宋 濱

（青島科技大學，山東 青島 266042）

當前，國內外對電源類產品的實驗一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)負載（如電阻、電阻箱、滑線變阻器等）能耗放電的辦法進行，使用的設備體積大，調整不方便，不能自動變參數(shù)運行。測試數(shù)據(jù)需要另外添加儀器儀表來進行。而電子負載用電子器件、智能控制實現(xiàn)“負載”功能。電子負載不僅可以模擬真實環(huán)境中的負載，還能夠準確檢測出負載電壓，精確調整負載電流，同時可以實現(xiàn)模擬負載短路、負載的阻性或容性、容性負載電流上升時間等，極大的提高了電源設備的測試效率，這是電阻等負載形式所無法實現(xiàn)的。直流電子負載主要用于直流發(fā)電裝置（光伏電池等）、蓄電池等電源的研發(fā)與制造中。

1 直流電子負載工作原理

直流電子負載的工作原理見圖1方框圖所示，圖中虛線框中即為電子負載。對不同的工作模式采樣參數(shù)和輸出控制參數(shù)不同，本文分別予以分析。

圖1 電子負載工作原理方框圖

1.1 定電流模式

定電流模式的電路連接圖與負載特性圖見圖2的（a）與（b）。

圖2 定電流模式的電路連接圖與負載特性

定電流模式對負載電流I進行采樣，與給定電流值進行比較，控制電子負載的導通程度，以保持負載電流恒定，與輸入電壓大小無關。若被測輸入電壓為8V，由設定電流100mA，則當調節(jié)被測電壓為10mV，取樣電阻R1為0.1Ω時，負載上的電流值應維持在100mA不變，而此時電子負載的電阻值是可變的。

1.2 定電壓模式

圖3 定電壓模式電子負載與電源的連接與外特性

定電壓模式的電路連接圖與負載特性圖見圖3的（a）與（b）。在定電壓工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據(jù)所設定的負載電壓而定，此時負載電流將會增加直到負載電壓等于設定值為止，即對負載電壓值進行采樣，與給定電壓值進行比較，控制電子負載的導通程度，以保持負載電壓恒定。該電路中運放引入電壓串聯(lián)負反饋。當給定值為1.2V時恒壓值為2.4V。

恒壓：U0＝UREF（1＋R1／R3）

1.3 定電阻模式

定電阻模式的電路連接圖與負載特性圖見圖4的（a）與（b）。

圖4 定電阻模式電子負載與電源的連接與外特性

在定電阻工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據(jù)所設定負載電阻和輸入電壓的大小而定，此時負載電流與輸入電壓成正比例，比值就是所設定的恒電阻。其電壓和電流值的采樣是同時進行的，并根據(jù)測得的電壓值控制電子負載的電流。若負載設定為10Ω，當輸入電壓在1～10V變化時，電流變化則為100mA～1A。同時恒阻可調節(jié)，在恒流電路的基礎上，檢測出輸入電壓，由單片機計算應流出電流，并轉換為VRE輸入到電路中，實現(xiàn)恒阻功能。

2 直流電子負載電路設計

2.1 單片機控制器

采用51系列單片機擔任控制器。單片機部分包括鍵盤、LCD液晶顯示器、串行EEPROM、集成溫度傳感器DS18B20、時鐘芯片DS1302。電路圖見圖5，鍵盤模塊接單片機P2口，圖中沒有畫出。單片機采用宏晶8051系列單片機STC12C5A60S2。

不同方式之間的聯(lián)系與整合更是對思想政治工作的效果起到加乘的作用。新華社的全媒體、融合媒體的嘗試，使得新聞媒體內部資源整合，達到宣傳效果的最大化。全國“兩會”期間，除了傳統(tǒng)媒體的報道，新聞發(fā)言人制度、全媒體傳播指數(shù)，以及兩會代表的微博微信，都成為良好的溝通手段，起到了很好的效果。

2.2 A／D、D／A模塊

根據(jù)精度要求選擇A／D、D／A模塊。本實例中根據(jù)筆者手頭現(xiàn)有的芯片，A／D模塊選用AD7705，D／A模塊選用TLC5638。

A／D轉換采用16位A／D轉換器AD7705，AD7705是雙通道全差分模擬輸入。當電源電壓為5V、基準電壓為2.5V時，可將輸入信號范圍從0～＋20mV到0～＋2.5V的信號進行處理。還可處理±20mV～±2.5V的雙極性輸入信號。因此，AD7705可以實現(xiàn)2通道系統(tǒng)所有信號的調理和轉換。

圖5 單片機控制電路

TLV5638是TI公司的12位D／A轉換器，具有兩個輸出通道，數(shù)據(jù)傳輸接口為3線的串行接口，該接口能夠與常用的微控制器或者微處理器直接相連。每次傳輸數(shù)據(jù)由16位的數(shù)據(jù)組成一幀，其中4位控制命令字，12位輸出數(shù)據(jù)。性能優(yōu)良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口簡便。供電電源：2.7V～5.5VDC。

2.3 電子負載與信號采樣電路

恒流恒阻電路圖見圖6，恒壓電路圖見圖7。圖中，MOSFET是負載調整管。I與V分別是負載電流采樣與負載電壓采樣信號。

圖6 恒流恒阻電路圖

圖7 恒壓電路圖

2.3.1 負載調整管的選擇

對于直流電子負載，選擇管子的時候，首先要考慮管子的極限參數(shù)，即擊穿電壓V（BR）DSS、最大電流ID和最大耗散功率PD應能滿足電路長期安全工作的需要。為獲得較好的電氣性能，要選用閾值電壓VGS（th）低，漏源導通電阻RDS（on）小，跨導gfs大的管子。本文選用IRFB4310型場效應管，其擊穿電壓 V（BR）DSS≤100V、最大電流ID≤140A和最大耗散功率PD≤330W，閾值電壓 VGS（th）≈3V，漏源導通電阻 RDS（on）≈5.6mΩ，跨導gfs≥160S，用于低壓直流場合完全適用。當需要更大的負載電流時，可以使用多個FET管并聯(lián)工作。

2.3.2 驅動電路

D／A轉換器的輸出電壓，要經放大以后，才能驅動FET工作。運算放大器U1和U2擔任驅動。

2.3.3 采樣電路

根據(jù)工作方式不同，要對不同的電路參數(shù)采樣。采樣電路所獲的信號，要經過調理，使之滿足AD轉換模塊的需要。

R8是電流采樣電阻。R8上的電壓經U3放大后，送A／D轉換器。R7和R9組成分壓器，對負載電壓進行采樣，其輸出送另一路AD轉換器。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試數(shù)據(jù)

測量電路見圖8、圖9。

圖8 恒壓測量電路

圖9 恒流測量電路

對電路恒壓模式的檢測數(shù)據(jù)見表1，測量原理見圖8恒壓測量電路，實際電路見圖7恒壓電路，其中VREF為運放反相輸入端。

表1 電路恒壓模式檢測數(shù)據(jù)

對電路恒流模式的檢測數(shù)據(jù)見表2，測量原理見圖9恒流測量電路，實際電路見圖6恒流電路圖，其中VREF為運放同相輸入端。

表2 電路恒流模式的檢測數(shù)據(jù)（R采樣＝0.1Ω）

對電路恒阻模式的檢測數(shù)據(jù)見表3，檢測原理圖見圖9恒流測量電路，實際電路見圖6恒流電路，其中VREF為運放同相輸入端。

表3 電路恒阻模式的檢測數(shù)據(jù)（R采樣＝0.1Ω）

3.2 測試結果分析

由實際測試結果分析，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，在額定工作條件下，精度較高。電流的輸出范圍為0.1A-2A，相對誤差小于5%，調節(jié)時間0.6～0.8s；電壓輸出范圍為1-20V，相對誤差小于5%，調節(jié)時間小于3s。恒阻模式時，測量精度為3%。因此本方案較好完成了題目的要求。

4 結論

本直流電子負載采用單片機控制，可以實現(xiàn)智能控制；能夠實現(xiàn)恒流、恒壓、恒阻模式的的正常工作；能夠直接檢測被測電源的電流、電壓及功率值，各個參數(shù)都能直觀的在液晶屏上顯示；采用無線遙控控制，操作簡單。

電壓設置及調節(jié)范圍：1.00-20.0V，相對誤差小于5%，調節(jié)時間小于3s。

電流設置及調節(jié)范圍：100mA-2.00A，相對誤差小于5%，調節(jié)時間小于3s。

經過大量的調試、測試本系統(tǒng)能夠滿足預定的設計要求。

需要說明的是，由于采用了手頭現(xiàn)有的元件進行實驗，所選元件并不一定是最經濟、最合適的選擇，但肯定是安全的。

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