直流电子负载.docx

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1、第一章绪论在电子技术应用领域，经常要对开关电源、线性电源、UPS电源、变压器、整流器、电池、充电器等电子设备进行测试，如何对其输出特性进行可靠、全面且比较简单、快捷的测试，一直是仪表测试行业研究的问题。传统的测试方法中一般都采用电阻、滑线变阻器、电阻箱等充当测试负载，但这些负载不能满足我们对负载多方面的要求，如：恒定电流的负载；带输出接口的负载；随意调节的负载、恒功率的负载、动态负载；多输出端口的负载等。现在有一种新型多功能的电子负载，可据实际应用中对负载特性的要求进行设置，满足了我们对负载的各种要求，解决了开发研制测试中的困难。电子负载即电子负荷。凡是能够消耗能量的器件，可以广泛地称为负载。

2、电子负载能消耗电能，使之转化成热能或其它形式的能量。静态的电子负载可以是电阻性（如功率电阻、滑线变阻器等）、电感性、电容性。但实际应用中，负载形式就较为复杂，如动态负载，消耗功率是时间函数，或电流、电压是动态的，也可能是恒定电流、恒定电阻、恒定电压，不同峰值系数（交流情况下），不同功率因数或瞬时短路等。电子负载就是在实际应用中负载比较复杂的情况下而设计生产的测试设备。它能替代传统的负载，如电阻箱、滑线变阻器、电阻线、电感、电容等。尤其对吸收恒定电流或以恒定电压吸收电流，或电压电流都要在设定范围突变等传统方法不能解决的领域里，更能显示出优越性能。直流电子负载可以具备恒定电流、恒定电阻、恒定电压、

3、动态负载及短路负载等工作方式。本课题主要讨论恒压和恒流两种模式。第二章总体设计方案需要设计一个直流负载，可以实现恒压和恒流两种模式，并可以切换，且电压值和电流值都可以设定在一定范围内。本实验采用的是手动切换两种模式的方式。恒压、恒流两种模式都是采用运算放大器和反馈网络所组成的电路而实现的，其中，电路中的反馈网络是以场效应管为核心而构成的可调式放大电路，并增加了软启动电路和电压补偿电路进行补充。可调式放大电路就是指放大电路根据输出要求的需要改变经过反馈电路的反馈信号，以达到输出需求。软启动电路可以使电压由零慢慢提升到额定电压，这样电路在启动过程中的启动电流，就由过去过载冲击电流不可控制变成为可控

4、制。电压补偿电路即功率因数的补偿，电流在经过负载会消耗部分能量，以致最终得到的结果和预期值有较大差距，电压补偿电路则可以弥补损失。第三章恒流模式3.1 恒流模式基本原理在定电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的电流值而保持恒定，与输入电压大小无关，即负载电流保持不变。恒流模式下的电路原理图，如图3.1所示。该恒流电路是以集成运算放大器OP07为核心,OP07芯片是一种低噪声,非暂波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OPO7A最大为2540,所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OPO7A为2nA）和

5、开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面这样的电路更容易获得稳定及精确的电流值。如图3.1所示，R2为取样电阻，当从OP07的3端给定一个信号VREF时，如果R2上的电压小于VREF,也就是OP07的-IN小于+IN,OP07加输出大，使MOS加大导通使R2的电流加大。如果R2上的电压大于VREF时，-IN大于+IN,OP07减小输出，也就降了 R2上的电流，这样电路最终维持在恒定的给值上，也就实现了恒流工作。如给定VREF为可调节的直流源，R2为2欧时，改变VREF可改变恒流值,VREF

6、可用电位器调节输入或用DAC芯片由MCU控制输入，采用电位器可手动调节输出电流。如采用DAC输入可实现数控恒流电子负载。输出恒流值：I=(R3/(R1+R3)/R2*U图3恒流模式原理图3.2 横流模式最小输出电流为了获得最小的电流，现将R3的电阻调到最大，即滑动变阻器打到100%处，如图3.2所示。图321横流模式最小输出电流X呦示波器-XSCI图322横流模式最小输出电流根据恒流输出值的公式，并将数值代入，可以求得最小输出电流为:I=230.69mA3.3 横流模式最大输出电流为了获得最大的电流，现将R3的电阻调到最小，即滑动变阻器打到5%处，如图321和322所示。图331横流模式最大输

7、出电流示波器-xscix图332横流模式最大输出电流根据恒流输出值的公式，并将数值代入，可以求得最大输出电流为：1-3.36A这个电路图是在调节R3的基础上进行的，R3调节范围在5%100%,可以使输出电流为235.305mA3.028A,基本满足了电流设置在了 100mA3A,并可以保持恒定的要求。3.4 恒流模式存在的问题及改进方案由于上述电路的输出电流的调整完全依赖电位器R3的改变，因此R3的改变范围较大，这样在输出电流的调整过程中，容易调过头或调不足，要准确地实现100mA-3A范围的电流任一电流有些调整比较麻烦，必须反复调整，只依赖R3是比较困难的，如果将电位器R3用一个电位器R3,

8、和电阻R档串联实现，通过一个开关实现电阻R档的改变从而改变输出电流的范围，并在所选择的输出电流范围内通过改变电位器R3,的阻值得到所需要的准确的直流电流输出。如图3.4所示。%50 0 Aay:l5k : Xi QZ 1 JK - 1T4-kn:1 - 1T o R31kQ R 1 :LflO- H k R 1 :1T图3.4改进方案第四章恒压模式4.1 恒压模式基本原理在恒压工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加直到负载电压等于设定值为止，即负载电压保持不变。恒压电路在用于测试充电器时是很有用的。恒压模式下的原理图，如图4.1所示。该电路采用的是三

9、端集成稳压器电路方案，并辅以软启动电路和电压补偿电路设计而成的。由LM317系列三端集成稳压器构成的稳压电路，其输出电压调节范围在1.25-37 V之间，输出电流可达1.5 A,内部带有过载保护电路，具有稳压精度高、工作可靠等特点。由于LM317有一稳定的基准电压U(1.25 V),故有：UO=U*(1+R5/R3)=1.25*(1+R5/R3),其中R3为固定电阻，故调节R5可以调节输出电压U0。软启动电路由晶体管T,电阻R2, R4和电容器C3组成。其作用是使电路输出电压U0有一个缓慢的上升过程，以适应感性负载(如直流电机)的启动特性。当输入电压UI接入时，因C3上的电压不能突变，故T因基

10、极电位较高而饱和导通，使U2(LM317的2脚电位)和U3都很低，故U0很小,随着C的充电，T的基极电位下降，其集电极电位(即U2)升高，使U3升高(因U32为一稳定电压)，所以U0也升高。当C充满电时，T被截止，启动电路失去作用，U0也达到设定值。启动的时间可以通过改变C3和R4的值进行调整。电压补偿电路是由电阻R1和二极管D组成。因为要求输出电压从0V起调，LM317集成稳压器不能直接满足要求，需设计一个电压补偿电路，抵消LM317的1.25 V最小输出电压。U0=U3-UD式中，U3为LM317的3脚电压；U0为输出电压；UD为二极管D的正向压降，即为补偿电压，其值略大于LM317的基准

11、电压(1.25 V)。当调节R1,使U3达到与UD相等时，输出电压即为0V。之后，当调节R4逐渐增大时，UO即由0V开始增大。由于负载电流流过D,故D的最大工作电流应能适应负载电流的要求。图4.1恒压模式电路图4.2 恒压模式最小输出电压为了获得最小的恒定输出电压，将R5的电阻调到最小，即滑动变阻器打到0%处，如图421,图422和图433所zj O8100二 24 VI MMI61/*Ci*：1D0iiF,200Q：Key=ALM317AHLIVE - VHXVOLTAGE rr1?1N1199C示波SKXSCl“二：1D0uF Z100uF ：遇道 通道_B1.263 V反向的电路x时间柏

12、通道A通道E触发比例 |10g/Div比例 10 V/Div 4j比例5 V/Div边沿r7irXfSg 0而力瞳B/A | A/B |Y位置|0AC| 0 DCY位置0AC| 0 DC - |电平 |o类型正弦1标准T2-T1保存 Exl电路i：正在仿真传递函数：1.帘8$rrr rrr图4.2.1恒压模式最小输出电压1.263VA | V Q dB r-设置图4. 2. 2恒压模式最小输出电压图4. 2. 3恒压模式最小输出电压此时获得最小恒定电压L263V4.3 恒压模式最大输出电压为了获得最小的恒定输出电压，将R5的电阻调到最大,即滑动变阻器打到100%处，如图4.3.1,图4.3.2

13、和图433所示。图431恒压模式最大输出电压娴万用表-XMMIx20.548 VdB图4.3.2恒压模式最大输出电压示波器XSC14T2-T1时间通道_A通道_B180,001 ms21.203 V180.001 ms21.203 V0.000 s0,000 V反向保存 Ext. Trigger时间轴|通道？一p通道,触发比例 |10ms/Div -比例 |10 V/Div . 比例 |5 V/Div 边沿 力山仄”|夕阐X位置 0Y位置 (0Y位置 0电平Pv-y/F R曦B/A | A/B | |四|0反 用反二|，类型正弦标准自初|无图4.3.3恒压模式最大输出电压此时获得了最大恒定电压20.548Vo恒压模式是在调节R5的基础上进行的，R5调节范围在0%100%,输出电压为1.263V20.548V,基本满足了电压设置在IV20V,并可以保持恒定的要求4.4 恒流模式存在的问题及改进方案由于上述电路的输出电压的调整完全依赖电位器R5的改变，因此R5的改变范围较大，这样在输出电压的调整过程中，容易调过头或调不足，要准确地实现1-20V宽范围的电压任一电压有些调整比较麻烦，必须反复调整，只依赖R5是比较困难的，如果将电位器R5用一个电位器R5,和电阻R档串联实现，通过一个开