專利名稱：用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)電流源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)電流源裝置技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)電流源裝置技術(shù)，同時還涉及 一種電流源的控制電路與負(fù)載電路供電電源各自獨(dú)立的控制技術(shù)，屬于電源與 控制技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景關(guān)于電流源或恒流源的技術(shù)資料很多，從輸出特性的角度分析，可分為不 可調(diào)和可調(diào)的兩類。如集成電路中的鏡像電流源，給傳感器、發(fā)光、發(fā)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恒流源；如壓力、溫 度等4 20MA變送器和恒流給定器等則是可變的電流源或恒流源。從控制特性 的角度分類，可分為線性控制調(diào)節(jié)、開關(guān)控制調(diào)節(jié)以及線性和開關(guān)并聯(lián)控制調(diào) 節(jié)、線性和開關(guān)串聯(lián)控制調(diào)節(jié)四類。其中較為典型的有用運(yùn)算放大器加三極 管集電極接負(fù)載的共模跟隨式電流源；專利申請?zhí)枮镃N89101207. 9所述的正負(fù) 雙向恒流電源、專利申請?zhí)枮?00510024286. 8的申請中所述的高效率的恒流源、 專利申請?zhí)枮?00610035571. 4的申請中所述的高精度大功率恒流源等。實(shí)踐中，現(xiàn)有的電流源或恒流源，其負(fù)載電路和控制電路的供電電源都來 自同一回路，因此，負(fù)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?zhí)枮?00610035571. 4所述的高精度大功率恒流源，也存在著負(fù)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(fù) 載的需要，尤其不能滿足負(fù)載阻抗和負(fù)載電流要求大范圍隨機(jī)變化的需要。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的，在于提供一種兼顧精度、效率、成本、功率、負(fù)載阻抗變 化的可以隨時控制調(diào)節(jié)的電流源裝置。以滿足市場對大電流或高阻抗或大范圍隨機(jī)變化的負(fù)載的電流源的需要。例如給高精度發(fā)光源的供電、高精度發(fā)熱 源的供電、高精度電磁變換的供電、快速恒流充電的供電等。本發(fā)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(fù)載供電的功能電路， 一部分是控制給負(fù) 載供電的開關(guān)管的控制電路。讓三部分電路的供電電源回路各自獨(dú)立；讓電流 給定控制功能電路和供電電源電路懸浮在負(fù)載之上；讓開關(guān)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(fù)載供電回路的影響，也不受 電流給定控制功能電路的供電回路的影響。讓懸浮在負(fù)載之上的電流給定控制 電路的控制性能不受負(fù)載回路變化的影響。用開關(guān)和降壓續(xù)流電路來控制負(fù)載 電流調(diào)節(jié)管的輸入、輸出之間的電壓在最小范圍內(nèi)工作。通過利用電感在通電 電路中能將一部分電能轉(zhuǎn)化為磁能，當(dāng)切斷電源后電感內(nèi)部的磁能又能轉(zhuǎn)變成 電能向外釋放的特性，來解決調(diào)節(jié)管的損耗問題。使本發(fā)明具備效率高、精度 高、功率大、可調(diào)范圍大、適應(yīng)負(fù)載所需電壓變化范圍大的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的-首先確定將本發(fā)明的負(fù)載R^接在給負(fù)載供電電源仏的負(fù)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(diào)節(jié)管L、電感L、 開關(guān)管L到電源1^的正端。再給開關(guān)管T2設(shè)計一個由運(yùn)算放大器和電阻組成的 開關(guān)控制電路和供電電源U。1;給電感L設(shè)計一個磁電轉(zhuǎn)換續(xù)流二極管Dl和濾波 電容C;再給電流調(diào)節(jié)管L設(shè)計一個能夠跟隨負(fù)載電壓變化的跟隨電路，和光電 隔離電路，作為開關(guān)控制電路的控制信號，以實(shí)現(xiàn)通過控制開關(guān)管T2的開和關(guān)， 來達(dá)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(diào)節(jié)管L設(shè)計 一個可調(diào)的電流給定控制電路和供電電源Ue2，以便根據(jù)需要隨時調(diào)節(jié)通過負(fù)載 上的電流。組成用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)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(wěn)壓塊Dw、運(yùn)算放大器IC1、電容Ca、 CB、負(fù)載電流調(diào)節(jié)管Ti、負(fù)載電流取樣電阻R。、電源Ue2組成。用于根據(jù)需要隨時調(diào)節(jié)通過負(fù)載上的電流。一個負(fù)載和給負(fù)載供電的控制電路部分，包括 一個給負(fù)載回路供電的電源Ul電路； 一個給控制開關(guān)管電路供電的穩(wěn)壓電源Uei電路；一個負(fù)載電流調(diào)節(jié)管L，用于調(diào)節(jié)通過負(fù)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(fù)載電流取樣電阻RQ，用于反應(yīng)通過負(fù)載的電流，以便電流源控制電路及時控制電流調(diào)節(jié)管L按給定電流輸出給負(fù)載；一個負(fù)載RL和電容CL，用于通電做功的電路；一個負(fù)載電壓跟隨電路，由二極管D2、 D3/4/5和PNP三極管Bl、 B2以及 電阻R1、 R2組成。用于跟隨負(fù)載電壓變化和反應(yīng)負(fù)載電流調(diào)節(jié)管L的輸入、輸 出之間電壓；一個降壓續(xù)流電路，由電感L，電容C 、 d， 二極管D1組成。用于在開關(guān) 的作用下將電能變成磁能，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時再將磁能變成電能送給負(fù)載；一個開關(guān)管T2，用于根據(jù)負(fù)載電壓跟隨電路提供的負(fù)載電流調(diào)節(jié)管1\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(guān)電路，由運(yùn)算放大器IC和電阻R3、 R4、 R5以及D6、 D7組成。 用于根據(jù)負(fù)載電壓跟隨電路提供的負(fù)載電流調(diào)節(jié)管L的輸入輸出之間電壓信 號，來控制開關(guān)管T2工作在開關(guān)狀態(tài)。一個電壓隔離電路El，用于將負(fù)載電壓跟隨電路反應(yīng)的負(fù)載電流調(diào)節(jié)管1\ 的輸入輸出之間電壓的極限值傳遞給開關(guān)控制電路。 本發(fā)明的技術(shù)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RB，可以是多圈電位器和/或非多圈電位器；穩(wěn)壓塊Dw，也可以是穩(wěn) 壓二極管；運(yùn)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(fù)載電流調(diào)節(jié)管T,，可以是一個功率三極管、復(fù)合式功 率三極管和/或場效應(yīng)管；負(fù)載電流取樣電阻R。，是一個精密電阻，根據(jù)精度要 求也可以是普通電阻；電源Uc2，可以是線性穩(wěn)壓電源，也可以是開關(guān)穩(wěn)壓電源。 另外，根據(jù)運(yùn)算放大器IC1要求選擇單電壓和/或雙電壓輸出。所述的給負(fù)載回路供電的電源Ul電路，可以是直接將220V交流電進(jìn)行整 流、濾波變成直流電的電路，也可以是通過變壓器變壓后再進(jìn)行整流、濾波的 直流電路或經(jīng)過線性穩(wěn)壓的電路和/或經(jīng)過開關(guān)穩(wěn)壓的電路。所述的給控制開關(guān)管供電的電源U 電路，是一個用變壓器將220V交流電進(jìn) 行變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路，也可以是開關(guān)穩(wěn)壓電路。所述的負(fù)載電流調(diào)節(jié)管L是一個功率三極管、復(fù)合式功率三極管和/或場效 應(yīng)管。所述的負(fù)載RL、 Q和負(fù)載電流取樣電阻RQ，其中的負(fù)載R^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(fù)載電流取樣 電阻R。是一個精密電阻，根據(jù)電流源的精度要求也可以是普通電阻。所述的負(fù)載電壓跟隨電路，其中的D2是各種具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管； D3/4/5除了可以是各種具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管外，數(shù)量根據(jù)最小限壓值而 定，也可以是穩(wěn)壓管；Bl、 B2是兩個PNP三極管，也可以是PNP復(fù)合三極管或 叫PNP型達(dá)林頓三極管，也可以根據(jù)負(fù)載電源電壓的高低和負(fù)載以及負(fù)載電流 的變化范圍用一個PNP三極管；Rl、 R2是普通電阻和/或是精密電阻。所述的降壓續(xù)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是一種肖特基二極管和/或是快恢復(fù)二極 管。所述的開關(guān)電路T2，可以是P溝道場效應(yīng)管和/或是N溝道場效應(yīng)管，還可 以是PNP或NPN功率三極管和/或達(dá)林頓三極管。所述的控制開關(guān)電路，其中的IC可以是運(yùn)算放大器，也可以是比較和/或 觸發(fā)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(fā)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(fù)載電壓跟隨電路與負(fù)載共用一個供電回路；控制 開關(guān)管工作電路的供電電源是一個獨(dú)立回路。本發(fā)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(jù)需要隨時調(diào)節(jié)和控制通過負(fù)載的電流，并使其不受負(fù)載阻抗和負(fù)載回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(yùn)算放大器具有大的放大倍數(shù)、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于零以及場效應(yīng)管的柵、源極之間高阻抗的特性， 選取負(fù)載電路RL、 CL在回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。然后，通過調(diào)節(jié)電路中的電位器Rb，來改變運(yùn)算放大器IC同相輸入端的電壓，進(jìn)而改變通過場效應(yīng)管L的電流，使取 樣電阻R。兩端電壓亦即運(yùn)算放大器IC1反相輸入端相對于參考電位的電壓等于 運(yùn)算放大器IC1同相輸入端的電壓，以實(shí)現(xiàn)鏡像跟蹤的控制。同時實(shí)現(xiàn)供電回 路獨(dú)立和控制性能不受負(fù)載阻抗和負(fù)載回路供電電源變化的影響的目的。2、給負(fù)載供電控制電路部分的功能是控制T,的輸入、輸出之間的電壓在 一定范圍內(nèi)變化，控制T2工作在開關(guān)狀態(tài)，利用通電電感的電動生磁、磁動生 電的原理，將負(fù)載供電回路的損耗降低。另外，給控制T2工作在開關(guān)狀態(tài)的控 制電路一個獨(dú)立的供電回路Ucu,避免負(fù)載兩端電壓大范圍變化時，電源UL對 控制電路的影響。當(dāng)場效應(yīng)管Ti的輸入、輸出即漏、源之間的電壓UDs大于二極管D3/4/5結(jié) 壓降減D2結(jié)壓降時，三極管B1、 B2的ce導(dǎo)通，使El中的發(fā)光二極管發(fā)光， 光敏管導(dǎo)通，IC的反相輸入端電壓大于同相輸入端，其輸出變低，場效應(yīng)管T2 截止。負(fù)載上的電流由電感在通電周期中產(chǎn)生的磁能變成電能，通過二極管Dl 構(gòu)成回路與電容C一同供給負(fù)載。當(dāng)場效應(yīng)管T1的漏、源之間電壓UDs小于二 極管D3/4/5結(jié)壓降減D2結(jié)壓降時，三極管Bl、 B2的ce由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，?EL中的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏管截止，IC的反相輸入端電壓小于同相輸入端， 其輸出變高，場效應(yīng)管T2導(dǎo)通，電源UL通過電感給負(fù)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(huán)便解決了高電壓供電時的場效應(yīng)管L的 損耗和過熱問題。其中的IC和EL中的光敏管采用獨(dú)立電源回路，因此，控制T2工作在開關(guān)狀態(tài)的控制電路的性能不受負(fù)載兩端電壓大范圍變化時的電源UL的影響。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在1、解決了可調(diào)電流源在工作時，負(fù)載電流或負(fù)載阻抗需要大范圍隨機(jī)變化 的效率、精度以及功率問題。
2、 給負(fù)載供電的電壓可以從幾十伏特到幾百伏特。
3、 結(jié)構(gòu)簡單，便于集成，便于推廣。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的電路原理方框圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電路原理圖3是本發(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)施例的控制開關(guān)管電路的供電電源的電路原理圖5是本發(fā)明實(shí)施例的給負(fù)載回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(fù)載以及給負(fù)載供電的控制電路。
具體實(shí)施方式
參見圖l、圖2。首先確定將電流源的負(fù)載RL、 Qi妾在給負(fù)載供電電源Uj勺 負(fù)端與控制電路的取樣電阻R。的低電位端之間，再在其負(fù)載回路供電電源UJ勺 正端與電流調(diào)節(jié)管L之間串接一個開關(guān)管T2和并聯(lián)的電感L、電容d;在電流
調(diào)節(jié)管L和并聯(lián)的電感L、電容d之間接一個電容C到電源UL負(fù)端；在開關(guān)管 L和并聯(lián)的電感L、電容d之間接一個二極管Dl到電源l^負(fù)端；在電流取樣電
阻R。與電流調(diào)節(jié)管L之間接一個二極管D2和電阻Rl串聯(lián)接到負(fù)載電源UL低電 位端；在二極管D2和電阻Rl之間接三個串聯(lián)的二極管D3/4/5到電流調(diào)節(jié)管L 和并聯(lián)的電感L、電容d之間，其中有兩個PNP三極管B1、 B2， Bl的基極接到 二極管D2和電阻R1之間，發(fā)射極與B2的基極相連，集電極與電源U負(fù)端相連， B2的發(fā)射極接一個電阻R2到電流調(diào)節(jié)管L和并聯(lián)的電感L、電容d之間，集電 極與光偶EL的發(fā)光管陽極相連，光偶EL的發(fā)光管陰極與電源UL負(fù)端相連；光偶 E^的光敏管， 一端接電源Uu的正端，另一端接一個電阻R3到電源Uu的負(fù)端， 同時與運(yùn)算放大器IC的反向輸入相連；其中的運(yùn)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UCI的正端相連， 接電阻R6與電源Uei的負(fù)端相連；運(yùn)算放大器IC的輸出與開關(guān)管T2的控制極相 連。另夕卜，在負(fù)載RL、 a和電源UL之間串一個保險絲IB。電流調(diào)節(jié)管L的柵極G與運(yùn)算放大器IC1的輸出相連，源極S與運(yùn)算放大器IC1的反相輸入端相連； L的柵極G與源極S之間并聯(lián)一個電容CA;運(yùn)算放大器IC1的同相輸入端與電阻
R"電位器RB、穩(wěn)壓塊Dw組成的負(fù)載電流給定電路相連，并對參考點(diǎn)接一個電容
Cb。其中，電阻仏的一端與供電電源Uc:的正極相連，另一端與并聯(lián)的電位器RB 和穩(wěn)壓管Dw相連，再與負(fù)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(yùn)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Uu給控制開關(guān)電路供電；用圖4所示的電 路，作為U。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(fù)載回路
供電；用LM741作為運(yùn)算放大器IC; 10KQ 1/4W金屬膜電阻作為電阻RA;用LM385 作為穩(wěn)壓塊Dw;用WX03—13多圈電位器作為電位器RB;用IRFP場效應(yīng)管作為 負(fù)載電流調(diào)節(jié)管L;用5瓦0.5Q電阻作為負(fù)載電流取樣R。，用500瓦220VAC 電阻絲作為負(fù)載電路Ru用三個二極管作為D3/4/5;用兩個PNP三極管作為Bl、 B2;用IOOKQ電阻作為Rl;用470Q電阻作為R2;用1N5819作為負(fù)載電壓跟 隨電路D2;用10uf/400V電容作為C;用50SQ100作為續(xù)流二極管Dl;用lmH 電感作為L;用IRFP場效應(yīng)管作為開關(guān)管T2;用LM741運(yùn)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(fù) 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(fā)明實(shí)施例的 電路。
權(quán)利要求1. 一種用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)電流源裝置，其特征在于包括一個電流給定控制電路(1)和一個負(fù)載與給負(fù)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(wěn)壓塊DW、運(yùn)算放大器IC1、電容CA、CB、負(fù)載電流調(diào)節(jié)管T1、負(fù)載取樣電阻RQ和電源UC2組成，用于根據(jù)需要隨時調(diào)解通過負(fù)載上的電流；所述的負(fù)載與給負(fù)載供電的控制電路(2)由電源UL、穩(wěn)壓電源UC1、負(fù)載電流調(diào)節(jié)管T1、負(fù)載電流取樣電阻RQ、負(fù)載電阻RL、負(fù)載電容CL、開關(guān)管T2以及負(fù)載電壓跟隨電路、降壓續(xù)流電路、開關(guān)管的控制電路和電壓隔離電路EL所組成；當(dāng)負(fù)載電流調(diào)節(jié)管T1的輸入、輸出亦即漏、源之間的電壓UDS大于所述負(fù)載電壓跟隨電路中的二極管D3/D4/D5結(jié)壓降減D2結(jié)壓降時，該電路中的三級管B1、B2的發(fā)射極e到集電極c導(dǎo)通，使EL電路中的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏管導(dǎo)通，運(yùn)放IC的反相輸入端電壓大于同相輸入端電壓，輸出變低，開關(guān)管T2截止，此時負(fù)載上的電流由電感L在通電期間產(chǎn)生的磁能變成電能，通過二極管D1構(gòu)成回路與電容C一同供給；當(dāng)調(diào)節(jié)管T1的漏、源之間電壓UDS小于二極管D3、D4、D5結(jié)壓降減D2結(jié)壓降時，三極管B1、B2的發(fā)射極e到集電極c由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，使EL中的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏管截止，運(yùn)放IC的反相輸入端電壓小于同相輸入端，輸出變高，開關(guān)管T2導(dǎo)通，電源UL通過電感給負(fù)載提供電流，同時電感再將降壓消耗的電能變成磁能。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)電流源裝置，其特征 在于所述的負(fù)載電壓跟隨電路由二極管D2、 D3/D4/D5和PNP三極管B1、 B2、 電阻R1、 R2以及電壓隔離電路EL的發(fā)光管組成；用于跟隨負(fù)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(jù)權(quán)利要求2所述的用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)電流源裝置，其特征 在于所述的降壓續(xù)流電路由電感L、電容C、電容d、 二極管D,組成；用于降 掉負(fù)載回路中多余的電壓，并在開關(guān)管T2的關(guān)斷期間，將降壓產(chǎn)生的磁能變成 電能來維持通過負(fù)載上的電流,以減少因降掉負(fù)載回路中多余電壓而產(chǎn)生的損 耗。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)電流源裝置，其特征 在于所述的開關(guān)的控制電路由運(yùn)放IC、 二極管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Uc,所組成；用于控制開關(guān)管T2工 作在開關(guān)狀態(tài)。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)電流源裝置。特征在于電流給定控制電路和所用的電源回路(1)懸浮在負(fù)載之上；控制開關(guān)管T₂工作的電路和所用的電源回路懸浮在降壓續(xù)流電路之上。二者與負(fù)載供電電源回路各自獨(dú)立，互不干擾。一方面解決了負(fù)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(diào)電流源調(diào)節(jié)管損耗大的問題，也解決了用高電壓給負(fù)載供電時控制開關(guān)電路的損耗和耐壓問題，同時也解決了大電流低電壓給負(fù)載供電時，利用場效應(yīng)管作開關(guān)管的柵極相對于源極的控制電壓問題。因此，本實(shí)用新型在保證高效率、高精度、大功率的前提下，進(jìn)一步擴(kuò)大了輸出電流可調(diào)范圍和負(fù)載所需電壓變化的范圍。
文檔編號G05F1/10GK201107680SQ200720013698
公開日2008年8月27日 申請日期2007年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者劉恒東, 猛 陳 申請人:大連大學(xué)