雙極性輸出大功率壓控恒流源設(shè)計(jì)方案

　　在電子儀器設(shè)備中經(jīng)常要用到壓控電流源，并且要求在負(fù)載變化時(shí)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(shù)穩(wěn)流器、串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)流電源、開(kāi)關(guān)穩(wěn)流源等等。參數(shù)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(diào)整型穩(wěn)流電源的輸出電流小，效率較低；開(kāi)關(guān)穩(wěn)流源不僅電路復(fù)雜、元器件數(shù)量多，而且輸出紋波大、可靠性較差。考慮到以上缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了普通的運(yùn)放，配合三極管進(jìn)行電壓擴(kuò)展和電流擴(kuò)展，既達(dá)到了提供大輸出電流的目的，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，精度較高。

　　1 電路設(shè)計(jì)

　　圖1是本設(shè)計(jì)的原理框圖， 由外部的控制電壓信號(hào)輸入到運(yùn)放構(gòu)成的恒流模塊中。輸出的電流經(jīng)電壓擴(kuò)展模塊和電流擴(kuò)展模塊后提供給負(fù)載。電流經(jīng)過(guò)采樣電阻進(jìn)行電流采樣，獲得的采樣信號(hào)經(jīng)由電壓反饋系統(tǒng)模塊反饋到恒流模塊中進(jìn)行恒流。其中由功率模塊對(duì)電壓擴(kuò)展模塊和電流擴(kuò)展模塊進(jìn)行供電。

　?。?） 功率模塊。

　　選擇市面上常用的開(kāi)關(guān)電源對(duì)電流擴(kuò)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(kāi)關(guān)電源可節(jié)約成本并減小體積。在實(shí)驗(yàn)中，我們使用標(biāo)稱紋波為1%的開(kāi)關(guān)電源。使用78、79系列三端穩(wěn)壓器降壓后提供給電壓擴(kuò)展模塊以提高運(yùn)放的輸出電壓。

　　（2） 運(yùn)放恒流及電壓反饋模塊。

　　圖2是運(yùn)放恒流模塊及電壓反饋模塊。由圖2可見(jiàn)由電流輸出端采集到的經(jīng)分壓處理后的采樣反饋信號(hào)經(jīng)由運(yùn)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(hào)相加得到運(yùn)放的輸出電壓V3.V3計(jì)算公式為：

　　式中m=1+R22/R23。

　?。?） 電壓擴(kuò)展及電流擴(kuò)展模塊。

　　圖3所示是電壓擴(kuò)展模塊電路圖。由運(yùn)放構(gòu)成差動(dòng)放大器，將恒流系統(tǒng)生成的信號(hào)與分壓處理后的輸出電壓進(jìn)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(duì)管，以達(dá)到雙極性輸出的目的，此系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)僅由R17與R14的比值決定， 但經(jīng)R25和R24分壓反饋后，相當(dāng)于放大器，其放大倍數(shù)由R25與R24的比值決定。

　　圖4所示為電流擴(kuò)展電路。使用簡(jiǎn)單常用的圖騰柱式電流擴(kuò)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(jīng)過(guò)電流擴(kuò)展后V1計(jì)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(shí)驗(yàn)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(duì)電壓采樣，這樣通過(guò)采樣電阻的電流I為：

　　由以上電路分析式（1）、（2）得：

　　調(diào)整R22、R23、R24、R25的電阻值，使m=n=l.實(shí)驗(yàn)中選擇l=4，則：

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

　　2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)中我們使用普通電壓源作為控制信號(hào)的輸入， 使用大功率的50Ω可變電阻盤(pán)作為模擬負(fù)載，經(jīng)測(cè)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?yàn)榭刂菩盘?hào)的穩(wěn)定度，如使用更好精度的數(shù)字電壓信號(hào)則會(huì)有更高的輸出精度。圖5是在電流為1A時(shí)本裝置的負(fù)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(dāng)負(fù)載電阻大于30Ω時(shí)電流開(kāi)始有衰減。

　　3 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單的運(yùn)放及三極管恒流電路制作了一種電路簡(jiǎn)單、有較高負(fù)載電流穩(wěn)定度和較低紋波的恒流原。獨(dú)特的電壓擴(kuò)展電路和電流擴(kuò)展電路實(shí)現(xiàn)了使用普通運(yùn)放的大功率輸出，克服了普通運(yùn)放電路輸出功率低的弱點(diǎn)。并使用對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了同一電源的雙極性輸出。如使用數(shù)字控制信號(hào)作為電流控制信號(hào)則可實(shí)現(xiàn)輸出電流的數(shù)字控制。