简易直流电子负载

简易直流电子负载设计报告

一，引言

在电路中，负载是指用来吸收电源供应器输出的电能量的装置，它将电源供应器输出的电能量吸收并转化为其他形式的能量储存或消耗掉。如电炉子将电能转化为热能；电灯将电能转化为光能；蓄电池将电能转化为化学能；电机将电能转化为动能。这些都是负载的真实表现形式。负载的种类繁多，但根据其在电路中表现的特性可分为阻性负载、容性负载、感性负载和混合性负载。在实验室，我们通常采用电阻、电容、电感等或它们的串并联组合，作为负载模拟真实的负载情况。进行电源设备的性能实验。电子负载是利用电子元件吸收电能并将其消耗的一种负载。电子元件一般为功率场效应管（Power MOS）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体器件。由于采用了功率半导体器件替代电阻等作为电能消耗的载体，使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性。同时通过灵活多样的调节和控制方法，不仅可以模拟实际的负载情况，还可以模拟一些特殊的负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性。这是电阻等负载形式所无法实现的。

二，总体方案论证与设计

电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。设计和制作一台电子负载，有恒流和和恒压两种模式，可手动切换。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。外接12V稳压电路。要求：

（1）负载工作模式：恒压（CV）、恒流（CC)两种模式可选择。

（2）电压设置及读出范围：1.00V~20.0V。

（3）电流设置及读出范围：100mA~3.00A。

（4）显示分辨能力及误差：至少具有3位数，相对误差小于5%。

恒流模块和恒压模块共用一个基准电压12v，并且通过开关实现两种模式的转换，用A/D 转换器把电路中的电压电流的模拟信号转换为数字信号，然后通过单片机来程控从而重置电压电流，用数码管液晶显示同时呈现即时电压电流。原理图如下所示。

2.1参数设计方案

方案一：通过手动调节滑动变阻器来调节恒流源和恒压源两种模式下的电压，其缺点是调节耗时费力，准确度不高。但操作简单易懂。

方案二：利用A/D 转换把模拟信号转换为数字信号，在利用单片机程控来修改电压电流参数，此方案精确度高，操作技术要求很高，节省时间。

2.2恒流恒压设计方案

方案一：

1 定电流模式（CC mode ） 方案一：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，即负载电流保持摄定值不变。

这个图是一个最常用的恒流电路，这样的电路更容易获得稳定及精确的电流值，R3 为取样电阻,VREF 是给定信号，电路工作原理是：当给定一个信号时 VREF ，如果 R3 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 R3 的电流加大。如果 R3 上的电压大于 VREF 时，-IN 大于+IN ，OP07 减小输出，也就降了 R3 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 10mV ，R3 为

显 示

按键输入

单 片

机

A/D 转换

PWM 控制

电流检测 电压检测

功率控制

0.01 欧时电路恒流为 1A，改变 VREF 可改变恒流值，VREF 可用电位调节输入或用 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。恒阻功能，在有些数控电子负载中并不设计专用电路，而是在恒流电路的基础上通过 MCU 检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻功能的目的，比如要恒定电阻为 10 欧时，MCU 检测到输入电压为 20V，那么会控制输出电流为 2A，但这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢，且要求不高的场合。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。

2 定电阻模式（CR mode）

在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而定，此时负载电流与输入电压呈正比例，比值即是所设定的负载电阻，即负载电阻保持设定值不变。

恒阻功能，在有些数控电子负载中并不设计专用电路，而是在恒流电路的基础上通过 MCU 检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻功能的目的，比如要恒定电阻为 10 欧时，MCU 检测到输入电压为 20V，那么会控制输出电流为 2A，但这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢，且要求不高的场合。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。

3 定电压模式（CV mode）

在定电压工作模式时，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，即负载电压保持设定值不变。

图中 MOS 管上的电压经 R3 与 R2 分压后送入运放 IN+与给定值进行比较，如图所示，当电位器在 10%时 IN-为 1V，那么 MOS 管上的电压应为2V。

方案二：

基本电路为除虚线框⑤和两个万用表以外的部分，由恒压电路、恒流电路、过流保护电路、驱动电路组成。V =12V输入电压，经过限流电阻R1到三端可调分流基准源U1(TL431)的阴极K后，由参考端R得到输出基准电压VR为2.5V，经电阻R1到调整滑动变阻器R6，一路经电阻R2为U3A提供电压，另一路经电阻R7为U3C提供电压。与方案一的区别是用开关可以切换恒流源和恒压源，并且两种模式共用一个场效应管，方案二还多了一个过流保护模块，故我们选择方案二进行设计。

2.3功率控制方案选择：

方案一：另一种功率控制方案是:恒压源和恒流源分开使用两个场效应管。

方案二：一种功率控制方案是:恒压源和恒流源共用同一个场效应管。经比较，故选方案二进行实验设计。

2.4显示方案选择：

方案一：电压和电流的显示可以用数码管，但数码管的只能显示简单的数字，其电路复杂，占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。

方案二：使用功能更好的液晶显示，增加显示信息的可读性，看起来更方便。而JM1602C字符点阵液晶模块有明显的优点：微功耗，尺寸小，超薄轻巧，显示信息量大，字迹美观，视觉舒适，而且容易控制。经比较，故选用方案二进行设计。

三．芯片介绍

3.1HCPL-7805

HCPL－ 7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达 1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。

主要特点：输出电流可达 1A;输出电压有：5V;过热保护;短路保护;输出晶体管 SOA保护。

图 3-1 HCPL7805