CN100392549C - 可外接负载电源的电流源控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于包括一个控制电路供电电源Ue，一个控制给定信号Ui电路，一个控制信号给定放大电路IC1和限流电阻R1，一个负载电流控制电路T1、T2，一个负载电流取样电阻R2，一个跟随取样放大电路IC2，一个电流偏差取样电阻R3，一个电流偏差放大电路IC3，一个被控对象负载阻抗器RL和负载供电电源Uef。该控制器的特点是负载与控制电路的供电电源各自独立，当负载所用的供电电源随负载阻抗变化时不用考虑控制电路的动态范围。因此，负载和负载所用的供电电源可根据需要在一个较大范围内调配或切换，以提高负载电源使用效率。

Description

可外接负载电源的电流源控制器

技术领域

本发明涉及一种可外接负载电源的电流源控制技术，特别涉及一种控制电路的供电电源与负载电路的供电电源各自独立的，可作信号变送或恒流、变流驱动使用的可调电流源控制技术，属电源与控制技术领域。

背景技术

电流源或恒流源，其功能都是向负载提供一个不随阻抗变化的定量电流。有关这方面的资料很多，采用的技术也有多种。大体可分为两大类：

一类是不可调的，如集成电路中常用的三极管或场效应管构成的偏流或偏压镜像比较式电流源，和常用在给传感器、发光、发热等器件供电的恒压钳位式电流源等。另一类是可调的，如信号变送器，就是一种在传感器信号的控制下输出一个与传感器信号成正比的电流源；还有恒流给定器的电压电流变换器等。这一类电流源的特点是，负载上通过的电流不是一个恒定不变的电流。因此，作为有源电路，就必须为其提供一定的供电电压来维持电路的正常工作。并且要考虑负载上电压降的动态范围和电源的使用效率。其中，教科书中介绍的，为了保证负载上电压降的动态范围，常用运算放大器加三极管集电极接负载的共模跟随式电流源；专利申请号为CN89101207.9的正负双向恒流电源和专利申请号为200510024286.8的申请中所述的高效率的恒流源，则是为了既要保证负载上电压降的动态范围又要提高电源的使用效率而设计的电流源。实践表明：无论是教科书中所述的电流源技术，还是专利申请中所述的电流源技术，都是负载受限的电流源。不能满足大电流或高阻抗负载的需要，尤其不能满足负载阻抗和负载电流要求大范围随机变化的需要。

发明内容

本发明是可调电流源控制技术的一种，目的在于提供一种兼顾精度、效率、成本、功率、负载范围且不含负载和负载供电电源的电流源控制器。可以满足市场对大电流或高阻抗负载电流源控制的需要，同时也满足了对负载阻抗和负载电流要求大范围随机变化的需要。例如：高精度发光控制、高精度发热控制、高精度电磁变换控制等领域的需求。

为达到上述目的，本发明的构思是：设计一种控制电路的供电电源与负载电路的供电电源各自独立的电流源控制器，让负载电路的供电电源能跟随负载的需求接入电流源控制器。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

根据基尔霍夫电流定律原理，利用运算放大器的两个输入端的电压虚短和电流虚断的特性，将控制电路中的电流与负载电路中的电流在通过调节电路的三极管T1T2和取样电路的电阻R2后彻底分离，从而解决可外接负载电源的电流源控制问题。

一种可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于包括：

一个电流源控制器供电电源Ue，将220V交流电进行变压、整流、滤波、稳压或直接整流、滤波、PWM控制的开关稳压电源；

一个控制信号Ui给定电路，用于控制负载电流的大小，它产生于一个用电位器分压的电压信号、一个经放大处理的传感器信号和/或单片机控制下以及其他形式控制的D/A输出信号；

一个控制信号放大电路IC1和输出限流电阻R1，一方面用于提高控制信号的输入阻抗，并将控制信号进行电流放大驱动负载电流控制电路T1、T2，另一方面利用运算放大器的两输入端电压虚短、电流虚断的特性使负载电流取样电阻R2两端压降U_R2的正端电压等于控制信号Ui正端电压；

一个负载电流控制电路T1、T2，用于调节通过负载的电流，并使其始终与控制电压信号成线性关系变化；

一个负载电流取样电阻R2，用于将通过负载的电流变成与其成正比的电压信号U_R2，供控制电路来控制负载上通过的电流；

一个跟随取样放大电路IC2，用于提高取样电阻R2两端压降U_R2的负端电压的输入阻抗，并将其进行等电位电流放大；

一个电流偏差取样电阻R3，用于获取控制信号电压Ui与取样电阻R2两端压降U_R2的偏差电压信号U_R3，当Ui＝U_R2时U_R3＝0；当Ui≠U_R2时U_R3≠0；

一个电流偏差放大电路IC2，一方面用于放大电流偏差取样电阻R3两端压降U_R3，另一方面为负载电流控制电路T1、T2的基极和IC1反相输入端、IC2同相输入端电流提供回路一个或几个串联负载阻抗器R_L和负载供电电源Uef组成的被控对象。

本发明的技术解决方案还包括：

所述的电流源控制器供电电源电路可以是一个由220V输入电源变压器，二极管全波整流电路，低频滤波电容，高频滤波电容，+9V～+15V范围内的稳压电路(根据负载电流变化范围给定)和-5V～-15V范围内的稳压电路组成的正负稳压电源和/或一个将交流220V直接进行全波整流，低频滤波，高频滤波，高频变压器，开关控制电路组成的正负稳压电源。

所述的电流源控制器信号Ui给定电路，可以是一个用电位器分压的电压信号、可以是一个经过放大处理的传感器电压信号和/或单片机控制下D/A输出电压信号，它的高电位端与放大电路IC1的同相输入端相连，低电位端与供电电路参考地GND相连。

所述的电流源控制器控制信号放大电路IC1，是一个运算放大器，其同相输入端接控制信号Ui的高电位端，反相输入端接负载电流控制电路T2的发射极端和负载电流取样电阻R₂的高电位端，以及电流偏差放大电路IC3的输出端，其输出端通过限流电阻R1接负载电流控制电路T1的基极；所述的限流电阻R1，可以是几百欧姆到几千欧姆的普通电阻。

所述的电流源控制器的负载电流控制电路，是一个由T1、T2组成的达林顿三极管，也可以是一个三极管或场效应管，它的基极(栅极)与控制信号放大电路IC1的输出限流电阻R1连接，集电极(漏极)接负载电源Uef正端或通过负载RL接电源Uef正端；发射极(源极)接负载电流取样电阻R2的高电位端和控制信号放大电路IC1反相输入端，以及电流偏差放大电路IC3的输出端。

所述的电流源控制器的负载电流取样电阻R2是一个从零点几欧姆到几十欧姆(根据负载电流需要而定)具有良好温度特性的精密电阻，它的一端与负载电流控制电路T2的发射极和控制信号放大电路IC1反相输入端，以及电流偏差放大电路IC3的输出端相连接，另一端与跟随取样放大电路IC2的同相输入端和负载电源Uef负端或与电源Uef负端负载RL相连接。

所述的电流源控制器的跟随取样放大电路，是一个运算放大器，其同相输入端与负载电流取样电阻R2的低电位端和与负载电源Uef负端或电源Uef负端负载RL相连接；反相输入端与输出端相连接，再与电流偏差取样电阻R3和电流偏差放大电路IC3的反相输入端相连接。

所述的电流源控制器的电流偏差取样电阻，是一个从几百欧姆到几千欧姆的普通电阻，它的一端与跟随取样放大电路IC2的输出和电流偏差放大电路IC3的反相输入端相连接，另一端与电流偏差放大电路IC2的同相输入端和控制信号Ui给定电路的低电位端一同与电流源控制器供电电源的公共端GND相连接。

所述的电流源控制器的电流偏差放大电路，是一个运算放大器，放大器的同相输入端与控制信号Ui给定电路的低电位端，以及电流偏差取样电阻R3的一端一同与电流源控制器供电电源的公共端GND相连接，放大器的反相输入端与跟随取样放大电路IC2的输出和电流偏差取样电阻的一个端相连接，放大器的输出端与负载电流取样电阻R2的一个端和控制信号放大电路IC1反相输入端以及负载电流控制电路T2的发射极相连接。

所述的电流源控制器的载阻抗器RL，可以是阻性、容性和/或感性负载，它们可以是一个或几个负载的串连，可以在负载电源电压正端串连，也可以在负载电源电压负端串连或者在负载电源电压正负两端串连。

所述的电流源控制器的负载供电电源Uef电路，可以是一个直流储能电源，也可以是一个交流变直流加滤波的电源。

本发明的工作原理如下：

根据基尔霍夫电压定律：∑u↑＝∑u↓，利用运算放大器两个输入端电压虚短和电流虚断的特性，通过控制信号放大电路IC1和跟随取样放大电路IC2的共同作用，使控制信号Ui与电流取样电阻R2两端的压降UR2相等，来实现R2两端的压降UR2跟随控制信号Ui的变化。

根据基尔霍夫电流定律：∑i→＝∑i←，利用运算放大器高放大倍数的特点，在电流偏差取样电阻R3两端产生电压降UR3的作用下，使偏差放大电路IC3输出等于控制信号Ui，为制信号放大电路IC1的反相输入和输出(即负载电流控制电路T1、T2的基极)以及跟随取样放大电路IC2的同相输入的电流提供了回路。使电流源控制电路的供电电源输出的电流∑i→等于输入电流∑i←。从而实现了电流源控制电路的电流回路与负载电路的电流回路彻底分开的目的。

与现有技术相比较本发明提出的可外接负载电源的电流源控制器的优点表现在：

1、本发明的电流源控制器可以是一种不带负载和带负载电源的产品。

2、本发明的电流源控制器可以根据用户需要在一定范围内选配负载和负载电源，以保证负载电源有较高的使用效率。

3、本发明的电流源控制器的负载在回路中可以与负载电源的高电位端串连，也可以与负载电源的低电位端串连，或者在负载电源的高电位端和低电位端同时串连。

4、本发明的电流源控制器具有结构简单，便于集成化和便于推广应用的特点。

附图说明

图1是本发明的电路原理图

图2是本发明的一个实施例的电路原理方框图

图3是本发明图2框图实施例的控制器与负载系统电路原理图

图4是本发明图3实施例控制器的供电电源电路原理图

具体实施方式

参见图2、图3和图4。用R4、W、R_W构成的控制信号给定电路。其中，R4为限流电阻，取3KΩ；W稳压管，取2.5V；R_W为多圈电位器，取4.7KΩ。电路通过电位器R_W的分压可得到0～2.5V的控制信号给定电压，电位器R_W的低电位端接供电参考端GND。

用运算放大器OP07做控制信号放大电路IC1，经同相输入对控制信号给定电压进行电流放大，输出经1KΩ限流电阻R1驱动复合三极管(达林顿三极管)T1T2控制通过负载的电流。反相输入端与T2发射极相连，利用运算放大器的两个输入端电压虚短的特性，使其电位近似等于控制信号给定电位(即电位器R_W的分压电位)0～2.5V。

用5W/2Ω精密电阻做负载电流取样电阻R2，与负载RL和负载电源Uef以及负载电流控制电路T2构成串联回路。使其通过的电流等于负载上通过的电流。

用运算放大器OP07做跟随取样放大电路IC2，让它的同相输入端与负载电流取样电阻R2低电位端相连，反相输入端与输出相连，再通过电流偏差取样电阻R3与供电参考端GND相连。

用运算放大器OP07做电流偏差放大电路IC3，将它的反相输入端与IC2输出端和R3的低电位端相连，同相输入端与R3低电位端也是供电参考端GND相连。利用IC3的两个输入端电压虚短的特点，使R2低电位端的电位近似等于供电参考端GND电位。它的输出与R2的高电位端、T2的发射极、IC1的反相输入端相连，为其电流提供回路。

电路中的电容C1为控制信号放大电路IC1的输出对供电参考端GND提供了高频交流回路，用以消除因回路噪声引起的自激振荡。

本实施例的供电源为V+＝+12V V-＝-5V，参见图3和4。分别采用LM7812和LM7905两个三端稳压电路进行稳压。电源变压器是一个交流220V输入的普通鉄芯变压器。次级输出交流14V和7V，经桥式整流和电容C41、C42滤波得到正负直流电压稳压后再由C43、C44进行高频滤波得+12V、-5V作为本发明实施例的供电电源。

本发明实施例的负载回路设计了D1、D2、D3、D4四个二极管，用于允许负载电源Uef不计极性地接入本发明的电流源控制器的控制输出端。虚线连接的A1、A2和R_LA、R_LB，示意在回路中串连的电流表和负载阻抗。Uef为负载电源，未标正负极，表明当正负极随意接入回路时，不影响本发明的电流源控制器的正常工作，更不会因此而烧毁。

Claims (11)

1.一种可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于包括：

一个电流源控制器供电电源Ue，将220V交流电进行变压、整流、滤波、稳压或直接整流、滤波、PWM控制的开关稳压电源；

一个控制信号Ui给定电路，用于控制负载电流的大小，它产生于一个用电位器分压的电压信号、一个经放大处理的传感器信号和/或单片机控制下的D/A输出信号；

一个控制信号放大电路IC1和输出限流电阻R1，一方面用于提高控制信号的输入阻抗，并将控制信号进行电流放大去驱动负载电流控制电路T1、T2，另一方面利用运算放大器的两输入端电压虚短、电流虚断的特性使负载电流取样电阻R2两端压降U_R2的正端电压等于控制信号Ui正端电压；

一个负载电流控制电路T1、T2，用于调节通过负载的电流，并使其始终与控制信号成线性关系变化；

一个负载电流取样电阻R2，用于将负载上通过的电流变成与其成正比的电压信号U_R2，供控制电路来控制负载上通过的电流；

一个跟随取样放大电路IC2，用于提高取样电阻R2两端压降U_R2的负端电压的输入阻抗，并将其进行等电位电流放大；

一个电流偏差取样电阻R3，用于获取控制信号电压Ui与取样电阻R2两端压降U_R2的偏差电压信号U_R3，当Ui＝U_R2时U_R3＝0；当Ui≠U_R2时U_R3≠0；

一个电流偏差放大电路IC3，一方面用于放大电流偏差取样电阻R3两端压降U_R3，另一方面为负载电流控制电路T1、T2的基极和IC1反相输入端、IC2同相输入端电流提供回路；

一个或几个串联负载阻抗器R_L和负载供电电源Uef组成的被控对象。

2.根据权利要求1所述的可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于所述的电流源控制器供电电源Ue电路可以是一个由220V输入电源变压器，二极管全波整流电路，低频滤波电容，高频滤波电容，+9V～+15V范围内的稳压电路和-5V～-15V范围内的稳压电路组成的正负稳压电源和/或一个将交流220V直接进行全波整流，低频滤波，高频滤波，高频变压器，开关控制电路组成的稳压电源。

3.根据权利要求1或2所述的可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于所述的电流源控制器信号Ui给定电路，可以是一个用电位器分压的电压信号、可以是一个经过放大处理的传感器电压信号和/或单片机控制下的D/A输出电压信号，它的高电位端与放大电路IC1的同相输入端相连，低电位端与供电电路参考地GND相连。

4.根据权利要求1或2所述的可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于所述的电流源控制器控制信号放大电路IC1，是一个运算放大器，其同相输入端接控制信号Ui的高电位端，反相输入端接负载电流控制电路T2的发射极端和负载电流取样电阻R₂的高电位端，以及电流偏差放大电路IC3的输出端，其输出端通过限流电阻R1接负载电流控制电路T1的基极；所述输出限流电阻R1，可以是几百欧姆到几千欧姆的普通电阻。

5.根据权利要求1或2所述的可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于所述的电流源控制器的负载电流控制电路，是一个由T1、T2组成的达林顿三极管，也可以是一个三极管或场效应管，它的基极与控制信号放大电路IC1的输出限流电阻R1连接，集电极接负载电源Uef正端或通过负载RL接电源Uef正端；发射极接负载电流取样电阻R2的高电位端和控制信号放大电路IC1反相输入端，以及电流偏差放大电路IC3的输出端。

6.根据权利要求1或2所述的可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于所述的电流源控制器的负载电流取样电阻R2是一个从零点几欧姆到几十欧姆具有良好温度特性的精密电阻，它的一端与负载电流控制电路T2的发射极和控制信号放大电路IC1反相输入端，以及电流偏差放大电路IC3的输出端相连接，另一端与跟随取样放大电路IC2的同相输入端和负载电源Uef的负端或通过负载RL与电源Uef的负端相连接。

7.根据权利要求1或2所述的可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于所述的电流源控制器的跟随取样放大电路IC2，是一个运算放大器，其同相输入端与负载电流取样电阻R2的低电位端和负载电源Uef的负端或通过负载RL与电源Uef负端相连接；反相输入端与输出端相连接，再与电流偏差取样电阻R3和电流偏差放大电路IC3的反相输入端相连接。

8.根据权利要求1或2所述的可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于所述的电流源控制器的电流偏差取样电阻R3，是一个从几百欧姆到几千欧姆的普通电阻，它的一端与跟随取样放大电路IC2的输出和电流偏差放大电路IC3的反相输入端相连接，另一端与电流偏差放大电路IC2的同相输入端和控制信号Ui给定电路的低电位端一同与电流源控制器供电电源的公共端GND相连接。

9.根据权利要求1或2所述的可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于所述的电流源控制器的电流偏差放大电路IC3，是一个运算放大器，放大器的同相输入端与控制信号Ui给定电路的低电位端，以及电流偏差取样电阻R3的一端一同与电流源控制器供电电源的公共端GND相连接，放大器的反相输入端与跟随取样放大电路IC2的输出和电流偏差取样电阻的一个端相连接，放大器的输出端与负载电流取样电阻R2的一个端和控制信号放大电路IC1反相输入端以及负载电流控制电路T2的发射极相连接。

10.根据权利要求1或2所述的可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于所述的电流源控制器的负载阻抗器RL，可以是阻性、容性和/或感性负载，它们可以是一个或几个与负载的串连，可以在负载电源电压正端串连，也可以在负载电源电压负端串连或者在负载电源电压正负两端串连。

11.根据权利要求1或2所述的可外接负载电源的电流源控制器，其特征在于所述的电流源控制器的负载供电电源Uef电路，可以是一个直流储能电源，也可以是一个交流变直流加滤波的电源。

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