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1、目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 电子负载概述11.2 电子负载研究现状11.3 电子负载的工作方式31.3.1 恒定电流工作方式31.3.2 恒定电压工作方式31.3.3 恒定电阻工作方式41.4 主要研究内容42 大功率电子负载主电路设计52.1 电子负载模拟原理52.2 系统方案设计62.3 主电路设计83 电子负载硬件设计103.1 单片机选型103.2 电源模块123.3 A/D转换模块123.4 显示模块143.5 采样模块153.5.1 电压采样153.5.2 电流采样153.5.3 集成运放设计163.6 IGBT功率驱动模块184 系统软件设计204.1 汇
2、编语言设计与Keil开发软件204.2 ADC0809模数转换子程序设计214.3 显示子程序设计224.4 电子负载程序设计流程图22总结与展望25参考文献26附录1：控制电路图27附录2：电子负载设计程序28致 谢36摘 要进入21世纪，随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，给电源检测技术带来了革命性的变化。为了满足人们对电源检测越来越高的要求，新的电子负载已经渐渐取代传统的电源检测技术应用于各个领域之中。本论文主要研究的内容是电子负载的设计与研究。本论文首先对电子负载的工作原理及控制方式进行了具体的阐述，并分析了电子负载系统的几种不同的设计方案。最终选择以以AT89S51
3、单片机为控制核心，设计恒流方式的电子负载，即无论电压如何变化，流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。设计系统硬件部分主要包括控制电路、功率驱动电路、采样电路、A/D转换电路、显示电路等模块，能够检测被测电源的电流值、电压值，各个参数都能直观的在数码管上显示。关键词：电子负载；单片机；采样；功率驱动AbstractIn the 21st century, with the power electronics technology, computer technology and automatic control technology, the rapid development of de
4、tection technology to power has brought a revolutionary change. To meet the increasing awareness of the power testing requirements of the new electronic load has been gradually replacing the traditional power detection technology used in various realms. The content of this thesis is the design of el
5、ectronic load and research.This paper first principle of the electronic load and control the way the concrete elaboration and analysis of several different electronic load system design. The final choice to the AT89S51 microcontroller as the control center, the design of electronic constant current
6、mode load, that is, no matter how the change in voltage, flow through the electronic load current constant, and the current value can be set. Hardware design system includes the control circuits, power driver circuit, sampling circuit, A / D converter circuit, display circuit and other modules, can
7、detect the current value of the measured power, voltage values, each parameter can be visually displayed in the digital .Key Words: Electronic load; SCM; Sampling; Power drive1 绪论1.1 电子负载概述在电子技术应用领域,经常要对开关电源、线性电源、UPS 电源、变压器、整流器、电池、充电器等电子设备进行测试，如何对其输出特性进行可靠、全面且比较简单、快捷的测试，一直是仪表测试行业研究的问题。传统的测试方法中一般都采用电
8、阻、滑线变阻器、电阻箱等充当测试负载1，但这些负载不能满足我们对负载多方面的要求，如：恒定电流的负载；带输出接口的负载；随意调节的负载、恒功率的负载、动态负载；多输出端口的负载等。现在有一种新型多功能的电子负载，可据实际应用中对负载特性的要求进行设置，满足了我们对负载的各种要求，解决了开发研制测试中的困难。在研究电子负载之前，电源测试实验往往采用电阻性负载，其主要有以下缺点2：（1）负载大小有级调节，很难精确控制，负载大小随温度而变化；（2）被测试电源释放的电能全部消耗在电阻上，发热严重，需要添加使用专门的散热设备，能量浪费严重，成本较高；（3）功率比较小，长时间在大电流下工作容易烧损或发生老
9、化；（4）体积庞大，占用空间较大。相对于传统的电阻性负载，电子负载具有以下几个方面的优点3：（1）负载大小可以连续调节，可以按照操控者的设定值精确的运行。（2）节约能源，有利于环保。被测设备的输出能量可以回馈到电网，达到循环利用的目的，其损耗仅仅是电能反馈型电子负载的开关等元件的发热损耗和线路损耗。由于发热损耗极少，避免了试验场所环境温度升高等一系列的问题。（3）体积小、重量轻。由于被测设备的能量循环利用，产生的热量少，无需配备专门的冷却设备，因此大大降低了设备的占用空间。（4）自动化程度高，可实现无级调节。电子负载可以工作在恒电流、恒阻抗、恒功率等模式下，根据需要对其进行控制，在容量范围内模
10、拟各种阻抗值的负载，对于输入负荷进行连续调节，提高了可操作性与系统工作效率。(5)不需要对负载进行定期维护。对比与传统负载产生大量热量损耗，低损耗的电子负载不需要经常对其维护，使用寿命较高，设备维护工作简单，降低使用成本。1.2 电子负载研究现状电子负载是通过控制场效应晶体管或晶体管的导通量(占空比大小)，靠功率管的耗散功率消耗电能的设备。目前国内外的电子负载主要由可控的电子器件组成。根据电源类型不同，电子负载可分为两类4：（1）直流电子负载直流电子负载主要应用于直流电源试验的电子负载，如通讯电源，蓄电池等。直流电子负载一般采用 DC/AC 逆变方式，将直流电源的电能反馈到交流电网中。目前，直
11、流电子负载的研究已比较成熟，也有一些成熟的产品，并且开始在电源的试验中获得应用。（2）交流电子负载交流电子负载主要应用于交流电源实验，一般采用 AC/DC/AC 两级变换电路构成电子负载主电路。目前相关的文献都是对UPS老化试验节能的研究，其主要目标是在试验能量的回馈上，交流电子负载的理论尚未完全成熟和完善，还有很多需要研究之处。根据选取的可控电子器件的不同，电子负载可以分为以下几类:(l)采用晶体管的电子负载。大功率晶体管GTR也是半导体三极管，是内部含有两个PN结，外部通常有三个引出电极的半导体器件。它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。通过控制其基极电流可以控制其集极电流，因此，晶
12、体管可作为一种可变电子负载。由于晶体管属于电流控制型器件，在控制变化速度上较慢，因此适合模拟一些电流恒定或是变化缓慢的实际负载。其次，晶体管还存在温度系数为负的问题，所以在使用过程中需要考虑温度补偿的问题。(2)采用场效应管的电子负载。场效应晶体管(MOSFET)工作在不饱和区时，根据漏极与源极之间的伏安特性可以将其看作受栅极和源极间电压控制的可变电阻。用MOSFET做可变电阻具有工作速度快、可靠性好、控制灵敏度高等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低，寿命长。但是MOSFET的通态电阻较大，且负载电流较小。所以，MOSFET适合模拟一些变化速度较快，但电流不大的实际负载。(3)采用绝
13、缘栅双极晶体管的电子负载。绝缘栅双极晶体管，简称IGBT，是MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件，属于电压控制型器件。当IGBT工作在不饱和区时，根据射极与集极之间的伏安特性可以将其看作受栅极电压控制的可变电阻。与晶体管相比，它的响应速度快;与MOSFET相比，它的负载电流大。从输出能量是否能够反馈的角度来分，电子负载又可以分为电能反馈型电子负载和电能消耗型电子负载两种5。电能反馈型电子负载系统被测电源从交流电网获得能量，然后输出直流低压，通过电子负载，输出之后反馈并入工业电网中。经过电子负载之后的能量并没有浪费掉，而是反馈回交流电网中，实际损耗的电能仅仅是在被测电源和电子负载模块上面
14、的损耗。电能反馈型电子负载与一般的电能消耗型电子负载的不同在于：一方面，电能反馈型电子负载能够将被测电源的输出能量大部分反馈回电网，可以节约大部分的能源，试验场所也不需要配备较大的电源容量。而且由于绝大部分能量被反馈回电网，大部分能源不会被耗费继而产生大量热量，因此不需要配备体积庞大的电阻箱和冷却设备。另一方面，由于电能反馈型电子负载采用的是 PWM 可逆的整流器，而 PWM 可逆的整流器在开关状态下工作，与工作在放大状态的电能消耗型电子负载相比，电能反馈型电子负载可以应用在大功率的工作场合中，因为应用领域更广泛。随着电力电子技术的不断发展和进步，电子负载从直流发展到交流，从小功率发展到大功率
15、，从晶体管式发展到绝缘栅双极晶体管，从电能消耗型发展到电能反馈型。由于国民经济的迅猛发展以及工业进程的不断加快，能源匮乏的问题亟待解决，为了节约有限的能源，减少庞大的开支，实现试验自动化的要求，电能反馈型电子负载成为未来科学研究的主要方向。1.3 电子负载的工作方式直流电子负载可以具备恒定电流、恒定电阻、恒定电压、动态负载及短路负载等工作方式6。1.3.1 恒定电流工作方式图1-1是电子负载与被测电源的连接图和外特性图。在定电流模式中,在额定使用环境下, 不论输入电压大小如何变化, 电子负载将根据设定值来吸收电流。若被测电压在510V变化，设定电流为100mA，则当调节被测电压值时，负载上的电流值应维持在100mA不变, 而此时负载值是可变的。定电流模式能用于测试电压源及AD/ DC电源的负载调整率。负载调整率是电源在负载变动情况下能够提供稳定的输出电压的能力, 是电源输出电压偏差率的百分比。图1-1 电子负载恒定电流工作方式1.3.2 恒定电压工作方式图1-2为电子负载与被测电源连接图和外特性图。在此方式下电子负载将吸收足够的电流来控制电压达到设计值。定电压模式能被使用于测试电源的限流特性。另外, 负载可以模拟电池的端电压, 故也可以使用于测试电池充电器。图1-2 电子负载恒定电压工作方式1.3.3 恒定电阻工作方式此种状
