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制作直流标准大电流

时间:2012-10-19  来源:38hot  作者:lymex




电源部分采用磷酸铁锂电池,4节50Ah的并联,标称电压3.2V,放电电流100A非常轻松(0.5C)。

检流电阻采用L&N的4223,最大100A,照片见上面第5帖。这是我最好的100A检流电阻了,除了这个外,次好的100A只有很差的分流器了。

被检测电阻(恒流负载)是一个600A的分流器,50mV标注,国外的东西,内阻不到0.1mR,100A下压降不到10mV,因此必须大电流才能测试好。
目前只有这个小照片



DIY MOS管,是最费事的地方。
找了一个散热片做基础,采用IRL3803低压大电流MOS管16个在上面做并联,适当间距钻孔攻丝(M3),管子的漏极直接压在散热片上,导电导热都很好。


用5平方的铜丝串联漏极。这部分其实不是必须的,因为散热片已经起到了导电的作用。但不用也白不用,地方也够,才在管脚上也做了并联。


然后加一层F4绝缘、对源极进行类似并联。由于源极没有散热片帮忙,因此用了两根5平方的铜线并上,以便减少内阻。
栅极是先串联51欧电阻后并联的,用黄线引出到柱子上。另一个对称的绝缘柱,是源极的信号引出线。


管芯取下,上硅脂后重新安装


最后,装好接线柱和保护背板就算完成了。经过测试,此并联MOS管在全部导通状态,从接线柱测试的总电阻,只有0.61mR,其中管子0.34mR、其它的接触电阻和导线电阻合计为0.27mR。



仿真电路,其中并联MOS管只用了5只(多了画法复杂),而且其中4只的栅极对源极并联了100nF的电容,用来增加驱动难度,仿造多管并联。同时,直流电源上叠加了一个0.15Vrms、100Hz的交流电源(峰峰值0.8V),模仿交流干扰,也是好滤波的状况。仿真结果,输出100A稳定,噪音/短稳为3.4ppm,算不错的结果吧,至此DIY 100A电流源完成。

补充,二端大电流恒流二极管

二端恒流管使用起来很方便,可以是串联一个电源,这样就形成恒流源,对变化的负载电阻恒流放电:

从功能上看,此种恒流源需要恒流二极管具有比较高的工作电压范围,实际上是0V到30V,但最主要的是恒流电流可调,这一方面可以用分流器来换档,另外主要靠一个电位器从0起调(0-100%,可外接)。
此时,由于MOS管做的恒流源的最小导通电起始比较小,比如分流器使用100A50mV在恒流50A时,压降只有80mV,其中25mV是分流器的,40mV是MOS管的,15mV是引线的。这样,调节电压源,就可以实现恒压恒流功能,可以对锂电充电。

另外,上述电路也可以去掉RL(短路),这样就直接对电压源进行放电,也就是成为了恒流电子负载,用途包括给电池放电:


显然,只要有了二端恒流器件,就可以简单转换完成恒流源恒流电子负载两个作用,解决了不能兼容的问题。
这对于某些应用就很方便,例如大容量电池的充电和放电,做一个大管子就可以同时解决。


为了做到这一点,其实也不难,其实上面的DIY已经包含了恒流二极管,只不过是分离的,只要把MOS模块、分流器、驱动部分放到一起即可,从照片上看,实际上是在MOS管的输出端部补了一块板,安装了分流器和驱动:


目前情况,恒流电流可以通过改换分流器(照片上是600A)以及调节电位器来改变,恒流特性良好,最高工作电压大约是30V,最低可以0.1V以下。
以后可以追加的功能:
1、可调欠压关断(可调范围1.0V到12V),这样给电池放电的时候,电压低到一定程度停止放电,避免在无人看守的放电场合对电池造成过放而损害;
2、过压关断,或过热关断。
这两个功能需要两个比较器即可实现。

十、测试与应用

100A的恒流电源的测试,是用3458A采集采样标准电阻的电压(大约100mV),然后除上标准电阻值(1mR)换算而成,采样间隔0.8秒,曲线如下:


测试只持续了1分钟,因为MOS管散热片不大,也没有加风扇,已经很热了。不过,结果很不错,除了上电过程有抖动外,很快稳定,标准差为3.3ppm。

当然,这个测试并非独立的、真实的电流,而是采样电阻上的电压而已。那么还有更好的测试方法吗?恐怕没有了。如果有的话,那也是要用在电流采样上,毕竟这是系统中最关键的部分。



大电流源的使用
1、测试小电阻/分流器的绝对电阻
这个假设采样电阻(Rs)是已知的,用2×2开关分别测试采样电阻和被测电阻(Rx)的电压,求出比例系数r,这个就是两个电阻的比例,因此可知Rx。用公式推导如下:
由于流过Rx和Rs的电流相等为I,则I=Vs/Rs=Vx/Rx,因此Rx = Rs × Vs/Vx  =  Rs / r

2、对比小电阻/分流器的绝对电阻
用另外一个已知电阻与被测电阻一起串联,用2×2开关分别测试这两个电阻的电压,类似求出Rx

3、测试小电阻/分流器的温度系数1
类似方法1,但断续多次测试,每次测试改变被测电阻的温度,这样就可以求出不同温度下的Rx,从而得到温度系数。

4、测试小电阻/分流器的温度系数2
类似方法1,但测试时间加长,同时在被测电阻的阻芯处加装温度传感器,这样就可以检测到自热而引起的温升,以及相应的电阻变化,从而得到温度系数。十一、未来

1、改善性能
要改善电流的指标,有如下几个方向:
A、改善采样电阻。其实我并不赞成采样电阻的高电压,0.1V足够了,高位表完全可以通过对比测试达到10ppm之内,因此不必追求用1V档,那是老表放大不利的历史原因。高联的100A标准分流器,其压降已从1V改到0.4V了。
相比之下,1mR的BZ3,最大电流为33A,压降也就是33mV,不也是一样测试到1ppm。
因此,把标准电阻和标准分流电阻的压降综合看,0.1V到0.2V之间比较合适,大电流下可以继续降低。
改善采样电阻的另外途径,就是采用低温漂的材料,例如Evanohm,beta温漂也很小,曲线平直。
至于采样电阻的老化问题,可以不必特殊考虑,越小阻值的就越厚越大,因此也对环境腐蚀等因素不敏感,老化也越小。
B、改善基准
基准对电流源的影响是直接的、无弱化的。例如1ppm的噪音,就至少引起电流的1ppm噪音;基准1pm/C的温漂,必然也影响电流源的温漂。不过,基准的问题相对好办,采用非恒温的,也可以把稳定性做到20ppm,温漂几个ppm每度。另外,基准问题可以分别校准,只看对比的0.1V输出即可。
C、改善误差放大器
100mV的采样压降,1ppm对应0.1uV,而采用自稳零运放,可以把Ib的影响、Vos的影响限制在零点几个微伏,也就是几个ppm之内。另外,运放的老化和噪音,也都在零点几个微伏之内,因此也不是问题。另一方面也可以看出,运放已经限制了大电流源的继续提高,达到几个ppm也快到极限了,也希望我们选择最好的自稳零运放,比如LT1052。
D、改善电源
电池仍然是非常理想的电源,如果需要提高持续时间,可以采取在线充电的方式。


2、做成成品的样子,加外壳


3、基准要多做几个分压值,例如(电压、用途)
0.05V、配合进口分流器,或者大电流测试
0.075V、配合国产分流器
0.10V、100A标准,已有
0.20V、200A标准,
0.25V、250A标准,
0.4V、高联标准
0.5V、500A标准
0.8V、Fluke标准



4、内置一些标准电阻,较小电流下可方便换档的,不用外接


5、DIY 大电流采样电阻,200A、500A,取得更大的电流
可以考虑用47个PVB电阻(0R047)并联得到大功率1mR,压降0.2V和0.5V,单个电阻的功率分别是0.85W和5.3W。



补充第5贴里面的一个图片

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