗電能的設(shè)備。

圖4 電子負(fù)載測試接線

1）把電子負(fù)載設(shè)定在CC模式，負(fù)載關(guān)閉，此時(shí)用電子負(fù)載以電壓表形式測量直流穩(wěn)壓電源CV態(tài)的開路輸出電壓。

2）把電子負(fù)載設(shè)定在CC模式，打開負(fù)載及其短路設(shè)置，此時(shí)用電子負(fù)載以電流表形式測量直流穩(wěn)壓電源CC態(tài)的輸出電流。

3）直流電源的穩(wěn)壓即CV態(tài)的負(fù)載調(diào)整率的測量：

如有一臺電源，規(guī)格為30 V/30 A，先把電壓調(diào)節(jié)到最小，電流調(diào)節(jié)到適當(dāng)值，設(shè)置負(fù)載在CC態(tài)，打開負(fù)載，設(shè)置負(fù)載的CC值為30 A，調(diào)節(jié)電源的電壓值，此時(shí)負(fù)載值隨著外加電壓的改變而變化，直到調(diào)節(jié)電壓為30 V時(shí)，電子負(fù)載測量出電源帶載的實(shí)際輸出電壓Um和回路里的電流。再設(shè)置負(fù)載的CC值為0，則此時(shí)相當(dāng)于斷開負(fù)載，此時(shí)電子負(fù)載作為一個(gè)直流電壓表，測量出電源不加載的輸出電壓Un，則電源CV態(tài)的負(fù)載調(diào)整率為

如果電子負(fù)載的測量準(zhǔn)確度不能滿足測量電源的要求，則可以在測量的同時(shí)，在電源的兩端并入直流數(shù)字電壓表進(jìn)行監(jiān)測。

4 直流電源的穩(wěn)流即CC態(tài)的負(fù)載調(diào)整率的測量

如有一臺電源，規(guī)格30 V/30 A（把電流調(diào)節(jié)最小，電壓調(diào)節(jié)到適當(dāng)值），則設(shè)置負(fù)載在CV態(tài)，打開負(fù)載，設(shè)置負(fù)載的CV值為30 V，調(diào)節(jié)電源的電流值，此時(shí)負(fù)載值隨著回路的電流的改變而變化，直到調(diào)節(jié)電流為30 A時(shí)，電子負(fù)載測量出電源帶載的實(shí)際輸出電壓和回路里的電流Im。此時(shí)可以設(shè)置負(fù)載的CV值為0，相當(dāng)于短路負(fù)載，此時(shí)電子負(fù)載作為一個(gè)直流電流表，測量出電源不加載的輸出電流In，則電源CC態(tài)的負(fù)載調(diào)整率為

如果電子負(fù)載的測量準(zhǔn)確度不能滿足測量電源的要求，則可以在測量的同時(shí)，在電源的測量回路中串聯(lián)分流器進(jìn)行測量電流。需要說明的是：用DC電子負(fù)載測量電源時(shí)，若不用Vsense端，則若10 mΩ的引線電阻在回路電流為10 A可引起0.1 V的壓降，即電子負(fù)載電壓測量值將小于電源實(shí)際輸出電壓值。為了測量準(zhǔn)確，Vsense兩端要接于電源輸出的兩端，電子負(fù)載則取樣測量Vsense兩端的電壓來測量，而回路電流則與四線Vsense測量無關(guān)。

3 結(jié)語

近年來，使用電子負(fù)載進(jìn)行直流電源測量已經(jīng)越來越普遍。但是電子負(fù)載也有各自的功率限制及允許的測量范圍，作為電子儀器，它還會存在波紋。了解電子負(fù)載的基本原理和使用方法，使日常使用和測量更便捷。

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