一種雙極性輸出大功率壓控恒流源設計方案

0 引言

在電子儀器設備中經常要用到壓控電流源，并且要求在負載變化時具有很好的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的恒流源制作方法可以是利用二極管、三極管、集成穩(wěn)壓源的特性制作的參數穩(wěn)流器、串聯(lián)反饋調整型穩(wěn)流電源、開關穩(wěn)流源等等。參數穩(wěn)流器的輸出電流范圍小、穩(wěn)流精度不高; 串聯(lián)反饋調整型穩(wěn)流電源的輸出電流小，效率較低;開關穩(wěn)流源不僅電路復雜、元器件數量多，而且輸出紋波大、可靠性較差?？紤]到以上缺點，本設計采用了普通的運放，配合三極管進行電壓擴展和電流擴展，既達到了提供大輸出電流的目的，而且電路結構簡單，成本較低，精度較高。

1 電路設計

圖1是本設計的原理框圖， 由外部的控制電壓信號輸入到運放構成的恒流模塊中。輸出的電流經電壓擴展模塊和電流擴展模塊后提供給負載。電流經過采樣電阻進行電流采樣，獲得的采樣信號經由電壓反饋系統(tǒng)模塊反饋到恒流模塊中進行恒流。其中由功率模塊對電壓擴展模塊和電流擴展模塊進行供電。

選擇市面上常用的開關電源對電流擴展模塊提供功率輸出，在其輸出端并接電容以消除干擾。由于要求雙極性輸出，所以選用雙極性輸出的開關電源可節(jié)約成本并減小體積。在實驗中，我們使用標稱紋波為1%的開關電源。使用78、79系列三端穩(wěn)壓器降壓后提供給電壓擴展模塊以提高運放的輸出電壓。

(2) 運放恒流及電壓反饋模塊。

圖2是運放恒流模塊及電壓反饋模塊。由圖2可見由電流輸出端采集到的經分壓處理后的采樣反饋信號經由運放組成的跟隨器及反向器后，被送到反向加法器U4的反向端與電壓控制信號相加得到運放的輸出電壓V3.V3計算公式為：

式中m=1+R22/R23。

(3) 電壓擴展及電流擴展模塊。

圖3所示是電壓擴展模塊電路圖。由運放構成差動放大器，將恒流系統(tǒng)生成的信號與分壓處理后的輸出電壓進行比較放大，形成最后的輸出電壓。系統(tǒng)中的三極管選擇對管，以達到雙極性輸出的目的，此系統(tǒng)開環(huán)放大倍數僅由R17與R14的比值決定， 但經R25和R24分壓反饋后，相當于放大器，其放大倍數由R25與R24的比值決定。

圖4所示為電流擴展電路。使用簡單常用的圖騰柱式電流擴展方法，注意功率三極管的選擇，并加上散熱片，保證功率輸出。這樣，經過電流擴展后V1計算公式為：

式中n=1+R25/R24.

圖4中的Rs為采樣電阻，在電流源電路中，取樣電阻的精密程度直接影響電流輸出的穩(wěn)定性。在實驗中，我們使用溫漂小于5×10-6/℃ 、額定功率為10W的2Ω精密金屬膜電阻。分別從采樣電阻的兩端對電壓采樣，這樣通過采樣電阻的電流I為：

由以上電路分析式(1)、(2)得：

調整R22、R23、R24、R25的電阻值，使m=n=l.實驗中選擇l=4，則：

得出通過采樣電阻的電流僅與輸入的控制電壓有關，則可得知整個電路達到可控恒流的效果。

2 實驗測量結果

實驗中我們使用普通電壓源作為控制信號的輸入， 使用大功率的50Ω可變電阻盤作為模擬負載，經測量，本恒流源的輸出電流紋波約為0.8%.其主要影響紋波的原因為控制信號的穩(wěn)定度，如使用更好精度的數字電壓信號則會有更高的輸出精度。圖5是在電流為1A時本裝置的負載電流穩(wěn)定度曲線， 可發(fā)現(xiàn)恒流效果很好。由于使用36V的電源提供功率輸出，當負載電阻大于30Ω時電流開始有衰減。

3 結論

本設計采用簡單的運放及三極管恒流電路制作了一種電路簡單、有較高負載電流穩(wěn)定度和較低紋波的恒流原。獨特的電壓擴展電路和電流擴展電路實現(xiàn)了使用普通運放的大功率輸出，克服了普通運放電路輸出功率低的弱點。并使用對稱結構實現(xiàn)了同一電源的雙極性輸出。如使用數字控制信號作為電流控制信號則可實現(xiàn)輸出電流的數字控制。

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