如何选择电子负载

很长一段时间以来，要测试电源在负载下的表现，通常会采用最简单的方案，比如大功率电阻或灯泡。但随着大功率半导体元件的广泛应用，以及同样大功率电源的出现，我们可以使用电子负载，让这个过程变得更加方便。

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先说明一点：电阻负载的优点是特性接近理想，但和其他电子元件一样，也需要额外散热。灯泡则会带来另一类问题：灯丝冷态和热态时的电阻差别很大，因此即使把这种负载接到完全正常的电源上，也可能触发过载保护。

不过，无论如何，任何负载——无论是电子负载，还是大功率电阻——本质上都是把从电源吸收的能量转化为热量，因此它们的大部分体积都用于功率级和散热系统。例外是带能量回馈功能的电子负载，它们能将高达95%的能量送回电网，但这类设备价格非常昂贵，也极为少见。
其他部分只会影响测量精度和功能，因此你检查这类设备时，最先看到的通常就是一块大散热器和大功率风扇。

因此，选购时应考虑以下几点：
1. 预算，大功率负载可能价格不菲。
2. 所需的最大参数，通常是功率、电流和电压。
3. 是否支持四线连接，尤其是在大电流测试时。
4. 是否能连接电脑，以便绘制曲线和进行控制。
5. 功能是否丰富，包括独立工作和连接电脑时的功能。
6. 测量精度和参数设定精度。有些情况下，精度低一些并不会影响测试，因此可以在这里省点钱。



选择参数时，大多数方面都很直观，唯独最大电压值得单独说说。整个测量回路包括导线、连接器、电流检测分流器和功率级。
晶体管上的最小压降取决于其额定电压。如果买了额定电压很高、看似“留足余量”的负载，可能会遇到这样的问题：在电压很低时，它无法达到标称电流。

例如测试电池，尤其是LiFePO4和LTO电池时，电压可能低于2 V。如果放电初期电流还能达到设定值，到了放电末期就会下降。这种情况会出现在负载最大电流与电源最低电压同时出现时。



大多数简单的电子负载工作在恒流模式，也就是说，它们会稳定所连接电源的回路电流。但这种方式不适合测试本身就是恒流源的设备，比如充电器。简单来说，电压源（电源、电池）要接恒流负载，而电流源（充电器）则要接恒压负载，否则两者会互相冲突。
实际上，工作模式不止两种，主要有四种：
CC（Constant Current），恒流模式
CV（Constant Voltage），恒压模式，负载通过增大电流，防止电压超过设定值。
CP（CW，Constant Power），恒功率模式，设备会调节电流，使功耗保持在设定值。
CR（Constant Resistance），恒阻模式，负载电流会根据输入电压自动变化。


此外，电阻或灯泡不在乎电流是直流还是交流，而电子负载则分为直流和交流两类。
当然还有各种功能：最简单的只有普通的电流电压表；复杂一些的内置微控制器，能够计算流经的电量；还有可连接电脑的版本，以及可编程电子负载，可以设定工作流程、模拟脉动电流负载、组合不同工作模式，还具备分析等功能。

功率级通常采用场效应晶体管，控制起来要简单得多；更重要的是，它们几乎可以从零电压开始对电源加载。 此外，还有采用双极型晶体管的电子负载。这类晶体管在线性模式下表现更好。第三种是IGBT晶体管，适用于需要大功率的场合。

中国开发者甚至有一段时间推出过混合式电源，兼具电子负载功能，功率级既可以作为电源调节器，也可以作为负载工作。



最简单的电子负载工作在CC模式下（当然也可以是CV模式），只需几个元件就能自己动手制作：运算放大器、晶体管和一对电阻。它当然也有自己的缺点，但确实能正常工作。
用可调电阻设定电流，固定电阻则用作测量电阻。



为了提高工作稳定性，电路需要稍微复杂一些，但初学无线电爱好者仍然可以轻松复刻。下面实际上就是电子负载电路图。


也有大致相同的成品方案，它可以为电压最高100 V、功率最高75 W的电源施加最高10 A的负载电流。使用这块电路板，只需另外购买散热器、小功率电源和用于调节电流的可调电阻……


不过，上面展示的电路方案都有缺点：功率较小；如果完全自己制作，还得寻找并购买各种元件、制作电路板等等。因此，对初学无线电爱好者来说，购买一套用于搭建基于lm324运算放大器的电子负载的元件套件是个不错的选择，套件里几乎包含了所有必需品。——评测


组装完成后，只需选配尺寸合适的散热器，电子负载基本就做好了。不过，为了提高工作稳定性，建议将套件中容量为1 nF的电容换成22–47 nF的电容。

最终，你将得到一台150 W电子负载（需配备相应的散热器），支持CC模式。如有需要，还可以改造为支持CV甚至CP模式，不过这是另一篇文章的话题了。



如果还想要更强的性能，无线电爱好者可以考虑“半成品”，或者直接购买成品功率模块。这类模块已经配备了电子电路和散热系统，通常额定功率约为100–300 W，并有多种最大电流和电压配置可选。

其中尤其值得一提的是Sousim生产的模块，它们有不同功率的型号，甚至支持通过RS485控制。即使是只用可调电阻调节的简单型号，也不仅支持CC模式，还支持CV模式；此外，它们还内置了微控制器，可监控过载和温度，并根据温度和功率控制所安装的风扇。
评测




如果再给这类模块配上一个小型电源和电流电压表，就很容易组装出一台直流电子负载，既简单又相当实用。例如，照片中的这款功率为300 W，电流为40 A，电压最高150 V，支持CC和CV模式（半功率时），还能测量电池容量。


再往上一步，就是设备，它们不仅包含功率部分，还配有控制器；具体功率通常取决于散热器尺寸，为150 W或180 W。 不过需要注意的是，这只是最大功率，而且实际功率还很大程度上取决于电源电压。例如，负载在12 V、10 A下比在120 V、1 A下更容易工作，尽管两种情况下的功率相同。这是由功率晶体管的特性决定的。


还有一些类似型号，可以连接电脑，显示屏也更漂亮；其他参数则与前面介绍的型号相近。


另外值得一提的是TEC40K系列电子负载。这类设备有400、800和1600 W三种规格，负载电流最高可达45 A。


这些设备配有独立的控制面板，同时不仅可以通过电脑控制，还能绘制放电曲线。虽然外观不起眼，但它们属于相当高端的设备。



如果你不维修电源，但偶尔需要测量电池容量，也有一些用途更专一的电路板。原则上，它们也能像普通电子负载一样工作，不过更适合用来测试电池。测试时，先用合适的充电器给电池充电，再用这种负载放电。
ZB206+（左侧）的最高电压为8.5 V，适合测试两节串联的锂离子电池；最大电流为2.6 A，功率最高12 W。- 评测
ZPB30A1（右侧）功率明显更大，最高可达60 W，电流10 A，电压30 V。

两款设备都支持四线连接，并具有测量电池内阻的功能。


如果想要一台功能丰富、运行稳定，又不必自己动烙铁的设备，可以看看ZKEtech的电子负载。这个中国品牌专门生产这类设备，产品选择很多。
它们的产品分为两大类：
EBD——纯电子负载。
EBC——集成充电器的电子负载，实际上就是电池测试仪。
此外，各型号在功率、电流和最高电压方面也有所不同。

不过，在介绍各型号之前，先说说这个品牌设备的几个关键特点。

1.该品牌的所有设备都支持连接电脑，既可以通过电脑控制，也可以绘制电流、电压和功率曲线；EBC系列还支持按程序运行。
此外，如果你有多台该品牌的电子负载，可以在软件的同一个窗口中同时控制它们。设备会显示在窗口左上角的其他标签页中。


这项功能不仅便于监控，还方便绘制多组曲线，最多可以叠加9条曲线。


2.所有负载都支持四线连接，可以直接解决测量准确性的问题。


为此，负载上设有四个接线端子，两个用于功率连接，另外两个用于测量。


连接时通常使用带鳄鱼夹的导线，或者专用电池夹具。


最简单的是EBD-M05，它没有充电器，功率也只有35 W，最高电压19.5 V、电流5 A，不过其他功能与高端型号相同。它的特点是电压测量和电流设定精度高，当然还有四线连接，配置一点也不含糊。


EBC-A05+功能更丰富，因为内置了充电器。它的功率最高可达60 W，最高电压30 V，电流最高5 A；此外，它采用机箱式设计，随附电源和电脑连接线。这款负载适合测量小电流电池的容量，例如手机、平板电脑、智能手机和笔记本电脑的电池。
此外还有一款外观非常相似的设备，EBC-A01，功率最高只有30 W，电流最高仅1 A，但它的主要优势是能够处理较小的电流，最低可从1 mA开始。 这一特性在测试容量很小的电池时很重要，因为普通测试仪的精度不够，测量误差也会比较大。


如果需要测试大电流放电的电池，那么EBC-A20会更合适。它也内置了充电器，但最大电流为20 A。需要注意的是，它的最大功率只有85 W，因此只有在电压不超过4.25 V时才能以该电流进行负载测试。
此外，EBC-A20也支持最高30 V的输入电压，并会相应降低电流。
这款型号也很适合给铅酸电池充电和进行测试，充电电流最高可达5 A，放电电流最高可达6 A。和其他电子负载一样，这款设备采用四线连接，成对的导线直接接在鳄鱼夹上。- 评测


如果需要一种用途更广的解决方案，例如测试电源、测量电池容量和给电池充电，可以考虑EBC-A10H。它的负载电流最高可达10 A，充电电流最高可达5 A，最大耗散功率则达到150 W，明显高于前面几款。它通过按压式编码器进行控制，因此脱离电脑独立操作时比前面几款稍方便一些，不过它也支持连接电脑。- 评测


如果既要测试电源，也要测试电池，同时还希望电流达到20 A、功率也足够大，那么可以看看 EBD-A20。它实际上是EBC-A20和EBC-A10H的某种混合体，最大电流为20 A，功率为200 W，最高电压为30 V。但要注意，它没有充电器（EBD系列的产品都没有），因此测试电池时必须另外给电池充电。此外，它也无法使用程序控制，因为这项功能同样依赖充电器。

外观与EBC-A10H非常相似，区别仅在于端子不同，风扇改为侧置。


针对更专业的用途，该公司还推出了其他型号，它们的最大电流、电压和功率各不相同，但几乎都使用同一款软件，这一点确实很方便。


此外还有更专业的多通道设备——EBC-X系列测试仪。
它们用于电池老化测试，或者用更准确的说法，进行寿命测试：经过多少个循环后，电池容量会降到指定值以下。
该系列有三种型号，充放电电流分别为1/1 A、10/5 A和10/10 A。此外，它们的结构也有所不同：有的需要连接外置电池夹具，并将夹具放入专用托盘；有的则内置夹具，更适合测试长度相同的电池。


这些测试仪使用独立的软件，专门用于寿命测试。


不过还不止这些：还有一种适配器，可以将最多8台电子负载组合成一台EBC-X，不过它只支持两款负载：EBC-A40L（低压40 A）和EBC-B20H（高压20 A）。在EBC-X软件中，它们会被识别为一台多通道测试仪。- 评测


如果你主要打算用电子负载测试开关电源，而测试电池只是附带用途，那么不妨关注下面这两款设备。

这两款型号有很多共同点：功率最高400 W，电压最高150 V，最大负载电流最高40 A，支持CC、CV、CP、CR模式，价格也大致相当。不过，它们在附加功能上有所不同。

例如，KUNKIN KP184配有简单的显示屏，支持连接电脑和四线连接，还能动态测试电源（频率10 kHz）、测量电池容量和内阻，因此更适合那些不仅要测试电源，还要测试电压最高150 V的电池组的用户。


而East Tester ET5410配备了信息量更丰富的显示屏，功能也明显更多。它的动态测试不局限于单一频率，可以灵活选择参数；支持CC+CV和CR+CV复合负载、测量电阻、电压和电流，还可以连接键盘，让操作更加方便。 它可以用来测试电池，但采用两线连接，也无法与电脑通信。


前面提到了动态测试功能。这个模式在测试电源应对脉冲负载和电流变化的能力时很有用。有时，电源在负载电流稳定时工作正常，一旦接入脉冲式负载就开始“发疯”。动态负载模式正是为这类测试设计的，它会按照设定的频率和占空比改变负载电流。


如果对精度和功能的要求接近最高水平，那么最好考虑知名厂商的设备。不过要注意，这类设备的额定功率往往低于上面介绍的产品，或者价格会明显高出一截。

比如可编程负载ITECH IT8511A+，规格为150 V、150 W、30 A，当然支持CC、CV、CP和CR模式、动态负载、完整的保护功能、列表运行功能（可编程的动态模式）、电源短路测试、参数直接设定、连接电脑，以及“暖暖的电子管味”VFD显示屏。


再往上一步，可以看看RIGOL DL3021，功率达到200 W，电流最高40 A，电压同样为150 V。它具备上述所有功能，此外还有大屏幕、数字输入/输出接口，除了USB，还能通过局域网连接电脑，并支持按预设程序运行。


从低价套件一路介绍到专业设备，实验室级设备也不能不提，比如ITECH IT8615。
它的功率达到1800 W，电压为420 V，电流最高20 A。不过关键并不在这些参数，而在于它不仅能处理直流，也能处理交流；除了常见的工作模式，还可以设置峰值因数和功率因数。
但如果看看它的背面，就会发现它“骨子里”仍然是把电能转化为热能的设备，只不过非常智能。


厂商不仅给这台设备配备了大屏幕，还内置了示波器，可以动态观察测试过程，以及被测设备对负载的响应。此外，它还能测量最高达50次谐波的谐波失真。


如果1800 W还不够，它还支持并联运行和三相运行，既可以采用“三角形”接法，也可以采用“星形”接法。因此，总功率会随着接入设备数量的增加而成比例提升。


为了方便选择，可以简单归纳如下：
1. 对于不打算花太多钱的入门级无线电爱好者，可以考虑适合“在家折腾”的方案，比如基于LM324的套件。这样既能省钱，也能获得功率不小的负载，虽然功能非常简单。
2. 如果你已经“找到方向”，打算维修电源，而且预算也宽裕一些，就可以考虑Sousim或TGEC40k成品模块，以及工厂生产的入门型号，比如East Tester ET5410。前者更便宜，后者功能明显更丰富。
3. 还有一类电子负载兼具电池测试仪的功能，它们有自己的应用领域。原则上，大多数电子负载都能测试电池，但ZKEtech EBC系列设备不仅可以自动交替进行充电和放电循环，同时绘制充放电曲线，还能对电池进行寿命测试。
4. 专业人士很可能会对品牌负载感兴趣。这类设备功能丰富、精度高，还支持一些简易型号不具备的工作模式。不过要注意，如果还需要更大的功率，价格也可能相当可观。当然，好东西通常都不便宜。
5. 对于使用实验室级设备的人，很难给出具体建议，因为他们通常清楚自己需要什么，会根据具体任务挑选工具。