CN112925373B - 多量程恒流源电路、多量程恒流源及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多量程恒流源电路、具有该电路的多量程恒流源及控制方法。其中多量程恒流源电路包括Howland电流泵电路、变压器及电流互感器。Howland电流泵电路的同相输入端与输入电压电性连接，变压器的一次绕组与Howland电流泵电路的输出端电性连接变压器的二次绕组与负载电性连接，电流互感器的一次绕组与负载电性连接，电流互感器的二次绕组与Howland电流泵电路的反相输入端电性连接。其中变压器的二次绕组与电流互感器的一次绕组间具有多组一一对应的抽头，每组抽头之间通过可控开关器件电性连接。根据上述技术方案的多量程恒流源电路，能调节变压器的匝数比，实现不同的量程的电流的高精度输出，提高对输入电压源的利用率。还可以实现输出隔离，保护负载安全。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备领域，特别涉及一种多量程恒流源电路、多量程恒流源及控制方法。
背景技术
恒流源作为一种将电压转化为电流的转换器件，常用于各种标准电流信号的生成或者需要恒定电流来供电的场合。现有的恒流源作为一种电压-电流转换装置，其输出电流输出精度受制于量程，超过量程的电流则无法输出，而过小的电流输出无法保证准确度。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提出一种多量程恒流源电路，可以实现多个量程范围内提供准确的电流输出。
本发明的第二目的是提出一种具有上述多量程恒流源电路的多量程恒流源，可以通过终端及控制器改变多量程恒流电路的转换比例，改变恒流源的输出量程。
本发明的第三目的是提出一种用于控制上述多量程恒流源的控制方法，可以根据需要输出的电流值自动选择量程。
技术方案：本发明所述的多量程恒流源电路，包括：Howland电流泵电路，同相输入端与输入电压电性连接；变压器，一次绕组与所述Howland电流泵电路的输出端电性连接，所述变压器的二次绕组与负载电性连接；电流互感器，一次绕组与负载电性连接，所述电流互感器的二次绕组与所述Howland电流泵电路的反相输入端电性连接；其中所述变压器的二次绕组与所述电流互感器的一次绕组间具有多组一一对应的抽头，每组所述抽头之间通过可控开关器件电性连接。
进一步的，所述Howland电流泵电路包括运算放大器及若干电阻，所述运算放大器的同相输入端通过电阻R1与输入电压电性连接，所述运算放大器的同相输入端还通过电阻R2与所述运算放大器的输出端电性连接，所述运算放大器的输出端通过电阻R0与所述变压器的一次绕组电性连接，所述电阻R0与所述变压器的一次绕组的连接节点还通过所述电阻Rb及电阻R4与所述运算放大器的反相输入端电性连接，所述运算放大器的反相输入端还通过电阻R3接地，所述电流互感器的二次绕组并联于所述电阻Rb的两端。
进一步的，所述可控开关器件之间电气互锁。
本发明所述的多量程恒流源，包括上述多量程恒流源电路，还包括：控制器，与所述多量程恒流源电路中的可控开关器件电性连接；终端，与所述控制器电性连接。
进一步的，所述终端为触控显示屏。
本发明所述的多量程恒流源的控制方法，包括如下步骤：
步骤100：根据输入电压源的量程计算每个可控开关器件闭合时的输出量程范围；
步骤200：根据设定输出的电流值选择最接近的量程范围，并控制与该量程范围对应的可控开关器件闭合；
步骤300：根据量程范围及设定输出的电流值计算输入电压值，并根据输入电压值调节输入电压源的输出电压。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：可以输出多个量程的电流，每个量程中保证精度的工作范围均能与相邻的量程有重叠，实现最小至最大量程内电流输出准确级的全覆盖。并且负载与电流源之间通过变压器电气隔离，保证负载及恒流源安全。
附图说明
图1为本发明的多量程恒流源电路的原理图；
图2为本发明的多量程恒流源电路的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参照图1，根据本发明实施例的多量程恒流源电路，包括Howland电流泵电路、变压器、电流互感器。其中Howland电流泵电路的同相输入端与输入电压电性连接。变压器的一次绕组与Howland电流泵电路的输出端电性连接，变压器的二次绕组与负载电性连接。电流互感器的一次绕组与负载电性连接，电流互感器的二次绕组与Howland电流泵电路的反相输入端电性连接。其中变压器的二次绕组具有多个抽头，电流互感器的一次绕组与变压器的二次绕组对应设有多个抽头，变压器的二次绕组的抽头与电流互感器的一次绕组的抽头一一对应成组，每组抽头之间通过可控开关器件电性连接。
根据上述技术方案的多量程恒流源电路，以Howland交流恒流源电路为基础，通过变压器来实现负载与恒流源电路之间的隔离。同时可以通过控制不同的可控开关器件闭合，实现对变压器的一次绕组及二次绕组的匝数比进行调节，从而实现对变压器的转换系数的调节，实现对恒流源的输出量程的调整，使用方便，提高了对输入电压源的利用率。同时输出大电流时采用大量程，输出小电流时采用小量程，实现无论大电流还是小电流都能保证相同的输出精度。相邻量程之间有重叠的区域，可以完整覆盖每个电流值的输出。电流互感器检测输出的电流值并反馈回Howland电流泵电路，形成闭环控制，使恒流源的输出更加稳定。
参照图1，在一些实施例中，Howland电流泵电路包括运算放大器A1及若干电阻组成。运算放大器A1的同相输入端通过电阻R1与输入电压电性连接，运算放大器A1的同相输入端还通过电阻R2与运算放大器A1的输出端电性连接。运算放大器A1的输出端通过电阻R0与变压器的一次绕组电性连接，电阻R0与变压器T1的一次绕组的连接节点还通过电阻Rb及电阻R4与运算放大器A1的反相输入端电性连接，运算放大器的反相输入端还通过电阻R3接地，电流互感器CT的二次绕组并联于电阻Rb的两端。设变压器T1的一次绕组为N1，变压器T1的二次绕组选中抽头后的匝数为N2，电流互感器CT的一次绕组选中抽头后的匝数为N3，电流互感器CT的二次绕组的匝数为N4。在本实施例中，运算放大器A1采用高压大电流运放OPA549，其工作电源为±30V，最大电流为10A。
根据howland恒流源的计算公式经过推导，令电阻R2＝R4，且电阻R1＝R3时，可得交流源的输出电流I0与输入电压Uin的关系式为：
当R0趋向于0时：
在一些实施例中，为了防止对于可控开关器件的错误控制造成多组抽头同时连通，可控开关器件之间互相电气互锁，即同一时间有且仅有一个可控开关器件可以导通。可以理解的是，可控开关器件可以为可控硅或者继电器等可控开关。
根据本发明实施例的多量程恒流源，包括上述多量程恒流源电路，还包括控制器及终端。控制器与每个可控开关器件电性连接，终端与控制器电性连接，用于输入输出信息。可以理解的是，控制器可以为单片机、PLC或者DSP等可编程控制器，终端可以为带有实体按键的液晶显示屏或者触控显示屏。在本实施例中，终端为触控显示屏。
在本实施例中，可控开关器件为继电器，继电器的触点将对应组的抽头电性连接，继电器的线圈与控制器电性连接。控制器通过给需要连通的继电器的线圈上电，使该继电器闭合将对应组的抽头连接。
在一些实施例中，上述多量程恒流源可以通过触摸触控显示屏上的虚拟开关实现对每个可控开关器件的单点控制，也可以通过下面的方法实现自动选择量程：
步骤100：根据输入电压源的量程计算每个可控开关器件闭合时的输出量程范围；
步骤200：根据设定输出的电流值选择最接近的量程范围，并控制与该量程范围对应的可控开关器件闭合；
步骤300：根据量程范围及设定输出的电流值计算输入电压值，并根据输入电压值调节输入电压源的输出电压。
在本实施例中，变压器T1的二次绕组和电流互感器CT的一次绕组具有七个抽头，每相邻两个抽头之间的线圈匝数根据设计量程计算获得，对应的抽头组分别通过继电器S1至S7电性连接，负载连接于变压器T1的二次绕组及电流互感器CT的一次绕组靠近继电器S7的一端。随着继电器S1至S7依次闭合，电流互感器CT的一次绕组的匝数逐步降低，恒流源的输出量程逐步增大。使用时，输入电压源的量程为定值，可以根据输入电压源的量程计算出不同继电器闭合时的输出电流的量程，根据终端输入的设定输出的电流值选择包括该设定输出的电流值的最近量程范围，并控制对应该范围的继电器闭合，再根据选择的量程范围和设定输出的电流值计算出多量程恒流源电路的输入电压值，最后从零开始调节输入电压源的输出电压使其达到输出电压值，使多量程恒流源可以输出设定输出的电流值。
Claims (4)
1.一种多量程恒流源电路，其特征在于，包括：
Howland电流泵电路，同相输入端与输入电压电性连接；
变压器，一次绕组与所述Howland电流泵电路的输出端电性连接，所述变压器的二次绕组与负载电性连接；
电流互感器，一次绕组与负载电性连接，所述电流互感器的二次绕组与所述Howland电流泵电路的反相输入端电性连接；
其中所述变压器的二次绕组与所述电流互感器的一次绕组间具有多组一一对应的抽头，每组所述抽头之间通过可控开关器件电性连接；
其中，所述Howland电流泵电路包括运算放大器及若干电阻，所述运算放大器的同相输入端通过电阻R1与输入电压电性连接，所述运算放大器的同相输入端还通过电阻R2与所述运算放大器的输出端电性连接，所述运算放大器的输出端通过电阻R0与所述变压器的一次绕组电性连接，所述电阻R0与所述变压器的一次绕组的连接节点还通过电阻Rb及电阻R4与所述运算放大器的反相输入端电性连接，所述运算放大器的反相输入端还通过电阻R3接地，所述电流互感器的二次绕组并联于电阻Rb的两端；所述可控开关器件之间电气互锁。
2.一种多量程恒流源，包括根据权利要求1所述的多量程恒流源电路，其特征在于，还包括：
控制器，与所述多量程恒流源电路中的可控开关器件电性连接；终端，与所述控制器电性连接；其中，所述可控开关器件为继电器，所述继电器的触点将对应组的抽头电性连接，所述继电器的线圈与所述控制器电性连接。
3.根据权利要求2所述的多量程恒流源，其特征在于，所述终端为触控显示屏。
4.一种根据权利要求2所述的多量程恒流源的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100：根据输入电压源的量程计算每个可控开关器件闭合时的输出量程范围；
步骤200：根据设定输出的电流值选择最接近的量程范围，并控制与该量程范围对应的可控开关器件闭合；
步骤300：根据量程范围及设定输出的电流值计算输入电压值，并根据输入电压值调节输入电压源的输出电压。
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