學生：陳威銘、卓昱宏 指導老師：黃昆松
四技電機四A
摘要:
本專題製作一個定電流電子負載，由穩壓、比較器、電流控制三大功能組合而成，它可以用來當作其他電路的負載而且電流可以任意擴增。透過實際測量，藉已證實其功能運作。
一.前言：
市售電子負載ㄧ般有定電壓、定電流、定功率與定電阻等四種功能，而ㄧ台40W的電子負載要價約4萬以上。電子負載最常使用是定電流的功能，如果能製作一個低價格且電路架構簡易、功能穩定的電路的來替代之，將有ㄧ定的應用價值
二. 工作原理：
本專題所製作的是定電流電子負載。負載可允許的電壓為直流0-100V，在此範圍內負載電流由電路來設定。
圖1為定電流電子負載工作方塊圖。由穩壓電路提供2.5V的穩定電壓經電阻分壓後供比較器參考電壓。比較器電路將某組之負載電流轉換為電壓後與參考電壓做比較，以調整電流控制電路之電流大小。電流控制電路由一個或多個模組組合而成，每個模組須取等量之電流，其電功率消耗於模組之功率電阻。分壓電路之電阻可以為可變電阻，藉由可變電阻調整比較電路之參考電壓藉此改變比較器之輸出，亦及調整電流模組之電流。
圖1、電子負載功能方塊圖。
圖2、主要功能運作圖。
(1)穩壓：
本電路採用TL431穩壓器如圖2所示。平常使用方法會將參考電位端加兩個分壓電阻藉以調整其輸出電壓，其範圍可以由2.5V至36V，而在此，參考電位直接接地，使其輸出為內定參考電位2.5V。
(2)比較器：
本電路採用LM358比較器如圖2所示。由穩壓器輸出2.5V之電壓接到一個可變電阻分壓，分壓所得之電壓直接接入比較器之正端，利用可變電阻可調節其輸出之電壓(最高至1.25V)進入比較器之正端。比較器負端來自電流控制模組之電流感測電阻(R6)所偵測之電流大小。比較器之輸出接到電流控制模組之電晶體，藉以控制其電流。
(3)電流控制：
本電路採用POWER MOSFET IRF540
作為電流控制元件如圖2所示。由比較器輸出之電壓接到MOSFET之閘極，其輸入電壓之大小將控制其電流大小。閘極電壓變
動會使其工作線產生高低浮動。本電路將使MOSFET工作於飽和區，在飽和區工作時其汲極電流(Id)將不受汲極與源極電壓(VDS)影響而維持在固定值。
三.實測結果:
TL431穩壓電路輸出電壓經量測為2.15V，與原估計值略有出入。
比較器電路經由量測其正端輸入電壓(V+)、電流控制之MOSFET閘極與源極電壓(Vgs) 以及MOSFET源極電流(Id)。調整可變電阻使得負載電流從1A到3A，結果發現V+電壓愈高Vgs則相對愈大，同時負載電流也相對提高如表1所示。
表1、比較器功能量測。
Id Vgs V+
0.25A 2.99V 0.26V 0.375A 3.005V 0.38V 0.5A 3.015V 0.49V 0.625A 3.125V 0.61V 0.75A 3.14V
0.72V
表2、IRF540量測。
Id Vgs Vds 0.25A 3.24V 11.8V 0.5A 3.3V 11.5V 0.75A 3.42V 11.2V 1A 3.52V 10.8V 1.25A 3.6V
10.4V
電流控制電路運作狀態經由量測
MOSFET源極電流(Id)、 MOSFET閘極與源
極電壓(Vgs)和汲極與源極電壓(Vds)。藉由調整可變電阻R3使得Id從0.25A至1.25A間變化，發現Vgs的變化在3.24V至3.6V之間，Vds變化範圍在10V到12V之間，參考
IRF540之輸出特性曲線圖，証明它工作在飽合區如圖4所示。
另外當調整負載電流為2A後，負載電壓由16V變化至28V，發現其負載電流仍維持2A，已證實定電流之功能。
圖4、電晶體輸出特性曲線。
圖2中12V直流電源為交流市電110V經整流變壓後所得，負責供應運算放大器及穩壓器電源。
如圖2中所示之電流模組每組最大電流輸出為2.5A，若欲加大負載電流，可以並連多個電流模組。
四.結論：
本專題製作恆流電子負載經測試確實具有恆流之效果，而且負載電流可以持續擴增，雖然與市售電子負載相比較功能仍然遜色許多，例如無法變動負載等，然而它製造成本低廉，性能穩定在某先特定應用仍然有其一定的價值。
在這次的定電流電子負載研究中，學習到了不少元件的應用，雖說只有幾個元件腦筋就有點轉不過來了，IFR的散熱也是讓其是否能達到理想工作電流的問題所以
以後有機會的話，打算朝定電壓定電阻方向研究，可以讓功能更加完整。
五.參考文獻:
(1)王金松‧高瑞賢‧陳和瑞，“電子學”，全華出版社87年9月。
(2)曹恆偉，林浩雄，郭建宏，陳建中 “微電子電路(上)” 台北書局有限公司第5版 2004年9月。 (3)IRF540之規格表
http://www.ortodoxism.ro/datasheets/stmicroelectronics/9387.pdf
(4)TL431之規格表，參考其規格與應用
http://blog.21ic.com/user1/558/archives/2006/23776.html
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