恒流电子负载仪的制作(科创基金赞助 已更新)
廖康宏
苯宝宝正辛酸 2021-8-10原创 电子技术科创基金
中文摘要
电子负载仪
Abstract
Electronic load meter
关键词
电子负载仪
Electronic load meter

总是要维修电源,但是修好之后不知道电源能不能正常满功率运行,于是就有了一个DIY电子负载仪的想法。(电路板后面会开源


电路原理及元件选用

想制作的爱好者一定得先把原理看完,原理非常简单的,我觉得小学六年级的学生都可以看懂,不过前提是得学完模拟电路的运算放大器这一章节,这样可以在制作时、找bug时节省很多时间

240185.gif

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。(这里原理的讲解引用的是BG2VO《电子负载仪基础知识》的内容。https://kechuang.org/t/70869   )

Vref的产生(见下图,这个图是简化后的模型):先由1V稳压管D4和限流电阻R12来产生4.2V的基准电压,送入电压跟随器来消除负载效应,电压跟随器的输出端连接至精密电位器R,电位器内部构成分压电路,分压电路输出连至另一个电压跟随器,这个电压跟随器的输出就是Vref。计算公式:Vref=1v*Rp/Rmax(Rp是电位器实际阻值,Rmax是电位器最大阻值)

3.PNG

因为要线性地实现电流“粗调与细调的功能” ,所以电路中使用了两个精密电阻器与电压跟随器的联级 ,原理与上面的模型本质是一样的(见下图)

2.PNG

有的时候,需要对电池进行放电,以测试其容量,所以增加了欠压断电功能(好吧,其实是后面在制作的时候发现原计划使用的机箱放不下,于是买了个大机箱,结果发现有很多空余的位置,不利用就可惜了,于是增加了这个功能)请看下面的整体电路图,两个电压跟随器(u11.1andu11.3)来产生参考电压(原理同上面的Vref的产生),同时数显电压表负责在前面板上显示参考电压的大小,参考电压经过1/4分压之后进入比较器(u11.4)的同相端,输入端子处的电压经过另外一个1/4分压器分压之后送入比较器的反相端,当参考电压比输入端电压低时,可控硅不动作,三极管基极有电流通过,三极管导通,所以继电器吸合。当参考端电压比输入端电压高时可控硅被触发,导通并且维持导通状态(有人会问:为什么要维持导通状态使继电器一直释放,这是因为电池在断电之后电压又会升高,如果电压一升高,负载仪又导通,电压又降低,负载仪关闭,这样就形成震荡,会搞坏电池),三极管基极无电流通过,三极管关闭,继电器释放(这样就实现了欠压保护功能,实际上欠压保护最高只可以设置到33.5v左右,达不到36v),在下一次使用时,得事先按一下复位开关KEY2,使可控硅关闭。这个功能也同样起到输入极性接反自动断电保护的功能。

实际制作中,三极管Q由场效应管irfp250代替,Rs取0.2Ω,Vref由4.2v稳压管、3个lm358构成的电压跟随器和2个精密电位器产生(如图),运放使用lm324芯片(正好四个运放控制四个功率管)。整体电路图如下:

基于LM324无源电子负载 完整电路图.png

由于在设计电路板时,我将控制部分与功率部分分开了,控制部分电路板对应的电路图如下:(功率部分很简单,搭棚焊即可,后面加了欠压保护功能,在洞洞板上焊电路,麻烦的要命,所以之后有时间会画一版完整的电路

基于LM324无源电子负载.png


制作步骤等后面会更新,已经介绍完原理了。

制作过程

焊电路板(其实用这种插座简直就是浪费,而且很占位置,于是装配的时候把上面那一排给拔掉,直接焊线了。可能是画电路板的时候脑子有点抽筋吧):

mmexport1628857489915.jpg

测试电路板(可以看见,电压改变,但是电流不变,实现了恒流的功能):


VID_20210813_192308.mp4 64.42MB



给散热器攻丝(这个也很费力气,攻完之后手臂都酸了):

IMG_20210813_235939.jpg

装散热风扇:

1628904305624.jpg


开面板,这种铁板子只有夹在台钳上切才安全,不然要顺便把手开出一道口子

IMG_20210825_105440.jpg

大台钳就是好用

IMG_20210816_180259.jpg

修整面板,并且给面板装上零件:

75d432a9c1b7b537.jpg

IMG_20210824_183437.jpg

焊接功率部分的电路(嘉立创一个月两次的免费机会被我用完了,电路板简单,于是用的是环保蚀刻剂蚀刻的电路板):

IMG_20210827_162000.jpg

将散热片装到外壳上,顺便把功率部分的电路一起固定上去了:

IMG_20210827_165147.jpg

注意,这个irfp250与铝散热片之间的绝缘不能使用硅胶皮,要用氧化铝陶瓷片,硅胶皮的导热性能不是很好。

4df4b861377788da.jpg

在外壳上安装控制部分的电路:

IMG_20210830_004541.jpg

给功率部分与控制部分接线:

IMG_20210830_004544.jpg IMG_20210830_004548.jpg

然后盖上外壳,就做好了:

IMG_20210830_181033.jpg


然后进行测试

IMG_20210830_161528.jpg

在25V 12A这个参数下运行:

IMG_20210830_162239.jpg

由于是大电流,导线上电压降比较大,于是采用四线测试法,这样比较准确,四线测试法就是香!(看来指针表头有些不准确呀)由于欠压设置的电压莫名其妙地表坏了,这个只有等寒假或者其他时候有时间再来换了(马上开学就是高一,感觉时间不太够)。现在只能用可调电源来“试探并且设置欠压保护的参数”。

满功率测试一个小时之后,散热器上的温度逐渐稳定,在88至85摄氏度左右(室温32摄氏度),电流向上飘了103mA(估计是因为0.1欧姆电阻受热导致阻值变化而引起的)这里有待改进,要给电阻加一个补偿。目前只有最大12A的电源,没有30A的电源,所以无法测试30A下运行的参数,不过应该与这个差不多,满功率300w运行没有什么问题,那么在最大30A电流下运行也应该不会有什么问题。


其它细节

散热器用的是两个6*6*20cm的风道散热器,再加上两个风扇

设计的电子负载仪后面等我学会单片机之后可以增加其他功能,而且不用改动太多东西,看起来可以与之后写程序,显示的电路兼容。

液晶屏的电压电流表是买的成品,不过看见数码之家上面有人开源了电路图和代码,东西在附件里面,网址也被放在下面。

开关按键作用:上面那一排是控制液晶屏显示用的,下面那一排从左到右分别是:2/4线测量方式切换、负载仪通断控制、可控硅复位。

边上的散热网罩用的是不锈钢纱窗的边角料,直接厚着脸皮向纱窗店老板白要即可。个人感觉挺美观的:

IMG_20210830_174701.jpg IMG_20210830_174724.jpg

三视图:

IMG_20210830_181033.jpg IMG_20210830_181059.jpg IMG_20210830_181121.jpg IMG_20210830_181145.jpg

用的外壳与上面电源的外壳差不多,是不是看起来很和谐呢?


附件以及网址

负载仪控制板的开源现在只有主要控制部分,没有欠压保护功能的,立创开源的网址先放在这里(后期会画一版整合在一起的板子,接线可以减少很多,所以各位先不要着急去做):XXXXXXXXXXXXXXXXXXX/NICKLAO/dian-zi-fu-zai2-0

附件(希望20多年之后不要像38hot一样,BG2VO在上面的文章,图片大部份出问题):

attachment icon Gerber_电子负载仪控制板.zip 206.33KB ZIP 0次下载

attachment icon Schematic_电子负载2.0_2021-08-30.zip 314.85KB ZIP 2次下载

第二个文件是需要用AD软件打开的,我还暂时没有AD,希望有的朋友帮忙打开,看看是否正常。

1602液晶屏电压电流表开源:

网址:(有好几个供大家参考)

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXp?tid=1062736

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/simple/XXXXXXXXp?XXXXXXXXXXXml

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/simple/?XXXXXXXXXXXml

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/simple/?XXXXXXXXXXXml

attachment icon 108_1731462_983748291d552a6.zip 525.81KB ZIP 2次下载

attachment icon 108_808696_52036697307adfc(1).rar 43.65KB RAR 2次下载

这两个文件就是全部电路图和代码,你们得研究一下,我还没有仔细看,而且我对代码一窍不通,你们谁画了pcb记得分享出来,我记得闲鱼上有卖全套资料的,要不众筹10元,我去把它买下来(现在我只有25元了,舍不得花,呜呜)要是谁可以改成彩屏的就高端大气上档次了。


特别感谢:

科创基金(提供资助)

BH4ILP 李教授(为散热部分的改进提出了宝贵建议)

还有虎哥“客服般的帮助”(不然要被拨款信息的填写折腾好久)和科创仪表群的群友的观看提供的动力。

sticker


后面还会改进电路板的,敬请期待!

完 


[修改于 2 个月前 - 2021-08-30 23:13:44]

+1  科创币    zRed   2021-08-31   good good
苯宝宝正辛酸 作者
2个月12天前 修改于 1个月25天前
1楼
电子负载仪的制作 已更新 (科创基金赞助)

已经焊接完控制板,并且完成测试控制板的功能

mmexport1628857489915.jpg

VID_20210813_192308.mp4 64.42MB



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苯宝宝正辛酸作者
2个月11天前
2楼

已经给散热片攻了螺纹,然后装好了散热风扇。(ps:给这种半开口的孔攻螺纹真的是累死人,手臂都快废了,下次买的时候得看好,经量减少自己加工这种东西的次数)

1628904305624.jpg IMG_20210813_235939.jpg

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苯宝宝正辛酸作者
2个月11天前
3楼

已经在铝外壳上打孔,并且安装好散热片

IMG_20210814_134712.jpg IMG_20210814_134727.jpg

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苯宝宝正辛酸作者
2个月10天前
4楼

外壳太小了,准备换大的塑料外壳,还解决了绝缘问题

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苯宝宝正辛酸作者
2个月9天前
5楼

科创基金赞助的大铁坨(台虎钳)到了,16kg,取快递过程极其痛苦 IMG_20210816_180259.jpg

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苯宝宝正辛酸作者
2个月8天前
6楼

氧化铝陶瓷绝缘片到了,没有想想中那么脆,反正从一米的高度跌落没有摔碎,不敢用手掰,怕割伤。25元100片(20mm*25mm的)

4df4b861377788da.jpg -64cea797b139b6a2.jpg


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苯宝宝正辛酸作者
1个月25天前
7楼

已更新,大家快来看一看,鸟一鸟啊

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梅家晨
1个月25天前
8楼

支持老朋友,先顶后看。

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苯宝宝正辛酸作者
22天20时前
9楼

各位,新的电路板已经去打样了,等从嘉立创白嫖回来以后有时间就试试,电阻,电容,二极管采用了0603封装,焊接起来应该快一点

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