本發(fā)明屬于線性電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電流源，實(shí)現(xiàn)電壓至電流的轉(zhuǎn)換，輸出可控電流信號(hào)以應(yīng)用于電氣測(cè)試領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電壓控制電流源(vccs)，又稱電壓—電流變換器，屬于恒流源的一種，是一種能將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成與其存在固定倍率關(guān)系的電流信號(hào)輸出的電路。這種結(jié)構(gòu)的電流源在電氣與電子測(cè)試領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。

具體應(yīng)用領(lǐng)域包括：大功率半導(dǎo)體器件測(cè)試、顯像管，功率發(fā)射管等真空原件的啟動(dòng)等。在大功率半導(dǎo)體器件的特性測(cè)試中，vccs可發(fā)揮激勵(lì)源的作用；在真空元器件啟動(dòng)過(guò)程中，為防止由于啟動(dòng)沖擊電流引起的燈絲燒毀vccs可提供恒定的啟動(dòng)電流；在電流表校驗(yàn)領(lǐng)域，vccs同時(shí)可作為基準(zhǔn)源來(lái)使用；在電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方面，vccs能提供一個(gè)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，由于轉(zhuǎn)矩是電機(jī)電流的直接函數(shù)，伺服回路內(nèi)的電流驅(qū)動(dòng)方式可以減少由電動(dòng)機(jī)電感而導(dǎo)致的相位滯后；在電力測(cè)量領(lǐng)域中，vccs可以為導(dǎo)體交、直流電阻測(cè)試提供一個(gè)精確的測(cè)試電流。

在小功率電流源的應(yīng)用場(chǎng)合中，通常直接使用運(yùn)算放大器和穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)小電流輸出，電路成閉環(huán)控制方式。

在大功率電流源的應(yīng)用場(chǎng)合中，普通運(yùn)算放大器閉環(huán)結(jié)構(gòu)由于輸出能力受限，通常采用大功率達(dá)林頓管等功率器件實(shí)現(xiàn)大電流輸出，但是這種方式會(huì)降低測(cè)試精度。

一種普通浮動(dòng)負(fù)載型vccs電路圖如圖1所示，其放大器輸出端直接與負(fù)載相連，負(fù)載另一端直接通過(guò)連接采樣電阻rs接地，其輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系式為：

一種普通接地負(fù)載型vccs電路圖如圖2所示，其放大器輸出端與采樣電阻rs相連，并通在rs兩端采集電壓信號(hào)形成正、負(fù)反饋，其輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系式為：

這兩種電流源結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單實(shí)用，但單個(gè)運(yùn)算放大器輸出能力有限，無(wú)法獲得大電流信號(hào)用以大功率測(cè)試場(chǎng)合。

一種基于負(fù)載浮動(dòng)型vccs的雙管并聯(lián)型電流源如圖3所示，其電路結(jié)構(gòu)在圖1的基礎(chǔ)上以電壓跟隨器的形式并聯(lián)一個(gè)相同的功率運(yùn)算放大器，使得原先單個(gè)放大器輸出的電流分擔(dān)到兩個(gè)放大器共同輸出，從理論上改善了放大器安全工作區(qū)，其輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系式為：

一種基于負(fù)載接地型vccs的雙管并聯(lián)型電流源如圖4所示，其電路結(jié)構(gòu)在圖2的基礎(chǔ)上以電壓跟隨器的形式并聯(lián)一個(gè)相同的功率運(yùn)算放大器，這種結(jié)構(gòu)使得從放大器的能輸出與主放大器相同大小的電流，從理論上倍增了整個(gè)電路的輸出能力。

但在實(shí)際操作中，難以達(dá)到兩個(gè)甚至多個(gè)放大器處于相同工作狀態(tài)，然而并聯(lián)放大器工作狀態(tài)的差異會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)管之間產(chǎn)生電壓差，從而在兩個(gè)放大器之間產(chǎn)生電流回流，這種回流的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致大量能量的損失，還可能使電路產(chǎn)生自激振蕩，甚至燒壞放大器芯片。因此圖3，圖4這兩種并聯(lián)結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中可操作性不強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為滿足在大功率電流源應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)際測(cè)試使用需求，提升電壓控制電流源輸出能力，并在盡量保證大電流輸出的情況下，功率運(yùn)算放大器安全工作，本發(fā)明設(shè)計(jì)了采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電壓控制電流源，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，具體方案如下所述。

采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電壓控制電流源，其特征在于，包括：控制電壓信號(hào)源uac、電壓控制電流源單元si，其中(i＝1，2，…，n‐1)、n繞組隔離變壓器t0，隔離變壓器一次側(cè)n‐1個(gè)繞組分別串接在n‐1個(gè)電壓控制電流源單元的輸出回路中，隔離變壓器二次側(cè)作為該大功率電流源的輸出端接負(fù)載。

所述的采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電壓控制電流源，其特征在于，變壓器一次側(cè)n‐1個(gè)電壓控制電流源單元為具有相同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為負(fù)載浮動(dòng)型或接地型。

所述的采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電壓控制電流源，其特征在于，變壓器一次側(cè)所串接的n‐1個(gè)電壓控制電流源單元輸出回路的激勵(lì)端需要都與一次側(cè)n‐1個(gè)繞組的同名端相連。

所述的一種采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電流源，其特征在于，n繞組隔離變壓器t0一次側(cè)n‐1個(gè)繞組的匝數(shù)n1＝n2＝…＝nn‐1。

所述的采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電壓控制電流源，其特征在于：所述n繞組隔離變壓器t0一次側(cè)繞組數(shù)n‐1即一次側(cè)所串接電壓控制電流源的個(gè)數(shù)可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行改動(dòng)；所述n繞組隔離變壓器t0鐵芯尺寸與材料可根據(jù)具體功率需求、信號(hào)頻率需求適當(dāng)選擇與改動(dòng)，為硅鋼片、鐵氧體、坡莫合金、非晶合金等；所述n繞組隔離變壓器t0每相繞組匝數(shù)n1、n2、…、nn‐1、nn的選擇可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)需求利用變壓器設(shè)計(jì)原則進(jìn)行計(jì)算。

假設(shè)一次側(cè)每個(gè)電壓控制電流源單元輸出電流與控制電壓信號(hào)源轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

i1＝k1uac

i2＝k2uac

…

in-1＝kn-1uac

所述采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電壓控制電流源輸入輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系式為：

本發(fā)明達(dá)到的有益效果有：

第一，通過(guò)引入隔離變壓器耦合多個(gè)電流源輸出端，增強(qiáng)了電路輸出能力，使電壓控制電流源在保證輸出精度的同時(shí)能獲得較大的輸出電流

第二，利用隔離變壓器的結(jié)構(gòu)阻隔并聯(lián)放大器的電氣連接，使得在電路輸出電流倍增的前提下規(guī)避了普通運(yùn)算放大器并聯(lián)時(shí)由于兩個(gè)放大器之間的電壓差而產(chǎn)生的電流回流現(xiàn)象。

第三，為大電流源的研制提供了新的方法，在變壓器足夠大的情形下能耦合更多的放大器從而進(jìn)一步提升電路輸出能力。

附圖說(shuō)明

圖1為基本負(fù)載浮動(dòng)型電壓控制電流源電路；

圖2為基本負(fù)載接地型電壓控制電流源電路；

圖3為基于負(fù)載浮動(dòng)型vccs的雙管并聯(lián)型電流源；

圖4為基于負(fù)載接地型vccs的雙管并聯(lián)型電流源；

圖5為采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電壓控制電流源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖6基于負(fù)載浮動(dòng)型vccs的采用隔離變壓器耦合多管并聯(lián)大功率電流源電路；

圖7基于負(fù)載接地型vccs的采用隔離變壓器耦合多管并聯(lián)大功率電流源電路；

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的和技術(shù)方案更加清楚明了，下面結(jié)合附圖6、7，通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述；但應(yīng)理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。

具體實(shí)施例一

本實(shí)施方式為以負(fù)載浮動(dòng)型電壓控制電流源為基礎(chǔ)的采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電流源電路，應(yīng)用于大截面導(dǎo)體交流電阻測(cè)試。其原理圖如圖6所示，最大輸出為13.5v/40a，包括：控制電壓信號(hào)源uac、功率運(yùn)算放大器正負(fù)供電電源vs+，vs‐、功率運(yùn)算放大器a1和功率運(yùn)算放大器a2、反饋電阻rf、采樣電阻rs、多繞組隔離變壓器t0。

所述控制電壓信號(hào)源uac與功率運(yùn)算放大器a1和a2的反相輸入端連接，放大器同相輸入端接地，所述多繞組隔離變壓器的一次側(cè)t0兩個(gè)繞組一端直接連接兩放大器輸出端，所述多繞組隔離變壓器t0的一次側(cè)兩個(gè)繞組另一端分別與兩個(gè)采樣電阻rs相連，所述多繞組隔離變壓器t0二次側(cè)繞組作為本電流源的輸出端直接串接負(fù)載形成回路。

所述標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)源uac幅值為0～4v，頻率50～400hz。

所述率運(yùn)算放大器a1和功率運(yùn)算放大器a2均為apexpa50。

所述功率運(yùn)算放大器正負(fù)供電電源vs+，vs‐分別為+24v，‐24v。。

所述多繞組隔離變壓器選擇三繞組，匝數(shù)選擇n1＝n2＝n3＝3匝。

所述三繞組隔離變壓器鐵芯材料采用硅鋼片。

進(jìn)一步地，反饋電阻rf阻值均為2kω。

進(jìn)一步地，采樣電阻rs阻值均為0.2ω。

進(jìn)一步地，為了規(guī)避當(dāng)前制造工藝缺陷，兩個(gè)采樣電阻rs都采用50個(gè)精度為0.1％的10ω/10w大功率鋁殼電阻并聯(lián)獲得0.2歐的高精度、低溫漂、大功率小阻值電阻。

進(jìn)一步地，可由電路基本原理推導(dǎo)所述采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電流源的輸入輸出傳遞函數(shù)為：

當(dāng)控制信號(hào)源電壓幅值為4v時(shí)，能在變壓器二次側(cè)獲得穩(wěn)定40a幅值的電流輸出。

具體實(shí)施例二

本實(shí)施方式為以負(fù)載接地型電壓控制電流源為基礎(chǔ)的采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電流源電路，應(yīng)用于大截面導(dǎo)體交流電阻測(cè)試。其原理圖如圖7所示，最大輸出為13.5v/40a，包括：控制電壓信號(hào)源uac、功率運(yùn)算放大器正負(fù)供電電源vs+，vs‐、功率運(yùn)算放大器a1和功率運(yùn)算放大器a2、反饋電阻rf、輸入電阻rin、采樣電阻rs、多繞組隔離變壓器t0。

所述標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)源uac分別通過(guò)兩個(gè)輸入電阻rin、與放大器反相輸入端相連，功率運(yùn)算放大器a1、a2的同相輸入端通過(guò)另外分別兩個(gè)輸入電阻rin接地，所述多繞組隔離變壓器t0一次側(cè)兩個(gè)繞組一端分別通過(guò)功率運(yùn)算放大器a1和a2各自的轉(zhuǎn)換電阻rs連接到放大器的輸出端，所述多繞組隔離變壓器t0一次側(cè)兩個(gè)繞組另一端接地，所述多繞組隔離變壓器t0二次側(cè)繞組作為本電流源的輸出端直接串接負(fù)載形成回路。

所述控制電壓信號(hào)源uac幅值為0～2v，頻率50～400hz。

所述功率運(yùn)算放大器a1和功率運(yùn)算放大器a2均為apexpa50。

所述功率運(yùn)算放大器正負(fù)供電電源vs+，vs‐分別為+24v，‐24v。。

所述多繞組隔離變壓器選擇三側(cè)繞組，匝數(shù)選擇n1＝n2＝n3＝3匝。

所述三繞組隔離變壓器鐵芯材料采用硅鋼片。

進(jìn)一步地，輸入電阻rin阻值均為10kω。

進(jìn)一步地，反饋電阻rf阻值均為20kω。

進(jìn)一步地，采樣電阻rs阻值均為0.2ω。

進(jìn)一步地，為了規(guī)避當(dāng)前制造工藝缺陷，兩個(gè)采樣電阻rs都采用50個(gè)精度為0.1％的10ω/10w大功率鋁殼電阻并聯(lián)獲得0.2歐的高精度、低溫漂、大功率小阻值電阻。

進(jìn)一步地，可由電路基本原理推導(dǎo)所述采用隔離變壓器耦合的多管并聯(lián)大功率電流源的輸入輸出傳遞函數(shù)為：

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源電壓幅值為2v時(shí)，能在變壓器二次側(cè)獲得穩(wěn)定40a幅值的電流輸出。

本發(fā)明在傳統(tǒng)電流源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新的電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入隔離變壓器耦合多個(gè)基本電流源的輸出端，利用電磁感應(yīng)在變壓器二次側(cè)獲得電流的倍增，這種電路與傳統(tǒng)電流源電路相比有著更強(qiáng)的輸出能力并且相比較采用大功率達(dá)林頓管等功率器件獲得大電流的方法本電路又有著較高的輸出精度；同時(shí)利用隔離變壓器阻隔了并聯(lián)的放大器管的電氣連接，有效的規(guī)避了普通并聯(lián)結(jié)構(gòu)提升電流源輸出這種方法下放大器直接電流回流而導(dǎo)致放大器燒毀的隱患，從而進(jìn)一步提升了電流源工作的安全可靠性。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，在不脫離本發(fā)明原理與思路的前提下，本發(fā)明還會(huì)有多種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。