簡易直流電子負(fù)載的設(shè)計與實現(xiàn)

　　摘 要：隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)負(fù)載測試電源性能的方法在高科技產(chǎn)品的生產(chǎn)中逐漸暴露出許多的不足之處。為了解決采用傳統(tǒng)負(fù)載測試方法存在功耗較大、效率與調(diào)節(jié)精度低、體積大等問題，設(shè)計并制作一款適合隨頻率、時間變化而發(fā)生改變的被測電源的簡潔、實用、方便的直流電子負(fù)載。系統(tǒng)主要由STC12C5A60S2單片機主控、增強型N溝道場效應(yīng)管IRF3205功率管、矩陣按鍵、D/A和A/D電路等部分組成。實現(xiàn)了在一定電壓與電流范圍內(nèi)恒壓恒流任意可調(diào)，并通過LCD12864液晶顯示屏顯示被測電源的電壓值、電流值及相應(yīng)的設(shè)定值，具有輸入被測電源電壓過壓保護和自動測量直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率的功能。該電子負(fù)載可滿足高等院校電工電子實驗室或?qū)W生創(chuàng)新實驗的需求，具有一定應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2單片機;恒流恒壓;IRF3205;負(fù)載調(diào)整率

　　0 引言

　　在智能化電子產(chǎn)品給人們的工作生活帶來極大便利的當(dāng)今社會，其內(nèi)部電源性能的好壞和穩(wěn)定性將對人們高品質(zhì)生活產(chǎn)生直接的影響[1]。對于低壓直流電源的小型產(chǎn)品來講，如何精確、快速測試其負(fù)載能力是電子行業(yè)鉆研的問題[2]。傳統(tǒng)測試方式是采用大功率電阻、滑線變阻器等充當(dāng)測試負(fù)載。而傳統(tǒng)負(fù)載體積大，在長期大電流測試情況下容易發(fā)熱而造成老化或燒損，致使測試效率和精度降低，無法滿足小型化電子產(chǎn)品對恒壓、恒流負(fù)載的要求[3]。

　　基于上述傳統(tǒng)測試方法存在的不足，同時為了適合隨頻率、時間變化而發(fā)生改變的被測電源，設(shè)計并制作一款簡潔、實用、方便的直流電子負(fù)載?？稍O(shè)置恒定電壓范圍1～20 V和恒定電流范圍100 mA～3 A內(nèi)任意可調(diào)，通過矩陣按鍵能精確設(shè)置需要恒定的電壓和電流值，并通過LCD12864液晶屏顯示電流、電壓、調(diào)整率等相關(guān)電參數(shù)，方便實驗室和學(xué)生開發(fā)電路調(diào)試使用。

　　1 設(shè)計思路

　　系統(tǒng)由單片機核心控制模塊、電壓電流檢測模塊、A/D與D/A轉(zhuǎn)換模塊、恒壓恒流控制模塊、模式切換模塊、功率控制模塊、過壓保護模塊、系統(tǒng)供電模塊等八個部分組成。具體設(shè)計思路是：首先用電壓電流檢測電路對輸入被測電源的電壓和回路電流在采樣電阻(康銅絲)兩端所產(chǎn)生的電壓值進行采樣，分別形成電壓、電流檢測信號，然后經(jīng)外置A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機進行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，直接顯示被測電源的電壓值和電流值。恒壓恒流控制部分由矩陣按鍵設(shè)定待測恒定電壓和電流值，經(jīng)單片機內(nèi)的A/D處理后，一方面直接顯示設(shè)定值，另一方面經(jīng)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出相應(yīng)的參考電壓，通過電壓比較器比較經(jīng)前一級運放電路處理后與反饋到后級運放反相輸入端的被測電壓和被測電流，從而得到控制功率管導(dǎo)通量的電壓或電流控制信號，進而實現(xiàn)恒壓恒流控制。此外，可以通過兩個獨立按鍵實現(xiàn)恒壓(CV)與恒流(CC)工作模式的切換和負(fù)載調(diào)整率的測定。當(dāng)被測電源電壓大于可測量最高恒定電壓且達(dá)到一定數(shù)值時，通過單片機控制功率管截止來達(dá)到過壓保護的目的。系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示。

　　3.3 恒壓控制電路

　　所謂恒壓工作模式，就是流入直流電子負(fù)載的電流無論如何變化，其兩端電壓都將保持不變。電路結(jié)構(gòu)與恒流控制大同小異，只是同相比例放大器的反饋電阻和平衡電阻參數(shù)不同而已，如圖4所示。由于按鍵所設(shè)定的電壓值產(chǎn)生的參考電壓DA_V比較低，不超過5 V，而本設(shè)計中要求的恒定電壓范圍為1～20 V，也就是采樣電壓比較大，為了與參考電壓在同一個數(shù)量級上，先把采樣電壓經(jīng)第1級運放組成的同相比例放大器縮小0.2倍，即U采=0.2Ui=(0.2～4) V，再送入第2級集成運放組成的電壓比較器的同相輸入端，與加在反相輸入端的參考電壓DA_V比較。當(dāng)輸入電壓增大，大于參考電壓時，比較器輸出高電平，使功率管的導(dǎo)通量增加，柵漏電阻RDS減小，輸入電壓降低，實現(xiàn)恒壓工作。

　　3.4 電流電壓采集電路

　　為了能夠?qū)崟r顯示直流電子負(fù)載接入被測電源后的輸入電壓和輸入電流的數(shù)值大小，須使用圖5所示的電流電壓檢測電路。

　　4 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件部分可通過矩陣按鍵設(shè)定恒定電壓與電流值，利用兩個獨立按鍵分別實現(xiàn)(CV)與(CC)工作模式切換，用LCD12864液晶顯示屏實時顯示被測電源的電壓值、電流值以及相應(yīng)的設(shè)定值。關(guān)于軟件編程這里不做詳細(xì)介紹。

　　5 數(shù)據(jù)測量

　　5.1 電路測試方案

　　測試時，可使用IT8512C可編程直流電子負(fù)載直接測量，或使用IT6322A電源為被測電源和3位半數(shù)字萬用表等各種測量儀表對各個參數(shù)進行測量，由獨立按鍵完成恒壓和恒流工作方式的切換。當(dāng)測試恒壓或恒流時，IT8512C可編程直流電子負(fù)載的工作模式設(shè)置在恒阻(CR)模式下，并串聯(lián)到回路中相當(dāng)于1個負(fù)載的大小，這樣可直接測量出回路的電流。

　　5.2 電路測試數(shù)據(jù)

　　1) 恒壓(CV)工作方式下的設(shè)定電壓測試

　　將IT6322A電源作為被測電源接入直流電子負(fù)載，由矩陣按鍵進行恒定電壓值的設(shè)置，用數(shù)字萬用表測量負(fù)載兩端電壓值，并將測出數(shù)據(jù)填入表1。

　　根據(jù)測試結(jié)果分析可知，本設(shè)計可調(diào)恒定輸出的電壓范圍符合題設(shè)(1～20 V)要求。

　　2)在恒流(CC)工作方式下，設(shè)定電流的測量

　　將電路工作模式切換為(CC)模式，并把IT8512C可編程直流電子負(fù)載和IT6322A電源接入電路，通過矩陣按鍵設(shè)置某一電流值，用數(shù)字萬用表電流檔測量不同設(shè)定電流值下的實際電流，或由IT8512C可編程直流電子負(fù)載直接測量，所得數(shù)據(jù)如表2所示。 由上述測試數(shù)據(jù)可知本設(shè)計的相對誤差在5%以內(nèi)。

　　3)在電子負(fù)載兩端電壓改變10 V時，不同設(shè)定電流值下的輸出電流的變化量

　　可見，在直流電子負(fù)載兩端電壓改變10 V時，不同的設(shè)定電流下電流輸出變化的絕對值小于1%。

　　4)過壓保護測試數(shù)據(jù)

　　改變輸入被測電源電壓，觀察直流電子負(fù)載在不同電壓值下的輸出顯示，并把測出的數(shù)據(jù)填入表4。 從測試數(shù)據(jù)來看，系統(tǒng)在輸入被測電源電壓小于20.8 V時，為正常輸出;大于20.8 V時，輸出為0，即系統(tǒng)具有過壓保護功能。

　　5)負(fù)載調(diào)整率的測試

　　電源負(fù)載調(diào)整率的測試是在保證外部直流電源電壓不變的條件下，分別測量兩種不同負(fù)載在設(shè)定電流為100 mA、1 500 mA和3 A三種情況下被測電源電壓的大小，求出最大和最小電流時的測量電壓與滿載電流為50%時的電壓差值，取兩個差值中的最大值與滿載電流為50%時的電壓值的比值。

　　6 結(jié)束語

　　在恒壓、恒流工作方式下，通過對測試數(shù)據(jù)分析可知，測量值的分辯率可達(dá)到10 mV和1 mA，且相對誤差小于5%;在電子負(fù)載兩端電壓改變10 V時，恒流工作方式下輸出電流變化的絕對值小于變化前電流值的1%。本設(shè)計還具備了測量精度接近1%的自動測量直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率的功能。

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