專利名稱：可外接負載電源的電流源控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可外接負載電源的電流源控制技術(shù)，特別涉及一種控制電路的供電電源與負載電路的供電電源各自獨立的，可作信號變送或恒流、變流驅(qū)動使用的可調(diào)電流源控制技術(shù)，屬電源與控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電流源或恒流源，其功能都是向負載提供一個不隨阻抗變化的定量電流。有關(guān)這方面的資料很多，采用的技術(shù)也有多種。大體可分為兩大類一類是不可調(diào)的，如集成電路中常用的三極管或場效應(yīng)管構(gòu)成的偏流或偏壓鏡像比較式電流源，和常用在給傳感器、發(fā)光、發(fā)熱等器件供電的恒壓鉗位式電流源等。另一類是可調(diào)的，如信號變送器，就是一種在傳感器信號的控制下輸出一個與傳感器信號成正比的電流源；還有恒流給定器的電壓電流變換器等。這一類電流源的特點是，負載上通過的電流不是一個恒定不變的電流。因此，作為有源電路，就必須為其提供一定的供電電壓來維持電路的正常工作。并且要考慮負載上電壓降的動態(tài)范圍和電源的使用效率。其中，教科書中介紹的，為了保證負載上電壓降的動態(tài)范圍，常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?zhí)枮镃N89101207.9的正負雙向恒流電源和專利申請?zhí)枮?00510024286.8的申請中所述的高效率的恒流源，則是為了既要保證負載上電壓降的動態(tài)范圍又要提高電源的使用效率而設(shè)計的電流源。實踐表明無論是教科書中所述的電流源技術(shù)，還是專利申請中所述的電流源技術(shù)，都是負載受限的電流源。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范圍隨機變化的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是可調(diào)電流源控制技術(shù)的一種，目的在于提供一種兼顧精度、效率、成本、功率、負載范圍且不含負載和負載供電電源的電流源控制器。可以滿足市場對大電流或高阻抗負載電流源控制的需要，同時也滿足了對負載阻抗和負載電流要求大范圍隨機變化的需要。例如高精度發(fā)光控制、高精度發(fā)熱控制、高精度電磁變換控制等領(lǐng)域的需求。
為達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是設(shè)計一種控制電路的供電電源與負載電路的供電電源各自獨立的電流源控制器，讓負載電路的供電電源能跟隨負載的需求接入電流源控制器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的根據(jù)基爾霍夫電流定律原理，利用運算放大器的兩個輸入端的電壓虛短和電流虛斷的特性，將控制電路中的電流與負載電路中的電流在通過調(diào)節(jié)電路的三極管T1T2和取樣電路的電阻R2后徹底分離，從而解決可外接負載電源的電流源控制問題。
一種可外接負載電源的電流源控制器，其特征在于包括一個電流源控制器供電電源Ue，將220V交流電進行變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓或直接整流、濾波、PWM控制的開關(guān)穩(wěn)壓電源；一個控制信號Ui給定電路，用于控制負載電流的大小，它產(chǎn)生于一個用電位器分壓的電壓信號、一個經(jīng)放大處理的傳感器信號和/或單片機控制下以及其他形式控制的D/A輸出信號；一個控制信號放大電路IC1和輸出限流電阻R1，一方面用于提高控制信號的輸入阻抗，并將控制信號進行電流放大驅(qū)動負載電流控制電路T1、T2，另一方面利用運算放大器的兩輸入端電壓虛短、電流虛斷的特性使負載電流取樣電阻R2兩端壓降UR2的正端電壓等于控制信號Ui正端電壓；一個負載電流控制電路T1、T2，用于調(diào)節(jié)通過負載的電流，并使其始終與控制電壓信號成線性關(guān)系變化；一個負載電流取樣電阻R2，用于將通過負載的電流變成與其成正比的電壓信號UR2，供控制電路來控制負載上通過的電流；一個跟隨取樣放大電路IC2，用于提高取樣電阻R2兩端壓降UR2的負端電壓的輸入阻抗，并將其進行等電位電流放大；一個電流偏差取樣電阻R3，用于獲取控制信號電壓Ui與取樣電阻R2兩端壓降UR2的偏差電壓信號UR3，當Ui＝UR2時UR3＝0；當Ui≠UR2時UR3≠0；一個電流偏差放大電路IC2，一方面用于放大電流偏差取樣電阻R3兩端壓降UR3，另一方面為負載電流控制電路T1、T2的基極和IC1反相輸入端、IC2同相輸入端電流提供回路一個或幾個串聯(lián)負載阻抗器RL和負載供電電源Uef組成的被控對象。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案還包括本發(fā)明所述的可外接負載電源的電流源控制器的電流源控制器供電電源Ue電路，其特征在于所述的電流源控制器供電電源電路可以是一個由220V輸入電源變壓器，二極管全波整流電路，低頻濾波電容，高頻濾波電容，+9V～+15V范圍內(nèi)的穩(wěn)壓電路(根據(jù)負載電流變化范圍給定)和-5V～-15V范圍內(nèi)的穩(wěn)壓電路組成的正負穩(wěn)壓電源和/或一個將交流220V直接進行全波整流，低頻濾波，高頻濾波，高頻變壓器，開關(guān)控制電路組成的正負穩(wěn)壓電源。
本發(fā)明所述的可外接負載電源的電流源控制器的控制信號Ui給定電路，其特征在于所述的電流源控制器信號Ui給定電路，可以是一個用電位器分壓的電壓信號、可以是一個經(jīng)過放大處理的傳感器電壓信號和/或單片機控制下D/A輸出電壓信號，它的高電位端與放大電路IC1的同相輸入端相連，低電位端與供電電路參考地GND相連。
本發(fā)明所述的可外接負載電源的電流源控制器的控制信號放大電路IC1和限流電阻R1，其特征在于所述的電流源控制器控制信號放大電路IC1，是一個運算放大器，其同相輸入端接控制信號Ui的高電位端，反相輸入端接負載電流控制電路T2的發(fā)射極端和負載電流取樣電阻R2的高電位端，以及電流偏差放大電路IC3的輸出端，其輸出端通過限流電阻R1接負載電流控制電路T1的基極；所述的限流電阻R1，可以是幾百歐姆到幾千歐姆的普通電阻。
本發(fā)明所述的可外接負載電源的電流源控制器的負載電流控制電路T1、T2，其特征在于所述的電流源控制器的負載電流控制電路，是一個由T1、T2組成的達林頓三極管，也可以是一個三極管或場效應(yīng)管，它的基極(柵極)與控制信號放大電路IC1的輸出限流電阻R1連接，集電極(漏極)接負載電源Uef正端或通過負載RL接電源Uef正端；發(fā)射極(源極)接負載電流取樣電阻R2的高電位端和控制信號放大電路IC1反相輸入端，以及電流偏差放大電路IC3的輸出端。
本發(fā)明所述的可外接負載電源的電流源控制器的負載電流取樣電阻R2，其特征在于所述的電流源控制器的負載電流取樣電阻R2是一個從零點幾歐姆到幾十歐姆(根據(jù)負載電流需要而定)具有良好溫度特性的精密電阻，它的一端與負載電流控制電路T2的發(fā)射極和控制信號放大電路IC1反相輸入端，以及電流偏差放大電路IC3的輸出端相連接，另一端與跟隨取樣放大電路IC2的同相輸入端和負載電源Uef負端或與電源Uef負端負載RL相連接。
本發(fā)明所述的可外接負載電源的電流源控制器的跟隨取樣放大電路IC2，其特征在于所述的電流源控制器的跟隨取樣放大電路，是一個運算放大器，其同相輸入端與負載電流取樣電阻R2的低電位端和與負載電源Uef負端或電源Uef負端負載RL相連接；反相輸入端與輸出端相連接，再與電流偏差取樣電阻R3和電流偏差放大電路IC3的反相輸入端相連接。
本發(fā)明所述的可外接負載電源的電流源控制器的電流偏差取樣電阻R3，其特征在于所述的電流源控制器的電流偏差取樣電阻，是一個從幾百歐姆到幾千歐姆的普通電阻，它的一端與跟隨取樣放大電路IC2的輸出和電流偏差放大電路IC3的反相輸入端相連接，另一端與電流偏差放大電路IC2的同相輸入端和控制信號Ui給定電路的低電位端一同與電流源控制器供電電源的公共端GND相連接。
本發(fā)明所述的可外接負載電源的電流源控制器的電流偏差放大電路IC3，其特征在于所述的電流源控制器的電流偏差放大電路，是一個運算放大器，放大器的同相輸入端與控制信號Ui給定電路的低電位端，以及電流偏差取樣電阻R3的一端一同與電流源控制器供電電源的公共端GND相連接，放大器的反相輸入端與跟隨取樣放大電路IC2的輸出和電流偏差取樣電阻的一個端相連接，放大器的輸出端與負載電流取樣電阻R2的一個端和控制信號放大電路IC1反相輸入端以及負載電流控制電路T2的發(fā)射極相連接。
本發(fā)明所述的可外接負載電源的電流源控制器的載阻抗器RL，其特征在于所述的電流源控制器的載阻抗器，可以是阻性、容性和/或感性負載，它們可以是一個或幾個負載的串連，可以在負載電源電壓正端串連，也可以在負載電源電壓負端串連或者在負載電源電壓正負兩端串連。
本發(fā)明所述的可外接負載電源的電流源控制器的負載供電電源Uef電路，其特征在于所述的電流源控制器的負載供電電源電路，可以是一個直流儲能電源，也可以是一個交流變直流加濾波的電源。
本發(fā)明的工作原理如下
根據(jù)基爾霍夫電壓定律∑u↑＝∑u↓，利用運算放大器兩個輸入端電壓虛短和電流虛斷的特性，通過控制信號放大電路IC1和跟隨取樣放大電路IC2的共同作用，使控制信號Ui與電流取樣電阻R2兩端的壓降UR2相等，來實現(xiàn)R2兩端的壓降UR2跟隨控制信號Ui的變化。
根據(jù)基爾霍夫電流定律∑i→＝∑i←，利用運算放大器高放大倍數(shù)的特點，在電流偏差取樣電阻R3兩端產(chǎn)生電壓降UR3的作用下，使偏差放大電路IC3輸出等于控制信號Ui，為制信號放大電路IC1的反相輸入和輸出(即負載電流控制電路T1、T2的基極)以及跟隨取樣放大電路IC2的同相輸入的電流提供了回路。使電流源控制電路的供電電源輸出的電流∑i→等于輸入電流∑i←。從而實現(xiàn)了電流源控制電路的電流回路與負載電路的電流回路徹底分開的目的。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較本發(fā)明提出的可外接負載電源的電流源控制器的優(yōu)點表現(xiàn)在1、本發(fā)明的電流源控制器可以是一種不帶負載和帶負載電源的產(chǎn)品。
2、本發(fā)明的電流源控制器可以根據(jù)用戶需要在一定范圍內(nèi)選配負載和負載電源，以保證負載電源有較高的使用效率。
3、本發(fā)明的電流源控制器的負載在回路中可以與負載電源的高電位端串連，也可以與負載電源的低電位端串連，或者在負載電源的高電位端和低電位端同時串連。
4、本發(fā)明的電流源控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，便于集成化和便于推廣應(yīng)用的特點。


圖1是本發(fā)明的電路原理2是本發(fā)明的一個實施例的電路原理方框3是本發(fā)明圖2框圖實施例的控制器與負載系統(tǒng)電路原理4是本發(fā)明圖3實施例控制器的供電電源電路原理圖具體實施方式
參見圖2、圖3和圖4。用R4、W、RW構(gòu)成的控制信號給定電路。其中，R4為限流電阻，取3KΩ；W穩(wěn)壓管，取2.5V；RW為多圈電位器，取4.7KΩ。電路通過電位器RW的分壓可得到0～2.5V的控制信號給定電壓，電位器RW的低電位端接供電參考端GND。
用運算放大器OP07做控制信號放大電路IC1，經(jīng)同相輸入對控制信號給定電壓進行電流放大，輸出經(jīng)1KΩ限流電阻R1驅(qū)動復(fù)合三極管(達林頓三極管)T1T2控制通過負載的電流。反相輸入端與T2發(fā)射極相連，利用運算放大器的兩個輸入端電壓虛短的特性，使其電位近似等于控制信號給定電位(即電位器RW的分壓電位)0～2.5V。
用5W/2Ω精密電阻做負載電流取樣電阻R2，與負載RL和負載電源Uef以及負載電流控制電路T2構(gòu)成串聯(lián)回路。使其通過的電流等于負載上通過的電流。
用運算放大器OP07做跟隨取樣放大電路IC2，讓它的同相輸入端與負載電流取樣電阻R2低電位端相連，反相輸入端與輸出相連，再通過電流偏差取樣電阻R3與供電參考端GND相連。
用運算放大器OP07做電流偏差放大電路IC3，將它的反相輸入端與IC2輸出端和R3的低電位端相連，同相輸入端與R3低電位端也是供電參考端GND相連。利用IC3的兩個輸入端電壓虛短的特點，使R2低電位端的電位近似等于供電參考端GND電位。它的輸出與R2的高電位端、T2的發(fā)射極、IC1的反相輸入端相連，為其電流提供回路。
電路中的電容C1為控制信號放大電路IC1的輸出對供電參考端GND提供了高頻交流回路，用以消除因回路噪聲引起的自激振蕩。
本實施例的供電源為V+＝+12V V-＝-5V，參見圖3和4。分別采用LM7812和LM7905兩個三端穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓。電源變壓器是一個交流220V輸入的普通鉄芯變壓器。次級輸出交流14V和7V，經(jīng)橋式整流和電容C41、C42濾波得到正負直流電壓穩(wěn)壓后再由C43、C44進行高頻濾波得+12V、-5V作為本發(fā)明本發(fā)明實施例的負載回路設(shè)計了D1、D2、D3、D4四個二極管，用于允許負載電源Uef不計極性地接入本發(fā)明的電流源控制器的控制輸出端。虛線連接的A1、A2和RLA、RLB，示意在回路中串連的電流表和負載阻抗。Uef為負載電源，未標正負極，表明當正負極隨意接入回路時，不影響本發(fā)明的電流源控制器的正常工作，更不會因此而燒毀。
權(quán)利要求
1.一種可外接負載電源的電流源控制器，其特征在于包括一個電流源控制器供電電源Ue，將220V交流電進行變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓或直接整流、濾波、PWM控制的開關(guān)穩(wěn)壓電源；一個控制信號Ui給定電路，用于控制負載電流的大小，它產(chǎn)生于一個用電位器分壓的電壓信號、一個經(jīng)放大處理的傳感器信號和/或單片機控制下以及其他形式控制的D/A輸出信號；一個控制信號放大電路IC1和輸出限流電阻R1，一方面用于提高控制信號的輸入阻抗，并將控制信號進行電流放大去驅(qū)動負載電流控制電路T1、T2，另一方面利用運算放大器的兩輸入端電壓虛短、電流虛斷的特性使負載電流取樣電阻R2兩端壓降UR2的正端電壓等于控制信號Ui正端電壓；一個負載電流控制電路T1、T2，用于調(diào)節(jié)通過負載的電流，并使其始終與控制信號成線性關(guān)系變化；一個負載電流取樣電阻R2，用于將負載上通過的電流變成與其成正比的電壓信號UR2，供控制電路來控制負載上通過的電流；一個跟隨取樣放大電路IC2，用于提高取樣電阻R2兩端壓降UR2的負端電壓的輸入阻抗，并將其進行等電位電流放大；一個電流偏差取樣電阻R3，用于獲取控制信號電壓Ui與取樣電阻R2兩端壓降UR2的偏差電壓信號UR3，當Ui＝UR2時UR3＝0；當Ui≠UR2時UR3≠0；一個電流偏差放大電路IC2，一方面用于放大電流偏差取樣電阻R3兩端壓降UR3，另一方面為負載電流控制電路T1、T2的基極和IC1反相輸入端、IC2同相輸入端電流提供回路；一個或幾個串聯(lián)負載阻抗器RL和負載供電電源Uef組成的被控對象。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可外接負載電源的電流源控制器的電流源控制器供電電源Ue電路，其特征在于所述的電流源控制器供電電源電路可以是一個由220V輸入電源變壓器，二極管全波整流電路，低頻濾波電容，高頻濾波電容，+9V～+15V范圍內(nèi)的穩(wěn)壓電路(根據(jù)負載電流變化范圍給定)和-5V～-15V范圍內(nèi)的穩(wěn)壓電路組成的正負穩(wěn)壓電源和/或一個將交流220V直接進行全波整流，低頻濾波，高頻濾波，高頻變壓器，開關(guān)控制電路組成的穩(wěn)壓電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可外接負載電源的電流源控制器的控制信號Ui給定電路，其特征在于所述的電流源控制器信號Ui給定電路，可以是一個用電位器分壓的電壓信號、可以是一個經(jīng)過放大處理的傳感器電壓信號和/或單片機控制下以及其他形式控制的D/A輸出電壓信號，它的高電位端與放大電路IC1的同相輸入端相連，低電位端與供電電路參考地GND相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可外接負載電源的電流源控制器的控制信號放大電路IC1和限流電阻R1，其特征在于所述的電流源控制器控制信號放大電路IC1，是一個運算放大器，其同相輸入端接控制信號Ui的高電位端，反相輸入端接負載電流控制電路T2的發(fā)射極端和負載電流取樣電阻R2的高電位端，以及電流偏差放大電路IC3的輸出端，其輸出端通過限流電阻R1接負載電流控制電路T1的基極；所述的限流電阻R1，可以是幾百歐姆到幾千歐姆的普通電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可外接負載電源的電流源控制器的負載電流控制電路T1、T2，其特征在于所述的電流源控制器的負載電流控制電路，是一個由T1、T2組成的達林頓三極管，也可以是一個三極管或場效應(yīng)管，它的基極(柵極)與控制信號放大電路IC1的輸出限流電阻R1連接，集電極(漏極)接負載電源Uef正端或通過負載RL接電源Uef正端；發(fā)射極(源極)接負載電流取樣電阻R2的高電位端和控制信號放大電路IC1反相輸入端，以及電流偏差放大電路IC3的輸出端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可外接負載電源的電流源控制器的負載電流取樣電阻R2，其特征在于所述的電流源控制器的負載電流取樣電阻R2是一個從零點幾歐姆到幾十歐姆(根據(jù)負載電流需要而定)具有良好溫度特性的精密電阻，它的一端與負載電流控制電路T2的發(fā)射極和控制信號放大電路IC1反相輸入端，以及電流偏差放大電路IC3的輸出端相連接，另一端與跟隨取樣放大電路IC2的同相輸入端和負載電源Uef的負端或通過負載RL與電源Uef的負端相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可外接負載電源的電流源控制器的跟隨取樣放大電路IC2，其特征在于所述的電流源控制器的跟隨取樣放大電路，是一個運算放大器，其同相輸入端與負載電流取樣電阻R2的低電位端和負載電源Uef的負端或通過負載RL與電源Uef負端相連接；反相輸入端與輸出端相連接，再與電流偏差取樣電阻R3和電流偏差放大電路IC3的反相輸入端相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可外接負載電源的電流源控制器的電流偏差取樣電阻R3，其特征在于所述的電流源控制器的電流偏差取樣電阻，是一個從幾百歐姆到幾千歐姆的普通電阻，它的一端與跟隨取樣放大電路IC2的輸出和電流偏差放大電路IC3的反相輸入端相連接，另一端與電流偏差放大電路IC2的同相輸入端和控制信號Ui給定電路的低電位端一同與電流源控制器供電電源的公共端GND相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可外接負載電源的電流源控制器的電流偏差放大電路IC3，其特征在于所述的電流源控制器的電流偏差放大電路，是一個運算放大器，放大器的同相輸入端與控制信號Ui給定電路的低電位端，以及電流偏差取樣電阻R3的一端一同與電流源控制器供電電源的公共端GND相連接，放大器的反相輸入端與跟隨取樣放大電路IC2的輸出和電流偏差取樣電阻的一個端相連接，放大器的輸出端與負載電流取樣電阻R2的一個端和控制信號放大電路IC1反相輸入端以及負載電流控制電路T2的發(fā)射極相連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可外接負載電源的電流源控制器的載阻抗器RL，其特征在于所述的電流源控制器的載阻抗器，可以是阻性、容性和/或感性負載，它們可以是一個或幾個與負載的串連，可以在負載電源電壓正端串連，也可以在負載電源電壓負端串連或者在負載電源電壓正負兩端串連。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可外接負載電源的電流源控制器的負載供電電源Uef電路，其特征在于所述的電流源控制器的負載供電電源電路，可以是一個直流儲能電源，也可以是一個交流變直流加濾波的電源。
全文摘要
本發(fā)明公開一種可外接負載電源的電流源控制器，其特征在于包括一個控制電路供電電源Ue，一個控制給定信號Ui電路，一個控制信號給定放大電路IC1和限流電阻R1，一個負載電流控制電路T1、T2，一個負載電流取樣電阻R2，一個跟隨取樣放大電路IC2，一個電流偏差取樣電阻R3，一個電流偏差放大電路IC3，一個被控對象負載阻抗器R
文檔編號G05F1/10GK1818819SQ20061000526
公開日2006年8月16日 申請日期2006年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月5日
發(fā)明者劉恒東 申請人:大連大學(xué)