负载电阻的原理及应用

作者:孙宇晨 来源:www.5idf.cn 2020-03-15   阅读:

在开始主题之前,我们需要了解的是:负载电阻是什么?

         将其拆分:负载和电阻;

         负载,顾名思义,是指连接在电路中的电源两端的电子元件。主要功能就是将电能转换成其他形式的能,以实现能量的转换。负载电阻是电阻的一种,是指电路中的“负载”也就是电路里的工作设备的电阻。例如,照明电路中灯泡的电阻就是负载电阻。

         从广义上定义,负载就是给电源制造负担的实体,电子负载包括各种电器;从狭义上定义,电子负载就是一个可调(或者等效于)的电阻,一般也可以工作于一种或者多种工作模式,有恒定电流,恒定电压,恒定电阻,恒定功率等。

1:电子负载的用途:

        严格来说所有的电源输出类产品都需要进行测试,测试就需要用对应的产品(或者合适的负载),对此可以用一个固定电阻来模拟实际的产品,对特定的电源参数进行测试和老化,但要测试电源产品各种参数,轻载、满载、重载、特别是参数需要变化的时候,这时候就必须要一个电子负载了,电子负载能在一定范围内调节各项参数,恒压,恒流,恒阻,恒功率等。

2:电子负载常用的模式:恒流模式,恒压模式,恒阻模式。

       恒流模式(见下图)

CC 模式原理图

        图中,R1是限流电阻,Q1 是功率管子,当运算放大器的正端比负端电压高时,输出高电压推动Q1 拉载电流,当点检测的电压值和端检测的电压近似时,达到一个平衡值,此时MOS 管子的电压是恒定的,当端电压升高时,点的电压也升高,电流增加;的的电压值被限制在和点基本一致时,达到平恒,从而达到恒流的目的。因此,在控制的时候只需要用一个小电阻控制端的电压就可以达到恒定电流的目的。表是输入电压和输出电流的比例一栏表

         由表可以看出输出电流只有电压有关系,而于输入电压无关。1

恒流的电子负载模式应用于需要恒流放电的电子产品,比如各种充电器,电源输出产品。

恒压模式(见下图)

CV 模式原理图

         图中,R1 是限流电阻,Q1 是功率管子,当运算放大器的正端比负端电压高时,输出高电压推动Q1 拉载电流,当点检测的电压值和端检测的电压近似时,达到一个平衡值,此时MOS 管子的电压是恒定的。当电源VCC 电压升高时,造成端电压上升,由于端电压不变,此时运算放大器导通,Q1 拉载电流加大,将电源电压拉低,端电压减低,最后使点电压等于点电压,达到平衡。改变电阻R2R3 的分压比,可以改变控制电压和输出电压的比值。

         电源电压,输出电压,控制电压的关系表(见表2)

         可以看出,输出电压和输入电压没有关系,输出电压只和控制电压有关系。

2

        恒压模式主要应用于各类LED 产品,因为LED 电压要考虑各种不同配置的LED 的个数,如果设置电子负载为各个电压点,从而能检测出在某个电压点的电源运行情况。

恒阻模式(见图5、图6)

CR 模式原理图

      图中,R1 是限流电阻,Q1 是功率管子,当运算放大器的正端比负短电压高时,输出高电压推动Q1 拉载电流,当点检测的电压值和端检测的电压近似时,达到一个平衡值。

      当控制的电压值是0.1V,输入的电源电压是12V 时,输出电流时1A,则计算出其电阻值是

12V/1A=12R;单电源电压升高至24V 时,再来计算一下,此时点电压由于VCC 的升高也跟着升高变成0.2V;从而使点电压升高到0.2V 此时电流变成2A,达到一个平衡,计算出其电阻为

24V/2A=12R,由实际可知,输入电压的变化,造成检测电压也成比例升高,电流成比例升高,最终的结果是电阻不变,达到恒阻的目的。

       3是输入电源电压和电阻设定在特定值时的参数表

        由上表可知,设置电阻=输入电压/输出电流,也就是说电压变化时电流也随着变化,整个阶段电阻值保持不变,当改变电阻时,电流也随之改变,恒阻的电子负载在实现起来时相对比较困难,因此有些电子负载并不设专门的硬件电路来实现,而是采用MCU通过CC模式计算出来,这种恒阻的方式响应会比较慢,可以在要求不高的环境下使用,专业的恒阻电子负载都是由硬件来实现的。

        其实电子负载还有很多变种的模式,如恒功率,恒压恒流等等,基本上都是上面那几种都通过计算出来的。

3:工业电子负载的设计

负载设置是一个比较复杂的电路,需要完成以下几个方面:

1)与电脑通信一个完整的设备,除了实用,还要有更友好的界面,如下所示,需要让用户看到各项参数,这就涉及通信,工业常用的可靠简单的通信接口是485 接口,采用Mudbus 通信协议。

2)电源稳定电路电子负载作为产品老化的测试设备,首先需要保证自身产品的稳定可靠,电

源一定要稳定,当需要个电子负载同时使用时,还需要相互的隔离,所以每一个电子负载必须要保证自身与电源的有效隔离。

3PWM 稳定与调节电路目前大多数电子负载均采用MCU 控制电路,调节的电压值大多数

都是PWM 输出后滤波所得,此时一定要保证滤波后的直流稳定,波动小,否则最终做出的电子负载会有很大的波动,甚至崩溃,损坏整个产品。

4)信号采集对此除了需要输出特定的电压控制电压电流外,一个完整的电子负载还必须能

够采集到实际的电流电压值,这样便于构成一个闭环控制,也才能知道实际的产品是否符合要求。

5)实际电路下面是笔者设计的一个电流在0-8A 电子负载的实际电路,其原理(参见图8)

图中,MCU 经过PWM 滤波后的信号通过R7R8 分压输入到运放OP07 的第三脚,老化后的电流在电阻R14 捡测出来,通过R13 输入到OP07 的第脚,经过比较后的电压经OP07 Out 输出到Q4 的栅极控制着输出的电流,电源电压通过电阻R10R11 分压后输入到单片机的AD 端口,电流信号通信R15 输入到单片机的AD 端口,单片机经过处理后,再将信号输出到控制级,完成整个过程。

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