[DIY制作] 制作一个简单负载测试仪

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发表于 2019-6-12 12:48 | 显示全部楼层
目前只是一个计划,还在设计中。

近期看电源相关的讨论不少,电源除了静态指标 电源调整率,负载调整率,纹波,噪声之外, 动态响应也是很重要的指标,但目前很少见到测试电源的瞬态特性,究其原因,不过是没有负载仪和示波器。


所以一直我就想做一个电子负载仪,在flyingf大师【電子直流負載測試 電源瞬態】帖子里也有过一些讨论。

负载测试仪有5种常见的工作方式

1,定电压: 靠大电流把电源电压拉低到目标电压,  电流不能超过负载仪最大电流。

2,定电流: 消耗恒定的电流。

3,定电阻: 相当于一个恒定的电阻。

4,定功率: 消耗恒定的功率。

5,猝发信号:瞬间消耗一定的电流,测量瞬态响应。

对于电源测试而言, 静态指标测量其实不需要负载仪,有几个大功率电阻加万用表也足够了。

那么动态指标,要具有参考性,还是需要一个猝发信号+定电流。

我这里设计了一个简单的猝发+恒流的电子负载。



183592881.jpg

结构如上图

1,基准电压Vref_0靠类似TL431(0.5%)的基准产生,当然有钱人可以用AD那些精密基准。

2,靠一个高精度电阻网络分压。这里没有做太复杂的结构,其实用DAC可以做更精细的电压,甚至可以控制上升时间,但这次先从简单的开始做。

3,分出的电压Vref通过波段开关选择,给下一级运放

4,第一级运放是一个软开关电路 ,本质是个电压比较器。 靠单片机控制,单片机拉SW端到GND,则输出VREF给下一级。

5,第二级运放对基准电阻(精密大功率)Rref上的电压进行采样与跟随,驱动大管(驱动级驱动多只并联大管分散热量),获取目标的电流(Vref÷Rref)。 补偿网络和推动级省略没画。

6,MCU单片机控制部分很简单了, 延迟控制,重复测量次数控制,同步信号输出。

7,周边电路,初步考虑,一是待测电源电压是有限制的,6V-35V欠压或过压都不能测试。 然后就是指示灯,过热保护,急停保护之类的。

8,显示测试结果,目前还是靠示波器单次触发功能。

现在还未定型的设计是:如果手头没有示波器,该怎么直观,准确,而又相对廉价的显示电源电压瞬间波动情况

测量档位:
电流:  关,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10  或者 只要:  1,2,3,5,10

不知道 100-500毫安级别有没有测试的意义。

或者 干脆使用一个10圈电位器 +一个指针或者独立数字电压表头来指示电压,线性调整,但我想精度应该比固定档位差一些。

测量时间   我想最小单位定为1毫秒就够了,  档位是 1,2,5,10,以及倍率X1和X10两档, 也就是 1,2,5,10,20,50,100毫秒。

对于单片机而言, 3个口用来检测时间延迟, 1个口检测开始信号,1个口输出驱动信号,1个口检测超压欠压,1个口检测单次/循环重复,1个口备用, 只用1组8位P口即可。


欢迎讨论。



补充内容 (2019-6-18 11:23):
实际电路图仿真通过,不包含MCU部分, 准备画 PCB 打样,验证原理。

主体部分
[attachimg]6491908[/attachimg]


新增功能, 由一个文氏桥产生正弦信号。模拟电源实际负载。

补充内容 (2019-6-18 11:23):
正弦信号有50,500,1K,10K 四个档位, 代表:  低频,人声,基准,高频。  四种音频的工况。

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发表于 2019-6-12 14:28 | 显示全部楼层
必须用示波器,因为这玩意很容易自激。

我之前花了一两年时间自制了一套,电路的大体设计思路就是你画的,差不多。
10A以下很好做,电流大了功率上去了,各种细节问题就都来了。

有点区别就是,负载管我用的IRFP260N或者IRFP2907
MOSFET可以运放直驱,多管并联要加G极电阻(100欧),S极可以加电阻均流也可以不加,管子参数配好就没事。

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发表于 2019-6-12 14:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 59401 于 2019-6-12 14:45 编辑

观察电源的动态性能,例如负载调整(Load regulation)、负载瞬态响应( Load Transient Response)并不复杂呀,一个还行的数字存储示波器,一个信号发生器,一个双极晶体管或是MOS管,一个负载电阻就可以了的。
下图是STM的7805器件手册里的图,测试负载调整和负载瞬态响应都可以,设置好Rl和驱动信号的频率即可。这也是通用的测量方法。
RR.gif

立锜的一个技术文件也可以参考参考:
https://www.richtek.com/Design%2 ... AN038?sc_lang=zh-CN    第8.和第9.

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 楼主| 发表于 2019-6-12 16:45 | 显示全部楼层
59401 发表于 2019-6-12 14:41
观察电源的动态性能,例如负载调整(Load regulation)、负载瞬态响应( Load Transient Response)并不复 ...

其实原理都类似, 只是使用方便和标准化的问题

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 楼主| 发表于 2019-6-12 16:49 | 显示全部楼层
mufasa 发表于 2019-6-12 14:28
必须用示波器,因为这玩意很容易自激。

我之前花了一两年时间自制了一套,电路的大体设计思路就是你画的 ...

是滴,很容易自激, 之前做了一个,补偿不够,每次拉电流,10次有9次都自激了。

后来做了第二版,补偿电路仿真了很久, 甚至牺牲了一点上升时间,就好多了。

我以为最佳方法是高速ADC 控制上升沿。不过最近手里还有其他项目,懒得做太复杂。

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 楼主| 发表于 2019-6-12 17:00 | 显示全部楼层
mufasa 发表于 2019-6-12 14:28
必须用示波器,因为这玩意很容易自激。

我之前花了一两年时间自制了一套,电路的大体设计思路就是你画的 ...

无示波器观察波形,现在初步有几个方案。

一是,电源电压交流耦合放大,送到两组精密整流电路,分别取正,负部分,各送入一个峰值保持电路,保存峰值,然后电压比较,电平表指示输出。

二是,交流耦合到一个 模拟指针电压表,看指针摆幅。不过怕这个响应速度不行,也许要加更复杂的补偿,延迟电路。





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发表于 2019-6-12 17:01 | 显示全部楼层
啸竹 发表于 2019-6-12 16:49
是滴,很容易自激, 之前做了一个,补偿不够,每次拉电流,10次有9次都自激了。

后来做了第二版,补偿 ...

我无意之中发现运放直推MOSFET最不容易自激的是。。。。LT1057

只需要施加非常小的补偿电容,整体就稳定了。

NE5532放到同样的位置几乎变成振荡器。

当然,正统的用法应当是OP07一类的仪器运放,补偿参数也有所不同。
后来做大功率动态负载也是用的OP07作为主控制放大器,推了4颗IRFP260N
当时是用洞洞板焊的,具体的电路图也忘了。。。。

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 楼主| 发表于 2019-6-12 17:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 啸竹 于 2019-6-12 17:09 编辑
mufasa 发表于 2019-6-12 17:01
我无意之中发现运放直推MOSFET最不容易自激的是。。。。LT1057

只需要施加非常小的补偿电容,整体就稳 ...


补偿网络慢慢调整 倒好办, 其实我打算用TL074或者LM324或者LM833


输出驱动是运放推2N5551这个比较普及的小管,然后每个5551驱动4个TIP35。。。

您推荐的260N有点太贵了。。。


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发表于 2019-6-12 17:51 | 显示全部楼层
关注这个,要把DIY玩好,一些测试手段还是很有需要的

包括我原来也有关注 啸竹兄的运放测试仪

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发表于 2019-6-12 21:42 | 显示全部楼层
我都有这个想法,元件、基本仪器都有,看楼主设计成怎样

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发表于 2019-6-12 22:21 来自手机端 | 显示全部楼层
这个我也想做好久了,就是没动手。

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 楼主| 发表于 2019-6-14 11:17 | 显示全部楼层
mufasa 发表于 2019-6-12 14:28
必须用示波器,因为这玩意很容易自激。

我之前花了一两年时间自制了一套,电路的大体设计思路就是你画的 ...

210640zmrfm3kpbmmmi5rk.png
之前做的一个测试电路。

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 楼主| 发表于 2019-6-18 11:21 | 显示全部楼层
实际电路图已做好,仿真通过,不包含MCU部分, 准备画 PCB 打样,验证原理。

主体部分
总.jpg


新增功能, 由一个文氏桥产生正弦信号。模拟电源实际负载。  正弦信号有50,500,1K,10K 四个档位, 代表:  低频,人声,基准,高频。  四种音频的工况。

文.jpg

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发表于 2019-6-18 15:07 | 显示全部楼层
哦,这么复杂。我的考虑只是放大部分,以及一些接口。

现有有信号源,方波,正弦波,锯齿波不是问题,

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发表于 2019-6-18 22:24 | 显示全部楼层
在某或搞一个单声道功放,要电压适应度宽一点的,20-60V,频响大于100兆。还要体积小的,最好能适应直流电压入

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少不了假负载,50瓦,不容易找

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 楼主| 发表于 2019-6-19 11:36 来自手机端 | 显示全部楼层
小功放 发表于 2019-6-18 22:24
在某或搞一个单声道功放,要电压适应度宽一点的,20-60V,频响大于100兆。还要体积小的,最好能适应直流电 ...

这些一是成本高,你想想,我要拉出10A直流电流,用单声道功放,4欧负载,就是400瓦功率。400瓦单声道高频响功放要多少钱?

二是没有可控的定时信号,我要拉一毫秒或者10毫秒,你用什么定时?如果时间太长,负载发热会很大。也没法提现瞬态响应。

三是没法精准定电流,我要1A电流,保证精度是用0.5%的电压基准,对0.5%甚至更精密的无感低温漂电阻。普通功放,普通负载精度都不行。

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发表于 2019-6-19 20:29 | 显示全部楼层
啸竹 发表于 2019-6-19 11:36
这些一是成本高,你想想,我要拉出10A直流电流,用单声道功放,4欧负载,就是400瓦功率。400瓦单声道高频 ...

这个不难,用方波,调低占空比,1/10,或1/20,功率就大大降低,发热也不多。

倒是适应性,高低电压,高频率,大小功率,要一机搞定,否则用的少的既碍地方又容易遗失

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发表于 2019-6-19 20:33 | 显示全部楼层
原先有两个10欧50瓦电阻,进口二手的,由于一段时间没有用,不知放哪了。体积不算大,比国产的好多了。

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 楼主| 发表于 2019-6-20 13:44 | 显示全部楼层
无标题.jpg

板子基本画好, 准备打样+贴片

巧了,使用大管Tip35C正好开始打折
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