专利名称：用负载悬浮控制电路的可调电流源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型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。如集成电路屮的镜像电流源，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
本实用新型的目的，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。
本实用新型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T,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负载Rh C,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T,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UC1，由该电路产生 的P丽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1\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。
本实用新型的技术解决方案是这样实现的
首先确定将本实用新型的负载Rh a接在给负载供电电源U,的负极与电流 取样电阻R。的低电位端之间。电流取样电阻R。的高电位端依次串连电流调节管 L、电感L、开关管T2到电源l^的正端。再给电流调节管L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。，以便根据需要随时调节通过负载上的电 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Uc;给电感L设计 一个磁电转换续流二极管Dl和滤波电容C;再给电流调节管L设计一个能够跟 随负载电压变化的电压跟随电路、 一个能反应L输入、输出之间电压的P丽电 路。以便通过光电隔离电路，控制开关管T2工作在开关状态，进而控制电流调 节管L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
一个电流给定控制部分
由电阻Ra、电位器Rh稳压块a、电容C八、CB运算放大器IC、负载电流调 节管T,、负载电流取样电阻R。、电源l组成的电路。用于根据需要随时调节通 过负载上的电流。
一个负载电流调节管L的输入、输出之间电压信号处理部分
包括 一个负载电压跟随电路，由运算放大器IC1， 二极管D2，电阻R4、 电源Uu组成。用于跟随负载电压的变化，为P丽电路提供参考电位和L的输入、 输出之间电压变化信号； 一个P丽和输出隔离电路，由P丽芯片IC2、稳压二极 管D3、电阻R2、 R3、电容d、电源Uu组成。用于反应负载电流控制管L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；
一个控制开关部分
由光偶E,的光敏管、电阻Rl和Uc组成。用于将P丽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；
一个负载和负载电源开关控制部分
由负载R^ Cl、负载电流取样电阻R。、负载电流调节管L、降压续流电路、 开关管T2、供电电源UL组成。其中的降压续流电路，由电感U电容C、 二极管 Dl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L的输入输出之间电压信号与降压续流电路相配合，来控 制Ti的输入输出之间的电压。
本实用新型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Ra，可以是普通电阻和/或是精密电阻； 电位器rb，可以是多圈电位器和/或非多圈电位器；稳压块Dw，也可以是稳压二 极管；运算放大器IC1，可以是单电源供电和/或双电源供电；CA、 Cb是一个高頻 无感电容；负载电流调节管Tp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。，是一个精密电阻和/或普通电阻；电源Ud， 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L的输入、输出之间电压信号处理部分包括一个由 运算放大器IC1， 二极管D2，电阻R4、 R5、电源Uu组成的负载电压跟随电路和 一个由P丽芯片IC2、稳压二极管D3、电阻R2、 R3、电容d、光偶Et的发光部 分、电源Uu组成的P丽电路和输出隔离电路。其中的运算放大器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L的输入、输出之间电压而定；光偶E,的发光部 分，可以是光电耦合器的发光部分，也可以是电磁偶合的初级部分；电源Ud与 电流给定控制部分相同。
所述的控制开关部分，由光偶El的光敏管、电阻Rl和Uc组成。其中的光偶 ^的光敏管，可以是光电耦合器的光敏接收部分，也可以是电磁偶合的次级部分； Rl可以是普通电阻；电源Uc ，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，由免裁Rl、 Cl、负载电流取样电阻 RQ、负载电流调节管Ti、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RL，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；CL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。，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Dl 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 Ul，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。
本实用新型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
负载电路RL、 CL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rb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L的电流，使取样电阻R。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.给负载供电的控制电路的工作原理
这部分电路包括由IC1、 D2、 R4组成的负载电压跟随电路、由IC2、 D3、 R2、 R3、 d组成的旨在控制开关管T2工作在开关状态的P丽电路、光电隔离电路^、 由L、 C、 Dl组成的降压续流电路，负载电流调节管L，负载&、 Cl，负载电流 取样电阻R。，开关管L，和供电电源Uc、 UC1、 UL电路。
电路在通电的起始阶段，IC2的1、 8脚输出低电平，光偶EL中的发光管 发光，同时光敏管导通，T2导通，电源UL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Rq和负载RL。当T1的输 入、输出即漏、源极之间的电压Uds大于IC2的5脚相对于4脚的1.25V加上 稳压管D3的压降，再减去二极管D2的导通压降时，IC2开始进入PWM控制 状态，使T1的输入、输出之间电压UDs，始终近似等于1.25V加上稳压管D3 的压降，再减去二极管D2的导通压降。同时，将供电电源UL大于负载两端电 压加T1输入、输出电压UDs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，本实用新型的优点表现在
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。
图1是本实用新型的一个实施例1的电路原理方框图2是本实用新型实施例的给负载回路供电的电源电路原理图3是本实用新型实施例的给控制开关管工作电路供电的电源电路原理图4是本实用新型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5是本实用新型实施例1的电路原理图6是本实用新型的一个实施例2的电路原理方框图7是本实用新型实施例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Tl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l参见图l、图5。首先确定将电流源的负载RL 、 C^接在给负载供 电电源UL的负极与控制电路的取样电阻R。的低电位端之间，再在其负载回路供 电电源U.的正极与负载电流调节管L之间串接开关管L和电感L;在负载电流 调节管L和电感L之间接一个滤波电容C到电源Ul免扱；在开关管L和电感L 之间接一个续流二极管Dl到电源U,负极；在取样电阻R。与电流调节管L之间接 电压跟随放大器IC1的同向输入端，IC1的供电端接电源IL，反向输入端接输 出端，并与IC2的4、 2脚相连；IC2的3脚对4脚接一个电容G， 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-端接电源Ua正极，二极管D2的另一端与负载电流调节管L的输入端相连； IC2的6、 7脚接电源Uu正端，1、 8脚作为输出接光偶E,的发光管的阴极，其 阳极接一个电阻R2到电源Uu正端；光偶EL的光敏管一端接电源Ue的正极，另 一端接到开关管T2的栅极G和一个电阻Rl到T2的源极S以及Ue负极。另外， 在负载和电源l^之间串一个保险丝IB。电流调节管L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；Ti的栅极G和源极S 之间接一个电容CA;运算放大器IC的同相输入端与电阻RA、电位器RB、稳压块 "、电容CB组成的负载电流给定电路相连，其中，电阻RA的一端与供电电源Ud 的正极相连，另一端与并联的电位器RB和稳压管Dw以及电容CB相连，再与负载 电流取样电阻R。的低电位端和电源U 的公共端相连，电位器RB的分压输出端与 运算放大器IC的同相输入端相连。
权利要求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RA、电位器RB、稳压块DW、电容CA、电容CB、运放IC、负载电流调解管T1、负载电流取样电阻RQ和电源UC1；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UC1组成的负载电压跟随电路和由集成电路IC2、二极管D3、电阻R2、R3、电容C1、电源UC1组成的PWM电路以及由EL的光敏管、电阻R1、UC组成的隔离电路；所述的负载和负载电源控制电路(4)则包括负载RL、CL、负载电流取样电阻RQ、负载电流调节管T1、开关管T2、降压续流电路和电源UL所组成，其中的负载RL、CL接在电源UL的负极与取样电阻RQ的低电位端之间；电源UL的正极与电流调解管T1之间串接开关管T2和电感L；在电流调解管T1和电感L之间接滤波电容C到电源UL负极；在开关管T2和电感L之间接续流二极管D1到电源UL负极；在取样电阻RQ与电流调解管T1之间接电压跟随放大器IC1的同相输入端，其供电端接电源UC1，反相端接其输出端再与IC2的4、2脚相连，IC2的3脚对4脚接一个电容C1，5脚对4脚接一个电阻R3、接一个稳压二极管D3，并与电阻R4和二极管D2相连；电阻R4的另一端接电源UC1正极；二极管D2的另一端与电流调解管T1的输入端相连；IC2的6、7脚接电源UC1正极，1、8脚作为输出接光偶EL的发光管的阴极；电路在通电的起始阶段，IC2 1、8脚的输出为低电平，光偶中的发光管发光，光敏管导通，T2导通，电源UL的电流通过电感L，这样便在给电容C充电的同时使电流在T1的控制下通过负载取样电阻RQ和负载RL；当T1的输入、输出即漏、源之间的电压UDC大于IC2的5脚相对于4脚的1.25V加上稳压管D3的压降，再减去二极管D2的导通压降时，IC2开始进入PWM控制状态，使T1的输入、输出之间的电压UDS始终近似等于1.25V加上稳压管D3的压降减去二极管D2的导通压降；同时将电源UL大于负载两端电压加T1输入、输出电压UDS的压降之和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l所述的用负载悬浮控制电路的可调电流源装置，其特征 在于所述的负载电源是220V整流、滤波而成直流的电源和/或通过变压后再 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的电路。
3、 根据权利要求l所述的用负载悬浮控制电路的可调电流装置，其特征在 于所述的电流给定电路中的电源UC1是带有单电压或双电压输出的线性稳压电 源和/或开关稳压电源。
4、 根据权利要求l所述的用负载悬浮控制电路的可调电流装置，其特征在 于所述的用于PWM和光偶隔离电路中的电源Uc:是线性稳压电源和/或开关 稳压电源。
专利摘要本实用新型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T<sub>1</sub>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<sub>C1</sub>，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<sub>C</sub>和U<sub>L</sub>，三个回路互不干扰，并在开关管T<sub>2</sub>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。
文档编号G05F1/10GK201066458SQ200720013700
公开日2008年5月28日 申请日期2007年8月6日 优先权日2007年8月6日
发明者刘恒东, 猛 陈 申请人:大连大学