【電阻制作】簡(jiǎn)易電子負(fù)載的制作
1、什么是電子負(fù)載
電子負(fù)載的作用：能模擬一個(gè)參數(shù)可任意變化的負(fù)載，從而可測(cè)試電源在各種普通狀態(tài)和極限狀態(tài)下的表現(xiàn)。蓄電池也是電源，蓄電池的放電和放電測(cè)試也是免不了需要指定放電參數(shù)，以免電池受到傷害，比如恒流放電、恒功率放電、定電量放電、定時(shí)放電、過(guò)壓自停等等，當(dāng)然這需要電子負(fù)載具有條件觸發(fā)功能，如定時(shí)觸發(fā)、累計(jì)值觸發(fā)、參數(shù)閥值觸發(fā)等等。電子負(fù)載應(yīng)該有完善的保護(hù)功能。在開(kāi)關(guān)電源的調(diào)試中，充電器的測(cè)試中，電子負(fù)載起到了功不可沒(méi)的作用。
2、它是如何工作的
電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)部功率MOSFET或晶體管的導(dǎo)通量（占空比大?。?靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備，它能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載電壓，精確調(diào)整負(fù)載電流，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路，模擬負(fù)載是感性阻性和容性，容性負(fù)載電流上升時(shí)間。一般開(kāi)關(guān)電源的調(diào)試檢測(cè)是不可缺少的。
3、自己如何制作電子負(fù)載
電子愛(ài)好者在測(cè)試電源容量時(shí)，一般用恒流模式。在恒流模式下，不管輸入電壓是否改變，電子負(fù)載消耗一個(gè)恒定的電流。我們利用MOS管的線(xiàn)性區(qū)，把它當(dāng)作可變電阻來(lái)用的，把電消耗掉。MOS管在恒流區(qū)（即放大狀態(tài)）內(nèi)，Vgs一定時(shí)Id不隨Vds的變化而變化，可實(shí)現(xiàn)MOS管輸出回路電流恒定。只要改變Vgs的值，即可在改變輸出回路中恒定的電流的大小。在實(shí)際當(dāng)中，我們一般通過(guò)運(yùn)放對(duì)MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和電壓控制，也就是實(shí)現(xiàn)電壓-電流的轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)較高的穩(wěn)定性，可以用電壓基準(zhǔn)固定住輸入電壓。
圖1 電子負(fù)載原理圖
如圖1所示，采樣電阻Rs、運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)比較放大電路，MOS管輸出回路的電流經(jīng)Rs轉(zhuǎn)換成電壓后，反饋到運(yùn)放反相端實(shí)現(xiàn)Vgs，從而MOS管輸出一定的電流。當(dāng)給定一個(gè)電壓VREF時(shí)，如果Rs上的電壓小于VREF，也就是運(yùn)放的-IN電壓小于+IN，運(yùn)放加大輸出，使MOS導(dǎo)通程度加深，使MOS管輸出回路電流加大。如果Rs上的電壓大于VREF，-IN電壓大于+IN，運(yùn)放減小輸出，MOS管減少輸出回路電流，這樣電路最終維持在恒定的給值上，也就實(shí)現(xiàn)了恒流工作。
所以，輸出電流Id=Is=VREF/Rs。由此可知只要VREF不變，Id也不變，即可實(shí)現(xiàn)恒流輸出。如果改變VREF就可改變恒流值，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(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流。
實(shí)用的電子負(fù)載電路圖如圖2所示。原理和上述類(lèi)似，R1、U2構(gòu)成一個(gè)2.5V基準(zhǔn)電壓源，R2、Rp對(duì)這2.5V電壓分壓得到一個(gè)參考電壓送入運(yùn)放同相端，MOS管輸出回路的電流Is經(jīng)Rs轉(zhuǎn)換成電壓后，反饋到運(yùn)放反相端，實(shí)現(xiàn)控制電壓Vgs，從而控制MOS管輸出回路的電流Is的穩(wěn)定。電容C1主要作用有2個(gè)，一方面是消除雜波，另一方面使得電壓變化速度減緩，盡量減少M(fèi)OS管的柵極電壓高頻變化引發(fā)振蕩的可能。根據(jù)分壓公式，讀者可以自行計(jì)算負(fù)載能吸收的最大電流。
圖2 實(shí)用的電子負(fù)載電路圖
器件選型
運(yùn)放：因?yàn)槭侵绷?，可以不考慮單電源工作的問(wèn)題。但是要考慮運(yùn)放輸出電壓的范圍，使得MOS管工作在線(xiàn)性區(qū)，另外，既然是DIY,一定要低成本，所以可以選擇LM358，內(nèi)置的另一個(gè)運(yùn)放可以用來(lái)做保護(hù)用。
MOS管：負(fù)載輸入電壓主要受MOSFET的漏極到源極電壓(Vds)額定值和電流檢測(cè)電阻器的值的限制。注意，將電源連接到負(fù)載時(shí)，應(yīng)小心地計(jì)算功耗，使MOSFET始終處于安全操作區(qū)域（SOA）中，否則會(huì)在其管芯溫度超過(guò)安全余量時(shí)將會(huì)爆炸。這里MOS管選擇常用的IRFP462。為了實(shí)現(xiàn)大電流的輸出，可以把多個(gè)MOS管并聯(lián)起來(lái)。
電壓基準(zhǔn)：TL431是一款輸出電壓可調(diào)的基準(zhǔn)電壓源，輔以合適的外圍電路它可以在很大范圍內(nèi)輸出質(zhì)量較好的基準(zhǔn)電壓。
功率電阻：電阻的功率一定要留有余量，最好選擇黃金鋁殼電阻。如果想做幾十安培的大負(fù)載，可以考慮用分流器電阻。
制作完成的電路板如圖3所示。
圖3 實(shí)物圖
注意事項(xiàng)
散熱：根據(jù)你的測(cè)試需要，盡可能用大的散熱器。
指示：最好用電壓電流數(shù)顯表頭指示工作情況，以防MOS管過(guò)載燒壞。
電源：連接待測(cè)電源時(shí)注意極性不能接反，以防運(yùn)放芯片燒壞。
4、如何改進(jìn)
由于MOS管工作在線(xiàn)性區(qū)，效率是很低的。我們可以用PWM控制的方式，這樣裝置的功率密度可以做得較大。喜歡數(shù)字化的朋友可以用單片機(jī)控制DAC，代替電壓基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字控制，這樣可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制。有條件的朋友可以設(shè)置保護(hù)功能，對(duì)電壓和電流進(jìn)行限定，這樣可靠性大大提升。有了這個(gè)電子負(fù)載，你不必為缺乏大功率變阻器而操心了，心動(dòng)就趕快行動(dòng)起來(lái)吧，讓電子制作之路越走越遠(yuǎn)！
電子負(fù)載的作用：能模擬一個(gè)參數(shù)可任意變化的負(fù)載，從而可測(cè)試電源在各種普通狀態(tài)和極限狀態(tài)下的表現(xiàn)。蓄電池也是電源，蓄電池的放電和放電測(cè)試也是免不了需要指定放電參數(shù)，以免電池受到傷害，比如恒流放電、恒功率放電、定電量放電、定時(shí)放電、過(guò)壓自停等等，當(dāng)然這需要電子負(fù)載具有條件觸發(fā)功能，如定時(shí)觸發(fā)、累計(jì)值觸發(fā)、參數(shù)閥值觸發(fā)等等。電子負(fù)載應(yīng)該有完善的保護(hù)功能。在開(kāi)關(guān)電源的調(diào)試中，充電器的測(cè)試中，電子負(fù)載起到了功不可沒(méi)的作用。
2、它是如何工作的
電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)部功率MOSFET或晶體管的導(dǎo)通量（占空比大?。?靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備，它能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載電壓，精確調(diào)整負(fù)載電流，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路，模擬負(fù)載是感性阻性和容性，容性負(fù)載電流上升時(shí)間。一般開(kāi)關(guān)電源的調(diào)試檢測(cè)是不可缺少的。
3、自己如何制作電子負(fù)載
電子愛(ài)好者在測(cè)試電源容量時(shí)，一般用恒流模式。在恒流模式下，不管輸入電壓是否改變，電子負(fù)載消耗一個(gè)恒定的電流。我們利用MOS管的線(xiàn)性區(qū)，把它當(dāng)作可變電阻來(lái)用的，把電消耗掉。MOS管在恒流區(qū)（即放大狀態(tài)）內(nèi)，Vgs一定時(shí)Id不隨Vds的變化而變化，可實(shí)現(xiàn)MOS管輸出回路電流恒定。只要改變Vgs的值，即可在改變輸出回路中恒定的電流的大小。在實(shí)際當(dāng)中，我們一般通過(guò)運(yùn)放對(duì)MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和電壓控制，也就是實(shí)現(xiàn)電壓-電流的轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)較高的穩(wěn)定性，可以用電壓基準(zhǔn)固定住輸入電壓。
圖1 電子負(fù)載原理圖
如圖1所示，采樣電阻Rs、運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)比較放大電路，MOS管輸出回路的電流經(jīng)Rs轉(zhuǎn)換成電壓后，反饋到運(yùn)放反相端實(shí)現(xiàn)Vgs，從而MOS管輸出一定的電流。當(dāng)給定一個(gè)電壓VREF時(shí)，如果Rs上的電壓小于VREF，也就是運(yùn)放的-IN電壓小于+IN，運(yùn)放加大輸出，使MOS導(dǎo)通程度加深，使MOS管輸出回路電流加大。如果Rs上的電壓大于VREF，-IN電壓大于+IN，運(yùn)放減小輸出，MOS管減少輸出回路電流，這樣電路最終維持在恒定的給值上，也就實(shí)現(xiàn)了恒流工作。
所以，輸出電流Id=Is=VREF/Rs。由此可知只要VREF不變，Id也不變，即可實(shí)現(xiàn)恒流輸出。如果改變VREF就可改變恒流值，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(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流。
實(shí)用的電子負(fù)載電路圖如圖2所示。原理和上述類(lèi)似，R1、U2構(gòu)成一個(gè)2.5V基準(zhǔn)電壓源，R2、Rp對(duì)這2.5V電壓分壓得到一個(gè)參考電壓送入運(yùn)放同相端，MOS管輸出回路的電流Is經(jīng)Rs轉(zhuǎn)換成電壓后，反饋到運(yùn)放反相端，實(shí)現(xiàn)控制電壓Vgs，從而控制MOS管輸出回路的電流Is的穩(wěn)定。電容C1主要作用有2個(gè)，一方面是消除雜波，另一方面使得電壓變化速度減緩，盡量減少M(fèi)OS管的柵極電壓高頻變化引發(fā)振蕩的可能。根據(jù)分壓公式，讀者可以自行計(jì)算負(fù)載能吸收的最大電流。
圖2 實(shí)用的電子負(fù)載電路圖
器件選型
運(yùn)放：因?yàn)槭侵绷?，可以不考慮單電源工作的問(wèn)題。但是要考慮運(yùn)放輸出電壓的范圍，使得MOS管工作在線(xiàn)性區(qū)，另外，既然是DIY,一定要低成本，所以可以選擇LM358，內(nèi)置的另一個(gè)運(yùn)放可以用來(lái)做保護(hù)用。
MOS管：負(fù)載輸入電壓主要受MOSFET的漏極到源極電壓(Vds)額定值和電流檢測(cè)電阻器的值的限制。注意，將電源連接到負(fù)載時(shí)，應(yīng)小心地計(jì)算功耗，使MOSFET始終處于安全操作區(qū)域（SOA）中，否則會(huì)在其管芯溫度超過(guò)安全余量時(shí)將會(huì)爆炸。這里MOS管選擇常用的IRFP462。為了實(shí)現(xiàn)大電流的輸出，可以把多個(gè)MOS管并聯(lián)起來(lái)。
電壓基準(zhǔn)：TL431是一款輸出電壓可調(diào)的基準(zhǔn)電壓源，輔以合適的外圍電路它可以在很大范圍內(nèi)輸出質(zhì)量較好的基準(zhǔn)電壓。
功率電阻：電阻的功率一定要留有余量，最好選擇黃金鋁殼電阻。如果想做幾十安培的大負(fù)載，可以考慮用分流器電阻。
制作完成的電路板如圖3所示。
圖3 實(shí)物圖
注意事項(xiàng)
散熱：根據(jù)你的測(cè)試需要，盡可能用大的散熱器。
指示：最好用電壓電流數(shù)顯表頭指示工作情況，以防MOS管過(guò)載燒壞。
電源：連接待測(cè)電源時(shí)注意極性不能接反，以防運(yùn)放芯片燒壞。
4、如何改進(jìn)
由于MOS管工作在線(xiàn)性區(qū)，效率是很低的。我們可以用PWM控制的方式，這樣裝置的功率密度可以做得較大。喜歡數(shù)字化的朋友可以用單片機(jī)控制DAC，代替電壓基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字控制，這樣可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制。有條件的朋友可以設(shè)置保護(hù)功能，對(duì)電壓和電流進(jìn)行限定，這樣可靠性大大提升。有了這個(gè)電子負(fù)載，你不必為缺乏大功率變阻器而操心了，心動(dòng)就趕快行動(dòng)起來(lái)吧，讓電子制作之路越走越遠(yuǎn)！
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