直流电子负载

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。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、 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OP07A最大为25V），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（OP07A为2nA）和开环增益高（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3.1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3.2.1横流模式最小输出电流图3.2.2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3.2.1和3.2.2所示。63D.Ee3fT E.B23V:恒h J坦些二土 1乃管相备* O Y O | J | ?o J1:T2-71比例 |llrTA/Ciu位置 0丽JM； I 即 A I w出例5 MfDiy0目匚I Cl陶图3.3.1横流模式最大输出电流图3.3.2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：I-3.36A这个电路图是在调节R3的基础上进彳丁的，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。 r irBaav , + , r is a r i *,， ii Hi:r ,!- i ! a a L ; BiiBaBaii n a - P.W K F.W. fq F.-，守 -#!.- 1 - P * a 4 a i KsaatiH.iiiiGaaa I I u k a b a a a l a j a i s a a . k a a u h h b b a a a：!-向ab电型i：正em.住埴诵曲：，4费sin m时a 1.370?ELm融I F归 1IFBHL3H：- rMMTb17I 263 VA.1 SH.LBifi A5MB比例g g I:W .：,VM fl-AC| 0 DC 尸YE 厂 ajc| o fee - | r通i苴A .2)637Ekl1味存rr_tjFj,图4.2. 1恒压模式最小输出电压图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1.263V4.3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和图4.3.3 所示。植压灌壬电路留十ion :=inoijFIllIJuFFMMT617(I10f)L33E -瓦 UdUTAtK 1IIIIJ4I5 HIM!:4犒蜿 U1 i W317AH图4.3.1恒压模式最大输出电压万用SXMM120.548 V二谟置二二图4.3.2恒压模式最大输出电压图4.3.3恒压模式最大输出电压此时获得了最大恒定电压20.548V。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1V20V，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，通过一个开关实现电阻R档的改变从而改变输 出电压的范围，并在所选择的输出电压范围内通过改变电位 器R5的阻值得到所需要的准确的直流电压输出。如图4.4 所示。A效于图4.4改进电路总结经过这一次的课程设计，我感触颇多，对所学内容也进一 步的加深了理解，学会了如何查找资料，利用资料，更重要 的是合作。在这一次的设计中，遇到了好多问题，却有很多收获。首 先是第一次的设计，按照最先的原理图连接出来后，我没能 调试出正确的结果，仿真出了问题。后来搜索了好多资料， 和同组同学进行了激烈的讨论，最终大胆选择了新的设计方 案，并利用网络和图书馆的资源，最终使这次课程设计得以 顺利完成。直流电子负载的设计方案有好几种，在网上找的资料好多 采用的是单片机原理，由于时间有限，要学习单片机不大现 实，串联式直流稳压负载的稳定性又不高，而三端集成稳压 器电路简单易学，又有很好的稳定效果所以最终采用的是三 端集成稳压器电路。这次的设计还有很多不足之处，有待进一步改进。要想获 得更稳定的电路，可以尝试使用单片机，这需要日后更多的 学习和实践来实现。致谢经过两个星期的艰苦奋战，我的课程设计基本完成。在这 里我要忠心的感谢我的指导老师，方俊初老师，正是他的悉 心教导才能让我在这么短的时间内就完成了这一次的课程 设计。期间，方老师每天都来学校为我们指点，我也经常向 方老师请教，他都很仔细耐心的向我解说。在我遇到困难时， 他不断的鼓励我，给我信心。他风趣幽默的风格，让我们在 解决问题和学习知识时感到无比轻松愉快。这段时间和方老 师的接触让我受益匪浅，在此在此表示，我对方老师的敬意 和感激之情。课程设计期间，同学和室友的帮助是巨大的，尤其是在方 案确定的时候，感谢他们对我的支持和帮助，在此对他们致 以最诚挚的谢意。还要感谢那些帮助过我的，给我提出宝贵 意见的，以及那些关心我的人。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意 见的各位老师表示衷心地感谢！此致敬礼附录表一：恒流模式元器件清单元件序号型号参数数量VCC12V1GROUND1V124V1V28V1R120欧1R22欧1R31K欧1U1OP07AZ1Q1SI9950DY_N1表二：恒压模式元器件清单元件序号型号参数数量V124V1GROUND1R1, R2, R310欧各一个R4100欧1R5200欧1C1，C2，C3100uF各一个U1LM317AH1Q1FMMT6171D11N1199C1参考文献【1】 华成英，童诗白著模拟电子技术基础第四版高等 教育出版社，2006【2】 阎石著电子技术基础第五版 高等教育出版社，2006【3】单片机原理及应用第三版 机械工业出版社，2005.【4】 全国大学生电子设计竞赛训练教程。电子工业出版社。2005.1。【5】 孙肖子，邓建国，陈南等著电子设计指南高等教 育出版社，2006.【6】 www.ECCN.com【7】 【8 】 课程设计任务书任务：设计一个直流电子负载要求：1. 有恒流和恒压两种模式，并可以手动切换2. 工作于恒流模式时，不论输入电压如何变化，流过电子 负载的电流保持恒定，且电流值可设定。3. 工作于恒压模式时，不论流经电子负载的电流如何，负 载的端电压保持恒定，且电压值可设定。4. 电压设置范围：120V。5. 电流设置范围：100mA3A。指导老师（签名）年 月 日直流电子负载的设计摘要：直流电子负载有恒流、恒压、恒阻、恒功率四个模式, 本文只讨论了前两种电子负载形式。这次设计主要采用的是 运算放大器和反馈网络所组成分电路，基本实现了电子负载 有恒流和恒压两种模式，并可手动切换。在恒流方式时不论 输入电压如何变化（在一定范围内），流过该电子负载的电 流恒定，且电流值可设定。工作于恒压模式时，电子负载端 电压保持恒定，且可设定，流入电子负载的电流随被测直流 电源的电压变化而变化。关键字：电子负载横流模式恒压模式目录第一章绪论1第二章总体设计方案2第三章恒流模式3.1恒流模式基本原理33.2恒流模式最小输出电压53.3恒流模式最大输出电压73.4恒流模式存在问题及改进方案9第四章恒压模式4.1 恒压模式基本原理104.2 横压模式最小输出电流134.3 横压模式最大输出电流154.4横压模式存在问题及改进方案17总结18致谢19附录20参考文献22