CN108168385B - 具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪，包括：电源单元、恒流单元、负载单元、负载测量单元、负载匹配单元以及微处理器单元；电源单元用于获得恒压直流电源，分别与恒流单元和微处理器单元连接；恒流单元，采用基于运算放大器的压控恒流方式，与负载单元连接；负载单元包含负载和匹配负载两部分；负载匹配单元与负载单元的匹配负载部分连接；负载测量单元与负载单元连接；微处理器单元与恒流单元、负载匹配单元以及负载测量单元连接，是整个仪器的控制核心。本发明能够自动根据负载和恒流电流大小匹配合适的负载，可输出宽范围、大数值的恒流电流，并且具有很好的负载变化承受能力，可作为用于火工品起爆试验的专业仪器。

Description

具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪

技术领域

本发明涉及电子测试技术领域，具体涉及一种具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪。

背景技术

大电流火工品测试仪是考察火工品在不同电流作用下起爆情况的仪器。为了深入了解火工品的起爆性能，大电流火工品测试仪需要能够输出宽范围、大数值的恒流电流，并且具有很好的负载变化承受能力。目前市场上还没有完全满足上述要求的专业仪器，实验时都是使用多种仪器进行组合，达到实验的目的。传统的大电流恒流电源输出的恒流电流都是基本固定的，其负载能力也是基本固定的。

发明内容

为了更加深入地了解火工品的起爆性能，简化实验步骤，克服传统大电流恒流电源技术指标的不足，本发明设计了一种具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪，该仪器可作为用于火工品起爆实验的专业仪器。

本发明旨在设计一种用于火工品起爆实验的专业仪器，来简化火工品起爆实验步骤。本发明通过深入了解传统大电流恒流电源的设计思路和技术局限点，采用电子测量控制技术和微处理器嵌入式技术，设计了一种具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪，该仪器能够输出宽范围、大数值的恒流电流，并且具有很好的负载变化承受能力，能够满足火工品起爆实验要求的所有技术指标。提供一种具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪，包括：电源单元、恒流单元、负载单元、负载测量单元、负载匹配单元以及微处理器单元；所述电源单元分别与所述恒流单元和微处理器单元连接；所述恒流单元与所述负载单元连接；所述负载单元包含试验负载和匹配负载两部分；所述负载测量单元与所述负载单元连接；所述负载匹配单元与所述负载单元的匹配负载部分连接；所述微处理器单元与所述负载匹配单元和所述负载测量单元连接。

更进一步的技术方案是所述的电源单元包括交流变压器和直流整流桥，所述交流变压器用于将交流220V电源变换为仪器所需的交流电源，所述整流桥用于将交流电源整流为直流电源。

更进一步的技术方案是所述的恒流单元使用基于运算放大器的压控恒流电路，采用至少三个MOSFET管并联的方式；所述恒流单元通过数字模拟转换器与所述微处理器相连；所述恒流单元通过至少两个大容量电容与所述电源单元相连。

更进一步的技术方案是所述的负载单元包含试验负载和匹配负载两部分，匹配负载部分是仪器自动根据试验负载和恒流电流大小匹配的合适负载。

更进一步的技术方案是所述的负载测量单元采用分压电阻测试法测量整个负载的大小，通过模拟数字转换器与所述微处理器相连。

更进一步的技术方案是所述的负载匹配单元通过多个继电器切换将多个大功率电阻接入或断开负载电路实现负载自动匹配，通过继电器驱动电路与所述微处理器相连。

更进一步的技术方案是所述的微处理器单元采用STM32F103单片机，是整个仪器的控制核心。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果之一是：本发明能够输出宽范围、大数值的恒流电流，并且具有很好的负载变化承受能力，可作为用于火工品起爆实验的专业仪器。

附图说明

图1为本发明现有技术中基于放大器的压控恒流源基本电路图。

图2为本发明一个实施例整体结构框图。

图3为本发明一个实施例电路原理示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。

在下面的详细描述中，出于解释的目的描述了许多具体描述以便能够彻底理解所公开的实施方案，然而，很明显一个或多个实施方式可以在不使用这些具体描述的情况下实施，在其他实例中，示意性地显示已知结构和装置，以便简化附图。

现有技术中用于火工品起爆实验的仪器本质上是一个可调恒流电源，但是这个可调恒流电源的技术指标比较苛刻：输出电流范围为(0～10)A，输出电流精度为0.1A，负载变化范围为(0～10)Ω。实现大电流火工品测试仪的主要难点在于如何使仪器能够输出宽范围、大数值的恒流电流，并且具有很好的负载变化承受能力。

传统的大电流恒流源一般都采用基于放大器的压控恒流源电路，如图1所示，N沟道MOSFET管工作在饱和区，采用放大器负反馈来稳定负载电流，负载电流的计算公式为：

I≈VREF/RS

I：负载电流；

VREF：放大器正极端输入的电压；

RS：反馈电阻。

如果采用基于放大器的压控恒流源电路实现大电流火工品测试仪，为了满足最大功率技术指标要求(负载电流10A，负载10Ω，最大功率1000W)，根据欧姆定律可知负载电压VCC约为100V。在负载电压保持不变的情况下，如果负载或者恒流电流变小，根据能量守恒定理可知MOSFET管自身消耗的功率会很大，超过其最大承受值而损坏。例如：当负载电流设置为1A、负载为10Ω时，电路总输出功率为100W，而负载消耗的功率只有10W，那么消耗在MOSFET管上的功率就高达90W；当负载电流设置为10A、负载为1Ω时，电路总输出的功率为1000W，而负载消耗的功率只有100W，那么消耗在MOSFET管上的功率就高达900W。根据以上分析可见直接采用基于放大器的压控恒流源电路是难以实现大电流火工品测试仪的，其主要局限点在于当负载或者恒流电流变小，MOSFET管自身消耗的功率会增大而损坏。如何控制消耗在MOSFET管上的功率，是实现大电流火工品测试仪的关键所在。

根据基于放大器的压控恒流源的基本原理，可采用两种方案控制MOSFET管上消耗的功率：第一种方案是根据负载阻值和恒流电流值调整负载电压；第二种方案是根据负载阻值和恒流电流值调整总的负载阻值。由于大电流火工品测试仪要求输出的电流较大、负载电压的输出容量较大，如果采用第一种方案，仪器的电路将会比较复杂，体积和重量也会剧增。

所以本发明采用第二种方案实现大电流火工品测试仪，系统的整体结构框图如图2所示。系统在基于放大器的压控恒流源电路的基础上，采用单片机嵌入式技术，自动测量负载阻值，自动匹配总负载，使大部分能量消耗在负载和匹配的负载上，控制MOSFET管自身功率消耗，以保护MOSFET管。

具体的，本实施例具有负载自动匹配功能的大电流火工品测试仪，它包括：电源单元、恒流单元、微处理器单元、负载、匹配负载、负载匹配单元以及负载测量单元；所述电源单元分别与所述恒流单元和微处理器单元连接；所述恒流单元连接所述负载，所述负载连接所述匹配负载；所述负载和所述匹配负载均与所述负载测量单元连接；所述负载测量单元连接所述微处理器单元；所述微处理器单元分别连接所述恒流单元和所述负载匹配单元；所述负载匹配单元连接所述匹配负载。该仪器能够输出宽范围、大数值的恒流电流，并且具有很好的负载变化承受能力，可作为用于火工品起爆实验的专业仪器。解决了传统大电流恒流电源输出电流基本固定和负载基本固定的不足，在深入研究传统的基于放大器的压控恒流源的基础上，本系统采用了根据负载阻值和恒流电流值匹配负载、调节总的负载阻值的方法，使仪器能够输出宽范围、大数值的恒流电流，并且具有很好的负载变化承受能力。

具体的，本实施例中微处理器单元包括型号为STM32F103单片机，系统采用单片机嵌入式技术，能够自动测量负载阻值，自动计算应该匹配的负载阻值，并进行负载自动匹配。

如图3所示，通过图3示出的该测试仪的电路原理，进一步解释该具有负载自动匹配功能的大电流火工品测试仪，电源单元为交流转直流方式，包括交流变压器以及整流桥，采用220V交流供电，220V交流经变压器变换为100V交流，100V交流经整流桥整流为100V直流，再经大电容滤波、储能后为恒流源电路提供负载电压。

系统要求输出的最大电流为10A，为了保护交流变压器和整流桥在大电流下能够正常工作，系统在负载电压前端采用了大电容，存储能量、缓解交流变压器和整流桥的供电压力。

大电容输出端分别连接负载、采样电阻2以及采样电阻1一端，采样电阻1另一端连接恒压源。负载连接匹配负载1和匹配负载2，匹配负载1与大电容之间还连接有开关K1和开关K2，负载与大电容之间还连接有开关K4。匹配负载1与匹配负载2之间连接有开关K3。为了获得较高的负载电阻匹配精度，匹配负载选用了多个阻值小、承受电流大的功率电阻。

该测试仪采用了“分压”法测量负载阻值，负载上端的电压信号通过模拟数字转换器输入单片机，单片机运算后获得负载阻值和应匹配负载的阻值，并输出控制恒流回路上的开关进行负载电阻匹配。采用了数字模拟转换器将单片机输出的数字信号转换为模拟信号为恒流电路提供参考电压，设置输出恒流电流的数值。具体的，单片机输入端连接有模拟数字转换器ADC，单片机输出端连接有数字模拟转换器DAC，数字模拟转换器输出端连接放大器，放大器连接限流电阻，限流电阻连接MOSFET管Q1、Q2、Q3，采样电阻2一端接地，另一端分别连接放大器和MOSFET管Q1、Q2、Q3。

该仪器属于数字化系统，输出电流可数字化设置，测量的负载阻值能够数字化显示，系统电路简单、性能可靠、体积小、重量轻、便于携带。

为了进一步保护MOSFET管，该测试仪采用了多MOSFET管并联的方式，即MOSFET管Q1、Q2、Q3采用并联方式，以扩充MOSFET管组承受电流和功率消耗的能力。

本实施例采用了多个大电流保护措施，确保了系统的可靠性，大电容储能器能够有效保护交流变压器和整流桥，使其不会因为输出电流大而过分发热，多MOSFET管并联有效扩充了MOSFET管组承受电流和功率消耗的能力。

该火工品测试仪能够输出电流范围为0～10A，输出电流精度为0.1A，负载变化范围为0～10Ω，完全满足火工品起爆实验要求的所有技术指标，可作为用于火工品起爆实验的专业仪器。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (3)

1.一种具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪，其特征在于：包括：电源单元、恒流单元、负载单元、负载测量单元、负载匹配单元以及微处理器单元；所述电源单元分别与所述恒流单元和微处理器单元连接；所述恒流单元与所述负载单元连接；所述负载单元包含试验负载和匹配负载两部分；所述负载测量单元与所述负载单元连接；所述负载匹配单元与所述负载单元的匹配负载部分连接；所述微处理器单元与所述负载匹配单元和所述负载测量单元连接；

所述的恒流单元使用基于运算放大器的压控恒流电路，采用至少三个MOSFET管并联的方式；所述恒流单元通过数字模拟转换器与所述微处理器相连；数字模拟转换器输出端连接放大器，放大器连接限流电阻，限流电阻连接MOSFET管的栅极；

所述恒流单元通过至少两个大容量电容与所述电源单元相连，大电容输出端分别连接负载、第二采样电阻以及第一采样电阻一端，第一采样电阻另一端连接恒压源；第二采样电阻的一端接地；第二采样电阻的另一端连接放大器和MOSFET管的源极；

所述的负载单元包含试验负载和匹配负载两部分，匹配负载部分是仪器自动根据试验负载和恒流电流大小匹配的合适负载；

所述的负载测量单元采用分压电阻测试法测量整个负载的大小，通过模拟数字转换器与所述微处理器相连；

所述的负载匹配单元通过多个继电器切换将多个大功率电阻接入或断开负载电路实现负载自动匹配，通过继电器驱动电路与所述微处理器相连；具体地，匹配负载包括第一匹配负载和第二匹配负载，第一匹配负载与大电容之间还连接有开关K1和开关K2，负载与大电容之间还连接有开关K4，第一匹配负载与第二匹配负载之间连接有开关K3；所述开关K1和开关K2用于将第一匹配负载/负载与第一采样电阻/大电容输出端连接，所述开关K3用于将第一匹配负载与负载连接或将第一匹配负载与第二匹配负载连接；所述开关K4用于将负载与大电容输出端连接或与MOSFET管的漏极连接。

2.根据权利要求1所述的具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪，其特征在于所述的电源单元包括交流变压器和直流整流桥，所述交流变压器用于将交流220V电源变换为仪器所需的交流电源，所述整流桥用于将交流电源整流为直流电源。

3.根据权利要求1所述的具有负载自动匹配功能的大电流恒流测试仪，其特征在于所述的微处理器单元采用STM32F103单片机，是整个仪器的控制核心。

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