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直流电子负载

专家
2014-03-16 23:14:29    评分

作者:北京工业大学 王丹阳 姚鼎鼎 朱子琦

指导教师:赵影 张印春


  作品简介

 



  平台选型说明



  设计说明

  1.课题背景

  在电路中,负载是指用来吸收电源供应器输出的电能量的装置,它将电源供应器输出的电能量吸收并转化为其他形式的能量储存或消耗掉。如电炉子将电能转化为热能;电灯将电能转化为光能;蓄电池将电能转化为化学能;电机将电能转化为动能。这些都是负载的真实表现形式。负载的种类繁多,但根据其在电路中表现的特性可分为阻性负载、容性负载、感性负载和混合性负载。在实验室,我们通常采用电阻、电容、电感等或它们的串并联组合,作为负载模拟真实的负载情况。进行电源设备的性能实验。

  电子负载是利用电子元件吸收电能并将其消耗的一 种负载。电子元件一般为功率场效应管(Power MOS)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等功率半导体器件。由于采用了功率半导体器件替代电阻等作为电能消耗的载体,使得负载的调节和控制易于实现,能达到很高的调节精度和稳定性。同时通过灵活多样的调节和控制方法,不仅可以模拟实际的负载情况,还可以模拟一些特殊的负载波形曲线,测试电源设备的动态和瞬态特性。这是电阻等负载形式所无法实现的。

  2.实验设计要求

  2.1基本任务

  设计并制作一个电子负载,作为测试“直流稳压电源”或“蓄电池”性能指标的辅助装置。电子负载应具有恒流和恒阻两种方式。

  被检测直流稳压电源或蓄电池的输出电压施加在电子负载的两端,简称为电子负载的输入电压。恒流方式是指输入电压在一定的范围内变化时,流过该电子负载的电流恒定,且该恒流值是可以设定的。恒阻方式是指电子负载相当于电阻,其输入电压与流过电子负载的电流成正比(比值就是电阻),且该电阻值可以设定。

  实现电子负载的电路部分,可以使用单独的直流电源。

  2.2设计要求

  (1)恒流模式:当输入电压在3V-24V之间变化时,恒流电流可设置为:200mA-2.00A,步进100mA。

  (2)恒阻模式:当输入电压在3V-24V之间变化时,恒定电阻可设置为:6Ω- 60Ω

  (3)具有良好的人机接口,完成参数设置和电压、电流和电阻等参数的显示。

  3.总体方案论证与设计

  电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。设计和制作一台电子负载,有恒流和和恒阻两种模式,可手动切换。恒流方式时不论输入电压如何变化(在一定范围内),流过该电子负载的电流恒定,且电流值可设定。工作于恒阻模式时,电子负载端电压保持恒定,且可设定,流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化。

  3.1硬件部分

  实验电路分为三个模块:DA转换模块、电压跟随模块和单片机控制模块。系统整体框图为:

  各模块设计方案如下:

  3.1.1DA转换模块

  根据电路需要,综合考虑价格,转换速度与精度,使用方便程度等因数,我们选择了DAC0832作为核心的DA转换芯片。DAC0832为8输入并行DA转换芯片,使用简单。我们采取但缓冲工作模式,电路接线图如图1所示:

  3.1.2电压跟随模块  DAC0832的八位输入端口接单片机P4口,运放我们采用了双运放LM358,经测试,该电路DA转换的精度和速度均满足要求。

  电压跟随模块直接控制取样电阻的电压大小,从而控制其电流,来实现恒流的目的。设计中,该模块充分运用了运放的“虚短”和“虚断”,通过控制运放的正输入端来控制取样电阻上的电压,实验电路如图2所示。由于实际中发现MOS管的功率较大,于是给场效应三极管加装了散热装置。

  恒阻电路如下图所示:  这个图是一个最常用的恒流电路,这样的电路更容易获得稳定及精确的电流值,R3 为取样电阻,VREF是给定信号,电路工作原理是:当给定一个信号时VREF,如果R3上的电压小于VREF,也就是OP07的-IN小于+IN,OP07加输出大,使MOS加大导通使 R3 的电流加大。如果R3上的电压大于VREF时,-IN大于+IN,OP07 减小输出,也就降R3上的电流,这样电路最终维持在恒定的给值上,也就实现了恒流工作。如给定VREF为10mV,R3为0.01欧时电路恒流为1A,改变VREF可改变恒流值,VREF可用电位调节输入或用DAC芯片由”IAP15F2K61S2”单片机控制输入,采用电位器可手动调节输出电流。如采用DAC输入可实现数控恒流电子负载。恒阻功能,在有些数控电子负载中并不设计专用电路,而是在恒流电路的基础上通过”IAP15F2K61S2”单片机检测到的输入电压来计算电流,达到恒阻功能的目的,比如要恒定电阻为 10 欧时,”IAP15F2K61S2”单片机检测到输入电压为20V,那么会控制输出电流为2A,但这种方法响应较慢,只适用于输入变化较慢,且要求不高的场合。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。

  在定电阻工作模式时,电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而定,此时负载电流与输入电压呈正比例,比值即是所设定的负载电阻,即负载电阻保持设定值不变。

  恒阻功能,在有些数控电子负载中并不设计专用电路,而是在恒流电路的基础上通过”IAP15F2K61S2”单片机检测到的输入电压来计算电流,达到恒阻功能的目的,比如要恒定电阻为10欧时,”IAP15F2K61S2”单片机检测到输入电压为20V,那么会控制输出电流为 2A,但这种方法响应较慢,只适用于输入变化较慢,且要求不高的场合。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。

  3.1.3单片机模块

  单片机模块采用”IAP15F2K61S2”作为核心控制模块,通过盘片及开发版上的LCD屏来实现相关内容的显示,通过按键和滑轮实现对电路的输入和控制。单片机的编程部分将在软件部分说明。

  考虑到单片机不能直接采集大电压,应在采集电路前加保护电路。保护电路如图所示:

  3.2软件部分

  软件部分分为三个部分,即界面设计部分、横流模式程序设计和恒阻模式程序设计。如见部分程序流程图如下:

  各部分详细设计说明如下:

  3.2.1界面设计

  界面设计仿照官方例程,采用菜单式设计。这样设计比较方便操作者操作,也方便调用程序的各个模块,顺利实现相关功能。主菜单下根据功能设置“横流模式”和“恒阻模式”两个子菜单,横流模式下又能通过滑轮实现对电流值的设置和输出,恒阻模式先能通过滑轮实现对电阻值的设置和相关电流的输出。该部分的源代码在附录部分给出。

  3.2.2横流模式程序设计

  横流模式能够实现对电流的设置与输出。该部分采用滑轮与按键配合的方式来设置电流,操作方便。通过用户输入的电流值,该模块能将其转化为取样电阻的相应电压值,然后转换为相应的2进制数到DA模块,实现对横流的控制。该部分的源代码在附录部分给出。

  3.2.3恒阻模式程序设计

  横阻模式能够实现对电阻的设置与相关电流输出。该部分采用滑轮与按键配合的方式来设置电阻,操作方便。通过用户输入的电阻值,并结合采样电路采得的外加电压值,该模块能计算出相应的电流。并最终转化为相应的2进制数到DA模块,实现对横阻的控制。该部分的源代码在附录部分给出。

此文档的相关视频来自:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/13540




关键词: 电子负载     单片机     蓄电池    

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