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25μV），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=230.69mA

3.3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。

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的基础上进行的，R3调节范围在5%~100%，可以使输出电流为235.305mA~3.028A，基本满足了电流设置在了100mA~3A，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。

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：

U0=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UO。

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，