關于恒流源電路的研究與幾種設計方案

1、第一章 引 言 隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展,恒定電流源的應用將十分重要，如機器人、工業(yè)自動化、衛(wèi)星通信、電力通訊、智能化儀器儀表以及其它數字控制等方面都迫切需要應用恒定電流器件， 因此, 研究和開發(fā)恒流器件具有十分重要的意義。許多場合, 尤其是高精度測控系統(tǒng)需要高精度的電壓源與電流源。微電子工藝的高度發(fā)展, 給我們提供了許多小型化、集成化的高精度電壓源, 但電流源, 特別是工作電流大的高精度電流源仍需使用者自行設計實現(xiàn)。恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源 ,因此恒流源的應用范圍非常廣泛 ,并且在許多情況下是必不可少的。例如在用通常的充電器對蓄電池充電時 ,隨著蓄電池端電壓的逐漸升高 ,充電電流就會相

2、應減少。為了保證恒流充電 ,必須隨時提高充電器的輸出電壓 ,但采用恒流源充電后就可以不必調整其輸出電壓 ,從而使勞動強度降低 ,生產效率得到了提高。恒流源還被廣泛用于測量電路中 ,例如電阻器阻值的測量和分級 ,電纜電阻的測量等 ,且電流越穩(wěn)定 ,測量就越準確。本論文主要概括了恒流源的基本概念，并設計出幾種不同要求的恒流源，運用了SPCE061A單片機設計出新型數控恒流源，具有高穩(wěn)定性和高靈敏性。對以往恒流源進行了改進創(chuàng)新。第二章 基本恒流源電路2.1恒流源基礎知識基本恒流源電路是恒流源電路的基本組成，是分析恒流源電路的基礎。2.1.1恒流源介紹恒流源 ,是一種能向負載提供恒定電流之電路 .它既

3、可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點 ,又可以作為其有源負載 ,以提高放大倍數 .并且在差動放大電路、脈沖產生電路中得到了廣泛應用 .過一定的論述 .然而 ,對各種恒流電路之對比分析 ,各自應用特點 ,以及需要改進的方面 ,還有待進一步研究 ,本文就來探討這些問題 .2.1.2恒流源的原理和特點2.1.3恒流源的分類一般而言 ,按照恒流源電路主要組成器件的不同 ,可分為三類 :晶體管恒流源、場效應管恒流源、集成運放恒流源 .下面分別予以說明 .2.1.3.1晶體管恒流源這類恒流源以晶體三極管為主要組成器件 ,利用晶體三極管集電極電壓變化對電流影響小 ,并在電路中采用電流負反饋來提高輸出

4、電流之恒定性 .通常 ,還采用一定的溫度補償和穩(wěn)壓措施 .其基本型電路如圖2.1.3.1所示 .圖2.1.3.1基本型電路圖2.1.3.2改進型電路1、2分壓穩(wěn)定點電位 ,形成電流負反饋 ,輸出電流0=（-）/ /(>>) .且其等效內阻4為 :=1+ （+） （1）式中為晶體管集射極間電阻 ,一般為幾十千歐以上 ;為晶體管輸入電阻 ,一般為幾千歐左右 ;=1/2.若設=5 ,=10 ,晶體管參數=100 , =100,=2. 6 .可得到=100× 1+ 100× 5/（10+ 2. 6+ 5） =3可見 ,只需幾伏的工作電壓 ,采用一個晶體管 ,其等效內阻是

5、非常巨大的 .為了減小溫度變化對晶體管參數的影響進而影響輸出電流的恒定性 ,可采用圖2.1.3.2所示改進型電路 .圖2.1.3.2()中 ,二極管作溫度補償 ,抵銷溫度變化對晶體管參數的影響 .為了更好地解決管子溫度特性一致的問題 ,圖2.1.3.2()中 ,三極管1接成二極管的形式 .有時 ,為了減小電源電壓波動對輸出電流之影響 ,圖2.1.3.2()中采用了穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓 .圖2.1.3.2()中 ,流過基準電阻的電流 與輸出電流0的關系1為 :0/=2/1,故又稱為比例電流源 .若令1=2或都為零 ,則0=,稱為鏡像電流源 .若令1=0,則可得到微安量級的輸出電流 ,稱之為微電流源 ,

6、主要應用于需要提供微小偏流的場合 .有時 ,要實現(xiàn)輸出電流可控 ,且極性可正可負的恒流源 ,可采用圖2.1.3.3所示電路圖 為輸入控制電壓 ,三極管1、2參數一致 . 當=0時 ,1=2,0=0;>0時 ,1<2,0<0;<0時 ,1>2,0>0;且由圖2.1.3.3可得 V+Vi - VBE2 V-Vi -Vbe1 圖2.1.3.3 雙極性恒流源 I。= 4 I2 = 4 Re Re . 因而0 =1-2= -Vi /2Rc.可見 ,輸入控制電壓 實現(xiàn)了對輸出電流0極性與大小的控制 .2.1.3.2場效應管恒流源由場效應晶體管作為主要組成器件的恒流電路如

7、圖2.1.3.4所示 .圖2.1.3.4()中 ,1、2分壓穩(wěn)定點電位 ,=2·(1+2),而 =-, ,根據公式5: =( 1- )*2 （2） 可解得=+| ( 1-I/) /式中 表示為夾斷電壓 ,為飽和漏極電流 .也可以去掉電源輔助回路 ,變成一純兩端網絡 ,電路如圖2.1.3.4()所示 ,由圖可得=- 圖2.1.3.4場效應管恒流源 圖2.1.3.5改進型 對于場效應管恒流源的等效內阻 ,我們也不難導出=( 1+) ( 3)式中為場效應管漏源極間電阻 ,為其跨導 .若設=100 , =2/ ,=5 ,則=1.1 .可見 ,其等效內阻也是非常巨大的 .另外 ,從 ( 1)式

8、與 ( 3)式還可以看到 ,將電阻 或 增大 ,晶體管恒流源內阻則趨于最大值 ,而場效應管恒流源內阻會趨近于無窮大 .由此 ,采用較大負反饋電阻 ,場效應管恒流源會取得更好的等效內阻指標 .若將場效應管與晶體管配合使用 ,組成如圖2.1.3.5所示電路 ,并輔之以溫度補償和穩(wěn)壓措施 ,則恒流效果會更佳 .圖2.1.3.5中 ,設晶體管2級等效內阻為,則=1+(+)代入公式 ( 3) ,可求得該恒流電路等效內阻=1+·1+(+) ··( 1+(+)可見 ,其等效內阻進一步增大 .2.1.3.3集成運放恒流源若要擴大輸出電流的取值范圍 ,采用如圖2.1.3.6所示的集

9、成運放恒流源 .圖2.1.3.6()中 ,穩(wěn)壓管 進行穩(wěn)壓 ,1柵流極小 ,輸出恒流0=/1,只要2的參數允許 ,這種電路可輸出幾百以上的穩(wěn)定電流 .有時 ,需要負載一端按地的場合 ,電路如圖2.1.3.6()所示 ,輸出恒流0=2/2.假定運算放大器能供給 5以上的基流 ,晶體管 >100,則0可以超過 500 .為防止運算放大器和晶體管進入飽和狀態(tài)影響電路的正常工作 ,負載 取值不能過大 ,該電路適應于小負載大電流的場合 .圖2.1.3.6集成運放恒流源在某種特殊情況下 ,需要實現(xiàn)兩個電壓的差值來控制輸出電流 ,電路如圖2.1.3.7所示 .很顯然 圖2.1.3.7差動恒流源2.2總

10、結各種恒流源特點由晶體管構成的恒流源 ,廣泛地用作差動放大器的射極公共電阻 ,或作為放大電路的有源負載 ,或作為偏流使用 ,也可以作為脈沖產生電路的充放電電流 ,由于晶體管參數受溫度變化影響 ,大多采用了溫度補償及穩(wěn)壓措施 ,或增強電流負反饋的深度以進一步穩(wěn)定輸出電流 .場效應管恒流源較之晶體管恒流源 ,其等效內阻較小 ,但增大電流負反饋電阻 ,場效應管恒流源會取得更好的效果 .且無需輔助電源 ,是一個純兩端網絡 ,這種工作方式十分有用 ,可以用來代替任意一個歐姆電阻 .通常 ,將場效應和晶體管配合使用 ,其恒流效果會更佳 .由于溫度對集成運放參數影響不如對晶體管或場效應管參數影響之顯著 ,由

11、集成運放構成的恒流源具有穩(wěn)定性更好 ,恒流性能更高之優(yōu)點 .尤其在負載一端需接地 ,要求大電流的場合 ,獲得了廣泛應用 .恒流源電路 ,既可以實現(xiàn)雙極性控制 ,又可以實現(xiàn)差動控制 ,增強了其使用靈活性 .2.3恒流源電路在實踐中的應用15恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源 ,因此恒流源的應用范圍非常廣泛 ,并且在許多情況下是必不可少的。例如在用通常的充電器對蓄電池充電時 ,隨著蓄電池端電壓的逐漸升高 ,充電電流就會相應減少。為了保證恒流充電 ,必須隨時提高充電器的輸出電壓 ,但采用恒流源充電后就可以不必調整其輸出電壓 ,從而使勞動強度降低 ,生產效率得到了提高。恒流源還被廣泛用于測量電路中

12、,例如電阻器阻值的測量和分級 ,電纜電阻的測量等 ,且電流越穩(wěn)定 ,測量就越準確。恒流源的設計方法有多種 ,最簡單的恒流電路是 FET或恒流二極管 ,但其電流值有限且穩(wěn)定度也較差。分別論述線性恒流源、開關恒流源和集成穩(wěn)壓器恒流源電路的結構原理及特點。2.3.1采用集成運放構成的線性恒流源電路構成如圖2.3.1所示 ,兩個運放 (一片 324)構成比較放大環(huán)節(jié) , BG1、BG2三極管構成調整環(huán)節(jié) , RL 為負載電阻 , RS為取樣電阻 , RW為電路提供基準電壓。工作原理 :如果由于電源波動使 Uin降低 ,從而使負載電流減小時 ,則取樣電壓 US必然減小 ,從而使取樣電壓與基準電壓的差值

13、(US- Uref)必然減小。由于 UIA為反相放大器 ,因此其輸出電壓Ub=(R5/R4)×Ua 必然升高 ,從而通過調整環(huán)節(jié)使 US升高恢復到原來的穩(wěn)定值 ,保證了 US的電壓穩(wěn)定 ,從而使電流穩(wěn)定。當 Uin升高時 ,原理與前類同 ,電路通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)使 US下降到原來的穩(wěn)定值 ,從而使電流恒定。調整 RW,則改變 Uref,可使電流值在 0 4A之間連續(xù)可調。IL=R2×Uref/(R2+R3)×RS 圖2.3.1采用集成運放的線性恒流源 2.3.2采用開關電源的開關恒流源電路構成如圖2.3.2所示。 BG1為開關管 ,BG2為驅動管 , RL 為負載電

14、阻 , RS為取樣電阻 , SG35 24為脈寬調制控制器 , L1、E2、E3、E4為儲能元件 , RW提供基準電壓 Uref。 圖2.3.2采用開關電源的開關恒流源工作原理 :減小開關器件的導通損耗和開關損耗是提高電路效率的關鍵。為此 ,器件選擇飽和壓降小、頻率特性好的開關三極管和肖特基續(xù)流二極管。圖 2.3.2采用開關電源的開關恒流源扼流圈 L1的磁芯上再繞一個附加線圈 ,利用電磁反饋降低開關三極管的飽和壓降 ,并采用合理的結構設計 ,使電路的分布參數得到有效的控制。當電源電壓降低或負載電阻 RL 降低時 ,則取樣電阻 RS 上的電壓也將減少 ,則SG3524的 12、13管腳輸出方波的

15、占空比增大 ,從而使 BG1導通時間變長 ,使電壓 U0回升到原來的穩(wěn)定值。 BG1關斷后 ,儲能元件L1、E2、E3、E4保證負載上的電壓不變。當輸入電源電壓增大或負載電阻值增大引起 U0增大時 ,原理與前類同 ,電路通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)使 U0下降到原來的穩(wěn)定值 ,從而達到穩(wěn)定負載電流 IL 的目的。2.3.3采用集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源電路構成如圖2.3.3所示。MC7805為三端固定式集成穩(wěn)壓器 ,RL 為負載電阻 ,RW為可調電阻器。工作原理 :固定式集成穩(wěn)壓器工作在懸浮狀態(tài) ,在輸出端 2和公共端 3之間接入一電位器 RW,從而形成一固定恒流源。調節(jié)RW,可以改變電流的大小 ,其輸出

16、電流為 :IL=( Uout/RW) +Iq式中 Iq 為 MC7805的靜態(tài)電流 ,小于 10m A。當 RW較小即輸出電流較大時 ,可以忽略 Iq。當負載電阻 RL 變化時 ,MC7 8 05用改變自身壓差來維持通過負載的電流不變。圖2.3.3采用集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源采樣電位器RW 的確定 :RW 的值可由 RW=Uout/IL 確定。因 Uout=5 V,IL=0.5 2A,因此確定的取值范圍為2.5 10。輸出電壓和負載變化范圍的確定 :根據設計要求 ,本例的輸出電壓 U0=10V。由于恒流源的輸出電流可調范圍為 0.5 2A,因此相應的負載變化范圍為 5 20。以上幾種恒流源結

17、構簡單 ,可靠性高 ,調整方便 ,在科研中已得到了應用。其中線性恒流源適用于蓄電池的恒流放電 ,開關恒流源適用于蓄電池的恒流充電 ,集成穩(wěn)壓器構成的恒流源適用于電阻測量等。2. 4單片機控制的數控直流恒流源采用凌陽16位SPCE061A單片機。此單片機功能較強、兼容性好、性價比高；具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗小以及具有較高的數據處理和運算能力，系統(tǒng)最高時鐘頻率可達49MHz，運行速度快；詳細軟硬件設計,系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2.4.1， 系統(tǒng)工作原理為：當有鍵盤按鍵對電流值進行預置時，SPCE061A單片機把所預置的數值送到液晶顯示器顯示，同時作為電流源的給定值，并輸出相應的數字信

18、號，通過D/A轉換，使數字信號變成模擬電流信號，此電流信號經I/V模塊轉換成相應的電壓信號，此電壓信號經過壓控恒流元件場效應管IRF640來產生相應的電流值，場效應管的漏極電流即為恒流源的實際輸出電流。場效應管的漏極電流近似于源極電流，源極電流經過采樣電阻后轉化為電壓信號，凌陽SPCE061A單片機采集此信號,作出相應的調整處理后輸出顯示，作為電流源的自測表的輸出值。系統(tǒng)的硬件連接圖如圖2.4.2。圖2.4.2   系統(tǒng)硬件連接圖如圖2.4.1，本系統(tǒng)硬件電路主要包括：凌陽SPCE061A單片機最小系統(tǒng)、鍵盤與顯示電路、I-V模塊、壓控恒流源電路、電源電路等。下面分別說明各

19、個電路模塊。（1）數模、模數轉換器設計根據系統(tǒng)要求計算，D/A最少必須達到11位。凌陽單片機SPCE061A內部集成有兩個10位D/A和七路10位A/D可供使用。10位D/A的精度是1/1024，而題目要求輸出電流2A的時候步進值為1mA,即精度至少為1/2000?？紤]到SPCE061A有兩個內部集成的10位電流型輸出D/A，若把兩個10位D/A并聯(lián)使用，步進時交替加1或減1，則精度可達到1/2048，即相當于一個11位D/A的精度，完全滿足要求，又節(jié)約了外部硬件資源，可大大提高整個系統(tǒng)的性價比。（2）壓控恒流源電路設計壓控恒流源是系統(tǒng)的重要組成部分，它的功能是用電壓來控制電流的變化，由于系統(tǒng)

20、對輸出電流大小和精度的要求比較高，所以選好壓控恒流源電路顯得特別重要。采用如下電路：電路原理圖如圖2.4.3所示。該恒流源電路由運算放大器、大功率場效應管Q1、采樣電阻R2、負載電阻RL等組成1、硬件設計圖2.4.3   壓控恒流源原理圖電路中調整管采用大功率場效應管IRF640。采用場效應管，更易于實現(xiàn)電壓線性控制電流，既能滿足輸出電流最大達到2A的要求，也能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。因為當場效應管工作于飽和區(qū)時，漏電流Id近似為電壓Ugs控制的電流。即當Ud為常數時，滿足：Id=f（Ugs），只要Ugs不變，Id就不變。在此電路中，R2為取樣電阻，采用康銅絲繞制

21、（阻值隨溫度的變化較?。?，阻值為0.35歐。運放采用OP-07作為電壓跟隨器，UI=Up=Un，場效應管Id=Is(柵極電流相對很小，可忽略不計) 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因為Io=UI/R2，電路輸入電壓UI控制電流Io，即Io不隨RL的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。 同時，由設計要求可知：由于輸出電壓變化的范圍U=10V，Iomax=2A,可以得出負載電阻RLmax=5歐。（3）鍵盤顯示電路設計鍵盤采用普通的4×4矩陣式鍵盤，共有16個按鍵。本系統(tǒng)采用凌陽128×64點陣式SPLC501液晶顯示模塊。這種顯示方式非常直觀，用戶可以從顯示器上看到很友

22、好的界面，而且點陣式LCD的顯示內容非常靈活，用戶可以同時從顯示器上看到漢字提示和兩個電流值：其一為預先設定的電流值，即期望值；其二為輸出電流的實測值。正常工作時兩者相差很小。一旦出現(xiàn)偏差較大的狀況，在一定范圍內系統(tǒng)能自動調整，使誤差滿足精度要求。由于SPLC501液晶模組的資料在凌陽大學網站可以下載到，這里不再贅述。（4）電源電路設計 本系統(tǒng)對電源有較高的要求。設計電源時既要保證電源的高穩(wěn)定度，也要保證電源能輸出大于2A的電流，故本系統(tǒng)采用三級管1264來擴流而且在使用電源時必須充分考慮電源的效率。電源電路如圖2.4.4所示，此電源電路采用了LM317和LM337，其輸出電壓是連續(xù)可調的，輸

23、出電壓調到為15V和15V來供給硬件電路使用，其中15V的電源是供運放使用的，不需要擴流；而15V的電源的負載電流要求不低于2A，所以采用三級1264來擴流。另外用LM7805產生5V的電壓供凌陽SPCE061A單片機使用。圖 2.4.42、軟件設計 首先初始化系統(tǒng)，即凌陽SPCE061A單片機系統(tǒng)的初始化，液晶顯示器顯示歡迎界面"數控恒流源 HuaQiao University"，D/A 、A/D模塊的初始化；系統(tǒng)默認設定值1000mA；然后凌陽SPCE061A單片機便不停地進行鍵盤掃描，根據掃描得到的鍵值進行相應地操作，見圖2.4.5主程序流程圖。圖2.4.5 

24、;  主程序流程圖2、測試方法將各個模塊連接，然后進行預設電流值和實際輸出電流值對比測試，記錄兩者之間的偏差，并進行軟件修正。3、誤差測量（單位：mA）（1） 負載為1歐姆測量數據如表2.4.1。表2.4.1  負載為1歐姆時的測量數據預設電流值 實際輸出電流值 絕對誤差 相對誤差 % 0 0.0001 0.0001 0 234.0 230.256 3.744 0.41 546.0 541.667 4.333 0.12 702.0 702.333 0.333 0.24 858.0 862.778 4.7788 0.44 1287.0 1295.888 8.888 0.61

25、1677.0 1675.667 1.333 0.11 1996.8 1995.333 1.467 0.04 （2） 負載為5歐姆 測量數據如表2.4.2 表2.4.2  負載為5歐姆時的測量數據預設電流值 實際輸出電流值 絕對誤差 相對誤差 % 0 0.0001 0.0001 0 234.0 232.256 1.744 0.43 546.0 540.667 0.667 0.11 702.0 700.333 1.667 0.24 858.0 861.778 3.778 0.41 1287.0 1294.888 7.888 0.61 1677.0 1674.667 2

26、.333 0.14 1996.8 1997.667 0.867 0.04 （3） 負載為10歐姆測量數據如表2.4.3。表3.3   負載為10歐姆時的測量數據預設電流值 實際輸出電流值 標準誤差 相對誤差 % 0 0.0001 0.0001 0 234.0 231.256 2.744 0.43 546.0 545.667 0.333 0.12 702.0 701.333 0.667 0.21 858.0 861.778 6.13 0.44 1287.0 1294.888 7.88 0.61 1677.0 1676.667 0.333 0.11 1996.8 1997.33

27、3 0.533 0.04 3、目標值測量測試數據表如表3.4和表3.5，其中為表3.4基本要求部分測試，表3.5為發(fā)揮部分測試。測試記錄中的I和V分別為流過負載電阻RL的實測電流值和RL兩端電壓值。如圖3.1。 圖2.4.6   壓控恒流源測試表2.4.4  基本要求部分測試數據設計要求 測試項目與指標 測試記錄 1 、輸出電流范圍： 200mA 2000mA 給定值 =200 mAI=200.1 mA ( 當 I=200mA 時給定值 = 199 mA) 給定值 =2000 mA I=1998.7mA ( 當 I=2000 mA 時給定值 =2001 mA) 2 、可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值給定值的 1 +10 mA 給定值 =200 mA I=201.5 mA 給定值 =2000 mA I=1998.8mA 3 、具有“ + ”、“ - ”步進調整功能，步進 10mA 10