【参赛】可调电源和电子负载仪

w2000

      去年参加了矿坛举办的第13届DIY大赛，今年接着继续参与一下，热闹热闹。

      制作的这个电子负载是参考坛友的原理图，增加了温度控制和低压保护。

      前期由于没有合适的散热器一直没有动手，偶然得到一个铝型材，中间是空的，适合安装小型风扇，就开始动手了。
      
      画PCB时由于还没买风扇，没考虑风扇的电流，没有将风扇的驱动考虑进去，画好了板子又不好改，将就着在另一块板上装了个小继电器，因为用的暴力风扇的电流有0.8A，让7812供电的话吃不消。

      接下来在调试板子时，由于买的是质量不好台产的MOS管，用可调电源作负载时，当电压调高到22V以上是就烧管，每次烧一个，耽误了很多时间。

      另外，内部的可调电源，由于离参赛时间太近，安装的是还没改成可调的成品电源，图片中仅展示一下效果。

      按矿坛要求，先发一张多功能维修电源参赛图片。



      本来要详细写下制作的过程，但时间太仓促，只能先发下图纸和制作的图片，后期有需要再交流，望主办方见谅。发出来也是提供一种制作思路，也希望能对有制作需求的坛友提供一种参考。

       下面是画的CAD图纸，供参考。

















     下面是制作中的图片：



















    烧了的MOS管，可以看到内部是小芯片，后来买了拆机的MDP1991，全新的还不如拆机的。











    散热器上都打好了可以安装四块板的孔，本来打算装四块板，但考虑型材的散热，先装两块板吧，一般也用不到更大的电流。





















    内部可调电源的安装支架，本来打算用的是1mm的铁板，但散热器安装的MOS管不装绝缘垫效果会更好点，这个支架就改为亚克力材料了。































    面板在激光打印时试了很多种材料，最后决定采用这种PVC贴纸，但这种PVC面板背面有胶，直接打印时很不清晰，后来才发现是背面有胶的原因，去除胶时不完全也造成面板上的字有的不清晰，也有的是因为在激光打印时距离没调好，因报废了几块面板纸，就不想再打了。




    电源输出显示效果，没有时间改可调，有需要改的坛友可参考坛里的相关资料。



    电子负载测试效果



    最后上原理图（含坛友分享的和自己改动的），大部分坛友对其原理应该都清楚，不再详述。

    坛友分享的原理图如下



    自己改动的原理图如下



    再次说一下，由于工作上的事情比较多，这次参赛准备的时间严重不足，还望各位版主们见谅，谢谢！



补充内容 (2023-2-8 10:52):
发文字时没注意看，在前面第一段文字中的描述（ 按矿坛要求，先发一张多功能维修电源参赛图片）有误，
应该为：先发一张可调电源和电子负载仪参赛图片，请版主帮忙改一下，辛苦啦！谢谢！

w2000

其实这个可调电源和电子负载仪，应该叫（电源电子负载组合仪）这个名字更合适。当时时间匆忙，名字都没有好好想想

w2000

      还有一张原理图和PCB图没放上，上面的是接线框图。

原理图如下：



PCB图如下：



供参考

845pp

感谢分享！！！

w2000

      上面的系统接线框图，在单独对可调电源和电子负载调试时，没有什么问题，但在可调电源和电子负载全部接好线联机调试时有点问题，改为下面这种接线比较合适。
      
      

      为了赶在比赛截止时间前，没有完全调试好就发表作品，时间太仓促，请各位版主和坛友见谅！
      ！
      
      

wqhzhy5858

好牛的技术,向你学习了,致敬

w2000

wqhzhy5858 发表于 2023-3-2 10:51
好牛的技术,向你学习了,致敬

    版主都没有加分，说明技术不牛，不过是抄抄别人的再改进了一些而已，但还是谢谢您！

w2000

     重新拍了些测试效果图，还有面板贴纸图也一并上传，更直观点。请各位见谅！
     

w2000

         补充一下制作过程中的资料和记录的数据，方便有需要制作的坛友参考
        
         主要是记录过程，写得有点乱，请见谅！


                   自制可调电源和电子负载仪的过程及存在问题

           主要参数（电源：0-50V，14.5A；电子负载：100V，20A，600W）


    一、PCB问题
1、LM7812没有留散热片位，但在后面测试时发现电流很小，可不加散热片。
2、主电位器输出电阻（4个1K）后面没有放置抑制高频干扰电容（102P），先在板子底部临时加4个102P电容，后期再改板。
3、4个MOS管的安装螺丝孔位在PCB上小了点（直径5mm），应改为直径5.5mm，因安装螺丝帽的直径是5.4mm。原库里面TO-220封装的引脚直径偏小，用1mm的钻头加大刚好合适。
4、4个MOS管取样电阻的负极线路（即待测电源的负极），没有与控制电路部分的负极线路连通。
5、控制板上LM358控制风扇的接口改用12V继电器控制，在另外一块并联模块板上安装继电器，从主控板上引出继电器供电线和风扇供电线。主控制板没有对从板的12V供电接口，后期再改板。


    二、安装注意事项
1、元件的安装总高度为28mm，包括板上元件和板下MOS管的高度。
2、4个MOS管的安装高度为6mm，焊接MOS管时在管子下面垫一块小PCB板，则MOS管+小PCB板的总厚度为4.4+1.6=6mm。
3、PCB板的4个支撑柱的高度为6mm。
4、4个MOS管的安装螺丝孔，打孔时用PCB做定位，用5的钻头旋转定中点位，因安装孔是5mm。
5、4个MOS管的安装螺丝和4个支撑柱为3mm，用2.5钻头打孔，攻牙3mm。
6、因4个MOS管是TO-220金属封装，但后面加强了电源与模块板间的绝缘，不加绝缘垫。


    三、测试问题
1、仪表和控制板的辅助供电电源，是将一个12V2A小开关电源，改成输出电压为14.73V。因暴力风扇的电流有0.83A，如果直接用板上LM7812给风扇供电，容易造成控制板的供电电压不稳，所以改装了一个小开关电源给风扇和控制板供电。

2、控制板供电接上14.73V直流电源，待测电源端接上可调电源，输出14.5V，调节两个电位器，主电位器输出端有电压变化，但可调电源无电流显示。检查发现正如PCB布局问题4，两个负极没连通。

3、用导线接通两个负极，接上可调电源，电流表已经有显示。调节主电位器的输出电压至0.174V，可调电源的输出电流刚好达到3A，功率有45W。此时MOS管G极的电压为2.452V，S极的电压为0.167V。断电，待散热器冷却后重新上电，3分钟基本稳定后，重新测量4个MOS管的S极电压，其中Q1：0.1622V，Q2：0.1628V，Q3：0.1629V，Q4：0.1642V，最大相差2.2mV，应该是取样电阻阻值的误差造成，还是不错的。

4、散热器先没有安装风扇，在工作10几分钟后，散热器MOS管附近位置的温度上升到3０多度，证明整个电子负载基本工作正常。工作20几分钟后，温度上升到48度。

5、至此，电子负载基本正常。散热器是捡来的铝型材，尺寸80*80*188，但重量也有670克，因为看中这个铝型材是中空的，中间刚好可以安装40*40*28mm的暴力风扇，这样整体安装好的成品体积会比较小，再说手头上也没有合适的4个CPU风扇。本来打算在这个散热器上并联安装4块控制板，考虑到散热器的效果问题，也不会计算散热器的功率，但肯定没有CPU散热器的效果好，决定先对角安装2块控制板，后期有需求再加装另外两块板。


    四、电路原理图和PCB图
    原理图和PCB图这里就不贴了，具体见1 楼

    在画PCB时，没有考虑到风扇的驱动问题，实际安装时，在另一块板上的LM358位置，改动安装一个12V继电器控制风扇，直接用辅助电源（14.73V）串联两个二极管后对风扇（12V）供电。


    五、元件选用
1、功率MOS管选用FQP70N10、70A 100V、N沟道MOS场效应管、全新台产。后来试机时这个型号的管子全部烧坏，后面全部采用拆机管，型号MDP1991、TO-220、100V120A。
2、LM324使用ST厂家，但不确定是否正品；
3、4个采样电阻采用BPR56型无感水泥电阻，阻值0.22欧5W；
4、其它电阻全部采用1/4W金属膜电阻；
5、在PCB位置上的W1选用10圈精密可调电位器WXD3-13-2W；W2直接用18K电阻代替，一块板的负载测试电流约可达到10A，两块板并联可达到20A；
6、风扇温度控制电路中的热敏电阻为电动车充电器上拆机的；
7、电压电流显示表为淘宝上买的直流电力监测仪多功能表，型号PXC-D20C，200V20A带报警输出（有电压报警和电流报警），内置分流器，具体参数、接线方式和使用方法见另一个文档；
8、散热风扇为淘宝上买的暴力风扇，型号：暴力风机4cm厘米大风量日本三洋12V4028双滚珠散热风扇，尺寸：40x40x28mm；轴承：双滚珠；电压：DC12V ；电流：0.60A-暴力款；工作电压；8-13.2VDC；功率；6W；风量；21.CFM；转速：12500转；噪音：45DB；
9、电流转换开关采用30A大电流船形开关，型号：KCD4型，六脚两档带灯；
10、电压转换开关采用6A船形开关，型号：KCD1-202型，红色六脚两档。


    六、电子负载模块板调试问题
1、调节主电位器，使控制板工作电流为1mA ，测量1K输出电阻上的输出电压为0.0078V，分别测量LM324的四个输出端，其中：
    1脚输出2.069V，Q2的G极电压为1.602V；
    7脚输出1.954V，Q1的G极电压为1.702V；
    8脚输出2.336V，Q4的G极电压为1.936V；
    14脚输出2.069V，Q3的G极电压为1.702V。

    2、可调电源调到最高29V，调节控制板主电位器让电流缓慢增加，当增加到3.5A左右时，突然可调电源的电流增大到5A限流保护，然后主电位器失调，无法调节电流。断电测量4个MOS管的D-S间已经短路，但4个MOS管并联安装，不能确定哪个MOS管损坏。重新上电，分别测量4个MOS管的G极，Q1、Q2、Q3的G极电压基本相同，而Q4的G极电压偏低，怀疑Q4的DS间击穿短路。

    3、拟测试和调整电路
    1）、准备在更换MOS管后，由于Q4的DS间击穿，根据调试问题1的现象，可能本来LM324的8脚输出的电压就偏高，同时在测试问题3中，Q4的S极电压为0.1642V也偏大，应先用示波器测试LM324的8脚波形。
    如8脚波形与其它3个输出脚的波形有区别，则更换LM324（原厂家为ST，更换为Ti）再测试波形。后面测试时因为是MOS管的质量问题，换管正常后就没用示波器观测。
    2）、将连接两个负极的导线改到连接至R18的负极端与R39负极端（原连接端为R39旁的接线端子与JP4 右端）。
    3）、在待测电源的正负极端，即4个MOS管的GS间，增加抑制高频干扰防震荡电容，容量为103-104P，电压100V以上，在测试时没有明显效果；再串联一个2Ω2W电阻测试时，电阻发热比较严重。

    4、更换MOS管后测量的数据
    拆下Q4测量GS间已经击穿短路，更换同型号MOS管，更改两个负极连线位置，增加待测电源正负极间防震荡电容（124P涤纶电容），安装好控制板，重新测量电压和电流数据如下：
接入待测电源（可调电源）电压15V，电流1.01A时，主要参数如下：
主电位器输出电压：0.0648V
1K电阻输出电压：0.0648V
LM324的4个输出端电压：1脚2.976V，7脚2.922V，8脚2.975V，14脚2.921V。
4个MOS管的G极电压：Q1：2.405V，Q2：2.454V，Q3：2.402V，Q4：2.447V。
4个MOS管的S极电压：Q1：0.053V，Q2：0.053V，Q3：0.053V，Q4：0.054V。

接入待测电源（可调电源）电压15V，电流3.01A时，主要参数如下：
主电位器输出电压：0.1703V
1K电阻输出电压：0.1703V
LM324的4个输出端电压：1脚3.04V，7脚3.0V，8脚3.042V，14脚2.997V。
4个MOS管的G极电压：Q1：2.466V，Q2：2.502V，Q3：2.463V，Q4：2.5V。
4个MOS管的S极电压：Q1：0.159V，Q2：0.159V，Q3：0.159V，Q4：0.161V。

    5、调试中烧MOS管问题
    如调试问题2，在将可调电源调到22V时，调节控制板主电位器让电流缓慢增加，当增加到4.5A左右时，突然可调电源的电流增大到5A限流保护，然后W1主电位器失调，无法调节电流。断电测量4个MOS管的D-S间已经短路，但4个MOS管并联安装，不能确定哪个MOS管损坏。重新上电，分别测量4个MOS管的G极，Q1、Q2、Q4的G极电压基本相同，而Q3的G极电压偏低，怀疑Q3的DS间击穿短路。拆下控制板，焊下Q3测量DS间已经短路。

    更换同型号Q3后装好控制板，再如上述电压测试，当电流加大时可调电源的电流又增大到5A限流保护，测量四个MOS管的G极电压，Q2的G极电压偏低，拆下控制板和Q2，测量Q2的DS间已经短路。

    在第一次烧管后，以为控制板LM324输出至MOS管间存在振荡干扰，即相继增加了如G极限流电阻并联保护稳压二极管（15V）、G极对S极并联20p电容、待测电源的正负极端并联RC防震荡元件（2Ω2W电阻串联CBB105P电容）、将控制板上的供电负极环路断开等措施后，仍无效果。依旧在电压增加到22V以上时发生第二次和第三次烧MOS管。基于上述测试情况，怀疑所用的MOS管质量有问题，砸开烧坏的MOS管，发现内部是小芯片的那种，不是传统的大芯片。

    其中在增加2Ω2W电阻串联CBB105P电容防震荡电路时，当电压调高后，电阻发热比较严重，徐放弃了此种方案。

    重新在某宝上找了种拆机的MDP1991（100V120A），一次买了40个。到货后全部替换原FQP70N10管，装好控制板，先将可调电源调至15V，加载测试控制板正常，缓慢调高电源电压至23V，电子负载控制板依旧正常。继续调高电压到29.5V，控制板依旧正常，去掉保护稳压二极管、S极并联电容、RC防震荡元件后控制板仍然可正常工作，说明不是控制板存在振荡干扰，而是原MOS管质量引起的问题。

    6、调试风扇温控电路
    如果采用LM7812对风扇供电（风扇电流为0.83A）则比较吃力，改为在PCB的FAN处反向并联一个1N4007，并接12V继电器供电端，用继电器的常开触点控制风扇，常开触点一端接风扇正极，一端接辅助供电电源（14.73V）的正极，风扇负极接供电电源负极。

    在电动车充电器上拆了个热敏电阻，室温时（此时室温约15度）测量阻值约为15K，将R29、R30、R31的阻值设定为10K，用烙铁头对热敏电阻加温，温度升高时风扇启动，降低后风扇停转，基本可实现风扇的温度控制。将热敏电阻用固定板固定在MOS管附近的散热器上，重新加电测试，但在工作几分钟后风扇即启动，此时，手摸散热器的表面温度很低，实际在热敏电阻处的温度应该在30度左右，温度控制太灵敏，后面要更改R29、R30、R31的阻值。可能热敏电阻的常态阻值是10K的，R29、R30、R31的阻值应改为5K左右比较合适。
后面试验时，直接在R29、R30、R31上各并联一个10K电阻，加载测试，在温度达到约40多度时，风扇开始启动。

    7、调试低压保护电路
    采用低压保护电路可设置待测电源的欠压保护值，方便实际测试各种电源。用仿真和计算方式确定欠压保护电路中电阻值与对应电压的关系，通过计算，在原理图中W2的取值为10K，即可在电阻为10R-10K时，实现对电压5.9V到64.5V的调整。具体阻值与电压的对应关系如下表：


说明，此电路暂时不接入W2，即低压保护电路暂时不工作，后期有需要再调整。


    七、整机联机调试问题
    1、可调电源与电子负载控制模块间的隔离问题
由于MOS管没有安装散热绝缘垫，是直接安装在散热器上，而散热器与整机外壳也是直接接触，虽然可调电源安装在散热器上采用了亚克力材料做绝缘，但电源外壳后面与整机外壳仍有接触短路。
拆下可调电源，在电源外壳后面与机壳的接触部位再粘贴青壳纸做绝缘，将固定电源的外侧亚克力螺丝孔加深至平整，并贴上电工胶带绝缘，防止盖上上盖后造成短路。在上盖固定螺丝时会对电源外壳后面短路，将电源外壳的上盖螺丝处钻一个直径6mm的孔，让出螺丝位避免短路。

    2、可调电源与电子负载控制电路联机调试问题
在第一次联机调试时，发现电子负载不能正常工作，断开可调电源的接地线仍不能正常，断开电源的L、N输入时才能正常。分析查看发现，如整机联机调试问题1所述，电源的外壳后面与整机外壳有接触，造成电子负载工作不正常，处理措施如问题1所述后基本正常。
在可调电源和电子负载基本正常后，再次测试发现，电子负载测试时电压电流等的显示都正常，但电源的电流和功率显示的却是负值。系统接线框图一如下图：





    按系统接线框图一分析，发现两个设备间的接线有问题，即当电流转换开关转换到电子负载功能档使用时，电流的流向是正确的（由正极进入后，经过电子负载模块，再经过显示表的1端进入后由3端流出至负极）。但转换到可调电源档时，电流的流向则相反，即电流由电源正极输出后经过负载，再由负极端进入到显示表的3端后从1端流出至电源的负极，从而导致在可调电源工作时显示的是负值。

    根据分析结果，决定更改转换开关电流端的接线方式，增加一个两档6脚开关用以切换显示电压和切断辅助电源对电子负载模块的负极供电，把原来的电源开关改到设备后面和电源插座一起，更改后的系统接线框图二如下图：




    按系统接线框图二，将电源开关改装到机器后面，原电源开关位置改为两档6脚电压切换开关。重新更改接线后，再次试机，电源和电子负载都能正常工作，但又出现如下问题：
    一是电子负载工作时显示的电流值有偏差，在输入电流1-2A时，电流显示值偏小100-200mA，输入电流4A左右时，显示电流偏小400-500mA；
但切换到可调电源模式，输出电压调到24V，接入电阻负载（4个10Ω50W电阻串联）后，显示0.602A的电流，用万用表校测则基本正常。

    二是当电流转换开关位于电子负载档，而电压转换开关位于电源档时（此时可调电源的输出电压为24V，电子负载输入端无电源负载），显示表显示的电压值有80V左右，电流值为-0.06A左右，功率为-3.2W左右。
    按系统接线框图二分析，发现应该可能是电压转换开关的接线有问题，在当上述转换开关所处的位置情况时，可调电源的电压（24V）叠加上辅助电源的电压（14.7V）和显示仪表的电压（41.3V），约等于80V。显示仪表的4端至辅助供电+端的电阻，正向约为1.15K左右，反向约为0.993K，电压应有80-24-14.7=41.3V。

    但当接上可调电源的接地线时，显示的80V降为1.35V，电流显示为-0.06A，功率显示为-0.00W。因为有电流底数且为负值，说明还是电压转换开关的接线问题。

    根据分析结果，决定再次更改电压转换开关端的接线方式，并增加两个1N4007二极管用于隔离显示仪表和电子负载模块的正极供电，更改后的系统接线框图三如下图：





    按系统接线框图三的接线方式重新更改接线后，再次试机发现，如上操作所述，即当电流转换开关位于电子负载档，而电压转换开关位于电源档时（此时可调电源的输出电压为24V，电子负载输入端无电源负载），显示表显示的电压值为1.35V，电流值为0.000A，功率为0.0W。电流转换开关不动，电压转换开关位于电子负载档时，显示表显示的电压值为0.03V，电流值为0.015A，功率为0.0W。电流显示值仍有底数，电子负载输入端接入电源负载，显示的电流值仍与按系统接线框图二的接线测试结果差不多，即电流值仍偏小比较多。

    因为显示的电流值仍有底数，检查测量两块电子负载控制板的总静态电流为65mA，继电器工作电流为45mA，但此时没有启动则不计入电流值。怀疑在接线中存在电流流向显示表而引起电流显示底数，仔细分析辅助电源对显示表和电子负载模块的供电，发现可能是显示表和电子负载模块共用负极的原因造成。

    如果是共负极的原因，就要对两个负极进行隔离，在辅助电源的负极对显示表和电子负载模块的负极反向串联加上两个1N4007二极管后试机，发现显示电流值增大为0.052A，分别短路两个二极管，其中短路对显示表负极的二极管后，电流显示为原来的0.015A；短路对电子负载模块负极的二极管后，电流显示0.000A，已经显示正常。说明在用二极管对显示表负极与辅助电源负极隔离后，已经消除了电流显示的底数。

    按上述短路二极管的接线方式更改后，重新在电子负载输入端接入电源并串上万用表试机，显示表的电流值与万用表测量值误差只有2mA，已经基本一致。重新更改增加隔离二极管后的系统接线框图四的接线方式如下图：




    至此，可调电源与电子负载控制电路联机调试已经正常，对于两个切换开关所处位置不同时，显示表显示的电压底数有1.35V和0.03V，因不影响正常使用，则忽略不计。
    注意事项：使用时应将电流转换开关和电压转换开关同时处于电源档或负载档。



    另外说一下可调电源改装
1、可调电源采用CNDF品牌，型号为S-350-24，输出24V14.6A，功率350W。此处应用改装只改电压可调，不改电流可调。
2、按以前的电源改装教程，拆掉两个150K启动电阻R12、R9，剪断J22；换J15为20K五环电阻；剪掉ZD1（30V过压保护稳压管）；挑起R23对电源一端（这个R23的5.6K电阻是四环电阻精度较差，最低电压会有底数，实测5.546K，此处再串联了一个47R电阻）并接在10K电压电位器的2脚；换上三个63V1000uF输出滤波电容；找了个路由器电源（12V1A）做辅助电源，将辅助电源输入线接在整流桥的输出正负极端（即两个热敏电阻脚上），输出线的正极接在J22对TL494的12V供电端，负极接在J13上，电压电位器的1脚也接在此处，电压电位器的3脚接到TL494的13-14脚5V端。
3、将辅助电源用青壳纸包裹绝缘后放在整流桥与变压器间的空隙处，装好底部绝缘板，装好功率管的绝缘散热垫并锁紧螺丝，锁好板子的固定螺丝，盖上上盖并锁好螺丝。
4、可调电源改装完成，加电测试，电压可以从0-49.6V可调，最低电压的底数有0.03V，已经很低了，最高电压本来可达到50V，但因电位器的最大阻值只有9.95K只能调到49.6V。接入40Ω功率电阻（4个10Ω50W电阻串联），电流显示正常。



    至此，自制可调电源和电子负载仪制作完成

w2000

再补充说明一下，
改可调的CNDF品牌电源，型号S-350-24，和铭纬电源S-350-24或S-350-27是一样的，主控芯片是TL494，内部结构和元件编号基本相同。

w2000

其实本制作的亮点在于利用普通铝型材+暴力风扇做成的散热器，风扇的风量很大，弥补了铝型材的不足，坛友制作类似的机器时，不用到处找专用散热片，铝型材普通易得，做门窗的小店都能找到类似的。

w2000

本制作的PCB在某宝上打样很便宜，10元5片还包邮，收到货时发现还多送了1片。在杭州周边有需要的坛友可以送1片（有2片，一位坛友送一片），出个邮费就行，不用画板不用打样，直接按本制作的图纸就可以DIY一个电子负载了。

guox

好资料，先收藏，回头制作一个

plazlf

不错。
1、模块化设计思想，便于维修和升级。2、采用MOS器件，廉价又高效。3、使用所谓"直流电力检测仪“,降低了制作难度。4、使用PCB制版软件和CAD软件，便于交付工厂批量制造。

liguobin

大神，不得了