可調(diào)開關(guān)電源測試儀

楊金剛

（大慶油田信息技術(shù)公司，黑龍江 大慶 163000）

0 引 言

為了檢驗(yàn)開關(guān)電源的輸出特性，在實(shí)際工作中，技術(shù)人員不得不采用多個(gè)電阻串、并聯(lián)的方式進(jìn)行，極端情況下甚至不得不采用電水壺或長導(dǎo)線來充當(dāng)臨時(shí)假負(fù)載。這樣既不方便，也不準(zhǔn)確，這已然成為用電設(shè)備維護(hù)、施工的最大短板[1-2]。針對這個(gè)問題，筆者研究設(shè)計(jì)了一款可調(diào)開關(guān)電源測試儀。

1 可調(diào)開關(guān)電源測試儀的設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)測試工作的實(shí)際需要，初步設(shè)想可調(diào)開關(guān)電源測試裝置應(yīng)包括以下幾個(gè)單元模塊：工作電源單元，主回路能耗單元，恒流自動(dòng)控制單元，過流保護(hù)跳機(jī)單元，觸發(fā)式電源控制單元以及溫控式強(qiáng)風(fēng)散熱單元。

1.1 工作電源單元

由于設(shè)計(jì)的測試儀是用來檢驗(yàn)電源性能的裝置，因此一般情況下可以利用被檢測的電源來為裝置提供工作電源[3]。但考慮到適應(yīng)被測試電源的范圍盡量寬泛的設(shè)計(jì)理念，被檢電源的低限有可能無法滿足場效應(yīng)管觸發(fā)的開啟電壓要求（10 V左右），或被檢電源的高限有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出場效應(yīng)管觸發(fā)的極限。因此，測試裝置單獨(dú)設(shè)立了一套降壓隔離型12 V開關(guān)電源作為其工作電源。

1.2 主回路能耗單元

本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)在于，功耗元件選擇了與傳統(tǒng)電阻絲或PTC發(fā)熱陶瓷不同的MOS大功率場效應(yīng)管作為有源阻抗元件，利用其柵極控制電壓可以改變導(dǎo)通內(nèi)阻的特性，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)被檢電源的要求線性調(diào)節(jié)電流的目的。裝置的具體電路設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 可調(diào)式開關(guān)電源測試儀電路原理圖

本設(shè)計(jì)所選場效應(yīng)管型號是IRFP150NPBF，參數(shù)為100 V/42 A，考慮余量因素，采用4只并聯(lián)的方式。在安裝結(jié)構(gòu)上，將4只場效應(yīng)管分散固定在一個(gè)80 mm×80 mm×200 mm的鋁合金散熱器上，在場效應(yīng)管和散熱器的接觸面上涂抹適量導(dǎo)熱硅脂來確保其緊密接觸、導(dǎo)熱良好，保障耗能元件工作時(shí)的散熱效果。為防止柵極懸空使場效應(yīng)管誤導(dǎo)通，電路中設(shè)計(jì)了對地下拉的3 MΩ電阻，并且每只場效應(yīng)管都有一個(gè)22 kΩ的平衡輸入電阻。

1.3 恒流自動(dòng)控制單元

試驗(yàn)電流的調(diào)節(jié)與恒流控制，是本測試裝置最重要的控制部分，是基于被檢電源的規(guī)格要求來設(shè)定的，并且不受電源輸出電壓的影響，保持恒定不變。具體設(shè)計(jì)由集成運(yùn)算放大器LM358的其中一個(gè)單元來實(shí)現(xiàn)[4]。在電路結(jié)構(gòu)上，為了減少運(yùn)放增益過大而導(dǎo)致調(diào)節(jié)過于靈敏，所選擇的反饋電阻數(shù)值為100 kΩ，同時(shí)還在同相標(biāo)準(zhǔn)輸入端對地增加一個(gè) 2 kΩ下拉電阻，共同實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)柔性。為了消除雜波脈沖對場效應(yīng)管導(dǎo)通狀態(tài)的影響，設(shè)計(jì)還在運(yùn)放的輸出7腳對地增加了一個(gè)電容。

1.4 過流保護(hù)跳機(jī)單元

設(shè)計(jì)上，該電路與恒流控制共用集成芯片LM358的另一個(gè)運(yùn)放單元。由于過流保護(hù)功能為觸發(fā)式工作方式，所以運(yùn)放可以設(shè)計(jì)為開環(huán)工作方式，其反相端輸入的標(biāo)準(zhǔn)電壓由R5和W3分壓獲得，而同相輸入端輸入的取樣信號同樣取自數(shù)顯電流表的分流器。動(dòng)作電流的設(shè)定是根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)容量決定的，通過調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電位器W3來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)運(yùn)放反轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出端1腳將變?yōu)楦唠娖?。該高電平通過導(dǎo)向二極管D1去觸發(fā)觸發(fā)式電源控制單元，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)跳機(jī)。

1.5 觸發(fā)式電源控制單元

設(shè)計(jì)觸發(fā)式電源控制單元的目的，是考慮保護(hù)跳機(jī)的實(shí)現(xiàn)。該電路主要由集成D型觸發(fā)器CD4013及其周邊電路元件組成。根據(jù)D型觸發(fā)器的工作原理，將同相輸出端12腳與D腳相連，就可以實(shí)現(xiàn)CP端11腳每輸入一個(gè)高電平，觸發(fā)器就反轉(zhuǎn)一次的目的[5]。裝置上電時(shí)，電源+12 V電壓首先通過C3給置位S端的8腳高電平，使觸發(fā)器被置位而輸出高電平，該高電平將使電源開關(guān)管Q1被阻塞截止。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕JN時(shí)，+12 V電壓通過JN給觸發(fā)器的時(shí)鐘CP端送高電平，使觸發(fā)器輸出反轉(zhuǎn)為低電平。該低電平為電源開關(guān)管Q1基極提高偏流通道，進(jìn)而使Q1導(dǎo)通，為裝置的電流調(diào)節(jié)與控制電路供電，至此，裝置才真正處于檢驗(yàn)被檢電源的工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)C2電容的目的是阻尼啟動(dòng)按鍵產(chǎn)生的干擾。R3、R4均為功能端的下拉電阻。

1.6 溫控式強(qiáng)風(fēng)散熱單元

為了保證測試裝置能長時(shí)間工作且穩(wěn)定運(yùn)行，筆者單獨(dú)設(shè)立了一套能夠根據(jù)耗能元件的溫度高低自動(dòng)控制切換風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。本著簡單實(shí)用的原則，設(shè)計(jì)采用了220 V交流電直接驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇，并設(shè)計(jì)了溫控式兩檔強(qiáng)風(fēng)散熱方式。其工作流程為：當(dāng)觸發(fā)式電源控制單元工作后，繼電器J2將通過電容CJ和R29得電吸合，其常閉節(jié)點(diǎn)斷開，使降壓電阻串入電路中，使風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)散熱器穩(wěn)定高于50 ℃時(shí)，溫控開關(guān)RJ斷開，使繼電器J2失電釋放，其節(jié)點(diǎn)恢復(fù)常閉而短路降壓電阻，使風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 技術(shù)指標(biāo)和性能特點(diǎn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，最終形成的實(shí)物如圖2所示。該產(chǎn)品具有以下性能特點(diǎn)。

圖2 可調(diào)式開關(guān)電源測試儀實(shí)物圖

（1）阻抗調(diào)節(jié)范圍為0.01～100 000 Ω，試驗(yàn)電壓范圍為1.5～48 V，試驗(yàn)電流范圍為0～25 A，試驗(yàn)功率為200 W。

（2）測試結(jié)果準(zhǔn)確直觀，液晶屏可以直接顯示數(shù)字電壓、電流值。

（3）操作方便快捷，具有一鍵啟/停功能和電流線性調(diào)節(jié)功能。

（4）測試安全性高。設(shè)備具有過流保護(hù)跳機(jī)功能，當(dāng)測試電流達(dá)到設(shè)定的閾值即25 A時(shí)，開關(guān)電源測試儀將自動(dòng)切斷負(fù)載電路，避免設(shè)備損壞。

（5）外觀尺寸為11 cm×15 cm×24 cm，體積小巧，重量輕，方便攜帶至現(xiàn)場施工。

（6）該產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制作，均由大慶油田信息技術(shù)公司IT設(shè)備維修項(xiàng)目部完成，具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，方便油田內(nèi)部單位的生產(chǎn)、使用、推廣。

3 結(jié) 語

可調(diào)開關(guān)電源測試儀具有使用方便、測試范圍廣、量程大、測試結(jié)果準(zhǔn)確直觀的特點(diǎn)。研制成功后，它從根本上解決了各類小型電源缺乏有效測試手段的難題，使檢驗(yàn)和維修工作變得簡單高效。