转帖：电子负载基础知识

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转帖：电子负载基础知识

虎哥2015/04/13仪器仪表 IP:四川

电子负载基础知识
本文原著：BG2VO 张利民

什么是电子负载

电子负载也叫假负载，是一种可以控制电流、电压和电阻的仪器，可以模拟真实负载，比如大功率电阻、充电的电池、用电器，可以消耗、吸收或承载功率和电流，用来测试各种电源。

常见的电子负载直流的为多。

商品电子负载，常见的都是中小功率，比如150W、300W。大功率的体积重量都比较大，价格也高。

搞电源的、DC-DC的、电池相关的，电子负载是必备仪器。

电子负载的指标

1、最大承受功率
顾名思义，就是电子负载能够承受的最大功率。这是电子负载重要指标，电子负载尤其是中小功率的，都是以消耗电功率转换成热能为原理，因此功率决定了器件、决定了体积，也在很大程度上决定了价格。一般电子负载功率150W和300W常见，更大功率的体积重量和价格都比较高。

2、最大承受电压
就是电子负载最大可以加到多高的电压，一般几十伏，或者上百伏，毕竟这对于功率半导体器件是小菜。但电压太高存在安全和绝缘问题，因此高压的电子负载不太常见。

3、最大承受电流
功率一定场合，低压下应该可以消耗更大的电流，但由于各种限制，电流也不能无限增加，否则电压太低也没啥用途，30A和60A比较常见。电子负载能够工作的区域范围见下图，横轴是电流，纵轴是电压：

图中A部分横线，就是最高电压限制，曲线B，就是最大功率界限，而C，就是最大电流边缘。还有一个限制就是D，表现为大电流时不能工作在小电压下，是管子的饱和压降和检流电阻等内部原因所导致，这个压降越小越好，比如低于0.8V才可以测试镍氢电池，如果这个电压较高，那只能降低工作电流以求得最低使用电压。也有个别电子负载这个压降为0的，也就是0V就可以工作，甚至可以达到负电压就工作（成为电源了），那就跑到第四象限里面去了。

4、主要功能一般的电子负载都具备恒流、恒压、恒阻功能

恒流，就是在最大电压和最大功率限制范围内，无论外加电压多大，消耗的电流为一定。这个电流当然可以在最大电流范围内随意设置，比如设定了5A，那么一般外加电压在1V到30V范围内，电子负载都吸收5A电流。这个功能很常用，主要用于测试各种电源、电池和DC-DC等。

恒压，就是在最大电流和最大功率限制范围内，无论外加多大电流，表现为恒定电压。这个电压当然可以在最大电压范围内随意设置，比如设定了15V，那么一般外加电流在10A之内，电子负载都能维持在15V。这个功能主要用于测试恒流负载，比如恒流源、太阳能电池。

恒阻，电子负载表现为一个电阻，阻值多大可以设定，比如设置在1欧，那么加上1V电压就吸收1A电流，加10V电压就吸收10A电流。当然，恒阻的条件是电压、电流、功率不超过电阻负载的最大规格。

恒功率，电子负载表现为恒定功率，比如设定在60瓦，那么加上5V电压就吸收12A电流，加10V就吸收6A电流，加60V就吸收1A电流。很多DC-DC具有恒功率特性（因为DC-DC效率高、输出电压恒定），因此，具有此功能的电子负载可以模仿DC-DC的耗电。恒功率的特性实现起来稍微麻烦一些，因为需要乘法器。可以是模拟乘法器，但更多的电子负载由于有MCU、ADC和DAC，用数字的方式实现起来更方便，就是速度上有所限制。

红色垂线为恒流，电流设定值不同则红线会在左右不同位置，设定完毕开始工作时，红线就是负载曲线；
蓝色直线为恒压，电压设定值不同则蓝线会在上下不同位置，设定完毕开始工作时，蓝线就是负载曲线；
粉色斜线为恒阻，电阻设定值不同则粉线会围绕原点转动，设定完毕开始工作时，粉线就是负载曲线；
绿色曲线为恒功率，功率设定值不同则绿线会接近原点或远离，设定完毕开始工作时，绿线就是负载曲线。

5、辅助功能
各种接口、各种测试模式、各种保护等

6、性能
噪声、稳定性、设置精度、显示精度、响应速度等。

常见的电子负载
美国惠普/安捷伦/Keysight
N3300A系列
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/zh-CN/pc-1000000168%3Aepsg%3Apgr/dc-electronic-loads?nid=-536902252.0.00&cc=CN&lc=chi
高端、模块化的，主机可以达到1800W，通过安装不同模块可以有不同功率/电压/电流组合。

日本菊水
PLZ-3WH 系列
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/cn/product/XXXXXXXXXp?IdFamily=0012
共有4种型号，高性能、高速、多功能，内部结构合理。

台湾博计3311D
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXp?lang=&op=product&pro_id=74&pro_num=1025
300W、60V、60A，可编程多功能电子负载

国内艾德克斯
IT8512C
XXXXXXXXXXXXXXXXXXX/en/products.jsp?id=14&sortid=001008
300W、120V、60A，可编程多功能高精度电子负载

这款带有C后缀的电子负载是较新型号，我早年有个不带C的，外观和功能一样，就是电流只有30A：

电子负载的用途与使用
这里列举我自己常用的例子来说明。

1、测试电源的负载特性和噪声
电源直接接假负载，开机，电源设置到某电压（和某电流，如果电源带有恒流或限流特性的话），电源开启软开关，则应该在电子负载上读出输出电压。如果需要较高精度读出电压值，应该用高精度的万用表同时测量，表笔接电源输出接线柱。根据电源的额定输出电流能力，在电子负载上选定恒流模式并设定不同的电流，这IT8512上设定5A恒流的操作顺序是 I-SET、5、Enter，打开电子负载的软开关（On/Off键），电子负载就开始吸收5A的电流了。一旦电源供给电流，其输出电压就应该有少许下降（内阻），需要读出输出电压值，并记录电源在不同电压和不同电流组合下的实际输出电压值，多次测试，就可以做出表格或曲线，求得电源的负载特性。对于噪声和纹波特性，可以类似测试。电源的指标其实很多，比如长期稳定性、温升、额定负载下对不同交流电源的响应等，都可以通过电子负载对电源加上一定的负荷后进行测试。没有电子负载，只能测试空载情况，就很局限了；或者只能用真实负载，可变性和方便性就受到很多限制。
2、测试电池的容量
100Ah的铁锂电池，充满电后，测试容量。重新充满，放置1年，再测试容量，可以得到每年的自放电特性。
电子负载用IT8512，开机，正负端子用大电流引线接到电池上，此时电子负载会显示电池电压。按I-SET，输入3、0、Enter，即设置成30A恒流，再按On/Off开启电子负载就可以了。测试时随时记录时间-电压，电压降低到2.5V时就可以再次按On/Off按钮结束放电。
实际上，可以设置电压低限为2.5V，这样达到2.5V时电子负载就会自动断电，就不会让电池过放。设置电压低限要按Shift、Menu、System Set、Voltage Off Set即可。
更进一步，该假负载有测试电池功能，设置好电流后，按Shift、Battery，直接输入放电结束电压，再按Enter就开始放电，达到电压后自动停止，同时显示容量。

3、测试DC-DC的转换效率
DC-DC的输入端接电源，输出端接假负载，开机电源和假负载，就可以在假负载上读取电压值，改变电源的输入电压，可以记录输出电压的变动。
假负载设定一定的电流，开启，就可以读出输出的电压和电流值，从电源上读出输入的电压电流值，就有：
效率=（输出电压×输出电压）/（输入电压×输入电压）×100%

改变输入电压，就可以测试不同输入下的效率。同时组合改变输出电流，就可以得到该DC-DC在各种情况下的表现。

4、测试1A恒流源的恒流特性
1A恒流源接到电子负载上并开机，可以从电子负载上得到开路电压。电子负载设置在恒压1V并开启，就应该看到1A的电流；改变电子负载的电压，电流应该不变，如果有变动那就说明恒流特性不理想，或者输出电压太高，超出恒流源范围。

5、与大功率电源组成大电流恒流源
很多大功率电源不具备恒流输出特性，最多有过流保护，比如我的SS-330W 1000W电源，再比如MW SCN-1K5，15V、100A电源。
把电子负载接到电源上，电子负载选恒流20A，开启后，就会流过20A的恒定电流，即便电源的电压在一定范围内变动（当然要在电子负载的功率允许范围内），或者引线电阻变化，或者串联了个电阻，因为电子负载要吸取固定的电流，因此会保持20A不变，恒流特性如何，几乎完全取决于电子负载。这样就形成恒流源，通用性比较强，比如测试电流传感器等。

上图来自共振磁场线圈的一个大电流稳定项目，其中C就是负载线圈，D是安捷伦电源（6682A），A和B组成高精度恒流负载，A是IGBT模块，B是Danfysic 867-200I磁通门高精度电流传感器，通过B的检测控制A，让C得到稳定的电流。电源D仅仅作为一个电源来使用，恒压模式，电流的稳定度与此无关，尽管这款电源具有恒流模式，但精度达不到要求。

电子负载的原理与内部构成
原理在这里就先不细说了，不同模式下也不同。
恒流模式下的原理其实很简单：

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。

当然，电子负载的实际电路要复杂得多，加上其它模式和各种功能，电源、数字部分、显示和用户界面一个也不能少。IT8512的内部图如下。

比较明显的看到2个较大的带有风扇的管道式散热器，散热器上装有塑封功率管，附近有均流电阻，左边还有2个检流电阻丝。

一共4个功率管子（外加另外2个不同封装的，没注意到底是什么），总功率300W，因此每只最大耗散75W。均流电阻是0.05欧的8只，由于最大电流30A，因此每只管子平均最大7.5A，电阻可能是两两并联，那样功耗和电流都要小一半。输出控制运放是2只TL084，很常见的JFET输入4运放。

误差放大和前面对比部分，用了数只OP07C，还有1只OP27（没在照片上）。

核心部分的几只多脚IC的型号被擦去了

检流电阻和输出接线柱部分特写，检流电阻的位置有4个，实际安装了2个：

恒流电子负载与恒流源的关系

恒流源这个名词比较通用一些，首先是恒流，其实是源。源就是电源、源泉的意思，意味着可以提供正能量。

恒流负载，尽管也有恒流二字，但为负载，是消耗功率的，不提供正能量。
恒流负载一般为交流供电，但也可以简单的看成是一个二端器件。

与恒流源（Current Source）相对应有个狭义的名词叫恒流沉（Current Sink），这一般是指三端恒流器，负载要接在电源和输出之间。
相对也有个狭义的恒流源，也是三端接法，负载是接在输出和地之间，由于共地因此比较好用。

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