一文詳解如何制作電子負載儀

電子負載儀是電源制作和電池性能測試必不可少的一種儀器。顧名思義電子負載儀是由電子器件組成模擬負載，用來檢測各類電源帶負荷特性和化學電源輸出性能的儀器。在恒電流測試時加以同步計時，就可精確測出電池容量值。

筆者因工作需要，曾接觸過多個廠家電子負載儀產品。雖然檔次高低迥異、體積相差很大，但是電子負載的重要部分，即電子開關部件大部分由管耗較小的VMOS功率管組成，其工作模式均為PWM方式。為了電池容量計量的方便，負載儀大多工作于恒流放電模式。電子開關驅動電路有單片機、運算放大器、分立元件組成控制電路。高級的還具有各種功能顯示和設置功能。所以配置較高的產品價位極高，約幾千元至數萬元不等。其價位是很多電子愛好者和小廠家望洋興嘆！

可見，如果撇開很多華而不實的設置和顯示功能，以堅固耐用、容易操作、簡單可靠作為設計指標的大容量負載儀，肯定能受到很多用戶所歡迎！

基于上述主導方針，筆者設計了一款用LM324運放為主控器件的電子負載儀。整個儀器由電子開關、斜波發生、電流檢測放大、比較調節、PWM驅動單元組成。

該儀器可對12~48V電源和電池進行放電性能測試，最大電流為20A；操作非常方便；由K1控制放電投入或切出；W1調節電流幅度大??；W2調節欠壓值。

下面簡單介紹電路工作原理，其電路如圖1所示。圖中，IC1A、R1~R4、Q1、C3、C4、D1組成斜波發生電路。其中，R2、R3分壓為IC1A反相輸入端基準電壓；而同相輸入端接C3通過R1充電。初始時IC1A輸出低電平；當C3電壓上升大于反相基準時，IC1A輸出為高電平；經D1、R4使Q6導通，致C3瞬間放電為0V。此時IC1A輸出翻轉為低電平。又重復上述過程。

如此周而復始， C3接連產生類如鋸齒波脈沖，鋸齒最大幅度略低于反相端基準電壓，該脈沖送IC1B反相端作為PWM周期比對脈沖；而IC1B同相端輸入控制信號：此信號由經IC1D單元與電流反饋信號比較處理后輸出?？梢钥闯觯喝绻刂菩盘柗刃∮诿}沖信號幅度,則IC1B輸出低電平；而控制信號大于脈沖信號幅度,IC1B輸出高電平。所以控制信號幅度變化轉換為輸出脈沖寬度變化；且每個鋸齒波周期內信號幅度越大，IC1B輸出脈沖越寬。信號幅度越小，IC1B輸出脈寬越窄。

顯而易見，IC1D輸出的脈沖寬度變化，使場效應管每周期導通時間變化，即可達到控制負載電流的目的。這就是各類PWM控制的基本原理。PWM方式的應用，既使功率器件工作在能耗極小的高頻開關區域，又能使功率器件產生等同線性工作時的控制效果。

R12、R13、R14、IC1C組成電流取樣放大部分，作用是將電流變化轉換成一定幅度的反饋電壓。其增益為10倍，由調節R13與R12比例決定。IC1C輸出信號作為電流反饋信號輸運到IC1D單元作比較處理。

IC1C輸出送至IC1D反相端，與同相端電流給定信號作減法運算。電路中R15、R16、R17、R18阻值相等，構成一個標準減法器。圖中為給定電壓減去反饋電壓。這可以理解為一旦給定電壓確定后，如果由于某種原因電流上升，則ICID輸出電壓下降；由于電池電壓下降導致電流下降時，IC1D輸出電壓上升。由于IC1D的作用，在很大程度上補償了放電電流波動時的幅值變化，使之接近恒流放電情況。

R7~R10、Q1、Q2、Q3、Q4組成PWM驅動電路。1C1B輸出高電平時，Q1、Q2、Q3導通，Q3導通使Q5（場效應功率管）得到接近15V的柵壓而導通，此時Q4反偏截止。IC1B輸出翻轉為低電時，Q1、Q2、Q3、截止，Q5柵壓消失，此時，Q4正偏置導通，使Q5柵極快速放電而可靠關斷！Q3、Q4對管的作用是：以足夠的驅動功率克服場管的柵、源的電容效應使Q5可靠開關。

這是一個用于場效應管的經典電路，非?？煽?，驅動能力也很強，筆者曾用來驅動數百安培的大功率器件，效果很好。

用于電池欠壓保護的電路由R20、R19組成電壓取樣至IC2反相輸入端。6.3V由R21、W2、R22組成欠壓設定電路，設定電平信號至IC2同相輸入端。在電源電壓取樣信號大于設定信號時；IC2輸出為低電平，此時，T1不動作。一旦電源電壓取樣信號小于設定信號時，IC2輸出端翻轉為高電平，T1導通并自鎖。T1導通，使Q1失去偏壓而截止，中斷了PWM驅動信號的傳輸，使電子開關隨機關斷，達到電池欠電壓保護的目的。T1的自鎖是為了防止關閉放電后，電池端電壓回升使IC2輸出翻轉，系統重新進入工作區而頻繁開關激發機振的必要措施。

Q5選用IXFK120N20 ，參數為120A/200V/10mΩ，配用150X100散熱器；另外配置12V/0.35A儀表風機強制風冷。對于保護場效應管的安全也是非常必要的。

圖中RX1為大功率電阻，阻值為0.75Ω，功率為300W。此電阻加入雖然大大降低了功率VMOS管承受的功耗，但是亦帶來一個問題：在不加RX1的情況下，可測試很低電壓的電池，如3.6V的動力鋰電池的10A放電檢測；加上RX1以后，等同Q5增加了0.75Ω的導通電阻，實際只能達到最大4.8A放電值。所以在單體電池大電流檢測上，應該短接RX1，以達到預期效果。

對于超過20V的電源，此電阻效果很顯著，如24V電池以20A放電為例，此時電子開關須承受總計480W功率，可以計算出RX1分擔了其中300W。實際上采購符合功率、阻值要求的功率電阻頗不容易，而且價值非常昂貴。下面介紹一種適合業余條件下制作該電阻的方法：材料系用2~5kW的電熱絲，截取多段并聯達到需要阻值和功率。注意盡量使每段阻值一致，保證流過電流相同。至于其聯接方法，為盡量減少系統電阻，不宜用接插方式，應盡量使用焊接方式。但電熱絲不易上錫怎么解決？先把電熱絲頭用銅軟線緊密排繞一定寬度；然后以常規方式上錫；上錫前把電熱絲頭彎折，防止銅線滑出。這樣就可以把很難上錫的電熱絲實施焊接連接了。

土制的RX1在大電流值工作時，發熱很厲害。散熱的方法可以用強制風冷，但是并不理想，最好的方式還是水冷，即把電熱絲放在一定容積的水槽中即可。但焊接點必須用樹脂涂復或熱縮管保護，而且由于電化作用，電熱絲壽命也不可能很長。如果能找到一些變壓器油(或汽車水箱防凍液)代替水作為冷卻介質的話，那就比較理想了。

顯示儀表選用數字表頭，最好采用220V供電的那種。注意：電流表與電壓表不能共用5V電源，否則引發讀數不準，甚至損壞表頭。

儀器使用：接好220V電源，放電開關置關位置，W1反旋到底，接上放電電源（電池和各類電源）。然后把放電開關置放電位，調節W1至合適放電電流值即可。

欠壓值沒定：接上一個可調節電源，放電電流調節至0.5~1A，調整可調電源至欠壓值，如21V；再細心調節W2旋鈕至電流表讀數消失，證明W2已調節到21V欠壓值；然后關閉儀器電源（使T1復位）再重啟電源，接上被測電池，調節合適的電流值即可。當然每次欠壓保護后，必須使T1復位。