CN100568149C - 用负载悬浮控制电路的可调电流源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用负载悬浮控制电路的可调电流源装置。特征在于电流给定控制电路和所用的电源回路(1)悬浮在负载之上；控制开关管T₂工作的电路和所用的电源回路悬浮在降压续流电路之上。二者与负载供电电源回路各自独立，互不干扰。一方面解决了负载两端电压的变化不影响电流给定控制电路的控制精度和可调电流源调节管损耗大的问题，也解决了用高电压给负载供电时控制开关电路的损耗和耐压问题，同时也解决了大电流低电压给负载供电时，利用场效应管作开关管的栅极相对于源极的控制电压问题。因此，本发明在保证高效率、高精度、大功率的前提下，进一步扩大了输出电流可调范围和负载所需电压变化的范围。

Description

用负载悬浮控制电路的可调电流源装置

技术领域

本发明涉及一种用负载悬浮控制电路的可调电流源装置技术，同时还涉及一种电流源的控制电路与负载电路供电电源各自独立的控制技术，属于电源与控制技术领域。

背景技术

关于电流源或恒流源的技术资料很多，从输出特性的角度分析，可分为不可调和可调的两类。如集成电路中的镜像电流源，给传感器、发光、发热等器件供电的电压源限位式的电流源等都是不可变的电流源或恒流源；如压力、温度等4～20MA变送器和恒流给定器等则是可变的电流源或恒流源。从控制特性的角度分类，可分为线性控制调节、开关控制调节以及线性和开关并联控制调节、线性和开关串联控制调节四类。其中较为典型的有：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所述的正负双向恒流电源、专利申请号为200510024286.8的申请中所述的高效率的恒流源、专利申请号为200610035571.4的申请中所述的高精度大功率恒流源等。

实践中，现有的电流源或恒流源，其负载电路和控制电路的供电电源都来自同一回路，因此，负载两端的压降受到控制电路的供电电压的限制。即便是专利申请号为200610035571.4所述的高精度大功率恒流源，也存在着负载两端的压降受到控制电路的供电电压的限制问题，因而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

本发明的目的，在于提供一种兼顾精度、效率、成本、功率、负载阻抗变化的可以随时控制调节的电流源装置。以满足市场对大电流或高阻抗或大范围随机变化的负载的电流源的需要。例如：给高精度发光源的供电、高精度发热源的供电、高精度电磁变换的供电、快速恒流充电的供电等。

本发明的基本思路是：将功能电路分为三部分供电，一部分是电流给定控制部分的功能电路，一部分是控制给负载供电的功能电路，一部分是控制给负载供电的开关管的控制电路。让三部分电路的供电电源回路各自独立；让电流给定控制功能电路和供电电源电路悬浮在负载之上；让开关管的控制电路所需的供电电源，通过光电或磁电的隔离，既不受给负载供电回路的影响，也不受电流给定控制功能电路的供电回路的影响。让悬浮在负载之上的电流给定控制电路的控制性能不受负载回路变化的影响。用开关和降压续流电路来控制负载电流调节管的输入、输出之间的电压在最小范围内工作。通过利用电感在通电电路中能将一部分电能转化为磁能，当切断电源后电感内部的磁能又能转变成电能向外释放的特性，来解决调节管的损耗问题。使本发明具备效率高、精度高、功率大、可调范围大、适应负载所需电压变化范围大的特点。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

首先确定将本发明的负载R_L接在给负载供电电源U_L的负极与电流取样电阻R_Q的低电位端之间。电流取样电阻R_Q的高电位端依次串连电流调节管T₁、电感L、开关管T₂到电源U_L的正端。再给开关管T₂设计一个由运算放大器和电阻组成的开关控制电路和供电电源U_C1；给电感L设计一个磁电转换续流二极管D1和滤波电容C；再给电流调节管T₁设计一个能够跟随负载电压变化的跟随电路，和光电隔离电路，作为开关控制电路的控制信号，以实现通过控制开关管T₂的开和关，来达到控制电流控制管T₁的输入、输出之间电压的目的；给电流调节管T₁设计一个可调的电流给定控制电路和供电电源U_C2，以便根据需要随时调节通过负载上的电流。

组成用负载悬浮控制电路的可调电流源装置的功能电路有：

一个电流给定控制电路部分，由电阻R_A、电位器R_B、稳压块D_W、运算放大器IC1、电容C_A、C_B、负载电流调节管T₁、负载电流取样电阻R_Q、电源U_C2组成。用于根据需要随时调节通过负载上的电流。

一个负载和给负载供电的控制电路部分，包括：

一个给负载回路供电的电源U_L电路；

一个给控制开关管电路供电的稳压电源U_C1电路；

一个负载电流调节管T₁，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R_Q，用于反应通过负载的电流，以便电流源控制电路及时控制电流调节管T₁按给定电流输出给负载；

一个负载R_L和电容C_L，用于通电做功的电路；

一个负载电压跟随电路，由二极管D2、D3/4/5和PNP三极管B1、B2以及电阻R1、R2组成。用于跟随负载电压变化和反应负载电流调节管T₁的输入、输出之间电压；

一个降压续流电路，由电感L，电容C、C₁，二极管D1组成。用于在开关的作用下将电能变成磁能，当开关关断时再将磁能变成电能送给负载；

一个开关管T₂，用于根据负载电压跟随电路提供的负载电流调节管T₁的输入输出之间电压信号，来控制T₁的输入输出之间电压；

一个控制开关电路，由运算放大器IC和电阻R3、R4、R5以及D6、D7组成。用于根据负载电压跟随电路提供的负载电流调节管T₁的输入输出之间电压信号，来控制开关管T₂工作在开关状态。

一个电压隔离电路E_L，用于将负载电压跟随电路反应的负载电流调节管T₁的输入输出之间电压的极限值传递给开关控制电路。

本发明的技术解决方案还包括：

所述的电流给定控制电路中的电阻R_A，可以是普通电阻，也可以是精密电阻；电位器R_B，可以是多圈电位器和/或非多圈电位器；稳压块D_W，也可以是稳压二极管；运算放大器IC1，可以是单电源供电，也可以是双电源供电；C_A、C_B是一个高频无感电容；负载电流调节管T₁，可以是一个功率三极管、复合式功率三极管和/或场效应管；负载电流取样电阻R_Q，是一个精密电阻，根据精度要求也可以是普通电阻；电源U_C2，可以是线性稳压电源，也可以是开关稳压电源。另外，根据运算放大器IC1要求选择单电压和/或双电压输出。

所述的给负载回路供电的电源U_L电路，可以是直接将220V交流电进行整流、滤波变成直流电的电路，也可以是通过变压器变压后再进行整流、滤波的直流电路或经过线性稳压的电路和/或经过开关稳压的电路。

所述的给控制开关管供电的电源U_C1电路，是一个用变压器将220V交流电进行变压、整流、滤波、稳压电路，也可以是开关稳压电路。

所述的负载电流调节管T₁是一个功率三极管、复合式功率三极管和/或场效应管。

所述的负载R_L、C_L和负载电流取样电阻R_Q，其中的负载R_L是一个电阻性元件和/或一个电感性元件；C_L是有极性电容和/或无极性电容；负载电流取样电阻R_Q是一个精密电阻，根据电流源的精度要求也可以是普通电阻。

所述的负载电压跟随电路，其中的D2是各种具有单向导电特性的二极管；D3/4/5除了可以是各种具有单向导电特性的二极管外，数量根据最小限压值而定，也可以是稳压管；B1、B2是两个PNP三极管，也可以是PNP复合三极管或叫PNP型达林顿三极管，也可以根据负载电源电压的高低和负载以及负载电流的变化范围用一个PNP三极管；R1、R2是普通电阻和/或是精密电阻。

所述的降压续流电路，其中的L是一种高频和高Q值电感和/或是普通电感；C是胆电容和/或是普通电解电容；D1是一种肖特基二极管和/或是快恢复二极管。

所述的开关电路T₂，可以是P沟道场效应管和/或是N沟道场效应管，还可以是PNP或NPN功率三极管和/或达林顿三极管。

所述的控制开关电路，其中的IC可以是运算放大器，也可以是比较和/或触发器；R3、R4、R5、R6是普通电阻即可。

所述的电压隔离电路E_L，可以是光偶，也可以是光敏或光电传感器与发光器件配对的电路，还可以是小型高频变压器以及电磁元件与霍尔元件配对的电路。

所述的限压放大电路、负载电压跟随电路与负载共用一个供电回路；控制开关管工作电路的供电电源是一个独立回路。

本发明的工作原理如下：

1.电流给定控制电路的工作原理

这部分电路的功能是：根据需要随时调节和控制通过负载的电流，并使其不受负载阻抗和负载回路供电电源变化的影响。

电路的工作从接通电源开始。

利用运算放大器具有大的放大倍数、两个输入端的输入阻抗大、相互之间

电压近似相等和电流等于零以及场效应管的栅、源极之间高阻抗的特性，选取负载电路R_L、C_L在回路中的高电位一端作为电流给定控制部分功能电路的参考电位端和供电电源的参考电位端。然后，通过调节电路中的电位器R_B，来改变运算放大器IC同相输入端的电压，进而改变通过场效应管T₁的电流，使取样电阻R_Q两端电压亦即运算放大器IC1反相输入端相对于参考电位的电压等于运算放大器IC1同相输入端的电压，以实现镜像跟踪的控制。同时实现供电回路独立和控制性能不受负载阻抗和负载回路供电电源变化的影响的目的。

2、给负载供电控制电路部分的功能是：控制T₁的输入、输出之间的电压在一定范围内变化，控制T₂工作在开关状态，利用通电电感的电动生磁、磁动生电的原理，将负载供电回路的损耗降低。另外，给控制T₂工作在开关状态的控制电路一个独立的供电回路U_C1，避免负载两端电压大范围变化时，电源U_L对控制电路的影响。

当场效应管T₁的输入、输出即漏、源之间的电压U_DS大于二极管D3/4/5结压降减D2结压降时，三极管B1、B2的ce导通，使E_L中的发光二极管发光，光敏管导通，IC的反相输入端电压大于同相输入端，其输出变低，场效应管T₂截止。负载上的电流由电感在通电周期中产生的磁能变成电能，通过二极管D1构成回路与电容C一同供给负载。当场效应管T1的漏、源之间电压U_DS小于二极管D3/4/5结压降减D2结压降时，三极管B1、B2的ce由导通变为截止，使E_L中的发光二极管不发光，光敏管截止，IC的反相输入端电压小于同相输入端，其输出变高，场效应管T₂导通，电源U_L通过电感给负载提供电流，同时电感再将降压消耗的电能变成磁能。如此循环便解决了高电压供电时的场效应管T₁的损耗和过热问题。其中的IC和E_L中的光敏管采用独立电源回路，因此，控制T₂工作在开关状态的控制电路的性能不受负载两端电压大范围变化时的电源U_L的影响。

与现有技术相比较，本发明的优点表现在：

1、解决了可调电流源在工作时，负载电流或负载阻抗需要大范围随机变化的效率、精度以及功率问题。

2、给负载供电的电压可以从几十伏特到几百伏特。

3、结构简单，便于集成，便于推广。

附图说明

图1是本发明实施例的电路原理方框图；

图2是本发明实施例的电路原理图；

图3是本发明实施例的电流给定控制电路的供电电源电路原理图；

图4是本发明实施例的控制开关管电路的供电电源的电路原理图；

图5是本发明实施例的给负载回路供电的电源电路原理图。

在图中，1、是电流给定控制电路，2、是负载以及给负载供电的控制电路。

具体实施方式

参见图1、图2。首先确定将电流源的负载R_L、C_L接在给负载供电电源U_L的负端与控制电路的取样电阻R_Q的低电位端之间，再在其负载回路供电电源U_L的正端与电流调节管T₁之间串接一个开关管T₂和并联的电感L、电容C₁；在电流调节管T₁和并联的电感L、电容C₁之间接一个电容C到电源U_L负端；在开关管T₂和并联的电感L、电容C₁之间接一个二极管D1到电源U_L负端；在电流取样电阻R_Q与电流调节管T₁之间接一个二极管D2和电阻R1串联接到负载电源U_L低电位端；在二极管D2和电阻R1之间接三个串联的二极管D3/4/5到电流调节管T₁和并联的电感L、电容C₁之间，其中有两个PNP三极管B1、B2，B1的基极接到二极管D2和电阻R1之间，发射极与B2的基极相连，集电极与电源U_L负端相连，B2的发射极接一个电阻R2到电流调节管T₁和并联的电感L、电容C₁之间，集电极与光偶E_L的发光管阳极相连，光偶E_L的发光管阴极与电源U_L负端相连；光偶E_L的光敏管，一端接电源U_C1的正端，另一端接一个电阻R3到电源U_C1的负端，同时与运算放大器IC的反向输入相连；其中的运算放大器IC的工作电源为U_C1，其正向输入端分别接电阻R4与其输出相连，接电阻R5与电源U_C1的正端相连，接电阻R6与电源U_C1的负端相连；运算放大器IC的输出与开关管T₂的控制极相连。另外，在负载R_L、C_L和电源U_L之间串一个保险丝IB。电流调节管T₁的栅极G与运算放大器IC1的输出相连，源极S与运算放大器IC1的反相输入端相连；T₁的栅极G与源极S之间并联一个电容C_A；运算放大器IC1的同相输入端与电阻R_A、电位器R_B、稳压块D_W组成的负载电流给定电路相连，并对参考点接一个电容C_B。其中，电阻R_A的一端与供电电源U_C的正极相连，另一端与并联的电位器R_B和稳压管D_W相连，再与负载电流取样电阻R_Q的低电位端和供电电源U_C的公共端相连，电位器R_B的分压输出端与运算放大器IC的同相输入端相连。

其中，用图3所示的电路，作为U_C1给控制开关电路供电；用图4所示的电路，作为U_C2给电流给定控制电路供电；用图5所示的电路，作为U_L给负载回路供电；用LM741作为运算放大器IC；10KΩ1/4W金属膜电阻作为电阻R_A；用LM385作为稳压块D_W；用WX03-13多圈电位器作为电位器R_B；用IRFP场效应管作为负载电流调节管T₁；用5瓦0.5Ω电阻作为负载电流取样R_Q，用500瓦220VAC电阻丝作为负载电路R_L；用三个二极管作为D3/4/5；用两个PNP三极管作为B1、B2；用100KΩ电阻作为R1；用470Ω电阻作为R2；用1N5819作为负载电压跟随电路D2；用10uf/400V电容作为C；用50SQ100作为续流二极管D1；用1mH电感作为L；用IRFP场效应管作为开关管T2；用LM741运算放大器作为IC；用200KΩ电阻作为R4和三个10KΩ电阻分别作为R3、R5、R6；用TLP521作为负载电压跟随电路输出隔离电路E_L；用5A保险丝作为IB，来完成本发明实施例的电路。

Claims (4)

1、一种用负载悬浮控制电路的可调电流源装置，其特征在于包括一个电流给定控制电路(1)和一个负载与给负载供电的控制电路(2)，其中所述的电流给定控制电路(1)由电阻R_A、电位器R_B、稳压块D_W、运算放大器IC1、电容C_A、C_B、负载电流调节管T₁、负载电流取样电阻R_Q和电源U_C2组成，负载电流调节管T₁的栅极G与运算放大器IC1的输出端相连，源极S与运算放大器IC1的反相输入端相连；所述的栅极G与源极S之间并联一个电容C_A；运算放大器IC1的同相输入端与电阻R_A、电位器R_B、稳压块D_W组成的负载电流给定电路相连，并对参考点接一个电容C_B；其中电阻R_A的一端与供电电源U_C2的正极相连，另一端与并联的电位器R_B和稳压块D_W相连，再与负载电流取样电阻R_Q的低电位端和供电电源U_C2的公共端相连，电位器R_B的分压输出端与运算放大器IC1的同相输入端相连，电流给定控制电路(1)用于随时调解通过负载上的电流；所述的负载与给负载供电的控制电路(2)由电源U_L、稳压电源U_C1、负载电流调节管T₁、负载电流取样电阻R_Q、负载电阻R_L、负载电容C_L、开关管T₂以及负载电压跟随电路、降压续流电路、开关管的控制电路和电压隔离电路E_L所组成；所述的R_L、C_L接在给负载供电电源U_L的负端与电流给定控制电路的负载电流取样电阻R_Q的低电位端之间，再在其电源U_L的正端与负载电流调节管T₁之间串接一个开关管T₂和并联的电感L、电容C₁；在负载电流调节管T₁和并联的电感L、电容C₁之间接一个电容C到电源U_L负端；在开关管T₂和并联的电感L、电容C₁之间接一个二极管D1到电源U_L负端；在负载电流取样电阻R_Q与负载电流调节管T₁之间接一个二极管D2和电阻R1串联接到电源U_L低电位端；在二极管D2和电阻R1之间接三个串联的二极管D3、D4、D5到负载电流调节管T₁和并联的电感L、电容C₁之间，其中有两个PNP三极管B1、B2，B1的基极接到二极管D2和电阻R1之间，发射极与B2的基极相连，集电极与电源U_L负端相连，B2的发射极接一个电阻R2到负载电流调节管T₁和并联的电感L、电容C₁之间，集电极与光偶E_L的发光管阳极相连，光偶E_L的发光管阴极与电源U_L负端相连；光偶E_L的光敏管，一端接电源U_C1的正端，另一端接一个电阻R3到电源U_C1的负端，同时该光敏管的另一端与运算放大器IC的反向输入相连；其中的运算放大器IC的工作电源为U_C1，其正向输入端分别接电阻R4与其输出相连，接电阻R5与电源U_C1的正端相连，接电阻R6与电源U_C1的负端相连；运算放大器IC的输出与开关管T₂的控制极相连；当负载电流调节管T₁的输入、输出亦即漏、源之间的电压U_DS大于所述负载电压跟随电路中的二极管D3、D4和D5依次串联结压降减二极管D2结压降时，负载与给负载供电的控制电路(2)中的负载电压跟随电路中的PNP三级管B1、B2的发射极e到集电极c导通，使E_L电路中的发光二极管发光，光敏管导通，运放IC的反相输入端电压大于同相输入端电压，输出变低，开关管T₂截止，此时电感L将通电期间产生的磁能变成电能，其电流通过二极管D1构成回路与电容C一同供给负载；当负载电流调节管T₁的漏、源之间电压U_DS小于二极管D3、D4和D5依次串联结压降减二极管D2结压降时，PNP三极管B1、B2的发射极e到集电极c由导通变为截止，使E_L中的发光二极管不发光，光敏管截止，运放IC的反相输入端电压小于同相输入端电压，输出变高，开关管T2导通，电源U_L通过电感给负载提供电流，同时电感再将降压消耗的电能变成磁能，如此循环以及与此同时，通过调解电流给定控制电路(1)中的电位器R_B来改变运放IC1同相输入端的电压，即改变通过负载电流调节管T₁和流过负载的电流，使负载电流取样电阻R_Q两端的压降，即运放IC1反相输入端相对于电位器R_B参考电位的压降，等于运放IC1同相输入端的电压，从而实现了镜像跟踪控制和使供电回路和控制性能不受负载阻抗和负载供电电源变化影响的目的，并保证其不受负载两端电压和续流电路两端电压大幅度变化的影响。

2、根据权利要求1所述的用负载悬浮控制电路的可调电流源装置，其特征在于所述的负载电压跟随电路由二极管D2、D3、D4及D5和PNP三极管B1、B2、电阻R1、R2以及电压隔离电路E_L的发光二极管组成；用于跟随负载电压变化和确定负载电流调节管T₁的输入、输出之间电压。

3、根据权利要求2所述的用负载悬浮控制电路的可调电流源装置，其特征在于所述的降压续流电路由电感L、电容C、电容C₁、二极管D1组成；用于降掉负载回路中多余的电压，并在开关管T₂的关断期间，将降压产生的磁能变成电能来维持通过负载上的电流，以减少因降掉负载回路中多余电压而产生的损耗。

4、根据权利要求3所述的用负载悬浮控制电路的可调电流源装置，其特征在于所述的开关管的控制电路由运放IC和电阻R3、R4、R5、R6以及电压隔离电路E_L的光敏电路、稳压电源U_C1所组成；用于控制开关管T₂工作在开关状态。

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