一招学会运放设计——温控电子负载

相关实验

一招学会运放设计——恒温控制

背景

在模拟电子线路学习中，大多数时间是在学习各个单元电路，分析单元电路。也就是这个电路是事先搭好的，分析一下它的原理，计算一下它的输出。在学了这些基础知识后，除了用于考试，我们是否能设计自己的电路呢？本文讲解一个常用的运放电路设计思路，让你也可以根据需求设计自己的电路。

敲黑板划重点：

设计运放电路，要用到运放在负反馈情况下的一个重要等式。也称为“虚短路”。利用这个等式关系，就可以设计出需要的电路功能。所以，第一步要设计好等式两边，第二步要设计出负反馈。

知识回顾

运放的输出经过电路“黑盒A”和“黑盒B”后到正相和负相输入端，在运放的深度负反馈作用下，Ua=Ub，这个等式称为“虚短路”。（实际中Ua≈Ub，两者差值在微伏到毫伏之间，开环增益越大，差值越小。）例如正相放大器，黑盒A里是R1和R2. 黑盒B里是Ui输入。

干货上场

负载应用举例

电子负载简单的说就是用电子线路来替代电阻这个常用负载。设计电子负载前，先看看电阻这种负载在电路中的使用方法。负载最常用在测试电源时。例如，有一个做好的小功率12V电源，要测试一下它的最大允许输出电流。找来一个功率滑动变阻器。先调节到100欧，接到电源的正极和GND上。测试电源输出在11.98V。再继续减小电阻到30欧，测试电源输出到了11.4V，降低到95%，电流为380mA。定这个降压5%时为最大输出电流。这时这个负载上消耗的功率为 。

再例如，有一个焊接好的用电压控制的可调电源，测试在给定负载电阻20欧时的电压输出。电源设计按控制电压1V到1.5V变化，输出对应3V到15V。接上20欧电阻负载后，控制电压从1V到1.5V变化，输出电压出现非线性。然后带负载排查电源电路中的问题原因。

需求分析

通过以上两例，了解了电阻负载在调试电源和测试电源中的作用。从这些例子中提取电路设计的需求。

需求项	说明
跟待测电源的接口	两个端口，一个是GND，一个是Vin接待测电源的输出
负载电流	电子负载电流可调，并且可以恒流
负载的电阻	电阻负载电阻可调，并且可以恒阻
用户调节方法	用电位器调节

设计等式

从基本的欧姆定理出发，I = U/R，移动分母去掉除号，I*R=U。等式左边可以看作是一个检流电阻上的电压，等式右边可以看作是用户调节电位器得到的分压。这样，用户调节电位器的分压比例K就可以控制检流电阻里的电流。这个电流可以用于电子负载的可调电流和恒流功能。

U1= IR，U2=VrefK，

U1=U2则 IR=VrefK，

I= Vref*K/R。（可调电流和恒流模式）

对于恒阻情况，R= U/I ，电压和电流同比例变化，就可以得到恒阻。将电位器P1上的基准电压Vref换为待测电源的输出电压Uout，电位器分压比例为K。调节电位器的分压比例K，就可以调节电子负载的恒阻值。

U2= UoutK。U1= IR，

U1=U2得I = Uout *K/R。

负载的电阻= Uout / I= R/K。（可调电阻和恒阻模式）

设计负反馈

有了等式，下一步就是看把等式如何放到“黑盒A”和“黑盒B”里。也就是设计负反馈。有了负反馈，运放的Ua才等于Ub，等式才能工作起来。例如小球A，位置稍有变化，就会掉落。小球B位置变化后，在重力作用下就会返回。这就是负反馈的作用。

由基准电压产生的U2，是调节分压比例K得到的，无法反应电路中的变化。U1是电流I经过电阻R产生的，I越大U1越大。将U1进行负反馈后控制I，则U1增大使I变小。这样在负反馈的作用下，电流I就如同小球B一样，偏离原来的值后，就会被拉回来。

控制电流，需要用到教科书里讲到的三极管恒流源（是射随器结构）。将U1连到Ua，U1的电路放到黑盒A里。U2连到Ub，U2的电路放到黑盒B里。最后的原理图如下

硬木课堂仪器测试

实物搭建

使用±5V给运放供电，+V可调电源用于测试电子负载。万用表测试电压和电流。

开启电源

按下实物电路中的开关，先测试恒流模式

设置信号源HSS发生直流

测试表格1

设置一个HSS直流控制恒流值，然后变化+V电源电压. 检流电阻R1=1Ω。恒流值 I = HSS直流 / 1 。

HSS直流 mV	万用表测电压 V	万用表测电流 mA
100	14.68	99.3
100	12.02	99.3
100	4.01	99.2
100	1.96	99.4

结果：电压变化后电子负载会自动调节，实现恒流。

弹起实物电路的开关，测试衡阻模式

测试表格2

旋转电位器设置一个衡阻值，然后变化+V电源电压. 测试电压和电流。恒阻值 R = 电压 / 电流 。

万用表测电压 V	万用表测电流 mA	电子负载的电阻值
14.1	265.7	53.06
9.47	178.2	53..14
4.74	89.3	53.08
1.915	35.87	53.38

结果：电压变化后，电子负载会自动调节，使得电压比电流的值恒定。也就是实现了衡阻负载。

注意：如果用万用表的电阻档取量电子负载的电阻值，是不能正常测试的。这是因为万用表的电阻档是通过产生一个小电流流过待测电阻，然后测试待测电阻上的电压。然后电压除以电流计算出待测电阻值。例如，用万用表测试一个真实电阻50Ω，它的两端电压16mV。这个电压不能使电子负载内部的三极管工作在线性区。电子负载内部的三极管饱和电压在0.3V。

另外：电子负载的实物图中，黑色的是散热片，因为电子负载的功率耗散在三极管上。三极管会发热严重。
下一讲一招学会运放设计——温控电子负载会使用运放设计一个简单的纯模拟恒温控制电路。使电子负载工作的更舒服。