直流电子负载的工作原理及使用方法

2018-05-09上海市计量测试技术研究院

上海计量测试 2018年2期

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

在电子技术和测试领域，实验人员经常会对直流稳压电源、开关电源、线性电源、变压器、整流器、电池、充电器等电子设备的输出特性进行测试，怎样可靠全面且较简单快捷进行测试，一直是仪器仪表从业人员探索的问题。传统的方法一般采用电阻、滑线变阻器、电感、电容等充当测试负载，这些负载结构简单，功能单一，已经不能适应现代电子设备对于负载输出特性的测试要求。本文介绍的直流电子负载比一般的负载具备更多的测试模式。具有直流电子负载用恒定电流(CC)，恒定电压(CV)，恒定电阻(CR)模式，可分别用于不同的电源参数的测量。它能替代传统的负载，更好地用来测试评估直流电源的输出特性、蓄电池的寿命特性。直流电子负载在作为一个可变或恒定电阻时，还可以作为直流电压、直流电流的测量表具，有一定的测量分辨力和准确度，而且有保护功能，这样既利于提高测量速度也方便测量。因此，深入理解直流电子负载的设计原理，从而正确使用电子负载在工业领域显得尤为重要。

1 直流电子负载的工作原理

直流电子负载的工作模式有四种：恒流工作模式、恒压工作模式、恒阻工作模式、恒功率工作模式。

1.1 恒流电路

图1是一个常用多见的恒流电路，在恒流工作模式时，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，与输入电压的大小无关，即负载电流保持不变。图1中，R3 为取样电阻，VREF是参考电压，其工作原理是：当给定一个参考电压VREF时，如果R3 上的电压小于VREF，也就是运放的-IN小于+IN时，运放加大输出，使MOS导通程度加深，使MOS管输出回路电流加大。如果R3上的电压大于VREF时，-IN 大于+IN，运放减小输出，也就降了MOS管输出回路电流，这样也就实现了恒流工作。如参考电压VREF为10 mV，R3 为0.01 Ω时电路恒流为1 A，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。

图1 恒流电路

1.2 恒压电路

图2为可调直流恒压电子负载电路。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。图2中MOS 管上的电压经R3与R2分压后送入运放IN+与参考电压值进行比较，当电位器在10%时IN-为1 V，那么MOS 管上的电压应为2 V。

1.3 恒阻电路

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 Ω时，MCU 检测到输入电压为20 V，那么会控制输出电流为2 A，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。

图2 恒压电路

图3电路是由硬变件实现的恒阻电路，R4 为1%，如果输入电压为1 V，那么IN+上的电压为10 mV，也就控制R1上的电压为10 mV，等效电阻测为1 Ω。

图3 恒阻电路

1.4 恒功率电路

恒功率功能，大部分电子负载都采用恒流电路来实现，原理是MCU 采样到输入电压后，根据设定的功率值来计算输出电流。

2 直流电子负载的使用方法

基本了解直流电子负载的四种工作模式后，下面介绍电子负载基本的使用方法。

其测试接线如图4所示，直流电子负载是用电子器件实现的“负载”功能，其输出端口符合欧姆定律。电子负载是通过控制内部功率器件MOSFET或晶体管的导通量，使功率管耗散功率，消耗电能的设备。

图4 电子负载测试接线

1）把电子负载设定在CC模式，负载关闭，此时用电子负载以电压表形式测量直流稳压电源CV态的开路输出电压。

2）把电子负载设定在CC模式，打开负载及其短路设置，此时用电子负载以电流表形式测量直流稳压电源CC态的输出电流。

3）直流电源的稳压即CV态的负载调整率的测量：

如有一台电源，规格为30 V/30 A，先把电压调节到最小，电流调节到适当值，设置负载在CC态，打开负载，设置负载的CC值为30 A，调节电源的电压值，此时负载值随着外加电压的改变而变化，直到调节电压为30 V时，电子负载测量出电源带载的实际输出电压Um和回路里的电流。再设置负载的CC值为0，则此时相当于断开负载，此时电子负载作为一个直流电压表，测量出电源不加载的输出电压Un，则电源CV态的负载调整率为

如果电子负载的测量准确度不能满足测量电源的要求，则可以在测量的同时，在电源的两端并入直流数字电压表进行监测。

4 直流电源的稳流即CC态的负载调整率的测量

如有一台电源，规格30 V/30 A（把电流调节最小，电压调节到适当值），则设置负载在CV态，打开负载，设置负载的CV值为30 V，调节电源的电流值，此时负载值随着回路的电流的改变而变化，直到调节电流为30 A时，电子负载测量出电源带载的实际输出电压和回路里的电流Im。此时可以设置负载的CV值为0，相当于短路负载，此时电子负载作为一个直流电流表，测量出电源不加载的输出电流In，则电源CC态的负载调整率为

如果电子负载的测量准确度不能满足测量电源的要求，则可以在测量的同时，在电源的测量回路中串联分流器进行测量电流。需要说明的是：用DC电子负载测量电源时，若不用Vsense端，则若10 mΩ的引线电阻在回路电流为10 A可引起0.1 V的压降，即电子负载电压测量值将小于电源实际输出电压值。为了测量准确，Vsense两端要接于电源输出的两端，电子负载则取样测量Vsense两端的电压来测量，而回路电流则与四线Vsense测量无关。