計量論壇

標題: 電子負載百科 [打印本頁]

作者: 八一八 時間: 2014-12-29 10:07
標題: 電子負載百科
作者：lymex

什么是電子負載

電子負載也叫假負載，是一種可以控制電流、電壓和電阻的儀器，可以模擬真實負載，比如大功率電阻、充電的電池、用電器，可以消耗、吸收或承載功率和電流，用來測試各種電源。

常見的電子負載直流的為多。

商品電子負載，常見的都是中小功率，比如150W、300W。大功率的體積重量都比較大，價格也高。

搞電源的、DC-DC的、電池相關的，電子負載是必備儀器。

電子負載的指標

1、最大承受功率
顧名思義，就是電子負載能夠承受的最大功率。這是電子負載重要指標，電子負載尤其是中小功率的，都是以消耗電功率轉換成熱能為原理，因此功率決定了器件、決定了體積，也在很大程度上決定了價格。一般電子負載功率150W和300W常見，更大功率的體積重量和價格都比較高。

2、最大承受電壓
就是電子負載最大可以加到多高的電壓，一般幾十伏，或者上百伏，畢竟這對于功率半導體器件是小菜。但電壓太高存在安全和絕緣問題，因此高壓的電子負載不太常見。

3、最大承受電流
功率一定場合，低壓下應該可以消耗更大的電流，但由于各種限制，電流也不能無限增加，否則電壓太低也沒啥用途，30A和60A比較常見。電子負載能夠工作的區域范圍見下圖，橫軸是電流，縱軸是電壓：

圖中A部分橫線，就是最高電壓限制，曲線B，就是最大功率界限，而C，就是最大電流邊緣。還有一個限制就是D，表現為大電流時不能工作在小電壓下，是管子的飽和壓降和檢流電阻等內部原因所導致，這個壓降越小越好，比如低于0.8V才可以測試鎳氫電池，如果這個電壓較高，那只能降低工作電流以求得最低使用電壓。也有個別電子負載這個壓降為0的，也就是0V就可以工作，甚至可以達到負電壓就工作（成為電源了），那就跑到第四象限里面去了。

4、主要功能一般的電子負載都具備恒流、恒壓、恒阻功能

恒流，就是在最大電壓和最大功率限制范圍內，無論外加電壓多大，消耗的電流為一定。這個電流當然可以在最大電流范圍內隨意設置，比如設定了5A，那么一般外加電壓在1V到30V范圍內，電子負載都吸收5A電流。這個功能很常用，主要用于測試各種電源、電池和DC-DC等。

恒壓，就是在最大電流和最大功率限制范圍內，無論外加多大電流，表現為恒定電壓。這個電壓當然可以在最大電壓范圍內隨意設置，比如設定了15V，那么一般外加電流在10A之內，電子負載都能維持在15V。這個功能主要用于測試恒流負載，比如恒流源、太陽能電池。

恒阻，電子負載表現為一個電阻，阻值多大可以設定，比如設置在1歐，那么加上1V電壓就吸收1A電流，加10V電壓就吸收10A電流。當然，恒阻的條件是電壓、電流、功率不超過電阻負載的最大規格。

恒功率，電子負載表現為恒定功率，比如設定在60瓦，那么加上5V電壓就吸收12A電流，加10V就吸收6A電流，加60V就吸收1A電流。很多DC-DC具有恒功率特性（因為DC-DC效率高、輸出電壓恒定），因此，具有此功能的電子負載可以模仿DC-DC的耗電。恒功率的特性實現起來稍微麻煩一些，因為需要乘法器。可以是模擬乘法器，但更多的電子負載由于有MCU、ADC和DAC，用數字的方式實現起來更方便，就是速度上有所限制。

紅色垂線為恒流，電流設定值不同則紅線會在左右不同位置，設定完畢開始工作時，紅線就是負載曲線；
藍色直線為恒壓，電壓設定值不同則藍線會在上下不同位置，設定完畢開始工作時，藍線就是負載曲線；
粉色斜線為恒阻，電阻設定值不同則粉線會圍繞原點轉動，設定完畢開始工作時，粉線就是負載曲線；
綠色曲線為恒功率，功率設定值不同則綠線會接近原點或遠離，設定完畢開始工作時，綠線就是負載曲線。

5、輔助功能
各種接口、各種測試模式、各種保護等

6、性能
噪聲、穩定性、設置精度、顯示精度、響應速度等。

7、其它

作者: 八一八 時間: 2014-12-29 10:10
常見的電子負載
美國惠普/安捷倫/Keysight

N3300A系列
http://www.home.agilent.com/zh-C ... mp;cc=CN&lc=chi
高端、模塊化的，主機可以達到1800W，通過安裝不同模塊可以有不同功率/電壓/電流組合。

日本菊水
PLZ-3WH 系列

https://www.kikusui.co.jp/cn/product/detail.php?IdFamily=0012
共有4種型號，高性能、高速、多功能，內部結構合理。

臺灣博計3311D

http://www.prodigit.com/index.ph ... 74&pro_num=1025
300W、60V、60A，可編程多功能電子負載

國內艾德克斯
IT8512C

http://www.itech.sh/en/products.jsp?id=14&sortid=001008
300W、120V、60A，可編程多功能高精度電子負載
這款帶有C后綴的電子負載是較新型號，我早年有個不帶C的，外觀和功能一樣，就是電流只有30A：

作者: 八一八 時間: 2014-12-29 10:14
電子負載的用途與使用

這里列舉我自己常用的例子來說明。

1、測試電源的負載特性和噪聲
電源直接接假負載，開機，電源設置到某電壓（和某電流，如果電源帶有恒流或限流特性的話），電源開啟軟開關，則應該在電子負載上讀出輸出電壓。如果需要較高精度讀出電壓值，應該用高精度的萬用表同時測量，表筆接電源輸出接線柱。根據電源的額定輸出電流能力，在電子負載上選定恒流模式并設定不同的電流，這IT8512上設定5A恒流的操作順序是 I-SET、5、Enter，打開電子負載的軟開關（On/Off鍵），電子負載就開始吸收5A的電流了。一旦電源供給電流，其輸出電壓就應該有少許下降（內阻），需要讀出輸出電壓值，并記錄電源在不同電壓和不同電流組合下的實際輸出電壓值，多次測試，就可以做出表格或曲線，求得電源的負載特性。對于噪聲和紋波特性，可以類似測試。電源的指標其實很多，比如長期穩定性、溫升、額定負載下對不同交流電源的響應等，都可以通過電子負載對電源加上一定的負荷后進行測試。沒有電子負載，只能測試空載情況，就很局限了；或者只能用真實負載，可變性和方便性就受到很多限制。
2、測試電池的容量
100Ah的鐵鋰電池，充滿電后，測試容量。重新充滿，放置1年，再測試容量，可以得到每年的自放電特性。
電子負載用IT8512，開機，正負端子用大電流引線接到電池上，此時電子負載會顯示電池電壓。按I-SET，輸入3、0、Enter，即設置成30A恒流，再按On/Off開啟電子負載就可以了。測試時隨時記錄時間-電壓，電壓降低到2.5V時就可以再次按On/Off按鈕結束放電。
實際上，可以設置電壓低限為2.5V，這樣達到2.5V時電子負載就會自動斷電，就不會讓電池過放。設置電壓低限要按Shift、Menu、System Set、Voltage Off Set即可。
更進一步，該假負載有測試電池功能，設置好電流后，按Shift、Battery，直接輸入放電結束電壓，再按Enter就開始放電，達到電壓后自動停止，同時顯示容量。

3、測試DC-DC的轉換效率
DC-DC的輸入端接電源，輸出端接假負載，開機電源和假負載，就可以在假負載上讀取電壓值，改變電源的輸入電壓，可以記錄輸出電壓的變動。
假負載設定一定的電流，開啟，就可以讀出輸出的電壓和電流值，從電源上讀出輸入的電壓電流值，就有：
效率=（輸出電壓×輸出電壓）/（輸入電壓×輸入電壓）×100%

改變輸入電壓，就可以測試不同輸入下的效率。同時組合改變輸出電流，就可以得到該DC-DC在各種情況下的表現。

4、測試1A恒流源的恒流特性
1A恒流源接到電子負載上并開機，可以從電子負載上得到開路電壓。電子負載設置在恒壓1V并開啟，就應該看到1A的電流；改變電子負載的電壓，電流應該不變，如果有變動那就說明恒流特性不理想，或者輸出電壓太高，超出恒流源范圍。

5、與大功率電源組成大電流恒流源
很多大功率電源不具備恒流輸出特性，最多有過流保護，比如我的SS-330W 1000W電源，再比如MW SCN-1K5，15V、100A電源。
把電子負載接到電源上，電子負載選恒流20A，開啟后，就會流過20A的恒定電流，即便電源的電壓在一定范圍內變動（當然要在電子負載的功率允許范圍內），或者引線電阻變化，或者串聯了個電阻，因為電子負載要吸取固定的電流，因此會保持20A不變，恒流特性如何，幾乎完全取決于電子負載。這樣就形成恒流源，通用性比較強，比如測試電流傳感器等。

上圖來自共振磁場線圈的一個大電流穩定項目，其中C就是負載線圈，D是安捷倫電源（6682A），A和B組成高精度恒流負載，A是IGBT模塊，B是Danfysic 867-200I磁通門高精度電流傳感器，通過B的檢測控制A，讓C得到穩定的電流。電源D僅僅作為一個電源來使用，恒壓模式，電流的穩定度與此無關，盡管這款電源具有恒流模式，但精度達不到要求。

電子負載的原理與內部構成
原理在這里就先不細說了，不同模式下也不同。
恒流模式下的原理其實很簡單：

其中Q是輸出管子，Rs是檢流電阻，Vref是代表電流設定值的電壓信號，當外加電壓后，由運放控制Q，保持Rs上的電壓與Vref一致，即Vref=Iout*Rs，因此有
Iout=Vref/Rs
由于在工作中可以認為Vref和Rs是恒定的，所以該電路吸收的電流也為恒定。改變Vref就可以成比例的改變恒流電流。可以承受的最大電壓要看晶體管的耐壓和能承受的功率，而能夠保持恒流的最低電壓要看Rs的電壓和三極管的飽和電壓。

當然，電子負載的實際電路要復雜得多，加上其它模式和各種功能，電源、數字部分、顯示和用戶界面一個也不能少。IT8512的內部圖如下。

比較明顯的看到2個較大的帶有風扇的管道式散熱器，散熱器上裝有塑封功率管，附近有均流電阻，左邊還有2個檢流電阻絲。

一共4個功率管子（外加另外2個不同封裝的，沒注意到底是什么），總功率300W，因此每只最大耗散75W。均流電阻是0.05歐的8只，由于最大電流30A，因此每只管子平均最大7.5A，電阻可能是兩兩并聯，那樣功耗和電流都要小一半。輸出控制運放是2只TL084，很常見的JFET輸入4運放。

誤差放大和前面對比部分，用了數只OP07C，還有1只OP27（沒在照片上）。

核心部分的幾只多腳IC的型號被擦去了
檢流電阻和輸出接線柱部分特寫，檢流電阻的位置有4個，實際安裝了2個：

作者: 八一八 時間: 2014-12-29 10:41
作者：lymex

恒流電子負載與恒流源的關系

恒流源這個名詞比較通用一些，首先是恒流，其實是源。源就是電源、源泉的意思，意味著可以提供正能量。

恒流負載，盡管也有恒流二字，但為負載，是消耗功率的，不提供正能量。

恒流負載一般為交流供電，但也可以簡單的看成是一個二端器件。

與恒流源（Current Source）相對應有個狹義的名詞叫恒流沉（Current Sink），這一般是指三端恒流器，負載要接在電源和輸出之間。

相對也有個狹義的恒流源，也是三端接法，負載是接在輸出和地之間，由于共地因此比較好用。

為什么要DIY 1500W、600A高精度恒流負載

很簡單的兩個原因：一個是因為有需求，另一個是買不到。

即便這個指標的電子負載能能買到，也是天價了。

恒流其實是我最常用的電子負載功能，主要是測試各種電源、電池，還可以與電源組成恒流源。只做恒流功能，用途單一，比較好做。當然，也不排除以后擴展功能。

大電流精密恒流源的用途比較多，因為很多設備和試驗涉及高精度磁場，比如核磁共振、粒子加速器、離子約束裝置，因此就有大量的高精度恒流需求。

但指標為什么定在1500W、600A呢？這主要是我正在DIY高精度600A測試器，會與這個匹配，而600A測試器選600A的原因是因為IT 600-S的量程是600A。600A的電源一般有3V，去掉引線接頭等也可能有2.5V，這樣就要求電子負載可以承載600A×2.5V=1500W的功率。

600A是最大電流，使用中完全可以設置更小的電流。比如200A、100A甚至更小，這樣就比較靈活而通用。由于功率較大，因此電流小就可以施加更高的電壓，適用范圍會更寬一些，比如以1C放電率測試100Ah、12V的電瓶。
與商品電子負載比，DIY的這個要高精度，但又要方便和低成本，因此要簡化。簡化后那些指標收到了影響？可能很多，比如功能、方便性、可靠性，這些我都不在乎，最在乎的是1500W、600A、高精度。

首先，參考Agilent N3306A電子負載

安捷倫是著名儀器公司就不用說了，盡管安捷倫已經不存在了，但這個名字早已被大家熟知，還會存在很長時間。其N3306A是N3300電子負載系列里功率最大（600W），電流最大（120A）的模塊，因此具備很強的參考價值，尤其是安捷倫公開其資料，包括電路圖，所以給DIY提供了很多方便。

該電子負載在此處的重要參考部分是輸出部分，由16組相同的功率單元并聯而成，每個單元的電路如下：

其中Q2和Q24是二選1，不是二個不同的管子直接并聯，R199和R200也是不同時焊接的跳線。
R70是檢流電阻，U22是差分式的檢流電壓放大器，會在并聯虛地短路的I_SUM端子上形成合計電流信號，這個信號與單元編程電壓輸入Cell_Prog進行對比，有差異的話通過U7放大再驅動MOS管，達到讓輸出電流與編程電壓相匹配。

以上是一個內部反饋控制環，為了達到比如恒流恒壓等功能，需要有第二個控制環，比如恒流功能，需要有一個代表設定/編程電流的CC-PROG信號，與實際電流I_Set信號進行對比，有差異就去控制Cell_Prog，就可以達到恒流輸出的目的。恒流控制單元電路圖如下：

N3300A的照片局部（photo courtesy of Enjoydiy）

用MS仿真一下功率單元，并試圖改變Cell_Prog等參數，感覺電路設計的很合理：

最重要的一點，這種單元的設計可以方便并聯而互不影響，電流天生就具有并聯能力，輸入端電壓輸入信號并聯也沒有任何問題。這個電路盡管看起來復雜一些，但那句話是怎么說來的，領土雖大但沒有一寸是多余的，元件雖多但沒有一個是白吃飯的。

當然，由于這個電路設計的比較早（10年以上，用戶手冊是2004年的），當時功率MOS元件性能一般，加上Agilent出名的大余量設計，還有靈活多功能要求也增加了復雜性，因此用在我這里的時候做了一些改動，電路如下：

其中，左下角增加的U1及相關元件是臨時進行CC控制，可以模擬出完整的恒流負載特性；右邊紅色的部分是大電流通路。
改動的內容如下：
1、去掉2.5V偏壓和二個90k電阻。偏置可以以后集中處理，不在單元電路里體現；
2、U22改成噪聲只有原來1/10的ADA4528（仿真軟件MS11里沒有，用類似的先替代），Agilent當時設計時還沒有這么低噪聲的自穩零運放（追加：事實上，MS12里已經有這個運放了，足見此運放比較新）；
3、檢流電阻改成1mR的，這樣可以通過大電流而功耗不增。盡管檢流電阻上的電壓變低了，但由于采用低噪聲運放，整體噪聲反而會減少；
4、輸出管子換成580W大功率的IRFPS3810，當時Agilent設計時還沒有這么大功率的，只用了150W的管子；
5、U22的放大倍數增大一些，以便適應減少的采樣電阻電壓，同時使得輸出滿度電壓減少到1V，這樣可以與IT 600-S的輸出兼容；
6、U7從從反向輸入放大改成同相輸入放大，這樣單元編程電壓（Cell_Prog）的極性就從負電壓變成正的；
7、U7改成單電源供電，這樣去掉負電源，簡化電路。U7本身就是可以3V起供電的單電源運放，可以驅動較大的電容負載。

這已經可以看出600A恒流負載的雛形了，每個單元輸出60A，10個這樣的單元并聯，就是600A。
并聯的時候需要每個單元的4根外接線并接到一起：Cell_Prog、相應的地、正負接線。左下角的恒流控制部分是公用的、只有一個。本來I-Set是需要接反向放大運放的負輸入即虛地，這樣才能起到電流相加功能，不過現在U1不是用作加法器，而是讓R140等電阻自己做平均后再與I_Set對比，效果是一樣的。

上圖只畫了3個單元的并聯，所有正輸出接到一起然后再接到真正的輸出正接線柱，負接線柱類似；所有的I_Sum即不同單元的R141接到一起形成平均電路（平均電路與合計電路其實就差個比例系數），用運放U1對比設定信號，最后的誤差信號供給所有的Cell_Prog，這樣形成第二個閉環控制。

圖上還有另外一個新增的部分，就是所有的負引線到達n_Bingding_Post之前，要通過電流傳感器IT 600-S的原邊，這樣在副邊就得到一個高精度的、滿度1V的代表輸出電流的電壓信號，可以用來替代原來的各單元的平均電流I_Sum，由此得到高精度恒流。

作者: sfjljczx 時間: 2014-12-29 20:54
學習了，謝謝樓主

作者: missfei42076 時間: 2014-12-29 21:47
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作者: chenboyou 時間: 2014-12-30 08:30
是該關注大功率的電子負載（>1Kw）突破技術瓶頸

作者: moonkai 時間: 2014-12-30 12:36
樓主有這個技術的話，可以把它做出來，到市場上賣。

作者: lushijian 時間: 2014-12-31 09:40
好東西，收藏了

作者: lymex 時間: 2015-4-20 10:52
這是我的帖子。

作者: ligq 時間: 2015-4-21 10:08
高能貼，拆的機子全是IT的

作者: makelala 時間: 2015-5-26 16:01
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作者: ruud10pzz 時間: 2015-5-28 19:10
好東西學習了那交流電子負載是如何呢

作者: lymex 時間: 2015-6-6 20:02

makelala 發表于 2015-5-26 16:01
樓主有個問題請教一下，直流電子負載可以用來測量普通堿性五號七號電池的短路電流嗎？ ...

基本上是不行的，因為短路電流大概有幾A，電子負載此時的壓降較大，就不是短路狀態了。
要想測試電池的短路電流，可以用個10A的分流器用粗線接好短路電池，用75mV的電流表頭來測量。

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