150 W简易电子负载套件

前段时间，一位从事各种电池相关工作的朋友请我帮他设计一套测试电池组的装置，其中一项重要功能就是对电池组进行放电。起初打算全部自己动手制作，但后来发现中国有一套价格便宜、质量也不错的套件，有些情况下买套件比从零开始制作更划算。


我已经评测过不少不同的电子负载，也评测过一款简单的、完全自制的电子负载。今天我会多次拿它来作比较，因为这套套件在很多方面都和它很像。

正如我在前言中所说，我需要这台负载来给电池组放电。我的计划是制作一台能够测试和均衡最高19S电池组的设备，所以这绝不会是我最后一次评测这类产品。
不需要很大的放电电流，计划功率约为120–130 W，符合厂家标称的150 W。

此外，这篇评测还会解释简单的电子负载究竟是如何工作的，以及我为什么偏偏喜欢这套套件。

先说卖家。商品页面上有几种选项可选：
1. 仅印制电路板，价格约1.6美元
2. 印制电路板和元件套件，不含功率晶体管，3.8美元
3. 印制电路板和全部元件，包括功率晶体管，4.9美元
4. 电压电流表，2.2美元。

此外，商品参数标注为：150 W、15 V、0–10 A / 72 V、0–2 A，也就是说应该有两种版本。关于这一点，以及我犯的错误，稍后再说。

包装方面没什么可挑剔的，无论是店铺包装还是中间商的包装都不错。套件包括一块印制电路板和一袋元件。


我订购的是完整套件，也就是印制电路板、全部元件和晶体管。没有订购电压电流表，因为我的项目用不上它。


印制电路板尺寸为100×100 mm，板上还留有额外的孔，用于固定散热器以及将电路板安装到设备外壳中。


部分功率走线布置在印制电路板背面，我建议用铜线和焊锡加固，至少也要补上一层焊锡。


印制电路板的做工非常出色，不仅不用额外加助焊剂就很容易焊接（我只用了焊锡自带的助焊剂），丝印也很清晰，标出了元件位置、编号和参数。实际上，组装时连电路图都用不上。


元件清单
电阻
1 kΩ—12个
4.7 kΩ—4个。
10 kΩ—1个
20 kΩ—1个
220 kΩ—4个
0.22 Ω、5 W—4个
4.7 kΩ电位器—1个

电容
1 nF—4个
100 nF—1个
22 µF、25 V—1个
220 µF、16 V—1个
1000 µF、16 V—2个

1N5408二极管—4个
110N8F6晶体管—4个
TL431A芯片
LM324N芯片

各种连接器、开关和其他零碎元件。

除了大功率电阻外，其余电阻都是精密电阻，这点不错。电解电容则是最便宜的那种，不过它们不会影响性能参数。


商品页面上提供了这台电子负载的原理图，但在我看来信息不够直观，所以接下来我会把它拆分成几个部分，方便理解。此外，我还会说明如何提高功率或更改参数，以及各个元件的作用和整套电路的工作原理。


用于稳定电流的电子负载，极简电路只由几个元件组成：
1. 电位器
2. 运算放大器
3. 晶体管
4. 分流电阻。

电位器向运算放大器的输入端提供一个电压，运算放大器再向场效应晶体管施加电压，负载电流便开始流过晶体管，同时也流过分流电阻。分流电阻上会产生一定的压降，并将其反馈到运算放大器的另一个输入端。当运算放大器两个输入端的电压相等时，它会调整输出电压，使晶体管导通到恰当程度，从而让分流电阻上的电压保持在电位器设定的值。
由于分流电阻上的压降与流过它的电流直接相关，最终电路就能稳定电流。

这样一来，负载电流就取决于输入端的电压。

例如，电位器输出0.4 V，分流电阻阻值为1 Ω，那么电流就是0.4/1=0.4 A。
把例子再复杂一点：分流电阻为0.15 Ω，可调电阻输出电压为0.45 V，0.45/0.15=3 A。

影响电流稳定精度的主要有两点：
1. 基准电压的稳定性
2. 分流电阻的TCR（电阻随温度变化的特性）。


上面展示的电路大概能正常工作，但稳定性不太好，所以完整一些的电路会复杂不少。
稍微说明一下：元件位号与电路板上的位号并不对应，这里只是举例说明。

这里能看到前面介绍过的那些元件，此外还增加了一些，下面说明它们的作用。
电阻R1用于隔离多个通道，并提高工作稳定性。
电阻R2用于限制场效应管栅极的充电电流，以保护运算放大器。
电容C1以及电阻R3、R4用于防止电路自激，避免负载变成振荡器。
运算放大器断电时，电阻R5会关断晶体管；此外，它还为运算放大器输出端和防自激保护电路提供少量负载电流。


由于这是四通道负载，只要再“画上”另外三个通道，就能得到这块电路板几乎完整的电路图。
我用蓝色标出了四个通道，可以看到它们完全相同，因此通道数量还可以继续增加。所有通道共用的只有一颗四运放。
橙色标出的是控制电路，红色和黑色分别是功率电路。


我的大功率电子负载就是这样实现的，只不过我做了8个通道，并使用了双运放。


不过，正如我前面所说，电流稳定精度取决于基准电压的稳定精度。为此，电路中设置了一个基准电压源，采用可调稳压二极管TL431构成，其基准电压为2.5 V。
但2.5 V还是有点高，如果分流电阻上的压降达到这个数值，那么：
1. 功耗会很大
2. 负载的最低电压将达到2.5 V，再加上晶体管上的压降。

因此，在可调电阻前串联了一个阻值为22 kΩ的固定电阻R8，两者构成约1:5.5的分压器，可调电阻后的电压范围约为0～0.45 V。
改变这个附加电阻的阻值，就能在不更换分流电阻的情况下调整调节范围。不过这种方法也有缺点：运算放大器采用单电源供电时，处理较高电压比处理较低电压容易，因此最好不要把基准电压降得太低。
电阻R7用于限制稳压二极管的供电电流。

供电部分包括一个整流桥和四个电容。看起来最初原本打算给运算放大器加一个稳压电源，后来取消了，但原本接在它后面的220 µF电容却保留了下来。除此之外，我想不出为什么要把两个1000 µF电容和一个220 µF电容并联。

这个整流桥还为风扇和电流电压表的连接器供电。


理论部分应该讲清楚了，接下来进入实践，准确地说，是组装。这部分会放在折叠内容里，因为主要是给刚入门的朋友看的。不过在组装过程中，我也会说明一些元件的使用细节，以及可能的替代方案。


基本上就是这些了。即使是新手，不慌不忙地组装整套装置也只需大约一个小时。所有元件都能正确安装，电路板上标记清楚，组装起来也很直观。

最后我还剩下这些元件：
1. 开关
2. 电源插座
3. 一个坏掉的电容。

第二个电源插座大概是附带的，以备需要把它装到外壳盖板上。开关很可能也是用来接通电源的，不过我的这个版本没有地方焊它。至于那个坏掉的电容嘛，只能说是运气不好。


电路板的一侧引出了接线焊盘，可用于连接输入端、电流表、电压表和电源输出端。
原则上可以装接线端子，也可以直接焊接导线，怎么方便怎么来，不过连接时有一些细节需要注意。


连接方式有好几种，我试着逐一说明。
1. 只用电路板，不接测量仪表、插座等。
2. 和上面一样，不过如果想装插座，很可能需要用跳线代替电流表输出端。
3. 分别连接独立的电流表和电压表，正极接红线，负极接蓝线。
4. 如果想装数字电流电压表，接线方式如下：
黑线——电源公共端
黄线——电流测量输入端
红线——电压测量输入端
细红线——电流电压表电源线。



数字电流电压表接线的颜色标记，是按照我之前用过的型号标注的，实际情况可能有所不同，所以接线前最好再确认一下。通常黑线还是负极，而电流测量输入端与黑线之间应当导通。


也可以装这种电流电压表，它功能更“高级”，但接线方式有所不同。
粗黑线——电源公共端
粗红线——电流测量输入端
黄线——电压测量输入端。
细红线——电流电压表电源线。

这种型号还带有温度传感器，对于这种发热量很大的装置来说可能非常实用。


这两种电流电压表我都用在一台小型电子负载上，第二种现在还在用。


当然，还做了一点小实验。
把电路板接到可调电源上，先设为32 V试试，再把负载电流设为5 A。电路板轻松承受了160 W，不过这已经是极限工况了。


我检查了电流设定值随温升的变化，幅度不算大，但确实存在。随着温度升高，电流会下降。


实验没做多久，我就已经感到热浪了。测了一下温度，发现晶体管已经升到了大约110度。绝对不能让它这样工作。比如我的大功率负载，过热保护设定为散热器温度达到90度，或者晶体管温度达到约95度时触发。
晶体管温度升高会显著降低工作可靠性，在线性模式下尤其如此。


我经常在评论里看到有人提到用普通电阻作负载。当然也可以这么做，但用电阻很难实现例如这些照片中展示的效果。
这里我把电压从40 V降到1 V，同时观察负载电流的变化。在这个范围内，电流波动为2.017～2.026 A。考虑到电路设计很简单，我觉得这个结果相当不错。


虽然我不打算使用普通的电流电压表，但还是决定测试一下它的工作情况。首先要说明的是，它的接法和我在简易自制负载中用的接法略有不同。


电流电压表的导线按以下顺序连接：
黑线
黄线
红线。

电源线只接了一根，黑线不得不拔掉，因为它会影响测量结果。原因是我的电子负载中，电流电压表与电流检测分流器串联，因此电流表的公共线与电路公共线相连。而这里它是与被测电源串联的，我认为这种接法不太合理。



写这篇评测时，有人问能不能更换晶体管，我单独解释一下。
1. 根据封装类型和所需功率选择晶体管：TO-220封装为30 W，TO-247封装为50 W。
2. 晶体管实际上不只是几乎任何型号都能用，也可以同时使用不同型号。
3. 选择晶体管时，最重要的主要是它的额定电压，最好至少是输入电压的两倍。
4. 导通电阻几乎没有影响，除非选用额定电压特别高、导通电阻已经达到几Ω的晶体管。
5. 最好使用非绝缘封装的晶体管，也不要将它们与散热器绝缘。

为什么功率方面有这些限制？绝大多数现代场效应晶体管都是为开关模式设计的，在工作于线性模式时表现不佳。更准确地说，它们可以正常工作，但在温度、功率、电压和电流方面有很大限制。确实有一些场效应晶体管适合这种工作模式，但它们非常少见，没必要专门去找。

还有人问我，它们还能用什么替代。
首先可以用IGBT，本质上是场效应晶体管和双极型晶体管的混合器件，不过价格更贵。顺便说一句，也有反过来的混合器件，即双极型与场效应晶体管的混合。

当然，也可以用双极型晶体管（这正是IGBT适用性很好的原因），它们在工作于线性模式时也能达到标称的最大耗散功率。
在这个电路中，可以直接用它们替换场效应晶体管，但需要选择电流增益较高的型号，因为双极型晶体管由电流控制，而场效应晶体管由电压控制。
也可以采用复合晶体管电路（达林顿电路），这样总电流增益就是第一级和第二级增益的乘积。也就是说，如果第一级增益为200，第二级为70，那么总增益约为14000。

双极型晶体管（尤其是复合型）的唯一缺点，大概就是在低于1.5-2 V的电压下工作比较困难。如果你不打算测试这种电压的电源，就可以用双极型晶体管；否则还是用场效应晶体管。


常见的КТ827就很合适，不过我手头几乎没有，所以照片里展示的是它的互补型号КТ825。它们的耗散功率可达125 W。


以前我甚至用过它们搭配这种散热器，尺寸正合适:)不过这种散热器还是更适合被动散热。


里面有两只按达林顿电路连接的晶体管，以及一些附加元件。

顺便说一句，这类晶体管也很适合用于线性电源，我经常被问到有哪些进口型号可以替代它们。我在网上稍微搜了一下，整理出一份替代型号清单。
КТ827的几乎完全兼容型号：2N6057、BDX87
КТ827А：BDX65A、BDX67、BDX87C、MJ3521、MJ4035
КТ827Б：2N6058、2N6283、BDX63、BDX65、BDX67、BDX85B、BDX87B、MJ3001、MJ4034
КТ827В：2N6057、2N6282、BDX85、BDX85A、BDX87、BDX87A、MJ3000、MJ3520、MJ4033



顺便说一下，卖家可能会发来不同型号的晶体管，也可以选择TO-247封装的型号（IRFP250、IRFP260），不过很可能需要额外付费。在我看来，这种方案要有意思得多。


顺带解释一下其他元件的替换问题。
小电阻不太关键，主要是阻值大致相同，电容也是如此。
用作电流检测分流器的低阻值电阻，最好留出足够的功率余量，这样它们发热会少一些，电阻值变化也更小，升温过程中电流就不会“跑偏”。可以换成精度更高、质量更好的电阻，不过价格不便宜。
运算放大器也可以换成几乎任何便宜型号，比如我用过LM358，但它是双通道的，因此需要多用一倍；不过直接用同样的LM324更方便，而且它便宜得很。

负载既可以用直流电供电，也可以用交流电供电，但要注意运算放大器的供电电压不能超过20 V。运放本身可以轻松承受30-35 V，但场效应晶体管的栅极电压不能高于18-20 V，最好不超过15 V，所以我会把它限制在这个范围内。也可以用一个小型稳压器给这部分电路供电。



测试过程中，我还是烧坏了一只晶体管。事情发生得很意外：我加上40 V电压，并将负载电流设为5 A，功率达到200 W。结果电源直接进入短路保护，事情也就到此为止了。
此外我还发现，干扰信号会明显影响可调电阻设定的电流。比如我手拿着电阻时，电流是4.1 A；把它放在桌上后，电流变成了4 A。这种问题可能出现，也可能不会出现，取决于电源、负载本身以及被测设备。

这款电子负载与我那台老旧的自制设备相比，后者也是基于同一款TL431、LM358和一只晶体管搭建的。 不过我手头确实有一个运放电源稳压器。


可以进行哪些改进：
1. 根据温度控制风扇，哪怕用最简单的温控继电器也行。
2. 将分流电阻的阻值减半，并调整可调电阻分压器的阻值，使电压在0--0.25 V范围内变化，这样分流电阻的发热量就能减半。
3. 用第二个运放增加CV模式，不过这里有个问题：过载保护不好处理。
4. 给运放增加一个稳压器，比如7808或7809。
5. 我的电子负载在TL431后面接了一个缓冲运放，我觉得这种方案更好，但要在这里加上它非常不方便。
6. 将两三块类似的电路板组合起来提高功率，其中一块作为主板，其余作为从板。

目前还没法展示装入外壳后的样子，因为外壳还没到货，之后会根据整套设备的总体尺寸来选。另外，我会搭配一款功能更强的电压电流表使用，它可以监测电压上下限等。
评测视频版



该介绍的差不多都介绍了，我尽量没漏掉什么，现在可以总结一下了。
在我看来，这个方案相当不错，价格不贵，组装简单，最重要的是，装好之后确实能正常工作 :)
当然也有一些小问题，比如电容损坏，或者散热器安装孔的位置不太方便。
说明中标称功率为150 W，在我看来这是最大功率。我建议不要长时间让它承受超过120 W的负载，除非把晶体管换成TO-247封装的型号，并且一定要做好散热。

如果打算在最高30-40 V的电压下使用，买带晶体管的套件完全没问题。但如果要测试更高电压的电源，我会买不含晶体管的套件，再把原配晶体管换成耐压更高的型号。
也可以只买PCB。用到的元件都不稀缺，想找的话，在家里也能翻出来。
只订一套可能不太划算，最好一次买几套，这样总价更合算。


这套套件在AliExpress上也有售——链接

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