CN101122803B

CN101122803B - 用负载悬浮控制电路的可调电流源装置

Info

Publication number: CN101122803B
Application number: CN2007100123961A
Authority: CN
Inventors: 刘恒东; 陈猛
Original assignee: Dalian University
Current assignee: Dalian University
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-08-06
Also published as: CN101122803A

Abstract

本发明公开了一种用负载悬浮控制电路的可调电流源装置，其特征在于由电流给定控制部分、负载电流调节管T₁的输入、输出之间电压处理部分、控制开关部分和负载与负载电源控制部分组成，所述的电流给定控制部分和负载电流调节管的输入、输出之间电压处理部分电路共用一个电源回路U_C1，控制开关部分和负载与负载电源部分则各用一个电源回路U_C和U_L，三个回路互不干扰，并在开关管T₂和降压续流电路的作用下，将负载回路多余能量的损耗减小。解决了作为可调电流源电流调节管损耗大的问题以及控制电路受负载回路电压影响的问题。为高精度发光源、发热源、快速恒流充电等，提供了一种高效率、高精度、大功率的电流源装置。

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。因此，属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类，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；用于压力、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。

实践表明：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和负载电流调节管T₁的输入、输出之间电压处理部分的功能电路；一部分是控制开关部分的功能电路；一部分是负载和负载电源控制部分的功能电路。让三部分供电电源回路各自独立，互不干扰。其中，让电流给定控制部分的功能电路悬浮在并联的负载R_L、电容C_L之上，不受负载回路供电电压和负载两端电压变化的影响；让负载电流调节管T₁的输入、输出之间电压处理部分的功能电路与电流给定控制部分的功能电路共用一个供电电源U_C1，由该电路产生的PWM信号通过光电或磁电隔离，控制开关电路，使其既不受负载两端电压变化的影响，也不受开关电路所用电源电压的影响；让控制开关部分的功能电路悬浮在负载回路的降压续流电路之上，使其既不受负载回路电压变化的影响，也不会因负载两端电压或负载电源电压的变化而受到电流给定控制回路的影响；用开关和降压续流电路来控制负载电流调节管T₁的输入、输出之间的电压在最小范围内变化，以便利用电感将通电中的电能转换为磁能或将磁能再转换成电能向外释放，来减小电流调节管的损耗。

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与电容C_L并联接在给负载供电电源U_L的负极与负载电流取样电阻R_Q的低电位端之间。负载电流取样电阻R_Q的高电位端依次串连负载电流调节管T₁、电感L、开关管T₂到电源U_L的正端。再给电流调节管T₁设计一个可以随时调节的电流给定控制电路和供电电源U_C1，以便根据需要随时调节通过负载R_L上的电流。给开关管T₂设计一个控制开关管工作的电路和供电电源U_C；给电感L设计一个磁电转换续流二极管D1和滤波电容C；再给负载电流调节管T₁设计一个能够跟随负载R_L两端电压变化的电压跟随电路、一个能反应负载电流调节管T₁输入、输出之间电压的PWM电路。以便通过光电隔离电路，控制开关管T₂工作在开关状态，进而控制负载电流调节管T₁的输入、输出之间电压在规定范围内变化。

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(1)

包括电阻R_A、电位器R_B、稳压块D_W、电容C_A、电容C_B、运放IC、负载电流调节管T₁、负载电流取样电阻R_Q和电源U_C1。用于根据需要随时调节通过负载R_L上的电流。

一个负载R_L电流调节管T₁的输入、输出之间电压信号处理电路(2)

包括由运放IC1、二极管D2、电阻R4、电源U_C1组成的负载电压跟随电路和由集成电路IC2、稳压二极管D3、电阻R2、电阻R3、电容C1、电源U_C1组成的PWM电路以及光偶E_L中的发光管。用于反应负载电流调节管T₁的输入、输出之间电压和将其电压的变化变成占空比不同的光信号；

一个控制开关电路(3)

包括光偶E_L中的光敏管、电阻R₁、电源U_C。用于将PWM电路和输出隔离电路输出的光信号变成电信号控制开关管T₂工作在开关状态；

一个负载与负载电源开关控制电路(4)

包括负载R_L、电容C_L、负载电流取样电阻R_Q、负载电流调节管T₁、开关管T₂、电感L、续流二极管D₁、滤波电容C和电源U_L所组成。用于在开关的作用下降压，并将降压过程中消耗的电能变成磁能，当开关关断时再将磁能变成电能送给负载；开关管T₂，用于根据比较放大电路提供的负载电流调节管T₁的输入输出之间电压信号与降压续流电路相配合，来控制T₁的输入输出之间的电压。

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，可以是普通电阻和/或是精密电阻；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；运放IC1，可以是单电源供电和/或双电源供电；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，是一个精密电阻和/或普通电阻；电源U_C1，可以是线性稳压电源和/或是开关稳压电源。另外，根据运算放大器IC1要求可选择单电压或双电压输出。

所述的负载电流调节管T₁的输入、输出之间电压信号处理部分包括一个由运放IC1，二极管D2，电阻R4、R5、电源U_C1组成的负载电压跟随电路和一个由PWM集成电路IC2、稳压二极管D3、电阻R2、R3、电容C₁、光偶E_L的发光部分、电源U_C1组成的PWM电路和输出隔离电路。其中的运放IC1，可以是单电源供电的和/或是双电源供电的运算放大器；电阻R2、R3、R4均可以是普通电阻；二极管D2，只要耐压满足要求即可；稳压二极管D3，可以是普通稳压二极管和/或是高精度稳压块，还可以是利用各种二极管的PN结压降。其稳压电压的大小，根据电流调节管T₁的输入、输出之间电压而定；光偶E_L的发光部分，可以是光偶E_L的发光部分，也可以是电磁偶合的初级部分；电源U_C1与电流给定控制部分相同。

所述的控制开关部分，由光偶E_L的光敏管、电阻R1和U_C组成。其中的光偶E_L的光敏管，可以是光偶E_L的光敏接收部分，也可以是电磁偶合的次级部分；R1可以是普通电阻；电源U_C，可以是线性稳压电源，也可以是开关稳压电源。

所述的负载和负载电源开关控制部分，由负载R_L、电容C_L、负载电流取样电阻R_Q、负载电流调节管T₁、降压续流电路、开关管T₂、电感L、电容C、二极管D1组成。其中的负载电路R_L，可以是一个电阻性元件，也可以是一个电感性元件或者是阻性或感性、容性的组合电路；电容C_L可以是由极性电容也可以是无极性电容；负载电流取样电阻R_Q，是一个精密电阻和/或是普通电阻；电感L，是一种具有高频特性的电感；电容C，可以是胆电容也可以是普通电解电容；二级管D1是一种肖特基二极管，也可以是快恢复二极管；开关管T2，可以是P沟道场效应管、N沟道场效应管、PNP或NPN功率三极管和/或达林顿三极管；供电电源U_L，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或经过开关稳压电路。

本发明的工作原理分析如下：

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R_L、电容C_L在回路中的高电位一端作为电流给定控制部分电路的参考电位端和供电电源的参考电位端。通过调节电路中的电位器R_B来改变运算放大器IC的同相输入端电压，进而改变通过场效应管T₁的电流，使取样电阻R_Q两端电压亦即运放IC1反相输入端相对于参考电位的电压等于运放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.给负载供电的控制电路的工作原理

这部分电路包括由运放IC1、二极管D2、电阻R4组成的负载电压跟随电路、由集成电路IC2、稳压二极管D3、电阻R2、电阻R3、电容C₁组成的旨在控制开关管T₂工作在开关状态的PWM电路、光电隔离电路E_L、由L、电容C、二极管D1组成的降压续流电路，负载电流调节管T₁，负载R_L、电容C_L，负载电流取样电阻R_Q，开关管T₂，和供电电源U_C、U_C1、U_L电路。

电路在通电的起始阶段，集成电路IC2的1、8脚输出低电平，光偶E_L中的发光管发光，同时光敏管导通，开关管T₂导通，电源U_L的电流通过电感L，一方面给电容C充电，一方面在T₁的控制下通过负载电流取样电阻R_Q和负载R_L。当T₁的输入、输出即漏、源极之间的电压U_DS大于IC2的5脚相对于4脚的1.25V加上稳压二极管D3的压降，再减去二极管D2的导通压降时，集成电路IC2开始进入PWM控制状态，使T₁的输入、输出之间电压U_DS，始终近似等于1.25V加上稳压二极管D3的压降，再减去二极管D2的导通压降。同时，将供电电源U_L大于负载两端电压加T₁输入、输出电压U_DS的那部分电压降在电感L上，在开关管T₂和续流二极管D1的作用下，降在电感L上的压降所消耗的电能不断地进行磁电转换，从而减小了回路中的无用功损耗。

与现有技术相比，本发明的优点表现在：

1、解决了可调电流源工作时，负载电流或负载阻抗需要大范围随机变化的效率和功率的问题。

2、给负载回路供电的电压可以从几十伏特到几百伏特。

3、具有结构简单，便于集成，便于推广。

附图说明

图1是本发明的一个实施例1的电路原理方框图；

图2是本发明实施例的给负载回路供电的电源电路原理图；

图3是本发明实施例的给控制开关管工作电路供电的电源电路原理图；

图4是本发明实施例的给限压放大电路、负载电压跟随电路和电流给定控制电路供电的电源电路原理图；

图5是本发明实施例1的电路原理图；

图6是本发明的一个实施例2的电路原理方框图；

图7是本发明实施例2的电路原理图。

在图中：1、电流给定控制电路，2、负载电流调节管T₁的输入、输出之间电压处理电路，3、控制开关电路，4、负载与负载电源控制电路

具体实施方式

实施例1参见图1、图5。首先确定将电流源的并联的负载R_L、电容C_L接在给负载供电电源U_L的负极与控制电路的负载电流取样电阻R_Q的低电位端之间，再在其负载回路供电电源U_L的正极与负载电流调节管T₁之间串接开关管T₂和电感L；在负载电流调节管T₁和电感L之间接一个滤波电容C到电源U_L负极；在开关管T₂和电感L之间接一个续流二极管D1到电源U_L负极；在负载电流取样电阻R_Q与负载电流调节管T₁之间接电压跟随放大器运放IC1的同向输入端，运放IC1的供电端接电源U_C1，反向输入端接输出端，并与集成电路IC2的4、2脚相连；集成电路IC2的3脚对4脚接一个电容C₁，集成电路IC2的5脚对4脚接一个电阻R3，接一个稳压二极管D3与电阻R4和二极管D2相连；电阻R4的另一端接电源U_C1正极，二极管D2的另一端与负载电流调节管T₁的输入端相连；集成电路IC2的6、7脚接电源U_C1正端，1、8脚作为输出接光偶E_L的发光管的阴极，其阳极接一个电阻R2到电源U_C1正端；光偶E_L的光敏管一端接电源U_C的正极，另一端接到开关管T₂的栅极G和一个电阻R1到T₂的源极S以及U_C负极。另外，在负载和电源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IC的输出相连，源极S与运算放大器IC的反相输入端相连；T₁的栅极G和源极S之间接一个电容C_A；运放IC的同相输入端与电阻R_A、电位器R_B、稳压块D_W、电容C_B组成的负载电流给定电路相连，其中，电阻R_A的一端与供电电源U_C1的正极相连，另一端与并联的电位器R_B和稳压二极管D_W以及电容C_B相连，再与负载电流取样电阻R_Q的低电位端和电源U_C1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。

Claims

1.一种用负载悬浮控制电路的可调电流源装置，其特征在于由电流给定控制电路(1)、负载电流调节管T1的输入、输出之间电压处理电路(2)、控制开关电路(3)和负载与负载电源控制电路(4)组成，其中所述的电流给定控制电路(1)包括电阻R_A、电位器R_B、稳压块D_W、电容C_A、电容C_B、运放IC、负载电流调节管T₁、负载电流取样电阻R_Q和电源U_C1；所述的负载电流调节管T₁输入、输出之间电压处理电路(2)包括由运放IC1、二极管D2、电阻R4、电源U_C1组成的负载电压跟随电路和由集成电路IC2、稳压二极管D3、电阻R2、电阻R3、电容C1、电源U_C1组成的PWM电路以及光偶E_L中的发光管；所述的控制开关电路(3)包括光偶E_L中的光敏管、电阻R₁和电源U_C；所述的负载与负载电源控制电路(4)则包括负载R_L、电容C_L、负载电流取样电阻R_Q、负载电流调节管T₁、开关管T₂、电感L、续流二极管D1、滤波电容C和电源U_L，其中的负载R_L、电容C_L接在电源U_L的负极与负载电流取样电阻R_Q的低电位端之间；电源U_L的正极与负载电流调节管T₁之间串接开关管T₂和电感L；在负载电流调节管T₁和电感L之间接滤波电容C到电源U_L负极；在开关管T₂和电感L之间接续流二极管D₁到电源U_L负极；在负载电流取样电阻R_Q与负载电流调节管T₁之间接运放IC1的同相输入端，其供电端接电源U_C1，反相端接运放IC1的输出端再与集成电路IC2的4、2脚相连，集成电路IC2的3脚对4、2脚接一个电容C1，5脚对4、2脚接一个电阻R3、5脚再接一个稳压二极管D3，稳压二极管D3的另一端与相连接的电阻R4和二极管D2的正极端相连；电阻R4的另一端接电源U_C1正极；二极管D2的另一端与负载电流调节管T₁的输入端相连；集成电路IC2的6、7脚接电源U_C1正极，1、8脚作为输出接光偶E_L的发光管的阴极；电路在通电的起始阶段，集成电路IC2的1、8脚的输出为低电平，光偶E_L中的发光管发光，光敏管导通，开关管T₂导通，电源U_L的电流通过电感L，这样便在给滤波电容C充电的同时使电流在负载电流调节管T₁的控制下通过负载电流取样电阻R_Q和负载R_L；当负载电流调节管T₁的输入、输出即漏、源之间的电压U_Ds大于集成电路IC2的5脚相对于4脚的1.25V加上稳压二极管D3的压降，再减去二极管D2的导通压降时，集成电路IC2开始进入PWM控制状态，使负载电流调节管T₁的输入、输出之间的电压U_DS始终近似等于1.25V加上稳压二极管D3的压降减去二极管D2的导通压降；同时将电源U_L的电压减去负载R_L和电容C_L并联的两端电压再减去负载电流调节管T₁输入、输出两端的电压U_DS所得的多余的那部分电压降在电感L上，在开关管T₂和续流二极管D₁的作用下，不断地进行磁电转换，从而减小了回路中的无用功的损耗。

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，其特征在于所述的电源U_L是220V整流、滤波而成的直流电源或通过变压后再整流、滤波的直流电源或经过线性稳压的电源或经过开关稳压的电源。

3.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，其特征在于所述的电流给定控制电路中的电源U_C1是带有单电压或双电压输出的线性稳压电源或开关稳压电源。

4.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，其特征在于所述的用于光偶E_L中光敏管的电源U_C是线性稳压电源或开关稳压电源。