自制电子负载仪

作 者:张汉屏 电子负载仪是电源制作和电池性能测试必不可少的一种仪器。顾名思义电子负载仪是由电子器件组成模拟负载，用来检测各类电源带负荷特性和化学电源输出性能的仪器。在恒电流测试时加以同步计时，就可精确测出电池容量值。 笔者因工作需要，曾接触过多个厂家电子负载仪产品。虽然档次高低迥异、体积相差很大，但是电子负载的重要部分，即电子开关部件大部分由管耗较小的VMOS功率管组成，其工作模式均为PWM方式。为了电池容量计量的方便，负载仪大多工作于恒流放电模式。电子开关驱动电路有单片机、运算放大器、分立元件组成控制电路。高级的还具有各种功能显示和设置功能。所以配置较高的产品价位极高，约几千元至数万元不等。其价位是很多电子爱好者和小厂家望洋兴叹！ 可见，如果撇开很多华而不实的设置和显示功能，以坚固耐用、容易操作、简单可靠作为设计指标的大容量负载仪，肯定能受到很多用户所欢迎！ 基于上述主导方针，笔者设计了一款用LM324运放为主控器件的电子负载仪。整个仪器由电子开关、斜波发生、电流检测放大、比较调节、PWM驱动单元组成。 该仪器可对12~48V电源和电池进行放电性能测试，最大电流为20A；操作非常方便；由K1控制放电投入或切出；W1调节电流幅度大小；W2调节欠压值。 下面简单介绍电路工作原理，其电路如图1所示。图中，IC1A、R1~R4、Q1、C3、C4、D1组成斜波发生电路。其中，R2、R3分压为IC1A反相输入端基准电压；而同相输入端接C3通过R1充电。初始时IC1A输出低电平；当C3电压上升大于反相基准时，IC1A输出为高电平；经D1、R4使Q6导通，致C3瞬间放电为0V。此时IC1A输出翻转为低电平。又重复上述过程。 如此周而复始， C3接连产生类如锯齿波脉冲，锯齿最大幅度略低于反相端基准电压，该脉冲送IC1B反相端作为PWM周期比对脉冲；而IC1B同相端输入控制信号：此信号由经IC1D单元与电流反馈信号比较处理后输出。可以看出：如果控制信号幅度小于脉冲信号幅度,则IC1B输出低电平；而控制信号大于脉冲信号幅度,IC1B输出高电平。所以控制信号幅度变化转换为输出脉冲宽度变化；且每个锯齿波周期内信号幅度越大，IC1B输出脉冲越宽。信号幅度越小，IC1B输出脉宽越窄。 显而易见，IC1D输出的脉冲宽度变化，使场效应管每周期导通时间变化，即可达到控制负载电流的目的。这就是各类PWM控制的基本原理。PWM方式的应用，既使功率器件工作在能耗极小的高频开关区域，又能使功率器件产生等同线性工作时的控制效果。 R12、R13、R14、IC1C组成电流取样放大部分，作用是将电流变化转换成一定幅度的反馈电压。其增益为10倍，由调节R13与R12比例决定。IC1C输出信号作为电流反馈信号输运到IC1D单元作比较处理。 IC1C输出送至IC1D反相端，与同相端电流给定信号作减法运算。电路中R15、R16、R17、R18阻值相等，构成一个标准减法器。图中为给定电压减去反馈电压。这可以理解为一旦给定电压确定后，如果由于某种原因电流上升，则ICID输出电压下降；由于电池电压下降导致电流下降时，IC1D输出电压上升。由于IC1D的作用，在很大程度上补偿了放电电流波动时的幅值变化，使之接近恒流放电情况。 R7~R10、Q1、Q2、Q3、Q4组成PWM驱动电路。1C1B输出高电平时，Q1、Q2、Q3导通，Q3导通使Q5（场效应功率管）得到接近15V的栅压而导通，此时Q4反偏截止。IC1B输出翻转为低电时，Q1、Q2、Q3、截止，Q5栅压消失，此时，Q4正偏置导通，使Q5栅极快速放电而可靠关断！Q3、Q4对管的作用是：以足够的驱动功率克服场管的栅、源的电容效应使Q5可靠开关。 这是一个用于场效应管的经典电路，非常可靠，驱动能力也很强，笔者曾用来驱动数百安培的大功率器件，效果很好。 用于电池欠压保护的电路由R20、R19组成电压取样至IC2反相输入端。6.3V由R21、W2、R22组成欠压设定电路，设定电平信号至IC2同相输入端。在电源电压取样信号大于设定信号时；IC2输出为低电平，此时，T1不动作。一旦电源电压取样信号小于设定信号时，IC2输出端翻转为高电平，T1导通并自锁。T1导通，使Q1失去偏压而截止，中断了PWM驱动信号的传输，使电子开关随机关断，达到电池欠电压保护的目的。T1的自锁是为了防止关闭放电后，电池端电压回升使IC2输出翻转，系统重新进入工作区而频繁开关激发机振的必要措施。 Q5选用IXFK120N20 ，参数为120A/200V/10mΩ，配用150X100散热器；另外配置12V/0.35A仪表风机强制风冷。对于保护场效应管的安全也是非常必要的。 图中RX1为大功率电阻，阻值为0.75Ω，功率为300W。此电阻加入虽然大大降低了功率VMOS管承受的功耗，但是亦带来一个问题：在不加RX1的情况下，可测试很低电压的电池，如3.6V的动力锂电池的10A放电检测；加上RX1以后，等同Q5增加了0.75Ω的导通电阻，实际只能达到最大4.8A放电值。所以在单体电池大电流检测上，应该短接RX1，以达到预期效果。 对于超过20V的电源，此电阻效果很显著，如24V电池以20A放电为例，此时电子开关须承受总计480W功率，可以计算出RX1分担了其中300W。实际上采购符合功率、阻值要求的功率电阻颇不容易，而且价值非常昂贵。下面介绍一种适合业余条件下制作该电阻的方法：材料系用2~5kW的电热丝，截取多段并联达到需要阻值和功率。注意尽量使每段阻值一致，保证流过电流相同。至于其联接方法，为尽量减少系统电阻，不宜用接插方式，应尽量使用焊接方式。但电热丝不易上锡怎么解决？先把电热丝头用铜软线紧密排绕一定宽度；然后以常规方式上锡；上锡前把电热丝头弯折，防止铜线滑出。这样就可以把很难上锡的电热丝实施焊接连接了。 土制的RX1在大电流值工作时，发热很厉害。散热的方法可以用强制风冷，但是并不理想，最好的方式还是水冷，即把电热丝放在一定容积的水槽中即可。但焊接点必须用树脂涂复或热缩管保护，而且由于电化作用，电热丝寿命也不可能很长。如果能找到一些变压器油(或汽车水箱防冻液)代替水作为冷却介质的话，那就比较理想了。 显示仪表选用数字表头，最好采用220V供电的那种。注意：电流表与电压表不能共用5V电源，否则引发读数不准，甚至损坏表头。 仪器使用：接好220V电源，放电开关置关位置，W1反旋到底，接上放电电源（电池和各类电源）。然后把放电开关置放电位，调节W1至合适放电电流值即可。 欠压值没定：接上一个可调节电源，放电电流调节至0.5~1A，调整可调电源至欠压值，如21V；再细心调节W2旋钮至电流表读数消失，证明W2已调节到21V欠压值；然后关闭仪器电源（使T1复位）再重启电源，接上被测电池，调节合适的电流值即可。当然每次欠压保护后，必须使T1复位。