TWI565957B - 電子負載 - Google Patents
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- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/40—Testing power supplies
Description
本發明涉及一種電子負載。
在電源的輸出電壓的測試過程中,通常都需要接上可變電子負載來測量電壓的穩定性。然而,目前市場上銷售的電子負載通常由於電路結構複雜而價格較貴。
有鑒於此,有必要提供一種電路較簡單的電子負載。
本發明提供一種電子負載,其包括電壓供應單元、放大電路、場效應管和電流採樣電阻。該放大電路包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端。該放大電路的第一輸入端與該電壓供應單元連接,用於接收該電壓供應單元所輸出的電壓,該放大電路的第二輸入端與該場效應管的源極連接,該放大電路的輸出端與該場效應管的閘極連接。該場效應管的汲極與一待測電源連接。該電流採樣電阻的一端接地,該電流採樣電阻的另一端分別與該場效應管的源極和該放大電路的第二輸入端連接。該放大電路根據待測電源的負載需求將電壓供應單元所輸出的電壓放大以驅動該場效應管。
相較於習知技術,由於本發明電子負載由數量較少的常用電子元件構成,因此,該電子負載的電路結構較簡單、價格較便宜。
100‧‧‧電子負載
11‧‧‧控制單元
20‧‧‧放大電路
22、542‧‧‧第二輸入端
25‧‧‧運算放大器
252‧‧‧負相輸入端
30‧‧‧場效應管
51‧‧‧第一電源輸入端
53‧‧‧第二分壓電路
57‧‧‧發光二極體
521‧‧‧第一分壓元件
531‧‧‧第三分壓元件
581‧‧‧控制端
583‧‧‧第二導通端
61‧‧‧第二電源輸入端
R1‧‧‧輸入電阻
R3‧‧‧第二回饋電阻
R5‧‧‧濾波電阻
R7‧‧‧限流電阻
C1‧‧‧第一濾波電容
N0‧‧‧節點
N2‧‧‧第二分壓節點
S‧‧‧源極
200‧‧‧待測電源
300‧‧‧外部電源
10‧‧‧電壓供應單元
12‧‧‧數位-類比轉換器
21、541‧‧‧第一輸入端
23、253、543‧‧‧輸出端
251‧‧‧正相輸入端
29‧‧‧補償電路
50‧‧‧過溫保護單元
52‧‧‧第一分壓電路
54‧‧‧比較器
58‧‧‧開關
522‧‧‧第二分壓元件
532‧‧‧溫度感測元件
582‧‧‧第一導通端
60‧‧‧保護電路
R0‧‧‧電流採樣電阻
R2‧‧‧第一回饋電阻
R4‧‧‧輸出電阻
R6‧‧‧正回饋電阻
R8‧‧‧保護電阻
C2‧‧‧第二濾波電容
N1‧‧‧第一分壓節點
G‧‧‧閘極
D‧‧‧汲極
210‧‧‧電壓輸出介面
圖1為本發明電子負載的一較佳實施方式的電路結構示意圖。
下面將結合附圖,對本發明作進一步的詳細說明。
請參閱圖1,圖1為本發明電子負載的一較佳實施例的電路結構示意圖。該電子負載100包括電壓供應單元10、放大電路20、場效應管30、電流採樣電阻R0、過溫保護單元50和保護電路60。
該放大電路20用於放大該電壓供應單元10所輸出的電壓,並利用放大後的電壓驅動該場效應管30。具體地,該放大電路20包括第一輸入端21、第二輸入端22、輸出端23、輸入電阻R1、運算放大器25、第一回饋電阻R2、第二回饋電阻R3、輸出電阻R4和補償電路29。其中,該運算放大器25的正相輸入端251藉由該輸入電阻R1連接到該第一輸入端21,該運算放大器25的負相輸入端252依次級聯該第二回饋電阻R3和該第一回饋電阻R2連接到該第二輸入端22,該運算放大器25的輸出端253藉由該輸出電阻R4連接到該輸出端23。
該補償電路29用於濾除該運算放大器25的輸出端253輸出的電壓中的高頻干擾訊號。該補償電路29包括第一濾波電容C1、第二濾波電容C2和濾波電阻R5。該第一濾波電容C1與該濾波電阻R5級聯於該負相輸入端252與輸出端253之間,該第二濾波電容C2與該濾波電阻R5並聯於該第一濾波電容C1與該輸出端253之間。
該電壓供應單元10與該第一輸入端21連接,用於為該電子負載100提供如0V到4V的電壓。具體地,該電壓供應單元10包括控制單元11和數位-類比轉換器12。該控制單元11用於輸出固定電壓
控制訊號或/和動態電壓控制訊號給該數位-類比轉換器12。該數位-類比轉換器12轉變接收到的電壓控制訊號為相應的類比電壓,並將該類比電壓從該第一輸入端21輸出給該放大電路20。其中,該控制單元11優選為可編程控制單元,如:單片機。
該場效應管30的汲極D與一待測電源200的電壓輸出介面210連接。該場效應管30的閘極G與該放大電路20的輸出端23連接。該場效應管30優選為一高性能、大功率的N型場效應管,其在該放大電路20的控制下工作在可變電阻區,用作壓變電阻。
該電流採樣電阻R0一端接地,另一端連接該場效應管30的源極S以及該第二輸入端22。在該源極S與該第二輸入端22之間定義一節點N0,該電流採樣電阻R0連接於該節點N0與地之間。該電流採樣電阻R0用於在測試過程中對電流進行採樣,以評估該待測電源200輸出電壓的穩定性。
該過溫保護單元50與該放大電路20連接,用於檢測該電子負載100的工作溫度,並當檢測到該電子負載100的溫度超過一預定溫度(如:70℃)時,自動控制該電子負載100停止工作。具體地,該過溫保護單元50包括第一電源輸入端51、第一分壓電路52、第二分壓電路53、比較器54、正回饋電阻R6、限流電阻R7、發光二極體57和開關58。該比較器54包括第一輸入端541、第二輸入端542和輸出端543。該開關58包括控制端581、第一導通端582和第二導通端583。該第一分壓電路52包括級聯於該第一電源輸入端51與地之間的第一分壓元件521和第二分壓元件522。該第二分壓電路53包括級聯於該第一電源輸入端51與地之間的第三分壓元件531和溫度感測元件532。其中,該溫度感測元件532的電阻隨溫
度的變化而變化。該第一分壓元件521與該第二分壓元件522之間定義一第一分壓節點N1。該第三分壓元件531與該溫度感測元件532之間定義第二分壓節點N2。其中,該第一電源輸入端51與一外部電源300連接。該比較器54的第一輸入端541與該第一分壓節點N1連接,該比較器54的第二輸入端542與該第二分壓節點N2連接,該比較器54的輸出端543與該開關58的控制端581連接,並依次級聯該限流電阻R7以及該發光二極體57的陽極和陰極與地連接。該開關58的第一導通端582與該運算放大器25的正相輸入端251連接,該開關58的第二導通端583接地。該正回饋電阻R6連接於該比較器54的第二輸入端542與輸出端543之間。優選地,該第一分壓元件521、第二分壓元件522和第三分壓元件531都為電阻,該溫度感測元件532為熱敏電阻或溫度檢測晶片。該外部電源300提供5V的電壓。
該保護電路60與該放大電路20連接,用於在該電子負載100上電和掉電瞬間保護該場效應管30免受損壞。具體地,該保護電路60包括第二電源輸入端61和保護電阻R8。該保護電阻R8的一端與該第二電源輸入端61連接,另一端藉由該第一回饋電阻R2與該場效應管30的源極S連接。該保護電阻R8通常選擇一阻值較大(如:1兆歐)的電阻,當該電子負載100在上電和掉電的瞬間,由於該保護電阻R8連接在外部電源300與該運算放大器25的負相輸入端252之間,該負相輸入端252處的電壓大於該正相輸入端251的電壓,因此,該運算放大器25在該電子負載100的上電和掉電的瞬間控制該場效應管30處於截止狀態,以防該場效應管30受損。
在本實例中,該開關58為一NPN三極管,該溫度感測元件532為正
係數溫敏電阻。當該電子負載100的溫度未超過該預定溫度時,該第一節點N1輸出的電壓不小於該第二節點N2輸出的電壓,該比較器54根據該第一、第二節點N1、N2輸出的電壓對應輸出一第一控制訊號(如,低電平控制訊號),相應地,該開關58在該第一控制訊號的控制下處於截止狀態,該發光二極體57不發光。相對地,當該電子負載100的溫度超過該預定溫度時,該第一節點N1輸出的電壓小於該第二節點N2輸出的電壓,該比較器54根據該第一、第二節點N1、N2輸出的電壓對應輸出一第二控制訊號(如,高電平控制訊號),相應地,該開關58在該第二控制訊號的控制下由截止狀態轉變為導通狀態,且該發光二極體57開始發光以提醒用戶該電子負載100過熱。當該開關58導通後,該運算放大器25的正相輸入端251藉由該開關58接地,電壓變為0V,於是控制該場效應管30截止,即,該電子負載100停止工作。
下面介紹利用該電子負載100,來測試該待測電源200輸出電壓的穩定性的工作原理如下:首先,當該電子負載100與該外部電源300電連接後,該電子負載100開始工作。在該外部電源300與該電子負載100電連接瞬間(即:上電瞬間)之後,該運算放大器25處於線性放大區,其正相輸入端251和負相輸入端252處於虛短狀態,因此,該正相輸入端251處的電壓(用V1表示)和該負相輸入端252處的電壓(用V2表示)相等,且等於該電壓供應單元10輸出的電壓(用Vout表示),即V1=V2=Vout。另外,由於該運算放大器25的輸入阻抗為無窮大,且該保護電阻R8的電阻值也極大,因此,該第一、第二回饋電阻R2、R2沒有電流和電壓降,從而,該節點N0處的電壓(用V0表示)
等於該負相輸入端252處的電壓V2。於是推算出該電流採樣電阻R0上的電壓(用V3表示)為:V3=V0=V2=V1=Vout。
進一步地,根據安培定理,能夠推算出該電流採樣電阻R0上的電流(用I3表示)為:I3=V3/R0=Vout/R0。
另外,當該電子負載100正常工作時,該場效應管30的閘極G和源極S之間的電壓差VGS>0,該場效應管30工作在可變電阻區,其電流(用ID表示)與該場效應管30的汲極D和源極S之間的電壓差VDS的大小有關。此外,根據電路原理可知,該場效應管30的電流ID基本等於該電流採樣電阻R0上的電流I3,即:ID=I3=Vout/R0。因此,該場效應管30的電流ID由該電壓供應單元10輸出的類比電壓Vout決定,而類比電壓Vout的大小是由該控制單元11控制。具體地,當該控制單元11控制該數位-類比轉換器12輸出恒定電壓時,那麼該場效應管30的電流ID也是恒定的;當該控制單元11控制該數位-類比轉換器12輸出動態變化的類比電壓時,那麼該場效應管30的電流ID也相應地動態變化。
由上述內容可知,在測試過程中,藉由對該電流採樣電阻R0上的電流進行採樣,即可測試得知該待測電源200輸出電壓的穩定性。
由於本發明電子負載100由上述數量較少的常用電子元件構成,因此,該電子負載100的電路結構較簡單、價格較便宜。
此外,本發明並不限於以上實施方式所述,例如,該放大電路20中的運算放大器25也可以被替換為其他具有放大作用的多級放大電路等等。
該溫度感測元件532也可為負係數溫敏電阻,該開關58也可為PNP三極管。相應地,當該電子負載100的溫度未達到預定溫度時,該第一分壓節N1輸出的電壓不大於該第二分壓節點N2輸出的電壓,該比較器54根據該第一、第二分壓節點N1、N2輸出的電壓大小對應輸出該第二控制訊號,該第二控制訊號控制該開關58處於截止狀態。當該電子負載100的溫度達到預定溫度時,該第一分壓節N1輸出的電壓大於該第二分壓節點N2輸出的電壓,該比較器54根據該第一、第二分壓節點N1、N2輸出的電壓大小對應輸出該第一控制訊號,該第一控制訊號控制該開關58處於導通狀態。
該第一分壓元件521和該第二分壓元件522中之一也可以為電容。該第三分壓元件531也可以為電容。
另外,該保護電路60、第二回饋電阻R3、該補償電路29和該過溫保護單元50也都可以被省略。
綜上所述,本發明符合發明專利要件,爰依法提出專利申請。惟,以上所述者僅為本發明之較佳實施方式,本發明之範圍並不以上述實施方式為限,舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化,皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧電子負載
11‧‧‧控制單元
20‧‧‧放大電路
22、542‧‧‧第二輸入端
25‧‧‧運算放大器
252‧‧‧負相輸入端
30‧‧‧場效應管
51‧‧‧第一電源輸入端
53‧‧‧第二分壓電路
57‧‧‧發光二極體
521‧‧‧第一分壓元件
531‧‧‧第三分壓元件
581‧‧‧控制端
583‧‧‧第二導通端
61‧‧‧第二電源輸入端
R1‧‧‧輸入電阻
R3‧‧‧第二回饋電阻
R5‧‧‧濾波電阻
R7‧‧‧限流電阻
C1‧‧‧第一濾波電容
N0‧‧‧節點
N2‧‧‧第二分壓節點
S‧‧‧源極
200‧‧‧待測電源
300‧‧‧外部電源
10‧‧‧電壓供應單元
12‧‧‧數位-類比轉換器
21、541‧‧‧第一輸入端
23、253、543‧‧‧輸出端
251‧‧‧正相輸入端
29‧‧‧補償電路
50‧‧‧過溫保護單元
52‧‧‧第一分壓電路
54‧‧‧比較器
58‧‧‧開關
522‧‧‧第二分壓元件
532‧‧‧溫度感測元件
582‧‧‧第一導通端
60‧‧‧保護電路
R0‧‧‧電流採樣電阻
R2‧‧‧第一回饋電阻
R4‧‧‧輸出電阻
R6‧‧‧正回饋電阻
R8‧‧‧保護電阻
C2‧‧‧第二濾波電容
N1‧‧‧第一分壓節點
G‧‧‧閘極
D‧‧‧汲極
210‧‧‧電壓輸出介面
Claims (9)
- 一種電子負載,其包括電壓供應單元用於輸出電壓、放大電路、場效應管和電流採樣電阻,該電壓供應單元包括控制單元和數位-類比轉換器,該控制單元用於輸出固定電壓控制訊號或/和動態電壓控制訊號給該數位-類比轉換器,該數位-類比轉換器轉變接收到的電壓控制訊號為相應的類比電壓,並將該類比電壓從該放大電路的第一輸入端輸出給該放大電路,該放大電路包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端,該放大電路的第一輸入端與該電壓供應單元連接,用於接收該電壓供應單元所輸出的類比電壓,該放大電路的第二輸入端與該場效應管的源極連接,該放大電路的輸出端與該場效應管的閘極連接,該場效應管的汲極與一待測電源連接,該電流採樣電阻的一端接地,該電流採樣電阻的另一端分別與該場效應管的源極和該放大電路的第二輸入端連接,該放大電路根據待測電源的負載需求將電壓供應單元所輸出的電壓放大以驅動該場效應管。
- 如申請專利範圍第1項所述之電子負載,其中,該放大電路進一步包括運算放大器和第一回饋電阻,該運算放大器的正相輸入端與該放大電路的第一輸入端連接,該運算放大器的負相輸入端藉由該第一回饋電阻連接到該放大電路的第二輸入端,該運算放大器的輸出端與該放大電路的輸出端連接。
- 如申請專利範圍第2項所述之電子負載,其中,該電子負載進一步包括過溫保護單元,該過溫保護單元包括第一電源輸入端、第一分壓電路、第二分壓電路、比較器和開關,該比較器包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端,該開關包括控制端、第一導通端和第二導通端,該第一電源輸 入端用於與外部電源連接,該第一分壓電路包括級聯於該第一電源輸入端與地之間的第一分壓元件和第二分壓元件,該第二分壓電路包括級聯於該第一電源輸入端與地之間的第三分壓元件和溫度感測元件,其中,該溫度感測元件的電阻隨溫度的變化而變化,該第一分壓元件與該第二分壓元件之間定義一第一分壓節點,該第三分壓元件與該溫度感測元件之間定義第二分壓節點,該比較器的第一輸入端與該第一分壓節點連接,該比較器的第二輸入端與該第二分壓節點連接,該比較器的輸出端與該開關的控制端連接,該開關的第一導通端與該運算放大器的正相輸入端連接,該開關的第二導通端接地。
- 如申請專利範圍第3項所述之電子負載,其中,當該溫度感測元件感測到該電子負載的溫度未超過一預定溫度時,該第二分壓節點處的電壓不大於該第一分壓節點處的電壓,該比較器根據該第一、第二分壓節點輸出的電壓大小對應輸出低電平控制訊號給該開關的控制端,該開關在該低電平控制訊號的控制下處於截止狀態,當該溫度感測元件感測到該電子負載的溫度超過一預定溫度時,該第二分壓節點處的電壓由不大於該第一分壓節點處的電壓轉變為大於該第一分壓節點處的電壓,該比較器根據該第一、第二分壓節點所輸出電壓的大小,對應輸出高電平控制訊號給該開關的控制端,該開關在該高電平控制訊號的控制下由截止狀態變為導通狀態。
- 如申請專利範圍第3項所述之電子負載,其中,當該溫度感測元件感測到該電子負載的溫度未超過一預定溫度時,該第二分壓節點處的電壓不小於該第一分壓節點處的電壓,該比較器根據該第一、第二分壓節點輸出的電壓大小對應輸出高電平控制訊號給該開關的控制端,該開關在該高電平控制訊號的控制下處於截止狀態,當該溫度感測元件感測到該電子負載的溫度超過一預定溫度時,該第二分壓節點處的電壓由不小於該第 一分壓節點處的電壓轉變為小於該第一分壓節點處的電壓,該比較器根據該第一、第二分壓節點所輸出電壓的大小,對應輸出低電平控制訊號給該開關的控制端,該開關在該低電平控制訊號的控制下由截止狀態變為導通狀態。
- 如申請專利範圍第3項所述之電子負載,其中,該第一、第二、第三分壓元件都為電阻,該溫度感測元件為熱敏電阻或溫度檢測晶片。
- 如申請專利範圍第3項所述之電子負載,其中,該過溫保護單元進一步包括發光二極體、限流電阻和正回饋電阻,該正回饋電阻連接於該比較器的第二輸入端與該比較器的輸出端之間,該比較器的輸出端進一步依次級聯該限流電阻以及該發光二極體的陽極和陰極與地連接。
- 如申請專利範圍第2項所述之電子負載,其中,該放大電路進一步包括補償電路,該補償電路包括第一濾波電容、第二濾波電容和濾波電阻,該第一濾波電容和該第二濾波電容級聯於該運算放大器的負相輸入端和該運算放大器的輸出端之間,該濾波電阻與該第二濾波電容並聯於該第一濾波電容與該運算放大器的輸出端之間。
- 如申請專利範圍第2項所述之電子負載,其中,該電子負載進一步包括保護電路,該放大電路進一步包括第二回饋電阻,該第二回饋電阻連接於該運算放大器的負相輸入端與該第一回饋電阻之間,該保護電路包括保護電阻和第二電源輸入端,該第二電源輸入端用於與外部電源連接,該保護電阻的一端與該第二電源輸入端連接,該保護電阻的另一端藉由該第一回饋電阻與該場效應管的源極連接。
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