电子负载仪设计（精选3篇）
电子负载仪设计 篇1
随着社会发展,电源技术已经发生了巨大变化。对于低压直流电源来讲,如何准确、快速测试其带负载能力是电源界一直研究的问题。传统测试方法一般都采用电阻、滑线变阻器等充当测试负载,但这些负载不能满足对负载多方面的要求[1,2],如恒定电流的负载[3]、随意调节的负载、恒功率的负载、动态负载等。本文将电子技术和微控制技术引入负载装置,设计并制作了用于测量低压直流电源带负载能力的装置———电子负载。系统的MOS管工作在开关状态,与参考文献[4]的设计方案刚好相反,系统可以实现恒流、恒阻、恒功率等模式,可接受最大输入电压为100 V,恒流模式下最大恒流值为10 A,精度在1%以内;恒阻模式下最小恒阻值为0.32Ω,精度在3%以内;恒功率模式下最大可设定功率为100 W,精度在3%以内。目前该电子负载已投入使用,取得了良好效果。
1 系统结构设计
系统主要由斜波发生器、PWM波产生驱动电路、能量耗散电路、电流/电压采样电路、误差放大电路、微控制器等组成。其原理框图如图1所示。
恒流模式下,控制器将设定电流值通过DAC送入误差放大器的反相端。如果某一时刻待测电源实际输出电流值低于设定值,则误差放大器的输出为负,从而PWM波的占空比增大,使实际电流值增加,逼近预设电流值,反之亦然。这里引入PI调节[5],待测电源的实际电流值与预设电流值相差越大,误差信号就越大,PWM波的占空比变化也就越大,使待测电源的实际电流很快地接近并等于预设电流值。由于误差放大器的放大倍数很高(上万倍),在电路稳定的情况下可将误差放大器的同相输入端和反相输入端的电压视为相等,使负载电流值等于控制器的预设值,实现恒流。
恒阻模式下,微处理器首先采样得到待测电源电压,再根据设定电阻值计算出所需电流值,然后通过DAC送入误差放大器的反相端。由于待测电源电压可能变化,因此控制器须不断采样待测电源电压,一旦电压变化就要立刻改变送入DAC的值。为提高精度,软件内部采用软件补偿和过采样。
恒功率与恒阻模式的控制方式是一样的,只是计算控制电流值的公式不一样,这里不再赘述。系统将硬件与软件相结合,既克服了软件反馈响应慢的不足又避免了纯硬件实现电路复杂的缺点。同时,系统采用中断键盘输入能量耗散方式(恒流、恒阻、恒功率)和耗散值,在系统工作时,可通过电压电流采样实时显示待测电源的电压和电流值。
另外,由于闭环负反馈的反馈环路(由PWM波发生电路、MOS管驱动电路、电流采样放大电路、误差放大电路等组成)较大,信号在一定程度上会延迟,因此必须在反馈环路上添加相位补偿网络,防止电路震荡。
2 系统硬件电路设计
2.1 MOS能耗管电路
电子负载是将待测电源能量按特定方式(恒流、恒阻、恒功率等)进行耗散,用以测试待测电源的带负载能力。本系统的MOS管电路就是能量耗散电路[6],其具体设计电路如图2所示。
图中,POWER和PGND为输入待测电源;Vin为输入PWM波,控制MOS管的导通和关闭;R44、R45、R47、R48为1Ω25 W的功率电阻;R46为高精度模压电阻,实现电流采样。此处采用多路MOS管并联有两个好处:
(1)增强电路能量耗散能力,提高电路冗余度。如果其中一路MOS管电路损坏,其他MOS管电路都能正常工作,提高了系统的可靠性。
(2)多路MOS管电路并联减小了MOS管电路的导通电阻,增加了系统的电流测试能力。
由于功率耗散电路流过的电流较大,为了保护弱电控制部分不被干扰,系统在PCB板布局时将弱电控制部分和功率耗散部分分开布局,分开敷地,将功率耗散部分的地线引到弱电控制部分最初的输入电源处进行共地,以减小干扰。
另外,MOS管电路是并将待测电源能量以热量的形式耗散,在MOS管电路工作时会产生大量的热量,系统在MOS管上安装散热片,并在其电路旁边添加风扇,保证电路能长时间稳定工作。
2.2 电流采样电路
系统电流采样电路如图3所示。图中,POWER和PGND为待测电源。Vin为输入PWM波,控制MOS管的工作状态(图中的MOS管应该有四个并联,这里为了简洁,只画了一个示意);R23为负载电阻;R31为超高精度模压电阻,其阻值为0.05Ω。系统MOS管工作在开关状态,采样得到的电流信号是一个矩形波,故需对电流信号放大并积分,得到流过MOS管能耗电路的平均电流值。
图3中,运放U4B构成差分放大电路,提高采样精度,运放U4A构成放大积分电路,设流过MOS管的电流为Ip,运放U4A的输出电压UI_out,则有:
输出电压通过控制器的ADC采样即可得到流过MOS管能耗电路的电流。系统采用TL082对信号进行处理,TL082具有功耗低、输入阻抗高、耐共模电压高、价格便宜等特点,满足系统要求。
2.3 电压采样电路
恒阻或恒功率模式下都需要知道待测电源的电压值,根据预设值和电压值计算出所需设定的电流值。图4为系统的电压采样电路。图中POWER和PGNG为输入待测电源,Sample1为电压采样调理电路的输出端,送入控制器ADC端口进行采样。设待测电源输入电压为Vin,经采样电路后进入单片机ADC端口电压为Vv,则Vin与Vv的关系为:
图4中,采样分压电阻R7和R13对系统精度有以下影响:在恒流模式下,使待测电源实际输出电流比预设电流大;在恒阻模式下,使待测电源实际负载电阻比预设电阻小;在恒功率模式下,使待测电源实际输出功率比预设功率大。为了减小分压电阻对系统性能的影响,分压电阻R7和R13的阻值应尽量大,同时采用软件补偿减小误差。
图4中采样输入端添加LC滤波。由于系统能耗电路工作在开关状态,在MOS管导通瞬间,负载电阻很小(约0.32Ω),待测电源电压会被瞬间拉低,如图5所示,在MOS管关闭时,待测电源电压又恢复了正常。为了使采样电压更精确,需要在进入分压电阻之前进行滤波,如图4中的L1、C28,图6为经过L1、C28后的波形,从图6中可以看出波形得到了明显改善。为了达到更好的效果,在运放放大信号的同时,使用同相积分(由U2、R12、C5、R19、C27组成)使电压信号更趋于平均值;最后在输出端加RC(R2、C29)滤波,得到最佳效果;另外软件采用1 024次过采样,提高精度。
另外,在单片机ADC端口添加保护电路。由于待测电源电压的不确定性,在电路输出端加R2、D2(稳压管)等器件保护单片机的ADC端口不被烧坏。如图4所示。
3 微控制器控制值的理论计算
系统采用DAC8531作为控制电压发生器,将控制电压输出到误差放大器的同相端,DAC8531具有功耗低、精度高(16位)、轨对轨输出等特点,满足本设计要求。输出电压由DAC寄存器内的二进制编码D(在0~65 535之间)确定[7]:
式中:VREF为基准电压,本系统中VREF=2.5 V。
在不同工作模式下,控制的方式不一样,送入DAC控制值的计算方式也不一样,通过理论计算,表1列出了在不同模式下控制值的计算公式,式中D为送入DAC的控制值,Vin为待测电源电压,Vv为单片机ADC端口的采样电压值,IP、P、R分别为预设恒流值、恒功率值、恒阻值。
系统采用增强AVR RISC结构的ATmega16控制器为主控芯片,设计了良好的人机交互界面,其软件流程图如图7所示。
4 系统提高精度的方法
系统通过控制PWM波的占空比实现对待测电源的带负载能力测试。系统采用了以下方法提高系统的稳定性和精度:
(1)系统中的MOS管能耗电路是大功率部分,在PCB布局是将其与控制电路分开,在控制电路电源的最初点共地,以减小MOS管能耗电路对控制电路的干扰。(2)系统软件采用1 024次过采样提高电流、电压的采样精度,同时采用软件补偿方式减小采样电阻R7和R13(详见图4)对系统工作的影响。(3)在芯片供电电源的就近处添加0.1μF的退耦电容,以减小其相互影响。
5 测试结果
系统对恒流、恒阻、恒功率功能的精度进行测试,主要测量待测电源的电压和电流值。系统所选测试仪器有:MPS-3303电源箱两台;VC9807A+数字万用表两台。由于电源箱MPS-3303的最大输出电压约60 V,因此电压测试范围为0~60 V。
表2给出了本设计在恒流模式下预设2.00 A电流时的精度,从表中可以看出,系统精度在1%以内,达到了较高的指标。另外,系统预设功率小于100 W,如果超出该功率,则关闭MOS管,保护电路。从表中可以看出系统具有过载报警功能。
表3给出了系统在恒功率模式下预设10.00 W、45.00W时的精度,从表中可以看出,系统在恒功率模式下的精度在3%以内,达到了较高的指标。
限于篇幅,文中只给出了恒流、恒功率模式下的数据。恒阻模式下,系统精度仍在3%以内。
摘要：以增强AVR RISC结构的ATmega16控制器为核心,设计并制作了直流电子负载仪。系统通过斜波发生器产生的锯齿波和电流采样信号与控制信号的误差信号作比较产生约20 kHz的PWM波控制MOSFET管工作,然后经过误差放大器的PI调节构成闭环负反馈控制环路,实现恒流。恒阻和恒压模式通过软件实时调节流过MOS管电路的电流实现。实测数据显示,系统恒流模式下精度在1%以内,恒阻与恒功率模式下精度在3%以内。
关键词：电子负载,PI闭环调节,PWM波控制,恒流,恒阻,恒功率
参考文献
[1]杨长安,王蔚,赵亮,等.基于反馈控制的恒流型电子负载的实验研究[J].现代电子技术,2006,33(14):127-128.
[2]杨振吉,付永杰.电子负载的设计[J].计量技术,2003(5):24-25.
[3]陈广赞,张莉,宋金岩.基于单片控制的恒流测试系统[J].电测与仪表,2009,46(9):38-40.
[4]Meng-Yueh Chang,Jiann-Yow Lin,Shih-Liang Jung.Design and implementation of a real-time lossless dynamicload dimulator[C].IEEE PESC′97,1997:734-739.
[5]宋建成,刘国瑞,李永学,等.基于改进重复控制和双闭环PI控制的逆变器研究[J],煤炭学报,2011(10):1768-1772.
[6]黄志瑛,谢光明.功率MOSFET在电子负载中的应用[J].科技资讯,2008(1).
[7]Texas Instruments.Digital to Analog converter DAC8531.2001.
电子负载仪设计 篇2
1 电子负载仪概述
电子负载的工作原理是通过控制功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管等功率半导体的导通量(量占空比大小),用功率管作为消耗电能的载体的设备,具有控制简单、调节范围大、调节精度高和稳定性好等优点,通过多样的调节和控制方法,可以模拟实际的负载情况和模拟一些特殊的负载波形曲线,测试电源设备的静态、动态和瞬时特性,这些都是常规测试方法无法实现的。
从电源输出电压类型来看,电子负载可以分为直流电子负载和交流电子负载两种。在弱电控制系统应用领域,直流电的应用范围比交流电广泛,所以直流电子负载比交流电子负载的使用率高。电子负载可以模拟真实环境中的负载设备,具有恒流源、恒压源、恒功率源和恒阻源4 个基本功能。
2 系统设计
电子负载仪最常用的功能是恒流源功能,在进行电源检测时也最常使用到这项功能,所以本文设计研制一个低价格且电路架构简易、功能稳定的定电流电子负载仪,以可调电流测试为主,用液晶显示方式显示出即时的电流值。
工作原理是,由被测电源提供5 V电压经电阻分压后作为比较器参考电压,比较器电路将负载电流转换为电压与参考电压做比较,以调整电流控制电路来调节恒流电流的大小;电流控制电路由功率三极管构成,被测电源的电功率都消耗在功率三极管上;分压电路为精密可变电阻,可变电阻的调整可以改变比较器的参考电压,同时可以改变比较器的输出,这样就可以调整电流控制电路达到改变恒流电流的目的;在功率电阻两端接入放大器再输出至电压表头进行显示,放大器设置有放大倍数调节旋钮,可以改变电压数值的显示。
2.1 整机原理
此部分电路以比较器为核心,选用LM358 比较器,其内部包括有2 个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式。特性:内部频率补偿;直流电压增益高(约100 d B);单位增益频带宽(约1MHz);电源电压范围宽;低输入偏流;低输入失调电压和失调电流;共模输入电压范围宽,包括接地;差模输入电压范围宽,等于电源电压范围。
可变电阻分压后的电压直接接入比较器的正端,利用可变电阻可调节其输出电压,比较器的负端接功率电阻端的电压,比较器输出接到电流控制电路的功率三极管上,以此来控制恒流电流的大小。
2.2 输入部分
电子负载输入电路,可以接入电压范围5 ~ 48 V,但一次测试只能接一路输入,不可接错。
2.3 电流控制部分
此部分电路采用东芝2SC5200 功率三极管和日立D669AC三极管组成达林顿回路作为电流控制核心。2SC5200 具备体积小、质量轻、耐震动、寿命长,耗电小五大优点,相比传统的半导体电子管,2SC5200 是新型的NPN型三重扩散硅晶体管,在安全性及可靠性方面有非常大的进步。比较器输出接到功率三极管的基极,其输出电流的大小将控制流过集电极电流的大小。基极电流变化会使其工作线产生高低浮动,电路工作时将使三极管工作在饱和区。
2.4 内部供电部分
此部分采用正负电源设计,双电源运放的输出电压范围可以跨越零位达到正负电压输出,从而达到高精度控制的效果,而单电源运放则不行。
2.5 电流显示部分
此部分采用ICL7135 和共阴极显示屏组成的电压表头电路。通过在功率电阻两端加放大器后输出至电压表头电路来显示电压,知道电压数值与功率电阻阻值就可以计算出此时的恒流电流值。
2.6 仪器内部结构
考虑到电子负载在测试过程中会释放大量的热能,特别对仪器内部结构的排布设计进行了合理规划,设置了进风口和冷却风扇,冷却风扇置于功率电阻板上方,进风口位于功率晶体管旁,使热量能有效的散发出来,保证仪器连续正常工作的稳定性和可靠性。
2.7 技术性能及系统测试方案
电子负载设计理论技术性能指标:输入电压范围5 ~ 48V,电压测量分辨率最高100 m V,电压显示误差0.5%,电流调节范围0 ~ 20 A连续可调,电流调节分辨率最高100m A,电流显示误差1%,最大输入功率100 W。
测试设备:1)Agilent 34401A数字台式万用表:分辨率:61/2 位;DCV精度 ±(% 读书+% 量程):0.0035+0.0005;测量速度-41/2 位:1 000 个读数/ 秒。2)KYORITSU 2033数字交直流钳形电流表:最小分辨率:0.01 A(40 A/300 A自动量程);最大测试电流:300 A;自动零调整功能(DCA)。
在电源输入端接入电压表,同时在导线上接入钳形电流表,以测量电子负载输入端电压值和恒流源调节的电流值。选取4 个常用电压值分别是5 V、12 V、24 V、48 V进行测试,测试结果完全满足理论设计性能。结果见表1。
3 结论
依据本设计方案研制恒流源电子负载仪,能够直接检测被测电源的电流值,以及在不同大小的负载下电源的输出功率值,具备低价格且电路架构简易、功能稳定、工作可靠,可调电流,液晶显示等优点,能很好地替代传统的测试方法中一般采用的电阻、滑线变阻器、电阻箱等,经过实际生产调试,使用效果良好。
摘要：本文介绍一种新型简易直流电子负载仪,本仪器以比较器LM358控制恒流电流的核心部分,以东芝2SC5200功率三极管和日立D669AC三极管组成达林顿回路作为电流耗散核心部分,具备电路架构简易、功能稳定、工作可靠,液晶显示等优点,完全满足对直流电源进行定电流测试的要求。
关键词：电子负载,恒流源,比较器,功率晶体管
参考文献
[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.
[2]邹寿彬.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1997.
[3]段尚枢.运算放大器应用基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.
简易直流电子负载的设计分析 篇3
关键词：直流电子负载,电路模块设计,软件设计,MSP430
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。负载的种类较多, 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, 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。而直流电子负载用途较为广泛, 可用于检测直流电源的电源稳定性、负载稳定性、输出电压调整和瞬态特性等参数。电子负载的种类是多种多样的, 选择适合的电子负载是电源类研发或者生产中一个重要的方面, 针对设计要求, 综合考虑多方面因素, 我们设计了一个符合应用要求的直流电子负载。
1 设计要求
本设计要制作一台恒流 (CC) 工作模式的简易直流电子负载。其工作原理示意如图1所示。
其基本要求为: (1) 恒流 (CC) 工作模式的电流设置范围为100m A~1000m A, 设置分辨率为10m A, 设置精度为±1%。还要求CC工作模式具有开路设置, 相当于设置的电流值为零。 (2) 在恒流 (CC) 工作模式下, 当电子负载两端电压变化10V时, 要求输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1%。具有过压保护功能, 过压阈值电压为18V±0.2V。 (3) 能实时测量并数字显示电子负载两端的电压, 电压测量精度为± (0.02%+0.02%FS) , 分辨力为1m V。 (4) 能实时测量并数字显示流过电子负载的电流, 电流测量精度为± (0.1%+0.1%FS) , 分辨力为1m A。 (5) 具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能, 测量范围为0.1%~19.9%, 测量精度为±1%。为方便, 本题要求被测直流稳压电源的输出电压在10V以内。
2 设计方案
本系统主要由主控器系统、采样系统、恒流控制系统等组成, 下面主要论证主控器和A/D转换器的选择。
2.1 主控器选择
有类似文章介绍用80C51单片机, 因其价格便宜, 应用范围广, 备受使用者欢迎。但由于仿真器占用单片机串口及定时器, 用于PC通讯, 故不支持串口及定时器的仿真功能, 同时也不能进行在线仿真。而MSP430与51单片机相比其优势在于MSP430为16位单片机, I/O口明显增多, 且功耗低、同时具有16个外部中断。若采用纯硬件方式控制设计电路, 电压、电流预设置通过调节电位器实现, 电流、电压取样反馈值送入比较电路, 实现恒压、恒流和恒阻的功能, 电路相对比较复杂, 且可实现的功能有限, 在短时间内制作会比较粗糙, 工作量较大, 所以最终采用MSP430单片机。
2.2 A/D、D/A转换器选择
采用MSP430单片机内置A/D转换器, 该转换器虽然只有12位, 精度虽然不如ADS1115模数转换器等16位转换器, 但使用方便, 功耗低, 且能满足精度要求, 故采用此方案。
3 系统硬件设计
3.1 整体电路框 (见图2)
3.2 采样电路设计
采样电路中以通用运算放大器OP07为主芯片, 设计工作量小, 电路简单, 调试方便, 性能稳定, 完全满足设计要求。其电路如图2所示。在设计中, 被测电源中的场效应管 (IRF151) 的选择十分重要, 它必须有足够小的RDS, 动态压降还要求尽量小, 还要有足够高的工作频率。另外, 它的温度系数是否较低、是否有内部保护、输入电阻是否高、是否有较高的源极、漏极击穿电压等, 这些都是设计者要考虑的要点。具体电路如图3所示。
3.4 过压保护电路设计
过压保护是防止被测电源电压过高时损坏直流电子负载进而设计的模块, 电路如图4所示。
4 系统软件设计
系统软件设计采用C语言, 对MSP430单片机进行编程实现各项功能。程序在Windows环境下采用IAR Embedded Workbench软件编写, 可以实现检测电源性能、电路过压保护、屏幕显示等功能。主程序主要起到一个决策功能, 决定某一时刻各子模块该如何运转。电源检测各种功能的实现主要通过调用A/D, D/A, 电路过压保护等多个功能子程序完成。限于篇幅, 在这里只介绍主程序流程如图5所示。
5 系统测试
在电路各个模块完整的制作完成后, 首先检查硬件电路是否连接有错误, 虚焊等。若无误, 则在不加测试电源的情况下, 对各个模块的主要部件进行测试, 如单片机对D/A的控制是否正常, 运算放大器是否按照制定的放大倍数或要求进行工作, 康铜丝的采样点电压接入运放后是否能够按照要求进行放大, 采样模块的A/D是否能够正常的进行工作, 显示模块是否能够正常显示等。当通过上面的测试后, 接入电源。但是在接入之前, 首先需要对单片机进行工作模式的设定。当电源在初次接入时, 电压值应该设定的很小, 不妨从2V开始调节, 与此同时, 还要考虑串联限流电阻, 为了确保电路的安全, 初次接入时应先选取2欧电阻进行测试。在测试过程中, 尽量保证电源电压与D/A输出模拟电压相近, 避免两者偏差过大。若在测试过程中出现异常, 务必首先切断电源开关。
6 设计总结
在直流电子负载系统的整个制作过程中, 笔者遇到了很多软、硬件上的困难。首先是恒流的控制的精度性问题, 电流采样的精确性等。这个问题带来了很大的困扰也花费了大量的时间。主要表现为MOSFET烧了不少, 恒流调节电路工作不稳定等等。最后通过老师的指导以及设计团队成员的团结合作, 终于将问题一一解决。在这个过程中, 笔者体会到了完成整个设计与制作的困难和艰辛, 也感受到了指导老师给予我们的关怀和团队之间共同的坚持与努力。
虽然本系统基本可以达到设计的要求, 但在其他一些方面, 还存在着提升的空间, 如在系统中增加语音提示输入、输出超限报警等功能, 有待继续完善。
参考文献
[1.谢自美.电子线路设计·调试[M].3版.武汉:华中科技大学出版社, 2006.
[2]曹磊.MSP430单片机c程序设计与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.