直流電子負載的工作原理及使用方法

/ 上海市計量測試技術研究院

0 引言

在電子技術和測試領域，實驗人員經常會對直流穩壓電源、開關電源、線性電源、變壓器、整流器、電池、充電器等電子設備的輸出特性進行測試，怎樣可靠全面且較簡單快捷進行測試，一直是儀器儀表從業人員探索的問題。傳統的方法一般采用電阻、滑線變阻器、電感、電容等充當測試負載，這些負載結構簡單，功能單一，已經不能適應現代電子設備對于負載輸出特性的測試要求。本文介紹的直流電子負載比一般的負載具備更多的測試模式。具有直流電子負載用恒定電流(CC)，恒定電壓(CV)，恒定電阻(CR)模式，可分別用于不同的電源參數的測量。它能替代傳統的負載，更好地用來測試評估直流電源的輸出特性、蓄電池的壽命特性。直流電子負載在作為一個可變或恒定電阻時，還可以作為直流電壓、直流電流的測量表具，有一定的測量分辨力和準確度，而且有保護功能，這樣既利于提高測量速度也方便測量。因此，深入理解直流電子負載的設計原理，從而正確使用電子負載在工業領域顯得尤為重要。

1 直流電子負載的工作原理

直流電子負載的工作模式有四種：恒流工作模式、恒壓工作模式、恒阻工作模式、恒功率工作模式。

1.1 恒流電路

圖1是一個常用多見的恒流電路，在恒流工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據所設定的電流值而保持恒定，與輸入電壓的大小無關，即負載電流保持不變。圖1中，R3 為取樣電阻，VREF是參考電壓，其工作原理是：當給定一個參考電壓VREF時，如果R3 上的電壓小于VREF，也就是運放的-IN小于+IN時，運放加大輸出，使MOS導通程度加深，使MOS管輸出回路電流加大。如果R3上的電壓大于VREF時，-IN 大于+IN，運放減小輸出，也就降了MOS管輸出回路電流，這樣也就實現了恒流工作。如參考電壓VREF為10 mV，R3 為0.01 Ω時電路恒流為1 A，改變VREF可改變恒流值，VREF可用電位器調節輸入或用DAC芯片由MCU 控制輸入，采用電位器可手動調節輸出電流。如采用DAC 輸入可實現數控恒流電子負載。

圖1 恒流電路

1.2 恒壓電路

圖2為可調直流恒壓電子負載電路。在恒壓工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據所設定的負載電壓而定，此時負載電流將會增加直到負載電壓等于設定值為止，即負載電壓保持不變。圖2中MOS 管上的電壓經R3與R2分壓后送入運放IN+與參考電壓值進行比較，當電位器在10%時IN-為1 V，那么MOS 管上的電壓應為2 V。

1.3 恒阻電路

恒阻功能，在有些數控電子負載中并不設計專用電路，而是在恒流電路的基礎上通過MCU 檢測到的輸入電壓來計算電流，達到恒阻功能的目的。比如要恒定電阻為10 Ω時，MCU 檢測到輸入電壓為20 V，那么會控制輸出電流為2 A，但這種方法響應較慢，只適用于輸入變化較慢，且要求不高的場合。專業的恒阻電子負載都是由硬件實現的。

圖2 恒壓電路

圖3電路是由硬變件實現的恒阻電路，R4 為1%，如果輸入電壓為1 V，那么IN+上的電壓為10 mV，也就控制R1上的電壓為10 mV，等效電阻測為1 Ω。

圖3 恒阻電路

1.4 恒功率電路

恒功率功能，大部分電子負載都采用恒流電路來實現，原理是MCU 采樣到輸入電壓后，根據設定的功率值來計算輸出電流。

2 直流電子負載的使用方法

基本了解直流電子負載的四種工作模式后，下面介紹電子負載基本的使用方法。

其測試接線如圖4所示，直流電子負載是用電子器件實現的“負載”功能，其輸出端口符合歐姆定律。電子負載是通過控制內部功率器件MOSFET或晶體管的導通量，使功率管耗散功率，消耗電能的設備。

圖4 電子負載測試接線

1）把電子負載設定在CC模式，負載關閉，此時用電子負載以電壓表形式測量直流穩壓電源CV態的開路輸出電壓。

2）把電子負載設定在CC模式，打開負載及其短路設置，此時用電子負載以電流表形式測量直流穩壓電源CC態的輸出電流。

3）直流電源的穩壓即CV態的負載調整率的測量：

如有一臺電源，規格為30 V/30 A，先把電壓調節到最小，電流調節到適當值，設置負載在CC態，打開負載，設置負載的CC值為30 A，調節電源的電壓值，此時負載值隨著外加電壓的改變而變化，直到調節電壓為30 V時，電子負載測量出電源帶載的實際輸出電壓Um和回路里的電流。再設置負載的CC值為0，則此時相當于斷開負載，此時電子負載作為一個直流電壓表，測量出電源不加載的輸出電壓Un，則電源CV態的負載調整率為

如果電子負載的測量準確度不能滿足測量電源的要求，則可以在測量的同時，在電源的兩端并入直流數字電壓表進行監測。

4 直流電源的穩流即CC態的負載調整率的測量

如有一臺電源，規格30 V/30 A（把電流調節最小，電壓調節到適當值），則設置負載在CV態，打開負載，設置負載的CV值為30 V，調節電源的電流值，此時負載值隨著回路的電流的改變而變化，直到調節電流為30 A時，電子負載測量出電源帶載的實際輸出電壓和回路里的電流Im。此時可以設置負載的CV值為0，相當于短路負載，此時電子負載作為一個直流電流表，測量出電源不加載的輸出電流In，則電源CC態的負載調整率為

如果電子負載的測量準確度不能滿足測量電源的要求，則可以在測量的同時，在電源的測量回路中串聯分流器進行測量電流。需要說明的是：用DC電子負載測量電源時，若不用Vsense端，則若10 mΩ的引線電阻在回路電流為10 A可引起0.1 V的壓降，即電子負載電壓測量值將小于電源實際輸出電壓值。為了測量準確，Vsense兩端要接于電源輸出的兩端，電子負載則取樣測量Vsense兩端的電壓來測量，而回路電流則與四線Vsense測量無關。

3 結語

近年來，使用電子負載進行直流電源測量已經越來越普遍。但是電子負載也有各自的功率限制及允許的測量范圍，作為電子儀器，它還會存在波紋。了解電子負載的基本原理和使用方法，使日常使用和測量更便捷。

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