直流電子負載

1、安 徽 工 程 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計第一章 緒論在電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,經(jīng)常要對開關(guān)電源、線性電源、UPS 電源、變壓器、整流器、電池、充電器等電子設(shè)備進行測試，如何對其輸出特性進行可靠、全面且比較簡單、快捷的測試，一直是儀表測試行業(yè)研究的問題。傳統(tǒng)的測試方法中一般都采用電阻、滑線變阻器、電阻箱等充當(dāng)測試負載，但這些負載不能滿足我們對負載多方面的要求，如：恒定電流的負載；帶輸出接口的負載；隨意調(diào)節(jié)的負載、恒功率的負載、動態(tài)負載；多輸出端口的負載等?，F(xiàn)在有一種新型多功能的電子負載，可據(jù)實際應(yīng)用中對負載特性的要求進行設(shè)置，滿足了我們對負載的各種要求，解決了開發(fā)研制測試中的困難。電子負載即電子負荷。凡

2、是能夠消耗能量的器件,可以廣泛地稱為負載。電子負載能消耗電能，使之轉(zhuǎn)化成熱能或其它形式的能量。靜態(tài)的電子負載可以是電阻性(如功率電阻、滑線變阻器等) 、電感性、電容性。但實際應(yīng)用中，負載形式就較為復(fù)雜，如動態(tài)負載，消耗功率是時間函數(shù)，或電流、電壓是動態(tài)的，也可能是恒定電流、恒定電阻、恒定電壓，不同峰值系數(shù)(交流情況下)，不同功率因數(shù)或瞬時短路等。電子負載就是在實際應(yīng)用中負載比較復(fù)雜的情況下而設(shè)計生產(chǎn)的測試設(shè)備。它能替代傳統(tǒng)的負載，如電阻箱、滑線變阻器、電阻線、電感、電容等。尤其對吸收恒定電流或以恒定電壓吸收電流，或電壓電流都要在設(shè)定范圍突變等傳統(tǒng)方法不能解決的領(lǐng)域里，更能顯示出優(yōu)越性能。直流電

3、子負載可以具備恒定電流、恒定電阻、恒定電壓、動態(tài)負載及短路負載等工作方式。本課題主要討論恒壓和恒流兩種模式。第二章 總體設(shè)計方案 需要設(shè)計一個直流負載，可以實現(xiàn)恒壓和恒流兩種模式，并可以切換，且電壓值和電流值都可以設(shè)定在一定范圍內(nèi)。本實驗采用的是手動切換兩種模式的方式。恒壓、恒流兩種模式都是采用運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)所組成的電路而實現(xiàn)的，其中，電路中的反饋網(wǎng)絡(luò)是以場效應(yīng)管為核心而構(gòu)成的可調(diào)式放大電路，并增加了軟啟動電路和電壓補償電路進行補充。可調(diào)式放大電路就是指放大電路根據(jù)輸出要求的需要改變經(jīng)過反饋電路的反饋信號，以達到輸出需求。軟啟動電路可以使電壓由零慢慢提升到額定電壓，這樣電路在啟動過程中的

4、啟動電流，就由過去過載沖擊電流不可控制變成為可控制。電壓補償電路即功率因數(shù)的補償，電流在經(jīng)過負載會消耗部分能量，以致最終得到的結(jié)果和預(yù)期值有較大差距，電壓補償電路則可以彌補損失。第三章 恒流模式3.1 恒流模式基本原理 在定電流工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據(jù)所設(shè)定的電流值而保持恒定，與輸入電壓大小無關(guān)，即負載電流保持不變。恒流模式下的電路原理圖，如圖3.1所示。該恒流電路是以集成運算放大器OP07為核心，OP07芯片是一種低噪聲，非暫波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。O

5、P07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面這樣的電路更容易獲得穩(wěn)定及精確的電流值。如圖3.1所示，R2為取樣電阻,當(dāng)從OP07的3端給定一個信號VREF時，如果R2 上的電壓小于VREF，也就是OP07 的-IN 小于+IN，OP07 加輸出大，使MOS 加大導(dǎo)通使R2 的電流加大。如果R2 上的電壓大于VREF 時，-IN 大于+IN，OP07 減小輸出，也就降了R2 上的電流，這樣電路最終維持在恒定的給值上，也就實現(xiàn)了恒流工

6、作。如給定VREF 為可調(diào)節(jié)的直流源，R2為2 歐時，改變VREF 可改變恒流值，VREF 可用電位器調(diào)節(jié)輸入或用DAC芯片由MCU 控制輸入，采用電位器可手動調(diào)節(jié)輸出電流。如采用DAC 輸入可實現(xiàn)數(shù)控恒流電子負載。輸出恒流值：I=(R3/(R1+R3)/R2*U 圖 3.1 恒流模式原理圖3.2橫流模式最小輸出電流為了獲得最小的電流，現(xiàn)將R3的電阻調(diào)到最大，即滑動變阻器打到100%處，如圖3.2所示。圖3.2.1 橫流模式最小輸出電流圖3.2.2 橫流模式最小輸出電流根據(jù)恒流輸出值的公式，并將數(shù)值代入，可以求得最小輸出電流為：I=230.69mA3.3橫流模式最大輸出電流為了獲得最大的電流，

7、現(xiàn)將R3的電阻調(diào)到最小，即滑動變阻器打到5%處，如圖3.2.1和3.2.2所示。 圖3.3.1 橫流模式最大輸出電流圖3.3.2 橫流模式最大輸出電流根據(jù)恒流輸出值的公式，并將數(shù)值代入，可以求得最大輸出電流為： I3.36A這個電路圖是在調(diào)節(jié)R3的基礎(chǔ)上進行的，R3調(diào)節(jié)范圍在5%100%，可以使輸出電流為235.305mA3.028A，基本滿足了電流設(shè)置在了100mA3A，并可以保持恒定的要求。3.4 恒流模式存在的問題及改進方案由于上述電路的輸出電流的調(diào)整完全依賴電位器R3 的改變，因此R3的改變范圍較大，這樣在輸出電流的調(diào)整過程中，容易調(diào)過頭或調(diào)不足，要準確地實現(xiàn)100mA-3A 范圍的電

8、流任一電流有些調(diào)整比較麻煩，必須反復(fù)調(diào)整，只依賴R3是比較困難的，如果將電位器R3用一個電位器R3'和電阻R 檔串聯(lián)實現(xiàn)，通過一個開關(guān)實現(xiàn)電阻R 檔的改變從而改變輸出電流的范圍，并在所選擇的輸出電流范圍內(nèi)通過改變電位器R3'的阻值得到所需要的準確的直流電流輸出。如圖3.4所示。圖3.4改進方案第四章 恒壓模式4.1 恒壓模式基本原理在恒壓工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據(jù)所設(shè)定的負載電壓而定，此時負載電流將會增加直到負載電壓等于設(shè)定值為止，即負載電壓保持不變。恒壓電路在用于測試充電器時是很有用的。恒壓模式下的原理圖，如圖4.1所示。該電路采用的是三端集成穩(wěn)壓器電路方案，并

9、輔以軟啟動電路和電壓補償電路設(shè)計而成的。由LM317系列三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，其輸出電壓調(diào)節(jié)范圍在1.25-37 V之間，輸出電流可達1.5 A，內(nèi)部帶有過載保護電路，具有穩(wěn)壓精度高、工作可靠等特點。由于LM317 有一穩(wěn)定的基準電壓U(1.25 V)，故有：U0=U*(1+R5/R3)=1.25*(1+R5/R3)，其中R3為固定電阻，故調(diào)節(jié)R5可以調(diào)節(jié)輸出電壓UO。 軟啟動電路由晶體管T，電阻R2，R4和電容器C3組成。其作用是使電路輸出電壓U0有一個緩慢的上升過程，以適應(yīng)感性負載(如直流電機)的啟動特性。當(dāng)輸入電壓UI接入時，因C3上的電壓不能突變，故T因基極電位較高而飽和導(dǎo)通，

10、使U2(LM317的2 腳電位)和U3都很低，故U0很小，隨著C的充電，T的基極電位下降，其集電極電位(即U2)升高，使U3 升高(因U32 為一穩(wěn)定電壓)，所以U0也升高。當(dāng)C 充滿電時，T被截止，啟動電路失去作用，U0也達到設(shè)定值。啟動的時間可以通過改變C3和R4的值進行調(diào)整。電壓補償電路是由電阻R1和二極管D組成。因為要求輸出電壓從0 V 起調(diào)，LM317 集成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需設(shè)計一個電壓補償電路，抵消LM317 的1.25 V 最小輸出電壓。U0=U3-UD式中，U3 為LM317 的3 腳電壓；UO 為輸出電壓；UD 為二極管D 的正向壓降，即為補償電壓，其值略大于LM31

11、7 的基準電壓(1.25 V)。當(dāng)調(diào)節(jié)R1，使U3 達到與UD 相等時，輸出電壓即為0 V。之后，當(dāng)調(diào)節(jié)R4 逐漸增大時，UO 即由0 V 開始增大。由于負載電流流過D，故D 的最大工作電流應(yīng)能適應(yīng)負載電流的要求。圖4.1 恒壓模式電路圖 4.2 恒壓模式最小輸出電壓為了獲得最小的恒定輸出電壓，將R5的電阻調(diào)到最小，即滑動變阻器打到0%處，如圖4.2.1，圖4.2.2和圖4.3.3所示。圖4.2.1 恒壓模式最小輸出電壓圖4.2.2 恒壓模式最小輸出電壓圖4.2.3 恒壓模式最小輸出電壓此時獲得最小恒定電壓1.263V4.3 恒壓模式最大輸出電壓為了獲得最小的恒定輸出電壓，將R5的電阻調(diào)到最大

12、，即滑動變阻器打到100%處，如圖4.3.1,，圖4.3.2和圖4.3.3所示。圖4.3.1 恒壓模式最大輸出電壓圖4.3.2 恒壓模式最大輸出電壓圖4.3.3 恒壓模式最大輸出電壓此時獲得了最大恒定電壓 20.548V。恒壓模式是在調(diào)節(jié)R5的基礎(chǔ)上進行的，R5調(diào)節(jié)范圍在0%100%，輸出電壓為1.263V20.548V，基本滿足了電壓設(shè)置在1V20V，并可以保持恒定的要求4.4 恒流模式存在的問題及改進方案 由于上述電路的輸出電壓的調(diào)整完全依賴電位器R5 的改變，因此R5 的改變范圍較大，這樣在輸出電壓的調(diào)整過程中，容易調(diào)過頭或調(diào)不足，要準確地實現(xiàn)1-20V 寬范圍的電壓任一電壓有些調(diào)整比較

13、麻煩，必須反復(fù)調(diào)整，只依賴R5 是比較困難的，如果將電位器R5 用一個電位器R5'和電阻R 檔串聯(lián)實現(xiàn)，通過一個開關(guān)實現(xiàn)電阻R 檔的改變從而改變輸出電壓的范圍，并在所選擇的輸出電壓范圍內(nèi)通過改變電位器R5'的阻值得到所需要的準確的直流電壓輸出。如圖4.4所示。圖 4.4 改進電路總 結(jié) 經(jīng)過這一次的課程設(shè)計，我感觸頗多，對所學(xué)內(nèi)容也進一步的加深了理解，學(xué)會了如何查找資料，利用資料，更重要的是合作。在這一次的設(shè)計中，遇到了好多問題，卻有很多收獲。首先是第一次的設(shè)計，按照最先的原理圖連接出來后，我沒能調(diào)試出正確的結(jié)果，仿真出了問題。后來搜索了好多資料，和同組同學(xué)進行了激烈的討論，最

14、終大膽選擇了新的設(shè)計方案，并利用網(wǎng)絡(luò)和圖書館的資源，最終使這次課程設(shè)計得以順利完成。 直流電子負載的設(shè)計方案有好幾種，在網(wǎng)上找的資料好多采用的是單片機原理，由于時間有限，要學(xué)習(xí)單片機不大現(xiàn)實，串聯(lián)式直流穩(wěn)壓負載的穩(wěn)定性又不高，而三端集成穩(wěn)壓器電路簡單易學(xué)，又有很好的穩(wěn)定效果所以最終采用的是三端集成穩(wěn)壓器電路。 這次的設(shè)計還有很多不足之處，有待進一步改進。要想獲得更穩(wěn)定的電路，可以嘗試使用單片機，這需要日后更多的學(xué)習(xí)和實踐來實現(xiàn)。致 謝 經(jīng)過兩個星期的艱苦奮戰(zhàn)，我的課程設(shè)計基本完成。在這里我要忠心的感謝我的指導(dǎo)老師，方俊初老師，正是他的悉心教導(dǎo)才能讓我在這么短的時間內(nèi)就完成了這一次的課程設(shè)計。期

15、間，方老師每天都來學(xué)校為我們指點，我也經(jīng)常向方老師請教，他都很仔細耐心的向我解說。在我遇到困難時，他不斷的鼓勵我，給我信心。他風(fēng)趣幽默的風(fēng)格，讓我們在解決問題和學(xué)習(xí)知識時感到無比輕松愉快。這段時間和方老師的接觸讓我受益匪淺，在此在此表示，我對方老師的敬意和感激之情。 課程設(shè)計期間，同學(xué)和室友的幫助是巨大的，尤其是在方案確定的時候，感謝他們對我的支持和幫助，在此對他們致以最誠摯的謝意。還要感謝那些幫助過我的，給我提出寶貴意見的，以及那些關(guān)心我的人。最后，向在百忙中抽出時間對本文進行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地感謝！ 此致敬禮附 錄表一：恒流模式元器件清單 元件序號型號參數(shù)數(shù)量VCC12

16、V1GROUND1V124V1V28V1R120歐1R22歐1R31K歐1U1OP07AZ1Q1SI9950DY_N1表二：恒壓模式元器件清單元件序號型號參數(shù)數(shù)量V124V1GROUND1R1，R2，R310歐各一個R4100歐1R5200歐1C1，C2，C3100uF各一個U1LM317AH1Q1FMMT6171D11N1199C1參 考 文 獻【1】 華成英,童詩白著模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四版 高等教育出版社，2006【2】 閻石著電子技術(shù)基礎(chǔ)第五版 高等教育出版社，2006【3】 單片機原理及應(yīng)用第三版 機械工業(yè)出版社，2005.【4】 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程。電子工業(yè)出版社。200

17、5.1?！?】 孫肖子，鄧建國，陳南等著電子設(shè)計指南高等教育出版社，2006. 【6】 www.ECCN.com 【7】 【8】 課程設(shè)計任務(wù)書任務(wù)：設(shè)計一個直流電子負載要求：1. 有恒流和恒壓兩種模式，并可以手動切換2. 工作于恒流模式時，不論輸入電壓如何變化，流過電子負載的電流保持恒定，且電流值可設(shè)定。3. 工作于恒壓模式時，不論流經(jīng)電子負載的電流如何，負載的端電壓保持恒定，且電壓值可設(shè)定。4. 電壓設(shè)置范圍：120V。5. 電流設(shè)置范圍：100mA3A。指導(dǎo)老師（簽名）_年 月 日直流電子負載的設(shè)計摘要：直流電子負載有恒流、恒壓、恒阻、恒功率四個模式，本文只討論了前兩種電子負載形式。這次設(shè)計主要采用的是運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)所組成分電路，基本實現(xiàn)了電子負載有恒流和恒壓兩種模式，并可手動切換。在恒流方式時不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），流過該電子負載的電流恒定