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电子负载基础知识
本文原著:BG2VO 张利民

什么是电子负载

电子负载也叫假负载,是一种可以控制电流、电压和电阻的仪器,可以模拟真实负载,比如大功率电阻、充电的电池、用电器,可以消耗、吸收或承载功率和电流,用来测试各种电源。
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常见的电子负载直流的为多。

商品电子负载,常见的都是中小功率,比如150W、300W。大功率的体积重量都比较大,价格也高。

搞电源的、DC-DC的、电池相关的,电子负载是必备仪器。



电子负载的指标

1、最大承受功率
顾名思义,就是电子负载能够承受的最大功率。这是电子负载重要指标,电子负载尤其是中小功率的,都是以消耗电功率转换成热能为原理,因此功率决定了器件、决定了体积,也在很大程度上决定了价格。一般电子负载功率150W和300W常见,更大功率的体积重量和价格都比较高。

2、最大承受电压

就是电子负载最大可以加到多高的电压,一般几十伏,或者上百伏,毕竟这对于功率半导体器件是小菜。但电压太高存在安全和绝缘问题,因此高压的电子负载不太常见。

3、最大承受电流

功率一定场合,低压下应该可以消耗更大的电流,但由于各种限制,电流也不能无限增加,否则电压太低也没啥用途,30A和60A比较常见。电子负载能够工作的区域范围见下图,横轴是电流,纵轴是电压:
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图中A部分横线,就是最高电压限制,曲线B,就是最大功率界限,而C,就是最大电流边缘。
还有一个限制就是D,表现为大电流时不能工作在小电压下,是管子的饱和压降和检流电阻等内部原因所导致,这个压降越小越好,比如低于0.8V才可以测试镍氢电池,如果这个电压较高,那只能降低工作电流以求得最低使用电压。也有个别电子负载这个压降为0的,也就是0V就可以工作,甚至可以达到负电压就工作(成为电源了),那就跑到第四象限里面去了。

4、主要功能
一般的电子负载都具备恒流、恒压、恒阻功能

恒流,就是在最大电压和最大功率限制范围内,无论外加电压多大,消耗的电流为一定。这个电流当然可以在最大电流范围内随意设置,比如设定了5A,那么一般外加电压在1V到30V范围内,电子负载都吸收5A电流。这个功能很常用,主要用于测试各种电源、电池和DC-DC等。

恒压,就是在最大电流和最大功率限制范围内,无论外加多大电流,表现为恒定电压。这个电压当然可以在最大电压范围内随意设置,比如设定了15V,那么一般外加电流在10A之内,电子负载都能维持在15V。这个功能主要用于测试恒流负载,比如恒流源、太阳能电池。

恒阻,电子负载表现为一个电阻,阻值多大可以设定,比如设置在1欧,那么加上1V电压就吸收1A电流,加10V电压就吸收10A电流。当然,恒阻的条件是电压、电流、功率不超过电阻负载的最大规格。

恒功率,电子负载表现为恒定功率,比如设定在60瓦,那么加上5V电压就吸收12A电流,加10V就吸收6A电流,加60V就吸收1A电流。很多DC-DC具有恒功率特性(因为DC-DC效率高、输出电压恒定),因此,具有此功能的电子负载可以模仿DC-DC的耗电。恒功率的特性实现起来稍微麻烦一些,因为需要乘法器。可以是模拟乘法器,但更多的电子负载由于有MCU、ADC和DAC,用数字的方式实现起来更方便,就是速度上有所限制。
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红色垂线为恒流,电流设定值不同则红线会在左右不同位置,设定完毕开始工作时,红线就是负载曲线;

蓝色直线为恒压电压设定值不同则蓝线会在上下不同位置,设定完毕开始工作时,蓝线就是负载曲线;
粉色斜线为恒阻电阻设定值不同则粉线会围绕原点转动,设定完毕开始工作时,粉线就是负载曲线;
绿色曲线为恒功率,功率设定值不同则绿线会接近原点或远离,设定完毕开始工作时,绿线就是负载曲线


5、辅助功能

各种接口、各种测试模式、各种保护等

6、性能

噪声、稳定性、设置精度、显示精度、响应速度等。



常见的电子负载
美国惠普/安捷伦/Keysight
N3300A系列

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/zh-CN/pc-1000000168%3Aepsg%3Apgr/dc-electronic-loads?nid=-536902252.0.00&cc=CN&lc=chi
高端、模块化的,主机可以达到1800W,通过安装不同模块可以有不同功率/电压/电流组合。
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日本菊水

PLZ-3WH 系列
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/cn/product/XXXXXXXXXp?IdFamily=0012
共有4种型号,高性能、高速、多功能,内部结构合理。
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台湾博计
3311D
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXp?lang=&op=product&pro_id=74&pro_num=1025
300W、60V、60A,可编程多功能电子负载

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国内艾德克斯

IT8512C
XXXXXXXXXXXXXXXXXXX/en/products.jsp?id=14&sortid=001008
300W、120V、60A,可编程多功能高精度电子负载
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这款带有C后缀的电子负载是较新型号,我早年有个不带C的,外观和功能一样,就是电流只有30A:
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电子负载的用途与使用
这里列举我自己常用的例子来说明。

1、测试电源的负载特性和噪声
电源直接接假负载,开机,电源设置到某电压(和某电流,如果电源带有恒流或限流特性的话),电源开启软开关,则应该在电子负载上读出输出电压。如果需要较高精度读出电压值,应该用高精度的万用表同时测量,表笔接电源输出接线柱。根据电源的额定输出电流能力,在电子负载上选定恒流模式并设定不同的电流,这IT8512上设定5A恒流的操作顺序是 I-SET、5、Enter,打开电子负载的软开关(On/Off键),电子负载就开始吸收5A的电流了。一旦电源供给电流,其输出电压就应该有少许下降(内阻),需要读出输出电压值,并记录电源在不同电压和不同电流组合下的实际输出电压值,多次测试,就可以做出表格或曲线,求得电源的负载特性。对于噪声和纹波特性,可以类似测试。电源的指标其实很多,比如长期稳定性、温升、额定负载下对不同交流电源的响应等,都可以通过电子负载对电源加上一定的负荷后进行测试。没有电子负载,只能测试空载情况,就很局限了;或者只能用真实负载,可变性和方便性就受到很多限制。
2、测试电池的容量
100Ah的铁锂电池,充满电后,测试容量。重新充满,放置1年,再测试容量,可以得到每年的自放电特性。
电子负载用IT8512,开机,正负端子用大电流引线接到电池上,此时电子负载会显示电池电压。按I-SET,输入3、0、Enter,即设置成30A恒流,再按On/Off开启电子负载就可以了。测试时随时记录时间-电压,电压降低到2.5V时就可以再次按On/Off按钮结束放电。
实际上,可以设置电压低限为2.5V,这样达到2.5V时电子负载就会自动断电,就不会让电池过放。设置电压低限要按Shift、Menu、System Set、Voltage Off Set即可。
更进一步,该假负载有测试电池功能,设置好电流后,按Shift、Battery,直接输入放电结束电压,再按Enter就开始放电,达到电压后自动停止,同时显示容量。

3、测试DC-DC的转换效率
DC-DC的输入端接电源,输出端接假负载,开机电源和假负载,就可以在假负载上读取电压值,改变电源的输入电压,可以记录输出电压的变动。
假负载设定一定的电流,开启,就可以读出输出的电压和电流值,从电源上读出输入的电压电流值,就有:
效率=(输出电压×输出电压)/(输入电压×输入电压)×100%

改变输入电压,就可以测试不同输入下的效率。同时组合改变输出电流,就可以得到该DC-DC在各种情况下的表现。


4、测试1A恒流源的恒流特性
1A恒流源接到电子负载上并开机,可以从电子负载上得到开路电压。电子负载设置在恒压1V并开启,就应该看到1A的电流;改变电子负载的电压,电流应该不变,如果有变动那就说明恒流特性不理想,或者输出电压太高,超出恒流源范围。


5、与大功率电源组成大电流恒流源
很多大功率电源不具备恒流输出特性,最多有过流保护,比如我的SS-330W 1000W电源,再比如MW
SCN-1K5,15V、100A电源。
把电子负载接到电源上,电子负载选恒流20A,开启后,就会流过20A的恒定电流,即便电源的电压在一定范围内变动(当然要在电子负载的功率允许范围内),或者引线电阻变化,或者串联了个电阻,因为电子负载要吸取固定的电流,因此会保持20A不变,恒流特性如何,几乎完全取决于电子负载。这样就形成恒流源,通用性比较强,比如测试电流传感器等。

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上图来自共振磁场线圈的一个大电流稳定项目,其中C就是负载线圈,D是安捷伦电源(6682A),A和B组成高精度恒流负载,A是IGBT模块,B是Danfysic 867-200I磁通门高精度电流传感器,通过B的检测控制A,让C得到稳定的电流。电源D仅仅作为一个电源来使用,恒压模式,电流的稳定度与此无关,尽管这款电源具有恒流模式,但精度达不到要求。

电子负载的原理与内部构成
原理在这里就先不细说了,不同模式下也不同。
恒流模式下的原理其实很简单:
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其中Q是输出管子,Rs是检流电阻,Vref是代表电流设定值的电压信号,当外加电压后,由运放控制Q,保持Rs上的电压与Vref一致,即Vref=Iout*Rs,因此有
Iout=Vref/Rs
由于在工作中可以认为Vref和Rs是恒定的,所以该电路吸收的电流也为恒定。改变Vref就可以成比例的改变恒流电流。可以承受的最大电压要看晶体管的耐压和能承受的功率,而能够保持恒流的最低电压要看Rs的电压和三极管的饱和电压。

当然,电子负载的实际电路要复杂得多,加上其它模式和各种功能,电源、数字部分、显示和用户界面一个也不能少。IT8512的内部图如下。
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比较明显的看到2个较大的带有风扇的管道式散热器,散热器上装有塑封功率管,附近有均流电阻,左边还有2个检流电阻丝。


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一共4个功率管子(外加另外2个不同封装的,没注意到底是什么),总功率300W,因此每只最大耗散75W。均流电阻是0.05欧的8只,由于最大电流30A,因此每只管子平均最大7.5A,电阻可能是两两并联,那样功耗和电流都要小一半。输出控制运放是2只TL084,很常见的JFET输入4运放。


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误差放大和前面对比部分,用了数只OP07C,还有1只OP27(没在照片上)。


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核心部分的几只多脚IC的型号被擦去了


检流电阻和输出接线柱部分特写,检流电阻的位置有4个,实际安装了2个:
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恒流电子负载与恒流源的关系

恒流源这个名词比较通用一些,首先是恒流,其实是源。源就是电源、源泉的意思,意味着可以提供正能量。


恒流负载,尽管也有恒流二字,但为负载,是消耗功率的,不提供正能量。
恒流负载一般为交流供电,但也可以简单的看成是一个二端器件。


与恒流源(Current Source)相对应有个狭义的名词叫恒流沉(Current Sink),这一般是指三端恒流器,负载要接在电源和输出之间。
相对也有个狭义的恒流源,也是三端接法,负载是接在输出和地之间,由于共地因此比较好用。
来自:仪器与装备 / 仪器仪表
虎哥 作者
6年7个月前
3楼
引用 yanjian:
作者名字是否弄错了?
2VO好像不是这个名字
谢谢提醒,已经修正。
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2005/08/24注册,15 分钟前活动

刘 虎

创新工程局主席

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