CN112946328B - 一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路 - Google Patents

一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，所述电路包括：电压负反馈单元、功率输出单元、电流采集单元、三电极测量单元、电压采集单元、补偿电流源单元，操作人员只需要通过设定激励信号、补偿电流源控制信号的幅值以及第一可控继电器的开关状态，即可使得该电化学测量前端电路输出阶跃电流激励信号。该电化学测量前端电路输出电流大，可实现快速上升时间，并且上升时间可调，突破了现有电化学恒电流测试中输出阶跃电流幅度小、上升时间较慢、上升时间不可控的限制，可同时测试电化学体系响应电流和响应电压，适用于各种要求的阶跃电流测试目的，具有电路系统简单、工作稳定、控制精确的特点。

Description

一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路
技术领域
本发明涉及电化学测试技术领域，更具体地，涉及一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路。
背景技术
在电化学测试中，控制流过电化学体系的电流测量方法，也叫做恒电流法。恒电流法是指控制流过研究电极的电流按一定的具有电流突跃的波形规律变化，同时测量电极电势随时间的变化(称为计时电势法，chronopotentiometry)，进而分析电极过程的机理、计算电极的有关参数或电极等效电路中各元件的数值。
在控制电流阶跃暂态测量方法中，流过电极的电流的波形有很多种，但是它们都有一个共同的特点，即在某一时刻电流发生突跃，然后在一定的时间范围内恒定在某一数值上。在电化学测量中，关注的是电极/溶液界面的电势，但通常无法直接测得单一两相界面的电势差，而是测量由研究电极和标准电极组成的电池的电动势作为研究对象，称为相对电池电势。使用电势差计测量电化学电池两极的电池电动势时，实际上得到的是三个界面的内部电势差之和，也可以看成三个界面的外部电势差之和。上述标准电极通常称为参比电极，测量研究电极的电势都是相对于参比电极的电势，所以要求参比电极的电势固定不变，不能有电流流过参比电极导致极化。
如图1所示，为了同时测量电极电势和流过电极的电流，在电化学测量中常常采用三电极体系。如果使用两电极的话，当流过的电流太大，就会造成参比电极的极化。所以增加一个辅助电极，用于提供研究电极极化电流去向。三电极体系由研究电极、参比电极、辅助电极组成。电流从辅助电极流到研究电极，参比电极用于提供参比电势，没有电流流过。使用三电极测量方法，可以同时测试电化学体系对电流激励的响应电压信号和响应电流信号。
在现有的电化学恒电流测试技术中，通常仅仅使用集成运算放大器组成的电路结合三电极测量单元进行电流的控制，常常受限于运算放大器的性能参数，无法输出过大的电流，上升时间较慢且对于不同输出电流上升时间不可控。
在现有技术中，公开号为CN109596694A，中国发明专利于2019年4月9日，公开了一种适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置,该方案通过电压负反馈实现的一种电压、电流的小幅度正弦波可切换控制，没有实现输出大电流的、上升时间可调节的阶跃电流的电路。
发明内容
本发明为克服上述现有的电化学测试前端电路无法设置输出电流的上升时间缺陷，提供一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，包括以下步骤：包括电压负反馈单元、功率输出单元、电流采集单元、三电极测量单元、电压采集单元、补偿电流源单元，
所述电压负反馈单元的同相输入端通过第一电阻与施加的激励信号连接，所述电压负反馈单元的输出端与所述功率输出单元的输入端连接；
所述功率输出单元的输出端连接至所述电流采集单元的第一输入端，所述电流采集单元的第二输入端连接至所述补偿电流源单元的第一输入端，所述补偿电流源单元的第二输入端连接至补偿电流源控制信号；所述补偿电流源单元输出端连接至参考地端；
所述电流采集单元的输出端通过第三电阻连接至所述电压负反馈单元的反相输入端，形成电压负反馈从而控制电流采集单元两输入端的电压差；
所述电流采集单元的第二输入端还通过第一可控继电器连接至所述三电极测量单元的辅助电极端CE；
所述三电极测量单元参比电极端RE连接至所述电压采集单元的第一输入端，所述三电极测量单元的研究电极端WE连接至所述电压采集单元的第二输入端，所述三电极测量单元的研究电极端WE和参考地端连接。
进一步的，所述电压负反馈单元同相输入端还通过第二电阻与所述电压负反馈单元的输出端相连接，形成较微弱的正反馈，有助于减小输出大电流的上升时间，有助于达到快速输出大电流的目标；
所述电压负反馈单元的反相输入端还通过可调电容单元与所述电压负反馈单元的输出端连接，通过调整可调电容的大小，可相应调整输出阶跃电流的上升时间。
进一步的，所述功率输出单元包括：第四电阻、第一MOSFET功率输出单元，所述功率输出单元的输入端通过所述第四电阻与所述第一MOSFET功率输出单元的栅极相连接，所述第一MOSFET功率输出单元的漏极连接至电源，所述第一MOSFET功率输出单元的源极作为功率输出单元的输出端，通过所述电压负反馈单元的输出电压，可以控制所述功率输出单元的输出符合设置目标的电流。
进一步的，所述电流采集单元包括第一三运放仪表放大单元和第一电流采样电阻单元，所述第一三运放仪表放大单元和所述第一电流采样电阻单元的两输入端并联连接；
所述第一三运放仪表放大单元用于采集第一电流采样电阻单元上的电压差，并将该电压差反馈到所述电压负反馈单元的反相输入端，用于控制所述功率输出单元的工作状态，以维持目标输出电流；
所述第一电流采样电阻单元用于将输入激励电压转换为目标电流信号。
进一步的，所述电压采集单元为第二三运放仪表放大单元，所述第二三运放仪表放大单元用于采集三电极测量单元研究电极端WE与参比电极端RE的电压差。
进一步的，所述补偿电流源单元包括电压控制单元、第二MOSFET功率输出单元、第二电流采样电阻单元，所述电压控制单元的同相输入端连接至补偿电流源控制信号；所述电压控制单元的反相输入端通过第七电阻连接至第二电流采样电阻单元的第一端，用于控制第二电流采样电阻上的电压；所述电压控制单元的输出端通过第六电阻连接至第二MOSFET功率单元的栅极，用于控制第二MOSFET的栅极电压进而控制其工作状态和漏极电流，第二MOSFET功率单元的漏极连接电流采集单元的第二输入端，第二MOSFET功率单元的源极连接至第二电流采样电阻单元的第一端；
所述第二电流采样电阻的第二端连接至参考地端，用于将其两端的控制电压信号转化为控制电流信号。
进一步的，所述电压控制单元包括：第五电阻、运算放大器U4，电容C2，具体联系关系为：所述运算放大器U4的同相输入端通过第五电阻连接至补偿电流源控制信号，所述运算放大器U4的反相输入端通过电容C2连接至所述运算放大器U4的输出端。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明公开了一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，操作人员只需要通过设定激励信号、补偿电流源控制信号的幅值以及第一可控继电器的开关状态，即可使得该电化学测量前端电路输出阶跃电流激励信号。该电化学测量前端电路输出电流大，可实现快速上升时间，并且上升时间可调，突破了现有电化学恒电流测试中输出阶跃电流幅度小、上升时间较慢、上升时间不可控的限制，可同时测试电化学体系响应电流和响应电压，适用于各种要求的阶跃电流测试目的，具有电路系统简单、工作稳定、控制精确的特点。
附图说明
图1为现有技术中三电极测量法的示意图。
图2为本发明一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路原理图。
图3为本发明具体实施方式中所述的三电极测量单元的具体结构示意图。
图4为本发明具体实施方式中所述的功率输出单元的具体结构示意图。
图5为本发明具体实施方式中所述的补偿电流源单元的具体结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
如图2所示，本发明公开了一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，2.其包括电压负反馈单元1、功率输出单元2、电流采集单元3、电压采集单元4、三电极测量单元5、补偿电流源单元6。
电压负反馈单元1的同相输入端通过第一电阻R1与施加激励信号相连接；电压负反馈单元1输出端与功率输出单元2的输入端连接。
如图2所示，功率输出单元2的输出端连接至电流采集单元3的第一输入端；电流采集单元3的第二输入端连接至补偿电流源单元6的第一输入端；补偿电流源单元6的第二输入端连接至补偿电流源控制信号；补偿电流源单元6输出端连接至参考地端；电流采集单元3的输出端通过第三电阻R3连接至电压负反馈单元1的反相输入端，形成电压负反馈从而控制电流采集单元3两个输入端之间的电压差。
电流采集单元3的第二输入端还通过第一可控继电器S1连接至三电极测量单元5的辅助电极端CE。
图3示出了三电极测量单元的具体结构示意图。
电压采集单元4的第一输入端连接至三电极测量单元5参比电极端RE；电压采集单元4的第二输入端连接至三电极测量单元5的研究电极端WE；三电极测量单元5的研究电极端WE和参考地端相连接。
所述电压负反馈单元1同相输入端还通过第二电阻R2与所述电压负反馈单元1的输出端相连接，形成较微弱的正反馈，有助于减小输出大电流的上升时间，有助于达到快速输出大电流的目标；
所述电压负反馈单元1的反相输入端还通过可调电容C1与所述电压负反馈单元1的输出端连接，通过调整可调电容C1的大小，可相应调整输出阶跃电流的上升时间。
通过上述公开的测量前端电路，操作人员可通过设定激励信号、补偿电流源控制信号的幅值，控制其阶跃，以及控制第一可控继电器的开关状态，使得测量前端电路输出快速上升边的大电流激励信号，并且上升边时间可调。
首先说明该快速大功率恒电流电化学测试前端电路工作在负反馈组态：当电流采集单元3中的第一电流采样电阻Rm两端的电压增大时，电流采集单元3中的运算放大器U2的输出端电压增大，使得电压负反馈单元1中的运算放大器U1的反相端电压增加，进而使得运算放大器U1同相端与反相端之间的电压差减小，进而使得运算放大器U1的输出端电压减小，即意味着功率输出单元2的输入电压减小，进而使得其输出电流减小，从而导致第一电流采样电阻Rm两端的电压减小。即证明该快速大功率恒电流电化学测试前端电路工作站负反馈组态。可以通过负反馈稳定输出电压，通过采样电阻进而稳定输出电流，实现电流控制。
功率输出单元2的输入电压与输出电流的曲线存在非线性关系，比如MOSFET的漏源电流需要在栅源电压大于阈值电压后才能输出电流，导通后漏源电流随着栅源电压呈非线性快速增大。从初始电流1阶跃到终值电流2的上升时间取决于这两个电流的值。在产生阶跃电流时，预先使功率输出单元2开启并输出一个小的电流再阶跃产生大电流的方案，相比于直接使功率输出单元2从输出零电流再阶跃产生大的电流的方案，能输出更快速上升边的阶跃电流激励。同时，调整初始电流和阶跃终值电流，可以输出不同上升时间的阶跃电流。为输出快速上升边的阶跃电流激励，步骤如下：
(1)首先，依据测试所需阶跃电流上升时间，将激励信号设置为初始的小幅值的直流信号输入到电压负反馈单元1的同相输入端，由负反馈机制可知，该小幅值直流信号等于电流采集单元3中的第一电流采样电阻Rm两端的电压，通过第一电流采样电阻Rm转化为电流信号。同时电压负反馈单元1的输出电压使得功率输出单元2处于可快速产生电流的预开启状态并且输出相同的电流。该初始电流越小，产生的电流阶跃信号的上升时间越慢，相反则越快。
(2)按照测试的需求，初始时刻功率输出单元2输出的电流不可以流过待测电化学体系，为此实现一个可调的补偿电流源吸收此电流，从而使得整个电路维持稳定状态。设定补偿电流源控制信号，控制补偿电流源单元6的吸收电流能力能够满足功率输出单元2输出的电流。
(3)依据测试所需阶跃电流上升时间的要求以及初始电流的大小，设定电压负反馈单元1中的可调电容单元C1中合适容值的电容，以实现相位补偿，使得系统在阶跃响应下输出电流稳定。
(4)在电流阶跃时刻，将输入到电压负反馈单元1的激励信号电压从初始小电压幅值阶跃为初始小电压幅值叠加一个电压增量，该电压增量等于目标电流乘电流采集单元3中的第一电流采样电阻Rm的阻值；同一时刻，控制第一可控继电器S1选通，将功率输出单元2输出的增量电流引入到三电极测量单元的辅助电极端CE，从而实现快速上升边的大电流阶跃信号的电化学测试激励。而补偿电流源单元6仍保持吸收功率输出单元2输出的初始电流。
因此通过上述设置，操作人员只需要通过设定激励信号、补偿电流源控制信号的幅值以及第一可控继电器的开关状态，即可使得该电化学测量前端电路输出阶跃电流激励信号。该电化学测量前端电路输出电流大，可实现快速上升时间，并且上升时间可调，突破了现有电化学恒电流测试中输出阶跃电流幅度小、上升时间较慢、上升时间不可控的限制，可同时测试电化学体系响应电流和响应电压，适用于各种要求的阶跃电流测试目的，具有电路系统简单、工作稳定、控制精确的特点。
在一些实施方式中，功率输出单元2包括如图4所示第四电阻R4、第一MOSFET功率输出单元201。功率输出单元2的输入端通过第四电阻R4与第一MOSFET功率输出单元201的栅极相连接。第一MOSFET功率输出单元201的漏极连接至电源，第一MOSFET功率输出单元201的源极作为功率输出单元的输出端。通过电压负反馈单元1的输出电压，可以控制功率输出单元2的输出符合设置目标的电流。
在一些实施方式中，电流采集单元3包括第一电流采样电阻Rm、第一三运放仪表放大单元，所述第一三运放仪表放大单元和所述第一电流采样电阻单元的两输入端并联连接，第一电流采样电阻Rm用于将控制电压信号转换为控制电流信号，进一步的，如图2中所示，电流采集单元3中的第一电流采样电阻Rm可采用若干阻值不同的金属箔电阻形成的可选电流采样电阻阵列单元。
电流采集单元3中的第一三运放仪表放大单元U2用于采集第一电流采样电阻单元Rm上的电压差，并将该电压差反馈到所述电压负反馈单元的反相输入端，用于控制所述功率输出单元的工作状态，以维持目标输出电流。
在一些实施方式中，电压采集单元4为第二三运放仪表放大单元。第二三运放仪表放大单元U3用于采集三电极测量单元研究电极端WE与参比电极端RE的电压差。
在一些实施方式中，如图5所示，补偿电流源单元6包括电压控制单元601、第二MOSFET功率输出单元602、第二电流采样电阻单元603。
补偿电流源控制信号通过第五电阻R5连接至电压控制单元601的同相输入端；电压控制单元601的反相输入端通过第七电阻R7连接至第二采样电阻单元603的第一端，用于控制第二电流采样电阻单元603上的电压；电压控制单元601的输出端通过第六电阻R6连接至第二MOSFET功率输出单元602，用于控制第二MOSFET功率输出单元602的栅极电压进而控制其工作状态和漏极电流。第二电流采样电阻单元603的第二端连接至参考地端，用于将其两端的控制电压信号转化为控制电流信号。通过负反馈机制，可使得第二MOSFET功率输出单元602的栅极电压处于合适的值从而控制输出电流，进而使得第二电流采样电阻单元603两端的电压稳定，也即电流等于目标值。
在一个具体的实施例中，所述电压控制单元601包括：第五电阻R5、运算放大器U4，电容C2，具体联系关系为：所述运算放大器U4的同相输入端通过第五电阻R5连接至补偿电流源控制信号，所述运算放大器U4的反相输入端通过电容C2连接至所述运算放大器U4的输出端。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，其特征在于，包括：电压负反馈单元、功率输出单元、电流采集单元、三电极测量单元、电压采集单元、补偿电流源单元，
所述电压负反馈单元的同相输入端通过第一电阻与施加的激励信号连接，所述电压负反馈单元的输出端与所述功率输出单元的输入端连接；
所述功率输出单元的输出端连接至所述电流采集单元的第一输入端，所述电流采集单元的第二输入端连接至所述补偿电流源单元的第一输入端，所述补偿电流源单元的第二输入端连接至补偿电流源控制信号；所述补偿电流源单元输出端连接至参考地端；
所述电流采集单元的输出端通过第三电阻连接至所述电压负反馈单元的反相输入端，形成电压负反馈从而控制电流采集单元两输入端的电压差；
所述电流采集单元的第二输入端还通过第一可控继电器连接至所述三电极测量单元的辅助电极端CE；
所述三电极测量单元参比电极端RE连接至所述电压采集单元的第一输入端，所述三电极测量单元的研究电极端WE连接至所述电压采集单元的第二输入端，所述三电极测量单元的研究电极端WE和参考地端连接。
2.根据权利要求1所述的一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，其特征在于，所述电压负反馈单元同相输入端还通过第二电阻与所述电压负反馈单元的输出端相连接，形成较微弱的正反馈，有助于减小输出大电流的上升时间，有助于达到快速输出大电流的目标；
所述电压负反馈单元的反相输入端还通过可调电容与所述电压负反馈单元的输出端连接，通过调整可调电容的大小，可相应调整输出阶跃电流的上升时间。
3.根据权利要求1所述的一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，其特征在于，所述功率输出单元包括：第四电阻、第一MOSFET功率输出单元，所述功率输出单元的输入端通过所述第四电阻与所述第一MOSFET功率输出单元的栅极相连接，所述第一MOSFET功率输出单元的漏极连接至电源，所述第一MOSFET功率输出单元的源极作为功率输出单元的输出端，通过所述电压负反馈单元的输出电压，可以控制所述功率输出单元的输出符合设置目标的电流。
4.根据权利要求1所述的一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，其特征在于，所述电流采集单元包括第一三运放仪表放大单元和第一电流采样电阻单元，所述第一三运放仪表放大单元和所述第一电流采样电阻单元的两输入端并联连接；
所述第一三运放仪表放大单元用于采集第一电流采样电阻单元上的电压差，并将该电压差反馈到所述电压负反馈单元的反相输入端，用于控制所述功率输出单元的工作状态，以维持目标输出电流；
所述第一电流采样电阻单元用于将输入激励电压转换为目标电流信号。
5.根据权利要求1所述的一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，其特征在于，所述电压采集单元为第二三运放仪表放大单元，所述第二三运放仪表放大单元用于采集三电极测量单元的研究电极端WE与参比电极端RE的电压差。
6.根据权利要求1所述的一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，其特征在于，所述补偿电流源单元包括电压控制单元、第二MOSFET功率输出单元、第二电流采样电阻单元，所述电压控制单元的同相输入端连接至补偿电流源控制信号；所述电压控制单元的反相输入端通过第七电阻连接至第二电流采样电阻单元的第一端，用于控制第二电流采样电阻上的电压；所述电压控制单元的输出端通过第六电阻连接至第二MOSFET功率单元的栅极，用于控制第二MOSFET的栅极电压进而控制其工作状态和漏极电流，第二MOSFET功率单元的漏极连接电流采集单元的第二输入端，第二MOSFET功率单元的源极连接至第二电流采样电阻单元的第一端；
所述第二电流采样电阻的第二端连接至参考地端，用于将其两端的控制电压信号转化为控制电流信号。
7.根据权利要求6所述的一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路，其特征在于，所述电压控制单元包括：第五电阻、运算放大器U4，电容C2，具体联系关系为：所述运算放大器U4的同相输入端通过第五电阻连接至补偿电流源控制信号，所述运算放大器U4的反相输入端通过电容C2连接至所述运算放大器U4的输出端。
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