自制電子負(fù)載儀,Electronic Load

      關(guān)鍵字：電子負(fù)載電路

      作 者:張漢屏

      電子負(fù)載儀是電源制作和電池性能測試必不可少的一種儀器,。顧名思義電子負(fù)載儀是由電子器件組成模擬負(fù)載，用來檢測各類電源帶負(fù)荷特性和化學(xué)電源輸出性能的儀器,。在恒電流測試時加以同步計時,，就可精確測出電池容量值。

      筆者因工作需要，曾接觸過多個廠家電子負(fù)載儀產(chǎn)品,。雖然檔次高低迥異,、體積相差很大，但是電子負(fù)載的重要部分,，即電子開關(guān)部件大部分由管耗較小的VMOS功率管組成,，其工作模式均為PWM方式。為了電池容量計量的方便,，負(fù)載儀大多工作于恒流放電模式,。電子開關(guān)驅(qū)動電路有單片機(jī)、運算放大器,、分立元件組成控制電路,。高級的還具有各種功能顯示和設(shè)置功能。所以配置較高的產(chǎn)品價位極高,，約幾千元至數(shù)萬元不等,。其價位是很多電子愛好者和小廠家望洋興嘆！

      可見,，如果撇開很多華而不實的設(shè)置和顯示功能,，以堅固耐用、容易操作,、簡單可靠作為設(shè)計指標(biāo)的大容量負(fù)載儀,，肯定能受到很多用戶所歡迎！

      基于上述主導(dǎo)方針,，筆者設(shè)計了一款用LM324運放為主控器件的電子負(fù)載儀,。整個儀器由電子開關(guān)、斜波發(fā)生,、電流檢測放大,、比較調(diào)節(jié)、PWM驅(qū)動單元組成,。

      該儀器可對12~48V電源和電池進(jìn)行放電性能測試,，最大電流為20A；操作非常方便,；由K1控制放電投入或切出,；W1調(diào)節(jié)電流幅度大小,；W2調(diào)節(jié)欠壓值,。

      下面簡單介紹電路工作原理，其電路如圖1所示,。圖中,，IC1A、R1~R4,、Q1,、C3、C4,、D1組成斜波發(fā)生電路,。其中，R2,、R3分壓為IC1A反相輸入端基準(zhǔn)電壓,；而同相輸入端接C3通過R1充電。初始時IC1A輸出低電平,；當(dāng)C3電壓上升大于反相基準(zhǔn)時,，IC1A輸出為高電平；經(jīng)D1,、R4使Q6導(dǎo)通,，致C3瞬間放電為0V。此時IC1A輸出翻轉(zhuǎn)為低電平,。又重復(fù)上述過程,。

      如此周而復(fù)始， C3接連產(chǎn)生類如鋸齒波脈沖,，鋸齒最大幅度略低于反相端基準(zhǔn)電壓,，該脈沖送IC1B反相端作為PWM周期比對脈沖；而IC1B同相端輸入控制信號：此信號由經(jīng)IC1D單元與電流反饋信號比較處理后輸出,?？梢钥闯觯喝绻刂菩盘柗刃∮诿}沖信號幅度,則IC1B輸出低電平；而控制信號大于脈沖信號幅度,IC1B輸出高電平,。所以控制信號幅度變化轉(zhuǎn)換為輸出脈沖寬度變化,；且每個鋸齒波周期內(nèi)信號幅度越大，IC1B輸出脈沖越寬,。信號幅度越小,，IC1B輸出脈寬越窄。

      顯而易見,，IC1D輸出的脈沖寬度變化,，使場效應(yīng)管每周期導(dǎo)通時間變化，即可達(dá)到控制負(fù)載電流的目的,。這就是各類PWM控制的基本原理,。PWM方式的應(yīng)用，既使功率器件工作在能耗極小的高頻開關(guān)區(qū)域,，又能使功率器件產(chǎn)生等同線性工作時的控制效果,。

      R12,、R13、R14,、IC1C組成電流取樣放大部分,，作用是將電流變化轉(zhuǎn)換成一定幅度的反饋電壓。其增益為10倍,，由調(diào)節(jié)R13與R12比例決定,。IC1C輸出信號作為電流反饋信號輸運到IC1D單元作比較處理。

      IC1C輸出送至IC1D反相端,，與同相端電流給定信號作減法運算,。電路中R15、R16,、R17,、R18阻值相等，構(gòu)成一個標(biāo)準(zhǔn)減法器,。圖中為給定電壓減去反饋電壓,。這可以理解為一旦給定電壓確定后，如果由于某種原因電流上升,，則ICID輸出電壓下降,；由于電池電壓下降導(dǎo)致電流下降時，IC1D輸出電壓上升,。由于IC1D的作用,，在很大程度上補(bǔ)償了放電電流波動時的幅值變化，使之接近恒流放電情況,。

      R7~R10,、Q1、Q2,、Q3,、Q4組成PWM驅(qū)動電路。1C1B輸出高電平時,，Q1,、Q2、Q3導(dǎo)通,，Q3導(dǎo)通使Q5（場效應(yīng)功率管）得到接近15V的柵壓而導(dǎo)通,，此時Q4反偏截止。IC1B輸出翻轉(zhuǎn)為低電時,，Q1,、Q2、Q3,、截止,，Q5柵壓消失,，此時，Q4正偏置導(dǎo)通,，使Q5柵極快速放電而可靠關(guān)斷,！Q3、Q4對管的作用是：以足夠的驅(qū)動功率克服場管的柵,、源的電容效應(yīng)使Q5可靠開關(guān),。

      這是一個用于場效應(yīng)管的經(jīng)典電路,，非?？煽浚?qū)動能力也很強(qiáng),，筆者曾用來驅(qū)動數(shù)百安培的大功率器件,，效果很好。

      用于電池欠壓保護(hù)的電路由R20,、R19組成電壓取樣至IC2反相輸入端,。6.3V由R21、W2,、R22組成欠壓設(shè)定電路,，設(shè)定電平信號至IC2同相輸入端。在電源電壓取樣信號大于設(shè)定信號時,；IC2輸出為低電平,，此時，T1不動作,。一旦電源電壓取樣信號小于設(shè)定信號時,，IC2輸出端翻轉(zhuǎn)為高電平，T1導(dǎo)通并自鎖,。T1導(dǎo)通,，使Q1失去偏壓而截止，中斷了PWM驅(qū)動信號的傳輸,，使電子開關(guān)隨機(jī)關(guān)斷,，達(dá)到電池欠電壓保護(hù)的目的。T1的自鎖是為了防止關(guān)閉放電后,，電池端電壓回升使IC2輸出翻轉(zhuǎn),，系統(tǒng)重新進(jìn)入工作區(qū)而頻繁開關(guān)激發(fā)機(jī)振的必要措施。

      Q5選用IXFK120N20 ,，參數(shù)為120A/200V/10mΩ,，配用150X100散熱器；另外配置12V/0.35A儀表風(fēng)機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷,。對于保護(hù)場效應(yīng)管的安全也是非常必要的,。

      圖中RX1為大功率電阻,，阻值為0.75Ω，功率為300W,。此電阻加入雖然大大降低了功率VMOS管承受的功耗,，但是亦帶來一個問題：在不加RX1的情況下，可測試很低電壓的電池,，如3.6V的動力鋰電池的10A放電檢測,；加上RX1以后，等同Q5增加了0.75Ω的導(dǎo)通電阻,，實際只能達(dá)到最大4.8A放電值,。所以在單體電池大電流檢測上，應(yīng)該短接RX1,，以達(dá)到預(yù)期效果,。

      對于超過20V的電源，此電阻效果很顯著,，如24V電池以20A放電為例,，此時電子開關(guān)須承受總計480W功率，可以計算出RX1分擔(dān)了其中300W,。實際上采購符合功率,、阻值要求的功率電阻頗不容易，而且價值非常昂貴,。下面介紹一種適合業(yè)余條件下制作該電阻的方法：材料系用2~5kW的電熱絲,，截取多段并聯(lián)達(dá)到需要阻值和功率,。注意盡量使每段阻值一致,，保證流過電流相同,。至于其聯(lián)接方法,，為盡量減少系統(tǒng)電阻,，不宜用接插方式,，應(yīng)盡量使用焊接方式,。但電熱絲不易上錫怎么解決,？先把電熱絲頭用銅軟線緊密排繞一定寬度,；然后以常規(guī)方式上錫,；上錫前把電熱絲頭彎折，防止銅線滑出,。這樣就可以把很難上錫的電熱絲實施焊接連接了,。

      土制的RX1在大電流值工作時，發(fā)熱很厲害,。散熱的方法可以用強(qiáng)制風(fēng)冷,，但是并不理想，最好的方式還是水冷,，即把電熱絲放在一定容積的水槽中即可,。但焊接點必須用樹脂涂復(fù)或熱縮管保護(hù),，而且由于電化作用，電熱絲壽命也不可能很長,。如果能找到一些變壓器油(或汽車水箱防凍液)代替水作為冷卻介質(zhì)的話,，那就比較理想了。

      顯示儀表選用數(shù)字表頭,，最好采用220V供電的那種,。注意：電流表與電壓表不能共用5V電源，否則引發(fā)讀數(shù)不準(zhǔn),，甚至損壞表頭,。

      儀器使用：接好220V電源，放電開關(guān)置關(guān)位置,，W1反旋到底,，接上放電電源（電池和各類電源）,。然后把放電開關(guān)置放電位,，調(diào)節(jié)W1至合適放電電流值即可。

      欠壓值沒定：接上一個可調(diào)節(jié)電源,，放電電流調(diào)節(jié)至0.5~1A,，調(diào)整可調(diào)電源至欠壓值，如21V,；再細(xì)心調(diào)節(jié)W2旋鈕至電流表讀數(shù)消失,，證明W2已調(diào)節(jié)到21V欠壓值；然后關(guān)閉儀器電源（使T1復(fù)位）再重啟電源,，接上被測電池,，調(diào)節(jié)合適的電流值即可。當(dāng)然每次欠壓保護(hù)后,，必須使T1復(fù)位,。