用负载悬浮控制电路的可调电流源装置的制作方法

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，属于电源与 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析，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；如压力、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。
实践中，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， 一部分是控制给负载供电的功能电路， 一部分是控制给负 载供电的开关管的控制电路。让三部分电路的供电电源回路各自独立；让电流 给定控制功能电路和供电电源电路悬浮在负载之上；让开关管的控制电路所需 的供电电源，通过光电或磁电的隔离，既不受给负载供电回路的影响，也不受 电流给定控制功能电路的供电回路的影响。让悬浮在负载之上的电流给定控制 电路的控制性能不受负载回路变化的影响。用开关和降压续流电路来控制负载 电流调节管的输入、输出之间的电压在最小范围内工作。通过利用电感在通电 电路中能将一部分电能转化为磁能，当切断电源后电感内部的磁能又能转变成 电能向外释放的特性，来解决调节管的损耗问题。使本发明具备效率高、精度 高、功率大、可调范围大、适应负载所需电压变化范围大的特点。
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&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Ti、电感L、 开关管T2到电源UJ勺正端。再给开关管T2设计一个由运算放大器和电阻组成的 开关控制电路和供电电源Uei;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跟随电路，和光电 隔离电路，作为开关控制电路的控制信号，以实现通过控制开关管T2的开和关， 来达到控制电流控制管L的输入、输出之间电压的目的；给电流调节管L设计
一个可调的电流给定控制电路和供电电源UC2，以便根据需要随时调节通过负载
上的电流。
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部分，由电阻R"电位器rb、稳压块Dw、运算放大 器IC1、电容ca、 cb、负载电流调节管TV负载电流取样电阻R。、电源Ue2组成。
用于根据需要随时调节通过负载上的电流。
一个负载和给负载供电的控制电路部分，包括 一个给负载回路供电的电源Ul电路； 一个给控制开关管电路供电的稳压电源Uei电路；
一个负载电流调节管T"用于调节通过负载的电流，并使其始终与控制电
压信号成线性关系变化；
一个负载电流取样电阻RQ，用于反应通过负载的电流，以便电流源控制电
路及时控制电流调节管L按给定电流输出给负载； 一个负载RL和电容CL，用于通电做功的电路；
一个负载电压跟随电路，由二极管D2、 D3/4/5和PNP三极管Bl、 B2以及 电阻R1、 R2组成。用于跟随负载电压变化和反应负载电流调节管Ti的输入、输 出之间电压；
一个降压续流电路，由电感L，电容C 、 d， 二极管D1组成。用于在开关 的作用下将电能变成磁能，当开关关断时再将磁能变成电能送给负载；
一个丌关管T2，用于根据负载电压跟随电路提供的负载电流调节管L的输 入输出之间电压信号，来控制L的输入输出之间电压；
一个控制开关电路，由运算放大器IC和电阻R3、 R4、 R5以及D6、 D7组成。 用于根据负载电压跟随电路提供的负载电流调节管Tt的输入输出之间电压信 号，来控制开关管T2丄作在开关状态。
一个电压隔离电路E,.，用于将负载电压跟随电路反应的负载电流调节管T, 的输入输出之间电压的极限值传递给开关控制电路。 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Ra，可以是普通电阻，也可以是精密电 阻；电位器Re，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，也可以是双电源供电；CA、 Cb 是一个高频无感电容；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，根据精度要 求也可以是普通电阻；电源U⑦可以是线性稳压电源，也可以是开关稳压电源。 另外，根据运算放大器IC1要求选择单电压和/或双电压输出。
所述的给负载回路供电的电源Ul电路，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和/或经过开关稳压的电路。
所述的给控制开关管供电的电源UC1电路，是一个用变压器将220V交流电进 行变压、整流、滤波、稳压电路，也可以是开关稳压电路。
所述的负载电流调节管L是一个功率三极管、复合式功率三极管和/或场效 应管。
所述的负载RL、 C^和负载电流取样电阻R。，其中的负载RL是一个电阻性 元件和/或一个电感性元件；CL是有极性电容和/或无极性电容；负载电流取样 电阻R。是一个精密电阻，根据电流源的精度要求也可以是普通电阻。
所述的负载电压跟随电路，其中的D2是各种具有单向导电特性的二极管； D3/4/5除了可以是各种具有单向导电特性的二极管外，数量根据最小限压值而 定，也可以是稳压管；Bl、 B2是两个PNP三极管，也可以是PNP复合三极管或 叫PNP型达林顿三极管，也可以根据负载电源电压的高低和负载以及负载电流 的变化范围用一个PNP三极管；Rl、 R2是普通电阻和/或是精密电阻。
所述的降压续流电路，其中的L是一种高频和高Q值电感和/或是普通电感； C是胆电容和/或是普通电解电容；Dl是一种肖特基二极管和/或是快恢复二极
所述的开关电路T2，可以是P沟道场效应管和/或是N沟道场效应管，还可 以是PNP或NPN功率三极管和/或达林顿三极管。
所述的控制开关电路，其中的IC可以是运算放大器，也可以是比较和/或 触发器；R3、 R4、 R5、 R6是普通电阻即可。
所述的电压隔离电路E,，可以是光偶，也可以是光敏或光电传感器与发光 器件配对的电路，还可以是小型高频变压器以及电磁元件与霍尔元件配对的电 路。
所述的限压放大电路、负载电压跟随电路与负载共用一个供电回路；控制 开关管工作电路的供电电源是一个独立回路。
本发明的工作原理如下
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功能电路的 参考电位端和供电电源的参考电位端。然后，通过调节电路中的电位器Rb，来 改变运算放大器IC同相输入端的电压，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、给负载供电控制电路部分的功能是控制Ti的输入、输出之间的电压在 一定范围内变化，控制T2工作在开关状态，利用通电电感的电动生磁、磁动生 电的原理，将负载供电回路的损耗降低。另外，给控制T2工作在开关状态的控 制电路一个独立的供电回路Ud，避免负载两端电压大范围变化时，电源l^对 控制电路的影响。
当场效应管T,的输入、输出即漏、源之间的电压UDs大于二极管D3/4/5结 压降减D2结压降时，三极管B1、 B2的ce导通，使中的发光二极管发光， 光敏管导通，IC的反相输入端电压大于同相输入端，其输出变低，场效应管T2 截止。负载上的电流由电感在通电周期中产生的磁能变成电能，通过二极管D1 构成回路与电容C一同供给负载。当场效应管T1的漏、源之间电压Uns小于二 极管D3/4/5结压降减D2结压降时，三极管B1、 B2的ce由导通变为截止，使 EL中的发光二极管不发光，光敏管截止，IC的反相输入端电压小于同相输入端， 其输出变高，场效应管T2导通，电源UL通过电感给负载提供电流，同时电感再 将降压消耗的电能变成磁能。如此循环便解决了高电压供电时的场效应管1\的 损耗和过热问题。其中的IC和EL中的光敏管采用独立电源回路，因此，控制
T2工作在开关状态的控制电路的性能不受负载两端电压大范围变化时的电源UL
的影响。
与现有技术相比较，本发明的优点表现在
1、解决了可调电流源在工作时，负载电流或负载阻抗需要大范围随机变化 的效率、精度以及功率问题。
2、 给负载供电的电压可以从几十伏特到几百伏特。
3、 结构简单，便于集成，便于推广。


图1是本发明实施例的电路原理方框图2是本发明实施例的电路原理图3是本发明实施例的电流给定控制电路的供电电源电路原理图； 图4是本发明实施例的控制开关管电路的供电电源的电路原理图5是本发明实施例的给负载回路供电的电源电路原理图。
在图中，1、是电流给定控制电路，2、是负载以及给负载供电的控制电路。
具体实施例方式
参见图l、图2。首先确定将电流源的负载R.、G接在给负载供电电源^的 负端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 正端与电流调节管Ti之间串接一个开关管T2和并联的电感L、电容C；在电流
调节管L和并联的电感L、电容d之间接一个电容C到电源仏负端；在开关管
T2和并联的电感L、电容d之间接一个二极管Dl到电源l^负端；在电流取样电
阻R。与电流调节管L之间接一个二极管D2和电阻Rl串联接到负载电源IU氐电 位端；在二极管D2和电阻Rl之间接三个串联的二极管D3/4/5到电流调节管L 和并联的电感L、电容d之间，其中有两个PNP三极管B1、 B2， Bl的基极接到 二极管D2和电阻Rl之间，发射极与B2的基极相连，集电极与电源U,负端相连， B2的发射极接一个电阻R2到电流调节管Ti和并联的电感L、电容d之间，集电 极与光偶^的发光管阳极相连，光偶E^的发光管阴极与电源ll负端相连；光偶 E,的光敏管， 一端接电源Ud的正端，另一端接一个电阻R3到电源Uu的负端， 同时与运算放大器IC的反向输入相连；其中的运算放大器IC的工作电源为UC1， 其正向输入端分别接电阻R4与其输出相连，接电阻R5与电源Uu的正端相连， 接电阻R6与电源Uei的负端相连；运算放大器IC的输出与开关管T2的控制极相 连。另外，在负载&、 G和电源UL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IC1的输出相连，源极S与运算放大器IC1的反相输入端相连；
的栅极G与源极S之间并联一个电容CA;运算放大器IC1的同相输入端与电阻 RA、电位器RB、稳压块Dw组成的负载电流给定电路相连，并对参考点接一个电容
CB。其中，电阻RA的一端与供电电源Ue的正极相连，另一端与并联的电位器RB 和稳压管Dw相连，再与负载电流取样电阻R。的低电位端和供电电源Ue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。
其中，用图3所示的电路，作为Ud给控制开关电路供电；用图4所示的电 路，作为仏2给电流给定控制电路供电；用图5所示的电路，作为UL给负载回路
供电；用LM741作为运算放大器IC; 10KQ 1/4W金属膜电阻作为电阻RA;用LM385 作为稳压块Dw;用WX03—13多圈电位器作为电位器RB;用irfp场效应管作为 负载电流调节管T1;用5瓦0. 5Q电阻作为负载电流取样RQ，用500瓦220VAC 电阻丝作为负载电路rl;用三个二极管作为D3/4/5;用两个PNP三极管作为Bl、 B2;用IOOKQ电阻作为Rl;用470Q电阻作为R2;用1N5819作为负载电压跟 随电路D2;用10uf/400V电容作为C;用50SQ100作为续流二极管Dl;用lmH 电感作为L;用irfp场效应管作为开关管T2;用LM741运算放大器作为IC;用 200KQ电阻作为R4和三个10KQ电阻分别作为R3、 R5、 R6;用TLP521作为负 载电压跟随电路输出隔离电路E,;用5A保险丝作为IB，来完成本发明实施例的 电路。
权利要求
1、一种用负载悬浮控制电路的可调电流源装置，其特征在于包括一个电流给定控制电路(1)和一个负载与给负载供电的控制电路(2)，其中所述的电流给定控制电路(1)由电阻RA、电位器RB、稳压块DW、运算放大器IC1、电容CA、CB、负载电流调节管T1、负载取样电阻RQ和电源UC2组成，用于根据需要随时调解通过负载上的电流；所述的负载与给负载供电的控制电路(2)由电源UL、稳压电源UC1、负载电流调节管T1、负载电流取样电阻RQ、负载电阻RL、负载电容CL、开关管T2以及负载电压跟随电路、降压续流电路、开关管的控制电路和电压隔离电路EL所组成；当负载电流调节管T1的输入、输出亦即漏、源之间的电压UDS大于所述负载电压跟随电路中的二极管D3/D4/D5结压降减D2结压降时，该电路中的三级管B1、B2的发射极e到集电极c导通，使EL电路中的发光二极管发光，光敏管导通，运放IC的反相输入端电压大于同相输入端电压，输出变低，开关管T2截止，此时负载上的电流由电感L在通电期间产生的磁能变成电能，通过二极管D1构成回路与电容C一同供给；当调节管T1的漏、源之间电压UDS小于二极管D3、D4、D5结压降减D2结压降时，三极管B1、B2的发射极e到集电极c由导通变为截止，使EL中的发光二极管不发光，光敏管截止，运放IC的反相输入端电压小于同相输入端，输出变高，开关管T2导通，电源UL通过电感给负载提供电流，同时电感再将降压消耗的电能变成磁能，如此循环以及与此同时，通过调解电源给定控制电路中的电位器RB来改变运放IC1同相输入端的电压，即改变通过负载电源调节管T1和流过负载的电流，使取样电阻RQ两端的压降，即运放IC1反相输入端相对于电位器RB参考电位的压降，等于运放IC同相输入端的电压，从而实现了镜像跟踪控制和使供电回路和控制性能不受负载阻抗和负载供电电源变化影响的目的，并保证其不受负载两端电压和续流电路两端电压大幅度变化的影响。
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 在于所述的负载电压跟随电路由二极管D2、 D3/D4/D5和PNP三极管B1、 B2、 电阻R1、 R2以及电压隔离电路EL的发光管组成；用于跟随负载电压变化和确 定电流控制管T,的输入、输出之间电压。
3、 根据权利要求2所述的用负载悬浮控制电路的可调电流源装置，其特征在于所述的降压续流电路由电感L、电容C、电容d、 二极管D,组成；用于降 掉负载回路中多余的电压，并在开关管T2的关断期间，将降压产生的磁能变成 电能来维持通过负载上的电流，以减少因降掉负载回路中多余电压而产生的损 耗。
4、根据权利要求3所述的用负载悬浮控制电路的可调电流源装置，其特征 在于所述的开关的控制电路由运放IC、 二极管D6、 D7和电阻R3、 R4、 R5、 R6以及电压隔离电路EL的光敏电路、电源Uu所组成；用于控制开关管丁2工 作在开关状态。
全文摘要
本发明公开一种用负载悬浮控制电路的可调电流源装置。特征在于电流给定控制电路和所用的电源回路(1)悬浮在负载之上；控制开关管T₂工作的电路和所用的电源回路悬浮在降压续流电路之上。二者与负载供电电源回路各自独立，互不干扰。一方面解决了负载两端电压的变化不影响电流给定控制电路的控制精度和可调电流源调节管损耗大的问题，也解决了用高电压给负载供电时控制开关电路的损耗和耐压问题，同时也解决了大电流低电压给负载供电时，利用场效应管作开关管的栅极相对于源极的控制电压问题。因此，本发明在保证高效率、高精度、大功率的前提下，进一步扩大了输出电流可调范围和负载所需电压变化的范围。
文档编号G05F1/10GK101101488SQ20071001239
公开日2008年1月9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