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    恒流電子負載儀的制作(科創基金贊助 完整版)

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    樓主
    發表于 2021-8-30 23:00:43 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
    總是要維修電源,但是修好之后不知道電源能不能正常滿功率運行,于是就有了一個DIY電子負載儀的想法。(電路板后面會開源)

    電路原理及元件選用

    想制作的愛好者一定得先把原理看完,原理非常簡單的,我覺得小學六年級的學生都可以看懂,不過前提是得學完模擬電路的運算放大器這一章節,這樣可以在制作時、找bug時節省很多時間。

    其中Q是輸出管子,Rs是檢流電阻,Vref是代表電流設定值的電壓信號,當外加電壓后,由運放控制Q,保持Rs上的電壓與Vref一致,即Vref=Iout*Rs,因此有
    Iout=Vref/Rs
    由于在工作中可以認為Vref和Rs是恒定的,所以該電路吸收的電流也為恒定。改變Vref就可以成比例的改變恒流電流?梢猿惺艿淖畲箅妷阂淳w管的耐壓和能承受的功率,而能夠保持恒流的最低電壓要看Rs的電壓和三極管的飽和電壓。(這里原理的講解引用的是BG2VO《電子負載儀基礎知識》的內容。https://kechuang.org/t/70869  )

    Vref的產生(見下圖,這個圖是簡化后的模型):先由1V穩壓管D4和限流電阻R12來產生4.2V的基準電壓,送入電壓跟隨器來消除負載效應,電壓跟隨器的輸出端連接至精密電位器R,電位器內部構成分壓電路,分壓電路輸出連至另一個電壓跟隨器,這個電壓跟隨器的輸出就是Vref。計算公式:Vref=1v*Rp/Rmax(Rp是電位器實際阻值,Rmax是電位器最大阻值)

    因為要線性地實現電流“粗調與細調的功能” ,所以電路中使用了兩個精密電阻器與電壓跟隨器的聯級 ,原理與上面的模型本質是一樣的(見下圖)。

    有的時候,需要對電池進行放電,以測試其容量,所以增加了欠壓斷電功能(好吧,其實是后面在制作的時候發現原計劃使用的機箱放不下,于是買了個大機箱,結果發現有很多空余的位置,不利用就可惜了,于是增加了這個功能)請看下面的整體電路圖,兩個電壓跟隨器(u11.1andu11.3)來產生參考電壓(原理同上面的Vref的產生),同時數顯電壓表負責在前面板上顯示參考電壓的大小,參考電壓經過1/4分壓之后進入比較器(u11.4)的同相端,輸入端子處的電壓經過另外一個1/4分壓器分壓之后送入比較器的反相端,當參考電壓比輸入端電壓低時,可控硅不動作,三極管基極有電流通過,三極管導通,所以繼電器吸合。當參考端電壓比輸入端電壓高時可控硅被觸發,導通并且維持導通狀態(有人會問:為什么要維持導通狀態使繼電器一直釋放,這是因為電池在斷電之后電壓又會升高,如果電壓一升高,負載儀又導通,電壓又降低,負載儀關閉,這樣就形成震蕩,會搞壞電池),三極管基極無電流通過,三極管關閉,繼電器釋放(這樣就實現了欠壓保護功能,實際上欠壓保護最高只可以設置到33.5v左右,達不到36v),在下一次使用時,得事先按一下復位開關KEY2,使可控硅關閉。這個功能也同樣起到輸入極性接反自動斷電保護的功能。

    實際制作中,三極管Q由場效應管irfp250代替,Rs取0.2Ω,Vref由4.2v穩壓管、3個lm358構成的電壓跟隨器和2個精密電位器產生(如圖),運放使用lm324芯片(正好四個運放控制四個功率管)。整體電路圖如下:


    由于在設計電路板時,我將控制部分與功率部分分開了,控制部分電路板對應的電路圖如下:(功率部分很簡單,搭棚焊即可,后面加了欠壓保護功能,在洞洞板上焊電路,麻煩的要命,所以之后有時間會畫一版完整的電路)




    制作過程
    焊電路板(其實用這種插座簡直就是浪費,而且很占位置,于是裝配的時候把上面那一排給拔掉,直接焊線了?赡苁钱嬰娐钒宓臅r候腦子有點抽筋吧):
    給散熱器攻絲(這個也很費力氣,攻完之后手臂都酸了):


    裝散熱風扇:

    開面板,這種鐵板子只有夾在臺鉗上切才安全,不然要順便把手開出一道口子:
    大臺鉗就是好用:

    修整面板,并且給面板裝上零件:




    焊接功率部分的電路(嘉立創一個月兩次的免費機會被我用完了,電路板簡單,于是用的是環保蝕刻劑蝕刻的電路板):

    將散熱片裝到外殼上,順便把功率部分的電路一起固定上去了:

    注意,這個irfp250與鋁散熱片之間的絕緣不能使用硅膠皮,要用氧化鋁陶瓷片,硅膠皮的導熱性能不是很好。

    在外殼上安裝控制部分的電路:

    給功率部分與控制部分接線:


    然后蓋上外殼,就做好了:


    然后進行測試


    在25V 12A這個參數下運行:

    由于是大電流,導線上電壓降比較大,于是采用四線測試法,這樣比較準確,四線測試法就是香。ǹ磥碇羔槺眍^有些不準確呀)由于欠壓設置的電壓莫名其妙地表壞了,這個只有等寒假或者其他時候有時間再來換了(馬上開學就是高一,感覺時間不太夠),F在只能用可調電源來“試探并且設置欠壓保護的參數”。
    滿功率測試一個小時之后,散熱器上的溫度逐漸穩定,在88至85攝氏度左右(室溫32攝氏度),電流向上飄了103mA(估計是因為0.1歐姆電阻受熱導致阻值變化而引起的)這里有待改進,要給電阻加一個補償。目前只有最大12A的電源,沒有30A的電源,所以無法測試30A下運行的參數,不過應該與這個差不多,滿功率300w運行沒有什么問題,那么在最大30A電流下運行也應該不會有什么問題。

    其它細節
    散熱器用的是兩個6*6*20cm的風道散熱器,再加上兩個風扇
    設計的電子負載儀后面等我學會單片機之后可以增加其他功能,而且不用改動太多東西,看起來可以與之后寫程序,顯示的電路兼容。
    液晶屏的電壓電流表是買的成品,不過看見數碼之家上面有人開源了電路圖和代碼,東西在附件里面,網址也被放在下面。
    開關按鍵作用:上面那一排是控制液晶屏顯示用的,下面那一排從左到右分別是:2/4線測量方式切換、負載儀通斷控制、可控硅復位。
    邊上的散熱網罩用的是不銹鋼紗窗的邊角料,直接厚著臉皮向紗窗店老板白要即可。個人感覺挺美觀的:

    三視圖:




    用的外殼與上面電源的外殼差不多,是不是看起來很和諧呢?

    參考網址
    負載儀控制板的開源現在只有主要控制部分,沒有欠壓保護功能的,立創開源的網址先放在這里(后期會畫一版整合在一起的板子,接線可以減少很多,所以各位先不要著急去做):https://oshwhub.com/NICKLAO/dian-zi-fu-zai2-0
    1602液晶屏電壓電流表開源:
    網址:(有好幾個供大家參考)

    特別感謝:
    科創基金(提供資助)
    BH4ILP 李教授(為散熱部分的改進提出了寶貴建議)
    還有虎哥“客服般的幫助”(不然要被撥款信息的填寫折騰好久)和科創儀表群的群友的觀看提供的動力。

    后面還會改進電路板的,敬請期待!




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    沙發
     樓主| 發表于 2021-8-30 23:01:58 | 只看該作者
    @老A  加個精華并且放進導讀吧,我在極客迷還沒有被加過精,導讀也好久沒更新了
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    板凳
     樓主| 發表于 2021-8-31 18:33:46 來自手機 | 只看該作者
    為什么明明插了圖,確看不見,是不是圖片掛了
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    地板
    發表于 2021-9-1 11:54:00 | 只看該作者
    nicklkh 發表于 2021-8-31 18:33
    為什么明明插了圖,確看不見,是不是圖片掛了

    可以看到?赡苁蔷W絡延遲。
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    5#
     樓主| 發表于 2021-9-3 19:12:11 | 只看該作者
    老A 發表于 2021-9-1 11:54
    可以看到?赡苁蔷W絡延遲。

    看見了
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    6#
    發表于 2021-12-18 12:05:55 | 只看該作者
    不錯不錯,騷啊。
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