一文讀懂恒流源電路模塊設計
[導讀]恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源，因此恒流源的應用范圍非常廣泛，并且在許多情況下是必不可少的。例如在用通常的充電器對蓄電池充電時，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電流就會相應減少。為了保證恒流充電，必須隨時提高充電器的輸出電壓，但采用恒流源充電后就可以不必調(diào)整其輸出電壓，從而使勞動強度降低，生產(chǎn)效率得到了提高。恒流源還被廣泛用于測量電路中，例如電阻器阻值的測量和分級，電纜電阻的測量等，且電流越穩(wěn)定，測量就越準確。集成運放構成的線性恒流源采用集成運放構成的線性恒流源電路構成如圖所示，兩個運放（一片324）構成比較放大環(huán)節(jié)，BG1、BG2三極管構成調(diào)整環(huán)節(jié)，RL為負載電阻，RS為取樣電阻，RW...
恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源，因此恒流源的應用范圍非常廣泛，并且在許多情況下是必不可少的。例如在用通常的充電器對蓄電池充電時，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電流就會相應減少。為了保證恒流充電，必須隨時提高充電器的輸出電壓，但采用恒流源充電后就可以不必調(diào)整其輸出電壓，從而使勞動強度降低，生產(chǎn)效率得到了提高。恒流源還被廣泛用于測量電路中，例如電阻器阻值的測量和分級，電纜電阻的測量等，且電流越穩(wěn)定，測量就越準確。
集成運放構成的線性恒流源
采用集成運放構成的線性恒流源 電路構成如圖所示，兩個運放（一片324）構成比較放大環(huán)節(jié)， BG1、BG2三極管構成調(diào)整環(huán)節(jié)， RL 為負載電阻， RS為取樣電阻， RW為電路提供基準電壓。工作原理：如果由于電源波動使Uin降低，從而使負載電流減小時，則取樣電壓US必然減小，從而使取樣電壓與基準電壓的差值（US- Uref）必然減小。由于UIA為反相放大器，因此其輸出電壓Ub=（R5/R4）×Ua必然升高，從而通過調(diào)整環(huán)節(jié)使US升高恢復到原來的穩(wěn)定值，保證了US的電壓穩(wěn)定，從而使電流穩(wěn)定。當Uin升高時，原理與前類同，電路通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)使US下降到原來的穩(wěn)定值，從而使電流恒定。調(diào)整RW，則改變Uref，可使電流值在0～4A之間連續(xù)可調(diào)。
采用開關電源的開關恒流源
采用開關電源的開關恒流源電路構成如圖2.3.2所示。BG1為開關管，BG2為驅(qū)動管， RL為負載電阻， RS為取樣電 阻， SG35 24為脈寬調(diào)制控制器， L1、E2、E3、E4為儲能元件， RW提供基準電壓Uref。圖采用開關電源的開關恒流源工作原理：減小開關器件的導通損耗和開關損耗是提高電路效率的關鍵。為此，器件選擇飽和壓降小、頻率特性好的開關三極管和肖特基續(xù)流二極管。
扼流圈L1的磁芯上再繞一個附加線圈，利用電磁反饋降低開關三極管的飽和壓降，并采用合理的結構設計，使電路的分布參數(shù)得到有效的控制。當電源電壓降低或負載電阻RL 降低時，則取樣電阻RS 上的電壓也將減少，則SG3524的12、13管腳輸出方波的占空比增大，從而使BG1導通時間變長，使電壓U0回升到原來的穩(wěn)定值。BG1關斷后，儲能元件L1、E2、E3、E4保證負載上的電壓不變。當輸入電源電壓增大或負載電阻值增大引起U0增大時，原理與前類同，電路通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)使U0下降到原來的穩(wěn)定值，從而達到穩(wěn)定負載電流IL 的目的。
采用集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源
采用集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源 電路構成如圖所示。MC7805為三端固定式集成穩(wěn)壓器，RL 為負載電阻，RW為可調(diào)電阻器。工作原理：固定式集成穩(wěn)壓器工作在懸浮狀態(tài)，在輸出端2和公共端3之間接入一電位器RW，從而形成一固定恒流源。調(diào)節(jié)RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為：IL=（ Uout/RW） Iq式中Iq 為MC7805的靜態(tài)電流，小于10m A。當RW較小即輸出電流較大時，可以忽略Iq。當負載電阻RL 變化時，MC7 8 05用改變自身壓差來維持通過負載的電流不變。
RW 的確定：RW 的值可由RW=Uout/IL 確定。因Uout=5 V，IL=0.5～2A，因此確定的取值范圍為2.5～10Ω。輸出電壓和負載變化范圍的確定：根據(jù)設計要求，本例的輸出電壓U0=10V。由于恒流源的輸出電流可調(diào)范圍為0.5～2A，因此相應的負載變化范圍為5～20Ω。以上幾種恒流源結構簡單，可靠性高，調(diào)整方便，在科研中已得到了應用。其中線性恒流源適用于蓄電池的恒流放電，開關恒流源適用于蓄電池的恒流充電，集成穩(wěn)壓器構成的恒流源適用于電阻測量等。
壓控恒流源電路設計
壓控恒流源電路設計 壓控恒流源是系統(tǒng)的重要組成部分，它的功能是用電壓來控制電流的變化，由于系統(tǒng)對輸出電流大小和精度的要求比較高，所以選好壓控恒流源電路顯得特別重要。采用如下電路：電路原理圖如圖2.4.3所示。該恒流源電路由運算放大器、大功率場效應管Q1、采樣電阻R2、負載電阻RL等組成1、硬件設計。
電路中調(diào)整管采用大功率場效應管IRF640。采用場效應管，更易于實現(xiàn)電壓線性控制電流，既能滿足輸出電流最大達到2A的要求，也能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。因為當場效應管工作于飽和區(qū)時，漏電流Id近似為電壓Ugs控制的電流。即當Ud為常數(shù)時，滿足：Id=f（Ugs），只要Ugs不變，Id就不變。在此電路中，R2為取樣電阻，采用康銅絲繞制（阻值隨溫度的變化較?。?，阻值為0.35歐。運放采用OP-07作為電壓跟隨器， UI=Up=Un，場效應管Id=Is（柵極電流相對很小，可忽略不計） 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因為Io=UI/R2，電路輸入電壓UI控制電流Io，即Io不隨RL的變化而變化， 從而實現(xiàn)壓控恒流。同時，由設計要求可知：由于輸出電壓變化的范圍U〈=10V，Iomax=2A，可以得出負載電阻RLmax=5歐。
電源電路設計
本系統(tǒng)對電源有較高的要求。設計電源時既要保證電源的高穩(wěn)定度，也要保證電源能輸出大于2A的電流，故本系統(tǒng)采用三級管1264來擴流而且在使用電源時必須充分考慮電源的效率。電源電路如圖所示，此電源電路采用了LM317和LM337，其輸出電壓是連續(xù)可調(diào)的，輸出電壓調(diào)到為＋15V和－15V來供給硬件電路使用，其中－15V的電源是供運放使用的，不需要擴流；而＋15V的電源的負載電流要求不低于2A，所以采用三級1264來擴流。另外用LM7805產(chǎn)生＋5V的電壓供凌陽SPCE061A單片機使用。
線性恒流源、開關恒流源，可靠性高，調(diào)整方便，在科研中已得到了應用。其中線性恒流源適用于蓄電池的恒流放電，開關恒流源適用于蓄電池的恒流充電，集成穩(wěn)壓器構成的恒流源適用于電阻測量等。SPCE061A單片機作為中央控制器，本系統(tǒng)有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單的特點。本系統(tǒng)最小可步進1mA ，精度也比較高。輸出電流范圍較寬。，硬件部分中采樣電阻的熱穩(wěn)定性要較好，硬件中的核心模塊為壓控恒流源，其核心元件采用場效應管其性能和穩(wěn)定性均高于三極管。
END
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集成運放構成的線性恒流源
采用集成運放構成的線性恒流源 電路構成如圖所示，兩個運放（一片324）構成比較放大環(huán)節(jié)， BG1、BG2三極管構成調(diào)整環(huán)節(jié)， RL 為負載電阻， RS為取樣電阻， RW為電路提供基準電壓。工作原理：如果由于電源波動使Uin降低，從而使負載電流減小時，則取樣電壓US必然減小，從而使取樣電壓與基準電壓的差值（US- Uref）必然減小。由于UIA為反相放大器，因此其輸出電壓Ub=（R5/R4）×Ua必然升高，從而通過調(diào)整環(huán)節(jié)使US升高恢復到原來的穩(wěn)定值，保證了US的電壓穩(wěn)定，從而使電流穩(wěn)定。當Uin升高時，原理與前類同，電路通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)使US下降到原來的穩(wěn)定值，從而使電流恒定。調(diào)整RW，則改變Uref，可使電流值在0～4A之間連續(xù)可調(diào)。
采用開關電源的開關恒流源
采用開關電源的開關恒流源電路構成如圖2.3.2所示。BG1為開關管，BG2為驅(qū)動管， RL為負載電阻， RS為取樣電 阻， SG35 24為脈寬調(diào)制控制器， L1、E2、E3、E4為儲能元件， RW提供基準電壓Uref。圖采用開關電源的開關恒流源工作原理：減小開關器件的導通損耗和開關損耗是提高電路效率的關鍵。為此，器件選擇飽和壓降小、頻率特性好的開關三極管和肖特基續(xù)流二極管。
扼流圈L1的磁芯上再繞一個附加線圈，利用電磁反饋降低開關三極管的飽和壓降，并采用合理的結構設計，使電路的分布參數(shù)得到有效的控制。當電源電壓降低或負載電阻RL 降低時，則取樣電阻RS 上的電壓也將減少，則SG3524的12、13管腳輸出方波的占空比增大，從而使BG1導通時間變長，使電壓U0回升到原來的穩(wěn)定值。BG1關斷后，儲能元件L1、E2、E3、E4保證負載上的電壓不變。當輸入電源電壓增大或負載電阻值增大引起U0增大時，原理與前類同，電路通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)使U0下降到原來的穩(wěn)定值，從而達到穩(wěn)定負載電流IL 的目的。
采用集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源
采用集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源 電路構成如圖所示。MC7805為三端固定式集成穩(wěn)壓器，RL 為負載電阻，RW為可調(diào)電阻器。工作原理：固定式集成穩(wěn)壓器工作在懸浮狀態(tài)，在輸出端2和公共端3之間接入一電位器RW，從而形成一固定恒流源。調(diào)節(jié)RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為：IL=（ Uout/RW） Iq式中Iq 為MC7805的靜態(tài)電流，小于10m A。當RW較小即輸出電流較大時，可以忽略Iq。當負載電阻RL 變化時，MC7 8 05用改變自身壓差來維持通過負載的電流不變。
RW 的確定：RW 的值可由RW=Uout/IL 確定。因Uout=5 V，IL=0.5～2A，因此確定的取值范圍為2.5～10Ω。輸出電壓和負載變化范圍的確定：根據(jù)設計要求，本例的輸出電壓U0=10V。由于恒流源的輸出電流可調(diào)范圍為0.5～2A，因此相應的負載變化范圍為5～20Ω。以上幾種恒流源結構簡單，可靠性高，調(diào)整方便，在科研中已得到了應用。其中線性恒流源適用于蓄電池的恒流放電，開關恒流源適用于蓄電池的恒流充電，集成穩(wěn)壓器構成的恒流源適用于電阻測量等。
壓控恒流源電路設計
壓控恒流源電路設計 壓控恒流源是系統(tǒng)的重要組成部分，它的功能是用電壓來控制電流的變化，由于系統(tǒng)對輸出電流大小和精度的要求比較高，所以選好壓控恒流源電路顯得特別重要。采用如下電路：電路原理圖如圖2.4.3所示。該恒流源電路由運算放大器、大功率場效應管Q1、采樣電阻R2、負載電阻RL等組成1、硬件設計。
電路中調(diào)整管采用大功率場效應管IRF640。采用場效應管，更易于實現(xiàn)電壓線性控制電流，既能滿足輸出電流最大達到2A的要求，也能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。因為當場效應管工作于飽和區(qū)時，漏電流Id近似為電壓Ugs控制的電流。即當Ud為常數(shù)時，滿足：Id=f（Ugs），只要Ugs不變，Id就不變。在此電路中，R2為取樣電阻，采用康銅絲繞制（阻值隨溫度的變化較?。?，阻值為0.35歐。運放采用OP-07作為電壓跟隨器， UI=Up=Un，場效應管Id=Is（柵極電流相對很小，可忽略不計） 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因為Io=UI/R2，電路輸入電壓UI控制電流Io，即Io不隨RL的變化而變化， 從而實現(xiàn)壓控恒流。同時，由設計要求可知：由于輸出電壓變化的范圍U〈=10V，Iomax=2A，可以得出負載電阻RLmax=5歐。
電源電路設計
本系統(tǒng)對電源有較高的要求。設計電源時既要保證電源的高穩(wěn)定度，也要保證電源能輸出大于2A的電流，故本系統(tǒng)采用三級管1264來擴流而且在使用電源時必須充分考慮電源的效率。電源電路如圖所示，此電源電路采用了LM317和LM337，其輸出電壓是連續(xù)可調(diào)的，輸出電壓調(diào)到為＋15V和－15V來供給硬件電路使用，其中－15V的電源是供運放使用的，不需要擴流；而＋15V的電源的負載電流要求不低于2A，所以采用三級1264來擴流。另外用LM7805產(chǎn)生＋5V的電壓供凌陽SPCE061A單片機使用。
線性恒流源、開關恒流源，可靠性高，調(diào)整方便，在科研中已得到了應用。其中線性恒流源適用于蓄電池的恒流放電，開關恒流源適用于蓄電池的恒流充電，集成穩(wěn)壓器構成的恒流源適用于電阻測量等。SPCE061A單片機作為中央控制器，本系統(tǒng)有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單的特點。本系統(tǒng)最小可步進1mA ，精度也比較高。輸出電流范圍較寬。，硬件部分中采樣電阻的熱穩(wěn)定性要較好，硬件中的核心模塊為壓控恒流源，其核心元件采用場效應管其性能和穩(wěn)定性均高于三極管。
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