用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置的製作方法

2023-09-19 05:48:35

專利名稱：用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置技術，同時還涉及 一種電流源的控制電路與負載電路供電電源各自獨立的控制技術，屬於電源與 控制技術領域。
背景技術：
關於電流源或恆流源的技術資料很多，從輸出特性的角度分析，可分為不 可調和可調的兩類。如集成電路中的鏡像電流源，給傳感器、發光、發熱等器 件供電的電壓源限位式的電流源等都是不可變的電流源或恆流源；如壓力、溫 度等4 20MA變送器和恆流給定器等則是可變的電流源或恆流源。從控制特性 的角度分類，可分為線性控制調節、開關控制調節以及線性和開關並聯控制調 節、線性和開關串聯控制調節四類。其中較為典型的有用運算放大器加三極 管集電極接負載的共模跟隨式電流源；專利申請號為CN89101207. 9所述的正負 雙向恆流電源、專利申請號為200510024286. 8的申請中所述的高效率的恆流源、 專利申請號為200610035571.4的申請中所述的高精度大功率恆流源等。
實踐中，現有的電流源或恆流源，其負載電路和控制電路的供電電源都來 自同一迴路，因此，負載兩端的壓降受到控制電路的供電電壓的限制。即便是 專利申請號為200610035571. 4所述的高精度大功率恆流源，也存在著負載兩端 的壓降受到控制電路的供電電壓的限制問題，因而不能滿足大電流或高阻抗負 載的需要，尤其不能滿足負載阻抗和負載電流要求大範圍隨機變化的需要。

發明內容
本發明的目的，在於提供一種兼顧精度、效率、成本、功率、負載阻抗變 化的可以隨時控制調節的電流源裝置。以滿足市場對大電流或高阻抗或大範圍
隨機變化的負載的電流源的需要。例如給高精度發光源的供電、高精度發熱 源的供電、高精度電磁變換的供電、快速恆流充電的供電等。
本發明的基本思路是將功能電路分為三部分供電， 一部分是電流給定控 制部分的功能電路， 一部分是控制給負載供電的功能電路， 一部分是控制給負 載供電的開關管的控制電路。讓三部分電路的供電電源迴路各自獨立；讓電流 給定控制功能電路和供電電源電路懸浮在負載之上；讓開關管的控制電路所需 的供電電源，通過光電或磁電的隔離，既不受給負載供電迴路的影響，也不受 電流給定控制功能電路的供電迴路的影響。讓懸浮在負載之上的電流給定控制 電路的控制性能不受負載迴路變化的影響。用開關和降壓續流電路來控制負載 電流調節管的輸入、輸出之間的電壓在最小範圍內工作。通過利用電感在通電 電路中能將一部分電能轉化為磁能，當切斷電源後電感內部的磁能又能轉變成 電能向外釋放的特性，來解決調節管的損耗問題。使本發明具備效率高、精度 高、功率大、可調範圍大、適應負載所需電壓變化範圍大的特點。
本發明的技術解決方案是這樣實現的
首先確定將本發明的負載&接在給負載供電電源U,的負極與電流取樣電阻
R。的低電位端之間。電流取樣電阻R。的高電位端依次串連電流調節管Ti、電感L、 開關管T2到電源UJ勺正端。再給開關管T2設計一個由運算放大器和電阻組成的 開關控制電路和供電電源Uei;給電感L設計一個磁電轉換續流二極體Dl和濾波 電容C;再給電流調節管L設計一個能夠跟隨負載電壓變化的跟隨電路，和光電 隔離電路，作為開關控制電路的控制信號，以實現通過控制開關管T2的開和關， 來達到控制電流控制管L的輸入、輸出之間電壓的目的；給電流調節管L設計
一個可調的電流給定控制電路和供電電源UC2，以便根據需要隨時調節通過負載
上的電流。
組成用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置的功能電路有
一個電流給定控制電路部分，由電阻R"電位器rb、穩壓塊Dw、運算放大 器IC1、電容ca、 cb、負載電流調節管TV負載電流取樣電阻R。、電源Ue2組成。
用於根據需要隨時調節通過負載上的電流。
一個負載和給負載供電的控制電路部分，包括 一個給負載迴路供電的電源Ul電路； 一個給控制開關管電路供電的穩壓電源Uei電路；
一個負載電流調節管T"用於調節通過負載的電流，並使其始終與控制電
壓信號成線性關係變化；
一個負載電流取樣電阻RQ，用於反應通過負載的電流，以便電流源控制電
路及時控制電流調節管L按給定電流輸出給負載； 一個負載RL和電容CL，用於通電做功的電路；
一個負載電壓跟隨電路，由二極體D2、 D3/4/5和PNP三極體Bl、 B2以及 電阻R1、 R2組成。用於跟隨負載電壓變化和反應負載電流調節管Ti的輸入、輸 出之間電壓；
一個降壓續流電路，由電感L，電容C 、 d， 二極體D1組成。用於在開關 的作用下將電能變成磁能，當開關關斷時再將磁能變成電能送給負載；
一個丌關管T2，用於根據負載電壓跟隨電路提供的負載電流調節管L的輸 入輸出之間電壓信號，來控制L的輸入輸出之間電壓；
一個控制開關電路，由運算放大器IC和電阻R3、 R4、 R5以及D6、 D7組成。 用於根據負載電壓跟隨電路提供的負載電流調節管Tt的輸入輸出之間電壓信 號，來控制開關管T2丄作在開關狀態。
一個電壓隔離電路E,.，用於將負載電壓跟隨電路反應的負載電流調節管T, 的輸入輸出之間電壓的極限值傳遞給開關控制電路。 本發明的技術解決方案還包括
所述的電流給定控制電路中的電阻Ra，可以是普通電阻，也可以是精密電 阻；電位器Re，可以是多圈電位器和/或非多圈電位器；穩壓塊Dw，也可以是穩 壓二極體；運算放大器IC1，可以是單電源供電，也可以是雙電源供電；CA、 Cb 是一個高頻無感電容；負載電流調節管Tp可以是一個功率三極體、複合式功 率三極體和/或場效應管；負載電流取樣電阻R。，是一個精密電阻，根據精度要 求也可以是普通電阻；電源U⑦可以是線性穩壓電源，也可以是開關穩壓電源。 另外，根據運算放大器IC1要求選擇單電壓和/或雙電壓輸出。
所述的給負載迴路供電的電源Ul電路，可以是直接將220V交流電進行整 流、濾波變成直流電的電路，也可以是通過變壓器變壓後再進行整流、濾波的 直流電路或經過線性穩壓的電路和/或經過開關穩壓的電路。
所述的給控制開關管供電的電源UC1電路，是一個用變壓器將220V交流電進 行變壓、整流、濾波、穩壓電路，也可以是開關穩壓電路。
所述的負載電流調節管L是一個功率三極體、複合式功率三極體和/或場效 應管。
所述的負載RL、 C^和負載電流取樣電阻R。，其中的負載RL是一個電阻性 元件和/或一個電感性元件；CL是有極性電容和/或無極性電容；負載電流取樣 電阻R。是一個精密電阻，根據電流源的精度要求也可以是普通電阻。
所述的負載電壓跟隨電路，其中的D2是各種具有單向導電特性的二極體； D3/4/5除了可以是各種具有單向導電特性的二極體外，數量根據最小限壓值而 定，也可以是穩壓管；Bl、 B2是兩個PNP三極體，也可以是PNP複合三極體或 叫PNP型達林頓三極體，也可以根據負載電源電壓的高低和負載以及負載電流 的變化範圍用一個PNP三極體；Rl、 R2是普通電阻和/或是精密電阻。
所述的降壓續流電路，其中的L是一種高頻和高Q值電感和/或是普通電感； C是膽電容和/或是普通電解電容；Dl是一種肖特基二極體和/或是快恢復二極
所述的開關電路T2，可以是P溝道場效應管和/或是N溝道場效應管，還可 以是PNP或NPN功率三極體和/或達林頓三極體。
所述的控制開關電路，其中的IC可以是運算放大器，也可以是比較和/或 觸發器；R3、 R4、 R5、 R6是普通電阻即可。
所述的電壓隔離電路E,，可以是光偶，也可以是光敏或光電傳感器與發光 器件配對的電路，還可以是小型高頻變壓器以及電磁元件與霍爾元件配對的電 路。
所述的限壓放大電路、負載電壓跟隨電路與負載共用一個供電迴路；控制 開關管工作電路的供電電源是一個獨立迴路。
本發明的工作原理如下
1.電流給定控制電路的工作原理
這部分電路的功能是根據需要隨時調節和控制通過負載的電流，並使其
不受負載阻抗和負載迴路供電電源變化的影響。
電路的工作從接通電源開始。
利用運算放大器具有大的放大倍數、兩個輸入端的輸入阻抗大、相互之間 電壓近似相等和電流等於零以及場效應管的柵、源極之間高阻抗的特性， 選取負載電路RL、 CL在迴路中的高電位一端作為電流給定控制部分功能電路的 參考電位端和供電電源的參考電位端。然後，通過調節電路中的電位器Rb，來 改變運算放大器IC同相輸入端的電壓，進而改變通過場效應管L的電流，使取
樣電阻R。兩端電壓亦即運算放大器IC1反相輸入端相對於參考電位的電壓等於 運算放大器IC1同相輸入端的電壓，以實現鏡像跟蹤的控制。同時實現供電回
路獨立和控制性能不受負載阻抗和負載迴路供電電源變化的影響的目的。
2、給負載供電控制電路部分的功能是控制Ti的輸入、輸出之間的電壓在 一定範圍內變化，控制T2工作在開關狀態，利用通電電感的電動生磁、磁動生 電的原理，將負載供電迴路的損耗降低。另外，給控制T2工作在開關狀態的控 制電路一個獨立的供電迴路Ud，避免負載兩端電壓大範圍變化時，電源l^對 控制電路的影響。
當場效應管T,的輸入、輸出即漏、源之間的電壓UDs大於二極體D3/4/5結 壓降減D2結壓降時，三極體B1、 B2的ce導通，使中的發光二極體發光， 光敏管導通，IC的反相輸入端電壓大於同相輸入端，其輸出變低，場效應管T2 截止。負載上的電流由電感在通電周期中產生的磁能變成電能，通過二極體D1 構成迴路與電容C一同供給負載。當場效應管T1的漏、源之間電壓Uns小於二 極管D3/4/5結壓降減D2結壓降時，三極體B1、 B2的ce由導通變為截止，使 EL中的發光二極體不發光，光敏管截止，IC的反相輸入端電壓小於同相輸入端， 其輸出變高，場效應管T2導通，電源UL通過電感給負載提供電流，同時電感再 將降壓消耗的電能變成磁能。如此循環便解決了高電壓供電時的場效應管1\的 損耗和過熱問題。其中的IC和EL中的光敏管採用獨立電源迴路，因此，控制
T2工作在開關狀態的控制電路的性能不受負載兩端電壓大範圍變化時的電源UL
的影響。
與現有技術相比較，本發明的優點表現在
1、解決了可調電流源在工作時，負載電流或負載阻抗需要大範圍隨機變化 的效率、精度以及功率問題。
2、 給負載供電的電壓可以從幾十伏特到幾百伏特。
3、 結構簡單，便於集成，便於推廣。


圖1是本發明實施例的電路原理方框圖2是本發明實施例的電路原理圖3是本發明實施例的電流給定控制電路的供電電源電路原理圖； 圖4是本發明實施例的控制開關管電路的供電電源的電路原理圖5是本發明實施例的給負載迴路供電的電源電路原理圖。
在圖中，1、是電流給定控制電路，2、是負載以及給負載供電的控制電路。
具體實施例方式
參見圖l、圖2。首先確定將電流源的負載R.、G接在給負載供電電源^的 負端與控制電路的取樣電阻R。的低電位端之間，再在其負載迴路供電電源U,的 正端與電流調節管Ti之間串接一個開關管T2和並聯的電感L、電容C；在電流
調節管L和並聯的電感L、電容d之間接一個電容C到電源仏負端；在開關管
T2和並聯的電感L、電容d之間接一個二極體Dl到電源l^負端；在電流取樣電
阻R。與電流調節管L之間接一個二極體D2和電阻Rl串聯接到負載電源IU氐電 位端；在二極體D2和電阻Rl之間接三個串聯的二極體D3/4/5到電流調節管L 和並聯的電感L、電容d之間，其中有兩個PNP三極體B1、 B2， Bl的基極接到 二極體D2和電阻Rl之間，發射極與B2的基極相連，集電極與電源U,負端相連， B2的發射極接一個電阻R2到電流調節管Ti和並聯的電感L、電容d之間，集電 極與光偶^的發光管陽極相連，光偶E^的發光管陰極與電源ll負端相連；光偶 E,的光敏管， 一端接電源Ud的正端，另一端接一個電阻R3到電源Uu的負端， 同時與運算放大器IC的反向輸入相連；其中的運算放大器IC的工作電源為UC1， 其正向輸入端分別接電阻R4與其輸出相連，接電阻R5與電源Uu的正端相連， 接電阻R6與電源Uei的負端相連；運算放大器IC的輸出與開關管T2的控制極相 連。另外，在負載&、 G和電源UL之間串一個保險絲IB。電流調節管L的柵極
G與運算放大器IC1的輸出相連，源極S與運算放大器IC1的反相輸入端相連；
的柵極G與源極S之間並聯一個電容CA;運算放大器IC1的同相輸入端與電阻 RA、電位器RB、穩壓塊Dw組成的負載電流給定電路相連，並對參考點接一個電容
CB。其中，電阻RA的一端與供電電源Ue的正極相連，另一端與並聯的電位器RB 和穩壓管Dw相連，再與負載電流取樣電阻R。的低電位端和供電電源Ue的公共端
相連，電位器RB的分壓輸出端與運算放大器IC的同相輸入端相連。
其中，用圖3所示的電路，作為Ud給控制開關電路供電；用圖4所示的電 路，作為仏2給電流給定控制電路供電；用圖5所示的電路，作為UL給負載迴路
供電；用LM741作為運算放大器IC; 10KQ 1/4W金屬膜電阻作為電阻RA;用LM385 作為穩壓塊Dw;用WX03—13多圈電位器作為電位器RB;用irfp場效應管作為 負載電流調節管T1;用5瓦0. 5Q電阻作為負載電流取樣RQ，用500瓦220VAC 電阻絲作為負載電路rl;用三個二極體作為D3/4/5;用兩個PNP三極體作為Bl、 B2;用IOOKQ電阻作為Rl;用470Q電阻作為R2;用1N5819作為負載電壓跟 隨電路D2;用10uf/400V電容作為C;用50SQ100作為續流二極體Dl;用lmH 電感作為L;用irfp場效應管作為開關管T2;用LM741運算放大器作為IC;用 200KQ電阻作為R4和三個10KQ電阻分別作為R3、 R5、 R6;用TLP521作為負 載電壓跟隨電路輸出隔離電路E,;用5A保險絲作為IB，來完成本發明實施例的 電路。
權利要求
1、一種用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置，其特徵在於包括一個電流給定控制電路(1)和一個負載與給負載供電的控制電路(2)，其中所述的電流給定控制電路(1)由電阻RA、電位器RB、穩壓塊DW、運算放大器IC1、電容CA、CB、負載電流調節管T1、負載取樣電阻RQ和電源UC2組成，用於根據需要隨時調解通過負載上的電流；所述的負載與給負載供電的控制電路(2)由電源UL、穩壓電源UC1、負載電流調節管T1、負載電流取樣電阻RQ、負載電阻RL、負載電容CL、開關管T2以及負載電壓跟隨電路、降壓續流電路、開關管的控制電路和電壓隔離電路EL所組成；當負載電流調節管T1的輸入、輸出亦即漏、源之間的電壓UDS大於所述負載電壓跟隨電路中的二極體D3/D4/D5結壓降減D2結壓降時，該電路中的三級管B1、B2的發射極e到集電極c導通，使EL電路中的發光二極體發光，光敏管導通，運放IC的反相輸入端電壓大於同相輸入端電壓，輸出變低，開關管T2截止，此時負載上的電流由電感L在通電期間產生的磁能變成電能，通過二極體D1構成迴路與電容C一同供給；當調節管T1的漏、源之間電壓UDS小於二極體D3、D4、D5結壓降減D2結壓降時，三極體B1、B2的發射極e到集電極c由導通變為截止，使EL中的發光二極體不發光，光敏管截止，運放IC的反相輸入端電壓小於同相輸入端，輸出變高，開關管T2導通，電源UL通過電感給負載提供電流，同時電感再將降壓消耗的電能變成磁能，如此循環以及與此同時，通過調解電源給定控制電路中的電位器RB來改變運放IC1同相輸入端的電壓，即改變通過負載電源調節管T1和流過負載的電流，使取樣電阻RQ兩端的壓降，即運放IC1反相輸入端相對於電位器RB參考電位的壓降，等於運放IC同相輸入端的電壓，從而實現了鏡像跟蹤控制和使供電迴路和控制性能不受負載阻抗和負載供電電源變化影響的目的，並保證其不受負載兩端電壓和續流電路兩端電壓大幅度變化的影響。
2、 根據權利要求l所述的用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置，其特徵 在於所述的負載電壓跟隨電路由二極體D2、 D3/D4/D5和PNP三極體B1、 B2、 電阻R1、 R2以及電壓隔離電路EL的發光管組成；用於跟隨負載電壓變化和確 定電流控制管T,的輸入、輸出之間電壓。
3、 根據權利要求2所述的用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置，其特徵在於所述的降壓續流電路由電感L、電容C、電容d、 二極體D,組成；用於降 掉負載迴路中多餘的電壓，並在開關管T2的關斷期間，將降壓產生的磁能變成 電能來維持通過負載上的電流，以減少因降掉負載迴路中多餘電壓而產生的損 耗。
4、根據權利要求3所述的用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置，其特徵 在於所述的開關的控制電路由運放IC、 二極體D6、 D7和電阻R3、 R4、 R5、 R6以及電壓隔離電路EL的光敏電路、電源Uu所組成；用於控制開關管丁2工 作在開關狀態。
全文摘要
本發明公開一種用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置。特徵在於電流給定控制電路和所用的電源迴路(1)懸浮在負載之上；控制開關管T2工作的電路和所用的電源迴路懸浮在降壓續流電路之上。二者與負載供電電源迴路各自獨立，互不幹擾。一方面解決了負載兩端電壓的變化不影響電流給定控制電路的控制精度和可調電流源調節管損耗大的問題，也解決了用高電壓給負載供電時控制開關電路的損耗和耐壓問題，同時也解決了大電流低電壓給負載供電時，利用場效應管作開關管的柵極相對於源極的控制電壓問題。因此，本發明在保證高效率、高精度、大功率的前提下，進一步擴大了輸出電流可調範圍和負載所需電壓變化的範圍。
文檔編號G05F1/10GK101101488SQ20071001239
公開日2008年1月9日 申請日期2007年8月6日 優先權日2007年8月6日
發明者劉恆東, 猛 陳 申請人:大連大學