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恒流电子负载仪的制作(科创基金赞助 完整版)

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发表于 2021-8-30 23:00:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
总是要维修电源,但是修好之后不知道电源能不能正常满功率运行,于是就有了一个DIY电子负载仪的想法。(电路板后面会开源)

电路原理及元件选用

想制作的爱好者一定得先把原理看完,原理非常简单的,我觉得小学六年级的学生都可以看懂,不过前提是得学完模拟电路的运算放大器这一章节,这样可以在制作时、找bug时节省很多时间。

其中Q是输出管子,Rs是检流电阻,Vref是代表电流设定值的电压信号,当外加电压后,由运放控制Q,保持Rs上的电压与Vref一致,即Vref=Iout*Rs,因此有
Iout=Vref/Rs
由于在工作中可以认为Vref和Rs是恒定的,所以该电路吸收的电流也为恒定。改变Vref就可以成比例的改变恒流电流。可以承受的最大电压要看晶体管的耐压和能承受的功率,而能够保持恒流的最低电压要看Rs的电压和三极管的饱和电压。(这里原理的讲解引用的是BG2VO《电子负载仪基础知识》的内容。https://kechuang.org/t/70869  )

Vref的产生(见下图,这个图是简化后的模型):先由1V稳压管D4和限流电阻R12来产生4.2V的基准电压,送入电压跟随器来消除负载效应,电压跟随器的输出端连接至精密电位器R,电位器内部构成分压电路,分压电路输出连至另一个电压跟随器,这个电压跟随器的输出就是Vref。计算公式:Vref=1v*Rp/Rmax(Rp是电位器实际阻值,Rmax是电位器最大阻值)

因为要线性地实现电流“粗调与细调的功能” ,所以电路中使用了两个精密电阻器与电压跟随器的联级 ,原理与上面的模型本质是一样的(见下图)。

有的时候,需要对电池进行放电,以测试其容量,所以增加了欠压断电功能(好吧,其实是后面在制作的时候发现原计划使用的机箱放不下,于是买了个大机箱,结果发现有很多空余的位置,不利用就可惜了,于是增加了这个功能)请看下面的整体电路图,两个电压跟随器(u11.1andu11.3)来产生参考电压(原理同上面的Vref的产生),同时数显电压表负责在前面板上显示参考电压的大小,参考电压经过1/4分压之后进入比较器(u11.4)的同相端,输入端子处的电压经过另外一个1/4分压器分压之后送入比较器的反相端,当参考电压比输入端电压低时,可控硅不动作,三极管基极有电流通过,三极管导通,所以继电器吸合。当参考端电压比输入端电压高时可控硅被触发,导通并且维持导通状态(有人会问:为什么要维持导通状态使继电器一直释放,这是因为电池在断电之后电压又会升高,如果电压一升高,负载仪又导通,电压又降低,负载仪关闭,这样就形成震荡,会搞坏电池),三极管基极无电流通过,三极管关闭,继电器释放(这样就实现了欠压保护功能,实际上欠压保护最高只可以设置到33.5v左右,达不到36v),在下一次使用时,得事先按一下复位开关KEY2,使可控硅关闭。这个功能也同样起到输入极性接反自动断电保护的功能。

实际制作中,三极管Q由场效应管irfp250代替,Rs取0.2Ω,Vref由4.2v稳压管、3个lm358构成的电压跟随器和2个精密电位器产生(如图),运放使用lm324芯片(正好四个运放控制四个功率管)。整体电路图如下:


由于在设计电路板时,我将控制部分与功率部分分开了,控制部分电路板对应的电路图如下:(功率部分很简单,搭棚焊即可,后面加了欠压保护功能,在洞洞板上焊电路,麻烦的要命,所以之后有时间会画一版完整的电路)




制作过程
焊电路板(其实用这种插座简直就是浪费,而且很占位置,于是装配的时候把上面那一排给拔掉,直接焊线了。可能是画电路板的时候脑子有点抽筋吧):
给散热器攻丝(这个也很费力气,攻完之后手臂都酸了):


装散热风扇:

开面板,这种铁板子只有夹在台钳上切才安全,不然要顺便把手开出一道口子:
大台钳就是好用:

修整面板,并且给面板装上零件:




焊接功率部分的电路(嘉立创一个月两次的免费机会被我用完了,电路板简单,于是用的是环保蚀刻剂蚀刻的电路板):

将散热片装到外壳上,顺便把功率部分的电路一起固定上去了:

注意,这个irfp250与铝散热片之间的绝缘不能使用硅胶皮,要用氧化铝陶瓷片,硅胶皮的导热性能不是很好。

在外壳上安装控制部分的电路:

给功率部分与控制部分接线:


然后盖上外壳,就做好了:


然后进行测试


在25V 12A这个参数下运行:

由于是大电流,导线上电压降比较大,于是采用四线测试法,这样比较准确,四线测试法就是香!(看来指针表头有些不准确呀)由于欠压设置的电压莫名其妙地表坏了,这个只有等寒假或者其他时候有时间再来换了(马上开学就是高一,感觉时间不太够)。现在只能用可调电源来“试探并且设置欠压保护的参数”。
满功率测试一个小时之后,散热器上的温度逐渐稳定,在88至85摄氏度左右(室温32摄氏度),电流向上飘了103mA(估计是因为0.1欧姆电阻受热导致阻值变化而引起的)这里有待改进,要给电阻加一个补偿。目前只有最大12A的电源,没有30A的电源,所以无法测试30A下运行的参数,不过应该与这个差不多,满功率300w运行没有什么问题,那么在最大30A电流下运行也应该不会有什么问题。

其它细节
散热器用的是两个6*6*20cm的风道散热器,再加上两个风扇
设计的电子负载仪后面等我学会单片机之后可以增加其他功能,而且不用改动太多东西,看起来可以与之后写程序,显示的电路兼容。
液晶屏的电压电流表是买的成品,不过看见数码之家上面有人开源了电路图和代码,东西在附件里面,网址也被放在下面。
开关按键作用:上面那一排是控制液晶屏显示用的,下面那一排从左到右分别是:2/4线测量方式切换、负载仪通断控制、可控硅复位。
边上的散热网罩用的是不锈钢纱窗的边角料,直接厚着脸皮向纱窗店老板白要即可。个人感觉挺美观的:

三视图:




用的外壳与上面电源的外壳差不多,是不是看起来很和谐呢?

参考网址
负载仪控制板的开源现在只有主要控制部分,没有欠压保护功能的,立创开源的网址先放在这里(后期会画一版整合在一起的板子,接线可以减少很多,所以各位先不要着急去做):https://oshwhub.com/NICKLAO/dian-zi-fu-zai2-0
1602液晶屏电压电流表开源:
网址:(有好几个供大家参考)

特别感谢:
科创基金(提供资助)
BH4ILP 李教授(为散热部分的改进提出了宝贵建议)
还有虎哥“客服般的帮助”(不然要被拨款信息的填写折腾好久)和科创仪表群的群友的观看提供的动力。

后面还会改进电路板的,敬请期待!




....
 楼主| 发表于 2021-8-30 23:01:58 | 显示全部楼层
@老A  加个精华并且放进导读吧,我在极客迷还没有被加过精,导读也好久没更新了
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 楼主| 发表于 2021-8-31 18:33:46 来自手机 | 显示全部楼层
为什么明明插了图,确看不见,是不是图片挂了
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发表于 2021-9-1 11:54:00 | 显示全部楼层
nicklkh 发表于 2021-8-31 18:33
为什么明明插了图,确看不见,是不是图片挂了

可以看到。可能是网络延迟。
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 楼主| 发表于 2021-9-3 19:12:11 | 显示全部楼层
老A 发表于 2021-9-1 11:54
可以看到。可能是网络延迟。

看见了
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