CN212623799U - 一种可据负载变化调节输出电流的电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可据负载变化调节输出电流的电路，所述电路包括电源端(1)、负载端(2)，其特征在于：还包括设置在电源端(1)与负载端(2)之间并可依据负载端(2)电压变化调节总线输出电流(I)以控制自身功率大小和负载端(2)因寄生电阻(R’)形成的电压大小的可控恒流源(3)。该电路能有效解决恒流源器件被烧毁以及信号传输质量差的问题。

Description

一种可据负载变化调节输出电流的电路

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种可据负载变化调节输出电流的电路。

背景技术

DALI调光系统在市场中灯光控制的领域发挥着重要作用，而DALI Power Supply(下文中简称DALI PS)又是DALI调光系统中不可缺少的专用设备，是DALI总线信号传输的保证基础。在IEC82386标准中规定，DALI PS的电压输出范围要在9.5-22.5V之间，输出电流最大不能超过250mA。

在现有的DALI PS设计中，电路常规设计是负载端通过单一恒流源与电源端相接，如图1所示。该种电路设计简单，但也因此存在许多问题，其中一个问题是DALI系统采用的是曼彻斯特编码传输数据，在发送数据时DALI总线会短路，此时造成总线电流I可能达到250mA，而单一恒流源的特性决定了该情形下，恒流源中的MOS器件Q1两端会承载过大电压，在该电路中可能达到15.3V，最高功率可高达3.8W，从而导致该器件有可能会因功率过大而迅速发热造成损毁，亦或是增大产品设计难度和成本。

同时，DALI信号在传输时会由载波经过一定运算后搭载在负载电压上，而目前的单一恒流源电路设计，在负载线路很长时，导线会产生寄生电阻，该寄生电阻会消耗部分电压，使得DALI设备接收负载端传输过来的信号不完整，为了保证信号接收质量，只得牺牲DALI系统的铺设面积，这大大限制了DALI系统的应用；而且目前的电路设计在外界电压过高时，防高压效果不理想。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种能有效防止电路元器件因功率过载而烧毁，信号传输质量好，能实现大面积铺设且防高压效果佳的可据负载变化调节输出电流的电路。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种可据负载变化调节输出电流的电路，所述电路包括电源端、负载端，其特征在于：

还包括设置在电源端与负载端之间并可依据负载端电压变化调节总线输出电流以控制自身功率大小和负载端因寄生电阻形成的电压大小的可控恒流源。

进一步的，所述可控恒流源包括调节部件以及与调节部件相连的放大部件，所述调节部件输出的电流流经放大部件；

所述调节部件与电源端和负载端分别相连并可依据负载端电压调节自身输出的电流；

所述放大部件还与负载端相连并对来自调节部件的电流进行放大以调节总线输出电流。

进一步的，所述调节部件包括与电源端和放大部件分别电性相连的调节器、与电源端和调节器分别电连接以给调节器提供稳定导通电流的第一通路、与第一通路和负载端分别电性相连并在负载端电压变大而导通时可改变调节器工作状态的第二通路、以及电连接在电源端和负载端之间并可在负载端电压增大时导通以向调节器输出电流的第三通路，所述第二通路与第三通路相连。

进一步的，所述调节器为PNP型三极管，所述PNP型三极管的基极连接所述第一通路而发射极连接电源端且集电极通过第一电阻与放大部件的输入端相连。

进一步的，所述第一通路包括一端与电源端电性连接而另一端接地的第二电阻，所述PNP型三极管的基极与第二电阻的所述一端相连；所述第二电阻的阻值至少为2MΩ。

进一步的，所述第二通路包括第三电阻和稳压二极管，所述稳压二极管的负极通过第三电阻与第二电阻的所述一端相连而阳极与负载端电性相连，所述第三电阻的阻值至少为5MΩ。

进一步的，所述第三通路包括第一二极管和第四电阻，所述第一二极管的正极连接第二电阻的所述一端而负极通过第四电阻与稳压二极管的正极相连，所述第一二极管的负极通过导线连接在第三电阻与稳压二极管的负极之间。

进一步的，所述放大部件为NPN型三极管，所述NPN型三极管的基极连接所述PNP型三极管的集电极而发射极接地且集电极连接稳压二极管的正极。

进一步的，所述电路还包括由第一二极管、第二二极管、第三二极管及第三电阻构成的防高压模块；

所述第二二极管的负极连接稳压二极管的正极而第二二极管的正极连接负载端；

所述第三二极管的正极连接第二电阻的所述一端而负极连接电源端。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

将以往的单一恒流源替换成可控恒流源，且可控恒流源的输出电流可通过负载端电压来调节，很好的确保了电路发送信号负载短路时恒流源器件不会因功率过高而烧毁，防止了在负载变化时出现恒流源器件因输出电流达到上限值而承载电压又较高时导致器件烧毁的问题，同时有效解决了发送信号时寄生电阻分得电压较大，影响信号传输质量的问题，有效改善了通讯质量，增长了负载端的布线距离；而防高压模块的设置能很好解决线路电压过高，导致电路被烧毁的问题，提高了电路安全性。

附图说明

图1为现有技术的电路原理图。

图2为本申请的整体结构框图。

图3为本申请的优选实施例的电路原理图。

图4为针对图2做出的I-Vrl曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

如图2-3所示为本申请一种可据负载变化调节输出电流的电路的优选实施例。图2示出，该电路包括电源端1、负载端2以及设置在电源端1与负载端2之间并可依据负载端2电压变化调节总线输出电流以控制自身功率大小和负载端2因寄生电阻R’形成的电压大小的可控恒流源3。

如图2所示，该可控恒流源3包括调节部件31以及与调节部件31相连的放大部件32，调节部件31输出的电流流经放大部件32，该调节部件31与电源端1和负载端2分别相连并可依据负载端2电压调节自身输出的电流，而放大部件32则还与负载端2相连并可对来自调节部件31的电流进行放大以调节总线输出电流。也即该电路的总线输出电流值与经放大部件32放大后输出的电流相等。

具体到本实施例，该调节部件31包括与电源端1和放大部件32分别电性相连的调节器311、与电源端1和调节器311分别电连接以给调节器311提供稳定导通电流的第一通路312、与第一通路312和负载端2分别电性相连并在负载端2电压变大而导通时可改变调节器311工作状态的第二通路313、以及电连接在电源端1和负载端2之间并可在负载端2电压增大时导通以向调节器311输出电流的第三通路314，而该第三通路314与第二通路313之间相连。

具体请参见图3，该调节器311为PNP型三极管Q1，PNP型三极管Q1的基极连接第一通路312而发射极连接电源端1且集电极通过第一电阻R5与放大部件32的输入端相连；第一通路312包括一端与电源端1电性连接而另一端接地的第二电阻R4，PNP型三极管Q1的基极与第二电阻R4的所述一端相连，该第二电阻R4的阻值至少为2MΩ，也即在该电路设计中R4的阻值很大，这样能防止流入PNP型三极管的电流过大而烧毁三极管，同时通过将R4设计的很大，能确保整个电路有效跟随负载端电压变化而逐步实现对电流的调节，从而达到想要的效果，具体分析原理会在后文阐述。

继续参见图3，该第二通路313包括第三电阻R2和稳压二极管D4，稳压二极管D4的负极通过第三电阻R2与第二电阻R4的所述一端电连接而阳极与负载端2电性相连，该第三电阻R2至少取值5MΩ；第三通路314包括第一二极管D2和第四电阻R1，该第一二极管D2的正极连接第二电阻R4的所述一端而负极通过第四电阻R1与稳压二极管D4的正极相连，第一二极管D2的负极通过导线连接在第三电阻R2与稳压二极管D4的负极之间。在本实施例中，放大部件32为NPN型三极管Q2，该NPN型三极管Q2的基极连接PNP型三极管Q1的集电极而发射极接地且集电极连接稳压二极管D4的正极。

本电路中PNP型三极管Q1和NPN型三极管Q2构成复合管，用来提高电流放大系数，即令PNP型三极管Q1的放大倍数为β1，NPN型三极管Q2的放大倍数为β2，则整个电路的电流放大倍数为β＝β1×β2。而之所以采用两个三极管形成复合管形式进行电流放大输出，则是为了巧妙利用三极管的电流放大功能实现由负载端电压调节输出电流的目的。

虽然标规规定，该系统工作电压得在9.5-22.5V之间，但由于全球市电线路均是85V～265V间，而交流电峰值时所加载电压更高，这在系统安装过程很容易错接而导致电路被烧毁，为了克服该问题，该电路还包括由第一二极管D2、第二二极管D3、第三二极管D1及第三电阻R2构成的防高压模块315，第二二极管D3的负极连接稳压二极管D4的正极而第二二极管D3的正极连接负载端2，第三二极管D1的正极连接第二电阻R4的所述一端而负极连接电源端1。

下面对该电路的工作原理进行阐述。首先，设总线输出电流为I，最大总线输出电流为Imax，稳压二极管D4的稳压值为Vd4，流过稳压二极管D4的电流为Id4，NPN型三极管Q2的两端电压为Vce，流过第一二极管D2上的电流为Id2，流过第四电阻R1上的电流为Ir1，PNP型三极管Q1的基极电流为Iqb1，NPN型三极管Q2的基极电流为Iqb2，同时，令负载端的电阻值为rl。

现以负载端电压从0逐渐变大逐一讨论总线输出电流I的大小，首先需要明确的是，当电路处于正常接线状态时，三极管Q1和Q2均处于导通状态，而Q1和Q2导通电压均为0.7V。当Vrl<0.7v时即对应负载短路，rl＝0，因为Vrl接近0v，故可认为A点电压＝B点电压，而A点电压始终为16v，故而B点电压也为16v，由此使得D3导通，得到D点电压为15.3v，又E点电压为(16-Vq1)v＝(16-0.7)v＝15.3v，故而第一三极管D2因两端电压Vd2<0.7v而截至，对应Id2＝0，PNP型三极管Q1上的基极电流Iqb1存在Iqb1＝Ve/R4＝(16-Vq1)/R4＝(16-0.7)/R4，由于第二电阻R4阻值很大，使得Iqb1很小，此时三极管Q1、Q2均工作在放大区，这样存在短路时总线输出电流I＝β1*β2*Iqb1＝15.3*β1*β2/R4；

随着Vrl逐渐增大，也即rl增大，负载减小时，根据Vce＝16-Vrl-Vd3可知Vce逐渐减小，即得到C点电压＝15.3-Vrl，而C点压电即为D点电压，故而可得到D2导通，Id2逐渐增大，则Iqb1＝15.3/R4+Id2，I＝β1*β2*Iqb1不断增大。由于有稳压二极管D4的存在，因此，此处还需将Vrl与Vd4进行比较。

当稳压二极管D4不导通时，即有Vgd<Vd4，也即Ve-Vd2-Vd<Vd4，而Vd＝Vb-0.7，Ve＝15.3，Vb＝16-Vrl，换算得到Vrl-Vd2<Vd4，因为Vd2＝0.7v相对而言很小，忽略不计，则存在Vrl<Vd4，换言之，随着Vrl逐渐增加，但稳压二极管D4仍旧不导通情形下，对应Vrl<Vd4，此时三极管Q1，Q2都工作在放大区，又由于第三电阻R2很大，支路E-G-F-D上的电流忽略不计，则Id2＝Ir1＝Vfc/R1＝(16-Vq1-Vd2-Vd3-Vrl)/R1＝(16-0.7-0.7-0.7-Vrl)/R1，I＝β1*β2*(15.3/R4+(13.9-Vrl)/R1)；

而当稳压二极管D4导通，也即对应Vrl>Vd4时，稳压二极管D4的导通会使得支路E-F-G-C上的电流猛增，这会使得三极管Q1立马进入饱和区而Q2仍旧在放大区，则有Iqb2＝(16-0.7)/R5，I＝β2*Iqb2＝β2*15.3/R5；

当负载端电压Vrl继续增大时，会出现三极管Q2也进入饱和区，此时三极管Q2相当于导线一根，有Vrl＝(16-0.7)，I＝15.3/RL。

当负载端电压Vrl>15.3V时，因为Vb<0.7v，使得二极管D3截止，此时电路进行保护状态；相反，若Vrl<0V，由于R2远大于R1和R3，R1和R3的阻值可忽略不计，此时R1和R3可相当于一根导线，如此对应Vg＝Vf＝Vc，Vrl<0v则意味着Vb>16v，有Vc>16-0.7＝15.3v，如此则存在Vf>Ve，对应D2截止，此时当流过R2上的电流<流过R4上的电流时，存在(Ve-Vg)/R2<15.3/R4，也即(15.3-(16-Vrl-0.7))/R2<15.3/R4，对应有I＝β1*β2*(15.3/R4-(15.3-(16-Vrl-0.7))/R2)，而当(15.3-(16-Vrl-0.7))/R2>15.3/R4时则对应Q1截止，由此引发Q2截止，此时电路进入保护状态。因此，通过D1、D2、D3和R2的共同作用，可以很好的防止线路所接电压过高导致线路烧毁的情形，而且由于市电电压一般都为220V，不存在如该段所述的大于16V，如19V、30V的情形，因此，流过R2上的电流<流过R4上的电流这种情形在实际应用中不存在，换言之，在实际运用中，一旦接线电压过高，则该电路立马就进入保护状态，从而很好的起到了防高压作用。

通过上述对Vrl由0逐步增大时，总线输出电流I的分析可以得出如图4所示的I-Vrl曲线图，根据该曲线图可以清晰得知，随着负载端电压的增大，总线输出电流先不断增大，然后保持稳定不变，最后随着Vrl的继续增大，I出现断崖式降低，而输出电流I增大时并非对应着Vce即Q2两端电压的不断增大，而仅仅是在某一时刻出现最大值然后又不断减小，换句话说，本申请通过让可控恒流源的输出电源跟随负载端电压变化而变化，以此调节改善Q2两端的电压，进而改善Q2在实际运用中所承载的功率不至于过大，很好的保护Q2器件。具体而言，在Vd4<Vrl<15.3时对应的I最大，而当Vrl继续增大时则存在D3不导通，也即电路进入保护状态无电流的情形，且由该曲线可以得出Q2两端电流处于最大而电压也处于最大的情形即是D4刚导通的瞬间，此时有Q2上的最大功率Pmax＝Vce*Imax＝(Ve-Vd2-Vd4)*Imax＝(15.3-0.7-Vd4)*Imax＝(14.6-Vd4)*Imax，由于DALI PS允许流过的最大电流是250mA，故若此时即是令Imax取上限值0.25A，也存在Pmax＝(14.6-Vd4)*0.25，很显然，此时可通过调节Vd4的值来对Q2上存在的最大功率点进行调节，从而防止现有方案中MOS器件功率过高而烧毁的情形。

同样，设计可控恒流源的输出电流跟随负载端电压变化而变化，能有效降低负载短路时的短路电流值，从而减小寄生电阻分得的电压，具体而言，当线路发送信号时，对应负载短路，此时rl＝0，有I＝15.3*β1*β2/R4，换言之，寄生电阻R’上分得的电压由现有技术V’＝R’*0.25A变为V’＝R’*15.3*β1*β2/R4，根据该曲线图可以确定，本申请的电路设计使得短路电流15.3*β1*β2/R4远远小于0.25A，因此通过调节R4阻值即可减小V’值，从而有效改善通讯质量，增长DALI系统的布线距离。

综上可知，本申请的电路设计使得不论是对Pmax还是V’，采用该电路时只要根据需要选择适当的器件参数，就能很好的规避恒流源器件被烧毁和信号传输质量不佳的问题；而该电路结构能在一旦接入高电压时，迅速进入保护状态，起到很好的防高压效果。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种可据负载变化调节输出电流的电路，所述电路包括电源端(1)、负载端(2)，其特征在于：

还包括设置在电源端(1)与负载端(2)之间并可依据负载端(2)电压变化调节总线输出电流(I)以控制自身功率大小和负载端(2)因寄生电阻(R’)形成的电压大小的可控恒流源(3)。

2.根据权利要求1所述的可据负载变化调节输出电流的电路，其特征在于：

所述可控恒流源(3)包括调节部件(31)以及与调节部件(31)相连的放大部件(32)，所述调节部件(31)输出的电流流经放大部件(32)；

所述调节部件(31)与电源端(1)和负载端(2)分别相连并可依据负载端(2)电压调节自身输出的电流；

所述放大部件(32)还与负载端(2)相连并对来自调节部件(31)的电流进行放大以调节总线输出电流(I)。

3.根据权利要求2所述的可据负载变化调节输出电流的电路，其特征在于：

所述调节部件(31)包括与电源端(1)和放大部件(32)分别电性相连的调节器(311)、与电源端(1)和调节器(311)分别电连接以给调节器(311)提供稳定导通电流的第一通路(312)、与第一通路(312)和负载端(2)分别电性相连并在负载端(2)电压变大而导通时可改变调节器(311)工作状态的第二通路(313)、以及电连接在电源端(1)和负载端(2)之间并可在负载端(2)电压增大时导通以向调节器(311)输出电流的第三通路(314)，所述第二通路(313)与第三通路(314)相连。

4.根据权利要求3所述的可据负载变化调节输出电流的电路，其特征在于：

所述调节器(311)为PNP型三极管，所述PNP型三极管的基极连接所述第一通路(312)而发射极连接电源端(1)且集电极通过第一电阻(R5)与放大部件(32)的输入端相连。

5.根据权利要求4所述的可据负载变化调节输出电流的电路，其特征在于：

所述第一通路(312)包括一端与电源端(1)电性连接而另一端接地的第二电阻(R4)，所述PNP型三极管的基极与第二电阻(R4)的所述一端相连；

所述第二电阻(R4)的阻值至少为2MΩ。

6.根据权利要求5所述的可据负载变化调节输出电流的电路，其特征在于：

所述第二通路(313)包括第三电阻(R2)和稳压二极管(D4)，所述稳压二极管(D4)的负极通过第三电阻(R2)与第二电阻(R4)的所述一端相连而阳极与负载端(2)电性相连，所述第三电阻(R2)的阻值至少为5MΩ。

7.根据权利要求5所述的可据负载变化调节输出电流的电路，其特征在于：

所述第三通路(314)包括第一二极管(D2)和第四电阻(R1)，所述第一二极管(D2)的正极连接第二电阻(R4)的所述一端而负极通过第四电阻(R1)与稳压二极管(D4)的正极相连，所述第一二极管(D2)的负极通过导线连接在第三电阻(R2)与稳压二极管(D4)的负极之间。

8.根据权利要求6所述的可据负载变化调节输出电流的电路，其特征在于：

所述放大部件(32)为NPN型三极管，所述NPN型三极管的基极连接所述PNP型三极管的集电极而发射极接地且集电极连接稳压二极管(D4)的正极。

9.根据权利要求6所述的可据负载变化调节输出电流的电路，其特征在于：

所述电路还包括由第一二极管(D2)、第二二极管(D3)、第三二极管(D1)及第三电阻(R2)构成的防高压模块(315)；

所述第二二极管(D3)的负极连接稳压二极管(D4)的正极而第二二极管(D3)的正极连接负载端(2)；

所述第三二极管(D1)的正极连接第二电阻(R4)的所述一端而负极连接电源端(1)。

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