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電子負載的原理與應用
作者:FXTON   發布時間:2019-12-25  來源:FXTON

在一般的系統中,電源(包括電池)能否保持 穩定供電是極其重要的。因此,要花很長的時間進 行電源評測。測試時,讓電源連接什么樣的負載就 成了一個問題。沒有負載,就無法進行電源評測。用實際負載(如電機)進行電源評測也不合理。因 此,為了自動進行電源測試,常使用電子負載。電 子負載的種類很多,有直流電源用、交流電源用、 蓄電池用等。這里,我們將對這些電子負載進行 說明。(編者按)


 電源和負載

在系統開發中,電源的評估很重要

 眾所周知,隨著電子技術的進步,電子設備的 功能標準也變得復雜,在設計和開發過程中要進行 各種各樣的測試。而且,近來不僅要求功能,還要 求低功耗化和高效率化。迄今為止,在看不見的地方供電的電源部分, 它們的作用也變得越來越重要。在系統開發方面, 電源評測也是必須進行的項目。在 EV 等使用電池 驅動的情況下,電源部分的評測非常重要。

電源和負載

為用電部分供電是電源(AC / DC 電源和電池) 的功能。一般來說,與它們相連并接受其供電的部 分被稱為負載。如驅動電機的電源,它的負載是電 機;為了點亮照明器具而使用的電源,它的負載就 是照明器具(圖 1)。


                                     圖一



負載是耗電設備。如果電源不能穩定地向負載供電,系統就無法 正常工作,或出現故障、起火等情況。當然,要避 免使用供電能力過剩的電源。就拿節能 EV 制作來 說,對電源的要求當然是盡量小型化、輕型化和低 成本化。

負載是變動的 

既有幾乎穩定不變的負載,也有變化很大的負 載。在圖 1 所示的例子中,臺燈的負載幾乎不怎么 變動,而電機的負載變化很大。如 EV 電機,載重量比較大或者爬陡坡時,電 機的負載就會變大。負載增大,意味著需要更大的 功率。像這樣根據電機的用途,判斷在什么情況下 會出現很大的負載變化,是很容易的。計算機的負載變化也很大。高精度、高速運算 時,電源負載會變大。其內部數字電路進行著高速 切換,這樣就會耗電。現在的計算機中,搭載了可 以觀察 CPU 負載變化的監視器,相信許多人都見 過。CPU 負載并不等于電源負載,但在某種程度上 是成比例的。

電源的評測

 如前所述,電源的負載是經常變化的。電源能 否承受這樣的負載變化,要評測后才知道。但是, 僅對電源部分進行測試是沒有意義的,如果沒有負載,電源就無法進行供電,沒有電流輸出。進行電源測試時,必須準備好負載。如圖 1 所示,按照實際用途,實際運行時與電 源連接的對象稱為實際負載。進行電源測試時,也 存在實際負載還沒制作完成的情況,為電源測試準 備數臺同樣的實際負載沒有意義。于是,與實際負荷對應的就稱為模擬負載。對 于電源,就是與實際負載相當的模擬設備。本文介 紹的電子負載,就屬于模擬負載的一種。電子負載概要 

為何不使用實際負載,而使用模擬負載?

 前面提過,在電源測試中使用實際負載是沒有意 義的。那么,為什么連接實際負載是不可取的呢?·包括電流在內的諸多測試條件是固定的,難 以根據不同條件變更 正如前面所述,實際的負載狀態會根據工作條 件發生較大的變化,但改變實際的測試條件是非常 困難的?!げ荒芏圓饈蘊跫蚪峁卸可瓚ɑ蠆飭?準備數量充足的具有某種再現性條件的實際負 載,也是不現實的?!ひ蛭導矢涸氐睦匣?,有可能出現不能滿足 測試條件的狀態 實際負載會發生老化。與一年前相比,實際負 載的當前特性已經發生了變化。這一點是一定要考 慮到的?;詿死磧?,測試時不使用實際負載,而是使 用作為模擬負載的電阻負載和電子負載。另外,使 用計算機等通信設備控制自動化測試時,使用電子 負載更方便。

電阻負載及其限制

 在某種模式下對作為模擬負載的電阻負載與電 子負載進行比較,得到的結果如圖 2 所示。





                                                              圖二


電阻負載是指,在(直流)電源上,設置的一 個具有某電阻值的電阻器,根據歐姆定律決定電流 值。如果是負載保持不變的電源,這也許就足夠了。但是,實際上幾乎不存在負載穩定不變的情形。即使電源是直流電,在實際負載內部也有很多 是依賴交流電工作的。當交流電路中存在電感(線 圈)產生的感應電壓時,電流會瞬時發生變化。負 載為電機時,其變化表現得很明顯。不能因為是瞬 時變化就忽視,短時間內多次發生也會給電源帶來 損害。即使是數字電路,進行多位 / 高精度的高速運 算,工作電流瞬時就會出現相當大的變動。這樣, 數字電路高速運行時,與高速模擬交流電路一樣會 出現很大的振蕩。因此,考慮到這樣的負載變化也 非常重要。即使是瞬時變化,我們也想確認電源是否在穩 定供電。電阻負載很難適應這一要求。于是,我們 想到了電子負載。 

 何謂電子負載?

 用一句話來說,電子負載是與被測試電源的輸 出端相連,并模擬與該電源連接的負載的性能,以 高效地進行電源性能測試的設備。這里所說的電源 是指直流電源、交流電源,或者電池,以及太陽能 電池和發電機等可以供電的所有電壓源。使用電子負載,可以很快將電源輸出電流設定 為任意值。與電阻負載等不同,電子負載可以產生 與實際負載工作狀態相同的變動的電流??梢雜Χ?各種各樣的測試(圖 3)。電子負載的種類 正如圖 3 所示,即使是電子負載,也要根據與 其連接的電源,分別準備直流 / 交流兩種類型。




                                      圖三


實 際上,根據電源種類的不同,存在多種電子負載, 如恒定電流電子負載,恒定電壓電子負載等。


直流電子負載

 輸出直流的開關電源和電池等的測試使用的電子負 載,有設定電流值的恒定電流模式,也有可以設定電阻 值的恒定電阻模式等。它們一般都具有多種設定模式。 

(1)恒定電流模式:電壓變化,但電流恒定不變 當電子負載的端子電壓發生變化時,電流也以 恒定值輸出,如圖 4(a)所示。這種模擬負載模 式,在開關電源等電源的測試中被廣泛使用。 




                                                               圖四


(2)恒定電阻模式:輸出與電壓成比例的電流 與實際電阻一樣,輸出與負載端子電壓成比例 的電流,如圖 4(b)所示。因為具有與電阻器同樣 的特性,所以適用于模擬一般的負載。另外,實際設定的并不是電阻值,而是電阻值 的倒數 S(西門子)。

 (3)恒定電壓模式:保持恒定電壓的電流輸出 保持電源側的輸出電壓恒定,控制負載電流變 化,如圖 4(c)所示。它適用于充電電池等的充電 器的測試。 

(4)恒定功率模式:保持恒定功率的電流輸出 保持電子負載的消耗功率恒定,控制負載電流 變化,如圖 4(d)所示。


交流電子負載

 直流電子負載不能在交流電源中使用

 交流電子負載是與直流電子負載相對的,用于 交流電源和發電機等的測試。不言而喻,交流與直 流不同。在一定的周期內,交流電的電流方向(極 性)會發生改變,直流電子負載是不適用的。從市電(50/60Hz),到飛機等使用的 400 Hz 電 力的電源測試中,都可以使用交流電子負載,而直 流電子負載不具備這樣的功能。 

相位偏移的設定

 交流的情況下,與電源連接的實際負載的種類 不同,會受到圖 5 所示的電流波形的影響。



                                                                          圖五



我們在高中物理中學過,如果連接的是電機等感 性負載(線圈 / 電感類),電流相位滯后于電壓;如果 連接的是電容器等容性負載,這樣的相位偏移會造成 功率因數(PF)下降。因此,使用交流電子負載來實 施這類電源的測試時,要設定電流相位超前或滯后。在交流電子負載中,也有能夠設定功率因數的 類型,通過設定功率因數的增大或減小,可以進行 電流相位超前或滯后的設定。 

峰值因數的設定 

另外,交流用電子負載特有的功能是電流峰值 因數(CF)設定(圖 6)。




                                                   圖六


CF 是 Crest Factor 的縮 寫,是峰值和有效值的比值:峰值因數 

CF = 峰值 ÷ 有效值

 如果是直流,峰值因數為 1。如果是正弦波, 峰值因數為 1.41。所謂的感性負載,是感性阻抗>容性阻抗的負 載。容性負載是容性阻抗>感性阻抗的負載。 


高速響應電子負載

 向包括計算機在內的內置 CPU 的設備供電的電 源(POL 轉換器 a 等),要承受伴隨 CPU 等高速運行而上下急劇變化的電流。在測試這類電源時,需 使用能快速改變電流的負載。在這種情況下,電阻負載和通用電子負載很難 高速地改變電流,要使用高速響應電子負載。另外,高速器件的工作電壓連年低壓化,要使 用 0.8 V 等低電壓就能運行的低壓電子負載。負載電流高速變化時,不僅要考慮靜態電壓下 降,也要考慮動態電壓下降(圖 7)。




                                                                  圖七


這是因為,伴 隨電流突變產生的負載電纜的電感,也是不能忽視 的。這就需要使用最短的低電感電纜。

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