CN103424580B - 电子负载 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子负载。该电子负载包括电压供应单元、放大电路、场效应管和电流采样电阻。该放大电路包括第一输入端、第二输入端和输出端。该放大电路的第一输入端与该电压供应单元连接，用于接收该电压供应单元所输出的电压，该放大电路的第二输入端与该场效应管的源极连接，该放大电路的输出端与该场效应管的栅极连接。该场效应管的漏极与一待测电源连接。该电流采样电阻的一端接地，该电流采样电阻的另一端分别与该场效应管的源极和该放大电路的第二输入端连接。该放大电路根据待测电源的负载需求将电压供应单元所输出的电压放大以驱动该场效应管。该电子负载的电路结构较简单、价格较便宜。

Description

电子负载
技术领域
本发明涉及一种电子负载。
背景技术
在电源的输出电压的测试过程中，通常都需要接上可变电子负载来测量电压的稳定性。然而，目前市场上销售的电子负载通常由于电路结构复杂而价格较贵。
发明内容
为解决现有技术电子负载的电路较复杂的技术问题，有必要提供一种电路较简单的电子负载。
本发明提供一种电子负载，其包括电压供应单元、放大电路、场效应管和电流采样电阻。该放大电路包括第一输入端、第二输入端和输出端。该放大电路进一步包括运算放大器和第一反馈电阻，该运算放大器的正相输入端与该放大电路的第一输入端连接，该运算放大器的负相输入端通过该第一反馈电阻连接到该放大电路的第二输入端，该运算放大器的输出端与该放大电路的输出端连接，该放大电路的第一输入端与该电压供应单元连接，用于接收该电压供应单元所输出的电压，该放大电路的第二输入端与该场效应管的源极连接，该放大电路的输出端与该场效应管的栅极连接。该场效应管的漏极与一待测电源连接。该电流采样电阻的一端接地，该电流采样电阻的另一端分别与该场效应管的源极和该放大电路的第二输入端连接。该放大电路根据待测电源的负载需求将电压供应单元所输出的电压放大以驱动该场效应管。
相较于现有技术，由于本发明电子负载由数量较少的常用电子元件构成，因此，该电子负载的电路结构较简单、价格较便宜。
附图说明
图1为本发明电子负载的一较佳实施方式的电路结构示意图。
主要元件符号说明
电子负载 100 电压供应单元 10
控制单元 11 数字-模拟转换器 12
放大电路 20 第一输入端 21、541
第二输入端 22、542 输出端 23、253、543
运算放大器 25 正相输入端 251
负相输入端 252 补偿电路 29
场效应管 30 过温保护单元 50
第一电源输入端 51 第一分压电路 52
第二分压电路 53 比较器 54
发光二极管 57 开关 58
第一分压元件 521 第二分压元件 522
第三分压元件 531 温度感测元件 532
控制端 581 第一导通端 582
第二导通端 583 保护电路 60
第二电源输入端 61 电流采样电阻 R0
输入电阻 R1 第一反馈电阻 R2
第二反馈电阻 R3 输出电阻 R4
滤波电阻 R5 正反馈电阻 R6
限流电阻 R7 保护电阻 R8
第一滤波电容 C1 第二滤波电容 C2
节点 N0 第一分压节点 N1
第二分压节点 N2 栅极 G
源极 S 漏极 D
待测电源 200 电压输出接口 210
外部电源 300
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，图1为本发明电子负载的一较佳实施例的电路结构示意图。该电子负载100包括电压供应单元10、放大电路20、场效应管30、电流采样电阻R0、过温保护单元50和保护电路60。
该放大电路20用于放大该电压供应单元10所输出的电压，并利用放大后的电压驱动该场效应管30。具体地，该放大电路20包括第一输入端21、第二输入端22、输出端23、输入电阻R1、运算放大器25、第一反馈电阻R2、第二反馈电阻R3、输出电阻R4和补偿电路29。其中，该运算放大器25的正相输入端251通过该输入电阻R1连接到该第一输入端21，该运算放大器25的负相输入端252依次串联该第二反馈电阻R3和该第一反馈电阻R2连接到该第二输入端22，该运算放大器25的输出端253通过该输出电阻R4连接到该输出端23。
该补偿电路29用于滤除该运算放大器25的输出端253输出的电压中的高频干扰信号。该补偿电路29包括第一滤波电容C1、第二滤波电容C2和滤波电阻R5。该第一滤波电容C1与该滤波电阻R5串联于该负相输入端252与输出端253之间，该第二滤波电容C2与该滤波电阻R5并联于该第一滤波电容C1与该输出端253之间。
该电压供应单元10与该第一输入端21连接，用于为该电子负载100提供如0V到4V的电压。具体地，该电压供应单元10包括控制单元11和数字-模拟转换器12。该控制单元11用于输出固定电压控制信号或/和动态电压控制信号给该数字-模拟转换器12。该数字-模拟转换器12转变接收到的电压控制信号为相应的模拟电压，并将该模拟电压从该第一输入端21输出给该放大电路20。其中，该控制单元11优选为可编程控制单元，如：单片机。
该场效应管30的漏极D与一待测电源200的电压输出接口210连接。该场效应管30的栅极G与该放大电路20的输出端23连接。该场效应管30优选为一高性能、大功率的N型场效应管，其在该放大电路20的控制下工作在可变电阻区，用作压变电阻。
该电流采样电阻R0一端接地，另一端连接该场效应管30的源极S以及该第二输入端22。在该源极S与该第二输入端22之间定义一节点N0，该电流采样电阻R0连接于该节点N0与地之间。该电流采样电阻R0用于在测试过程中对电流进行采样，以评估该待测电源200输出电压的稳定性。
该过温保护单元50与该放大电路20连接，用于检测该电子负载100的工作温度，并当检测到该电子负载100的温度超过一预定温度(如：70℃)时，自动控制该电子负载100停止工作。具体地，该过温保护单元50包括第一电源输入端51、第一分压电路52、第二分压电路53、比较器54、正反馈电阻R6、限流电阻R7、发光二极管57和开关58。该比较器54包括第一输入端541、第二输入端542和输出端543。该开关58包括控制端581、第一导通端582和第二导通端583。该第一分压电路52包括串联于该第一电源输入端51与地之间的第一分压元件521和第二分压元件522。该第二分压电路53包括串联于该第一电源输入端51与地之间的第三分压元件531和温度感测元件532。其中，该温度感测元件532的电阻随温度的变化而变化。该第一分压元件521与该第二分压元件522之间定义一第一分压节点N1。该第三分压元件531与该温度感测元件532之间定义第二分压节点N2。其中，该第一电源输入端51与一外部电源300连接。该比较器54的第一输入端541与该第一分压节点N1连接，该比较器54的第二输入端542与该第二分压节点N2连接，该比较器54的输出端543与该开关58的控制端581连接，并依次串联该限流电阻R7以及该发光二极管57的阳极和阴极与地连接。该开关58的第一导通端582与该运算放大器25的正相输入端251连接，该开关58的第二导通端583接地。该正反馈电阻R6连接于该比较器54的第二输入端542与输出端543之间。优选地，该第一分压元件521、第二分压元件522和第三分压元件531都为电阻，该温度感测元件532为热敏电阻或温度检测芯片。该外部电源300提供5V的电压。
该保护电路60与该放大电路20连接，用于在该电子负载100上电和掉电瞬间保护该场效应管30免受损坏。具体地，该保护电路60包括第二电源输入端61和保护电阻R8。该保护电阻R8的一端与该第二电源输入端61连接，另一端通过该第一反馈电阻R2与该场效应管30的源极S连接。该保护电阻R8通常选择一阻值较大(如：1兆欧)的电阻，当该电子负载100在上电和掉电的瞬间，由于该保护电阻R8连接在外部电源300与该运算放大器25的负相输入端252之间，该负相输入端252处的电压大于该正相输入端251的电压，因此，该运算放大器25在该电子负载100的上电和掉电的瞬间控制该场效应管30处于截止状态，以防该场效应管30受损。
在本实例中，该开关58为一NPN三极管，该温度感测元件532为正系数温敏电阻。当该电子负载100的温度未超过该预定温度时，该第一节点N1输出的电压不小于该第二节点N2输出的电压，该比较器54根据该第一、第二节点N1、N2输出的电压对应输出一第一控制信号(如，低电平控制信号)，相应地，该开关58在该第一控制信号的控制下处于截止状态，该发光二极管57不发光。相对地，当该电子负载100的温度超过该预定温度时，该第一节点N1输出的电压小于该第二节点N2输出的电压，该比较器54根据该第一、第二节点N1、N2输出的电压对应输出一第二控制信号(如，高电平控制信号)，相应地，该开关58在该第二控制信号的控制下由截止状态转变为导通状态，且该发光二极管57开始发光以提醒用户该电子负载100过热。当该开关58导通后，该运算放大器25的正相输入端251通过该开关58接地，电压变为0V，于是控制该场效应管30截止，即，该电子负载100停止工作。
下面介绍利用该电子负载100，来测试该待测电源200输出电压的稳定性的工作原理如下：
首先，当该电子负载100与该外部电源300电连接后，该电子负载100开始工作。在该外部电源300与该电子负载100电连接瞬间(即：上电瞬间)之后，该运算放大器25处于线性放大区，其正相输入端251和负相输入端252处于虚短状态，因此，该正相输入端251处的电压(用V1表示)和该负相输入端252处的电压(用V2表示)相等，且等于该电压供应单元10输出的电压(用Vout表示)，即V1＝V2＝Vout。另外，由于该运算放大器25的输入阻抗为无穷大，且该保护电阻R8的电阻值也极大，因此，该第一、第二反馈电阻R2、R3没有电流和电压降，从而，该节点N0处的电压(用V0表示)等于该负相输入端252处的电压V2。于是推算出该电流采样电阻R0上的电压(用V3表示)为：V3＝V0＝V2＝V1＝Vout。
进一步地，根据安培定理，能够推算出该电流采样电阻R0上的电流(用I3表示)为：I3＝V3/R0＝Vout/R0。
另外，当该电子负载100正常工作时，该场效应管30的栅极G和源极S之间的电压差VGS>0，该场效应管30工作在可变电阻区，其电流(用ID表示)与该场效应管30的漏极D和源极S之间的电压差VDS的大小有关。此外，根据电路原理可知，该场效应管30的电流ID基本等于该电流采样电阻R0上的电流I3，即：ID＝I3＝Vout/R0。因此，该场效应管30的电流ID由该电压供应单元10输出的模拟电压Vout决定，而模拟电压Vout的大小是由该控制单元11控制。具体地，当该控制单元11控制该数字-模拟转换器12输出恒定电压时，那么该场效应管30的电流ID也是恒定的；当该控制单元11控制该数字-模拟转换器12输出动态变化的模拟电压时，那么该场效应管30的电流ID也相应地动态变化。
由上述内容可知，在测试过程中，通过对该电流采样电阻R0上的电流进行采样，即可测试得知该待测电源200输出电压的稳定性。
由于本发明电子负载100由上述数量较少的常用电子元件构成，因此，该电子负载100的电路结构较简单、价格较便宜。
此外，本发明并不限于以上实施方式所述，例如，该放大电路20中的运算放大器25也可以被替换为其它具有放大作用的多级放大电路等等。
该温度感测元件532也可为负系数温敏电阻，该开关58也可为PNP三极管。相应地，当该电子负载100的温度未达到预定温度时，该第一分压节N1输出的电压不大于该第二分压节点N2输出的电压，该比较器54根据该第一、第二分压节点N1、N2输出的电压大小对应输出该第二控制信号，该第二控制信号控制该开关58处于截止状态。当该电子负载100的温度达到预定温度时，该第一分压节N1输出的电压大于该第二分压节点N2输出的电压，该比较器54根据该第一、第二分压节点N1、N2输出的电压大小对应输出该第一控制信号，该第一控制信号控制该开关58处于导通状态。
该第一分压元件521和该第二分压元件522中之一也可以为电容。该第三分压元件531也可以为电容。
另外，该保护电路60、第二反馈电阻R3、该补偿电路29和该过温保护单元50也都可以被省略。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种电子负载，其包括电压供应单元用于输出电压、放大电路、场效应管和电流采样电阻，该放大电路包括第一输入端、第二输入端和输出端，其特征在于：该放大电路进一步包括运算放大器和第一反馈电阻，该运算放大器的正相输入端与该放大电路的第一输入端连接，该运算放大器的负相输入端通过该第一反馈电阻连接到该放大电路的第二输入端，该运算放大器的输出端与该放大电路的输出端连接，该放大电路的第一输入端与该电压供应单元连接，用于接收该电压供应单元所输出的电压，该放大电路的第二输入端与该场效应管的源极连接，该放大电路的输出端与该场效应管的栅极连接，该场效应管的漏极与一待测电源连接，该电流采样电阻的一端接地，该电流采样电阻的另一端分别与该场效应管的源极和该放大电路的第二输入端连接，该放大电路根据待测电源的负载需求将电压供应单元所输出的电压放大以驱动该场效应管。
2.如权利要求1所述的电子负载，其特征在于：该电子负载进一步包括过温保护单元，该过温保护单元包括第一电源输入端、第一分压电路、第二分压电路、比较器和开关，该比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，该开关包括控制端、第一导通端和第二导通端，该第一电源输入端用于与外部电源连接，该第一分压电路包括串联于该第一电源输入端与地之间的第一分压元件和第二分压元件，该第二分压电路包括串联于该第一电源输入端与地之间的第三分压元件和温度感测元件，其中，该温度感测元件的电阻随温度的变化而变化，该第一分压元件与该第二分压元件之间定义一第一分压节点，该第三分压元件与该温度感测元件之间定义第二分压节点，该比较器的第一输入端与该第一分压节点连接，该比较器的第二输入端与该第二分压节点连接，该比较器的输出端与该开关的控制端连接，该开关的第一导通端与该运算放大器的正相输入端连接，该开关的第二导通端接地。
3.如权利要求2所述的电子负载，其特征在于：当该温度感测元件感测到该电子负载的温度未超过一预定温度时，该第二分压节点处的电压不大于该第一分压节点处的电压，该比较器根据该第一、第二分压节点输出的电压大小对应输出低电平控制信号给该开关的控制端，该开关在该低电平控制信号的控制下处于截止状态，当该温度感测元件感测到该电子负载的温度超过一预定温度时，该第二分压节点处的电压由不大于该第一分压节点处的电压转变为大于该第一分压节点处的电压，该比较器根据该第一、第二分压节点所输出电压的大小，对应输出高电平控制信号给该开关的控制端，该开关在该高电平控制信号的控制下由截止状态变为导通状态。
4.如权利要求2所述的电子负载，其特征在于：当该温度感测元件感测到该电子负载的温度未超过一预定温度时，该第二分压节点处的电压不小于该第一分压节点处的电压，该比较器根据该第一、第二分压节点输出的电压大小对应输出高电平控制信号给该开关的控制端，该开关在该高电平控制信号的控制下处于截止状态，当该温度感测元件感测到该电子负载的温度超过一预定温度时，该第二分压节点处的电压由不小于该第一分压节点处的电压转变为小于该第一分压节点处的电压，该比较器根据该第一、第二分压节点所输出电压的大小，对应输出低电平控制信号给该开关的控制端，该开关在该低电平控制信号的控制下由截止状态变为导通状态。
5.如权利要求2所述的电子负载，其特征在于：该第一、第二、第三分压元件都为电阻，该温度感测元件为热敏电阻或温度检测芯片。
6.如权利要求2所述的电子负载，其特征在于：该过温保护单元进一步包括发光二极管、限流电阻和正反馈电阻，该正反馈电阻连接于该比较器的第二输入端与该比较器的输出端之间，该比较器的输出端进一步依次串联该限流电阻以及该发光二极管的阳极和阴极与地连接。
7.如权利要求1所述的电子负载，其特征在于：该放大电路进一步包括补偿电路，该补偿电路包括第一滤波电容、第二滤波电容和滤波电阻，该第一滤波电容和该第二滤波电容串联于该运算放大器的负相输入端和该运算放大器的输出端之间，该滤波电阻与该第二滤波电容并联于该第一滤波电容与该运算放大器的输出端之间。
8.如权利要求1所述的电子负载，其特征在于：该电子负载进一步包括保护电路，该放大电路进一步包括第二反馈电阻，该第二反馈电阻连接于该运算放大器的负相输入端与该第一反馈电阻之间，该保护电路包括保护电阻和第二电源输入端，该第二电源输入端用于与外部电源连接，该保护电阻的一端与该第二电源输入端连接，该保护电阻的另一端通过该第一反馈电阻与该场效应管的源极连接。
9.如权利要求1所述的电子负载，其特征在于：该电压供应单元包括控制单元和数字-模拟转换器，该控制单元用于输出固定电压控制信号或/和动态电压控制信号给该数字-模拟转换器，该数字-模拟转换器转变接收到的电压控制信号为相应的模拟电压，并将该模拟电压从该放大电路的第一输入端输出给该放大电路。
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