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如给电桥供电、用电流电压法测电阻值等。
各种辉光放电光源:
如光谱仪中的氢灯、氖灯,一旦被点燃,管内稀薄气体讯速电离。
由于离化过程的不稳定性并恒有增加的倾向,放电管中的电流将随之上升。
因此,在灯管上加以恒定电压时,它是不稳定的,其电流值可能增大到使灯管损坏。
为了稳定放电电流,从而稳定灯管的工作状态,最好采用恒流源供电。
各种标准灯(如光强度标准灯等)的冷态电阻接近于零,在使用时为防止电流冲击,一般通过调压器或限流电阻逐步加大电流至额定值,既不方便,又不安全。
特别是,使用这些标准灯时,必须控制通过灯丝的额定电流不变,否则灯丝内阻的变化将影响灯的发光稳定性。
因此,采用恒流源供电更为合理。
1.1.2在半导体器件性能测试中的应用
导体器件参数的测量常常用到恒流源。
例如,测量晶体管的反向击穿电压时,若预先将恒流源调至测试条件要求的电流值,则对不同击穿电压的晶体管无须调整就可由电表或图示仪表直接读出击穿电压的数值。
不仅提高了测试效率,延长了仪表的使用寿命,而且限制了反向电流,不致损坏被测晶体管。
半导体器件参数的测量也必须采用恒流源。
例如,用光电导衰退法测量材料的少数载流子寿命,用半导体霍尔效应测量材料的电导率、迁移率和载流子浓度等,因为半导体材料的电阻率对温度、光照极为敏感,若采用稳压电源,当电阻率改变时,测试电流也会变化,从而影响被测材料的参数值。
为了保持测试电流不变,只有采用恒流源供电。
1.1.3在传感器中的应用
目前,在科技和生产部门广泛应用的各类物性型敏感器件,如热敏、力敏、光敏、磁敏、湿敏等传感器,常常采用恒流源供电。
这不仅因为许多敏感器件用半导体材料制成的,还因为这样可以避免连接传感器的导线电阻和接触电阻等的影响。
1.1.4现代大型仪器中稳定磁场的产生
在许多医疗诊断仪器中,如CT断层扫描仪和超导磁源成像仪中的磁场均要求很稳定。
否则会造成严重的测量误差。
如果采用稳压电源,由于电磁铁线圈工作时发热等原因会使其阻值改变,因而供电电流变化,导致磁场不稳定。
如果采用恒流源供电就能克服上述缺点。
因此,凡是要求磁场十分稳定的装置,就必须采用恒流源供电。
所以,在核物理实验装置中,如粒子加速器、质谱仪、β谱仪以及云雾室,都必须采用恒流源供电。
众所周知,在电子显微镜中焦距越小,放大倍数越大。
为了提高放大倍数,就必须使焦距缩短,而焦距与磁场强度有关。
如果磁场不稳定,则磁场强度也稳定,从而使电子在焦点以外的磁场再次聚焦,甚至多次聚焦,而多次聚焦会使成像质量变坏。
因此,必须采用恒流源供电。
1.1.5在其它领域中的应用
在用普通的充电机充电时,随着蓄电池端电压的逐渐升高,充电电流相应减小,为保持正常充电,必须随时提高充电机的输出电压。
采用恒流源充电,就可以不必调整,即使从充电装置中加入或移去部分蓄电池也不影响正常充电,从而使劳动强度降低,生产效率提高。
许多电真空器件,如示波管、显像管、功率发射管等,它们的灯丝冷电阻很小,当用额定电压点燃时,在通电瞬间电流很大,常常超过灯丝额定电流许多倍。
这样大的冲击电流容易使灯丝寿命缩短。
为了保护灯丝,最好采用恒流源供电。
当灯丝从冷到热变化时,通过灯丝的电流保持稳定。
对于价格昂贵的大功率发射管或要求电真空器件的工作十分稳定时,恒流源供电尤为重要。
除此之外,线性扫描锯齿波的获得,有线通信远供电源,电泳、电解、电镀等化学加工装置电源,电子束加工机、离子注入机等电子光学设备中的供电电源也都必须应用恒流源。
1.2恒流源的发展历程
1.2.1电真空器件恒流源的诞生
世界上最早的恒流源,大约出现在20世纪50年代早期。
当时采用的电真空器件是镇流管,由于镇流管有稳定电流的功能,所以多用于交流电路,常被用来稳定电子管的灯丝电流。
电子管通常不能单独作为恒流器件,但可用它来构成各种恒流电路。
由于电子管是高压小电流器件,因此用简单的晶体管电路难于获得的高压小电流恒流源,用电子管电路却容易实现,并且性能相当好。
1.2.2晶体管恒流源的产生和分类
进入60年代,随着半导体技术的发展,设计和制造出了各种类型性能优越的晶体管恒流源,并在实际中获得了广泛的应用。
晶体管恒流源电路可封装在同一外壳内,成为一个具有恒流功能的独立器件,用它可构成直接调整型恒流源。
用晶体管作调整元件的各种开环和闭环的恒流源,在许多电子电路中得到了应用。
但晶体管恒流源的电流稳定度一般不会太高,很难达到0.01%/min,且最大输出电流也不过几安培。
它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。
1.2.3集成电路恒流源的出现和种类
到了70年代,半导体集成技术的发展,使得恒流源的研制进入了一个新的阶段。
长期以来采用分立元件组装的各种恒流源,现在可以集成在一块很小的硅片上而仅需外接少量元件。
集成电路恒流源不仅减小了体积和重量,简化了设计和调试步骤,而且提高了稳定性和可靠性。
在各种恒流源电路中,集成电路恒流源的性能堪称最佳。
1.3国内外研究现状
在我国,以电力电子学为核心技术的电源产业,从二十世纪60年代中期开始形成,到了90年代以来,电源产业进入快速发展时期。
一方面,电源产业规模的发展在加快;
另一方面,在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下,我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新,电源产业界涌现了一些技术难度较大,具有国际先进水平的产品,而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品。
目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比,存在着很大的差距和不足:
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年,尤其在实现直流恒流源的智能化、网络化方面的研究不是很多。
目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学,主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的,但和国外的比较起来,效果不是很理想,还有很大的差距。
目前,全国的电源及其配件的生产销售企业有4000家以上,产值有300-400亿元,但国内企业(著名的如北京大华、江苏绿扬等)销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品,国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展,但多限于对输出显示实现数码显示,或实现多组数值预置。
总体来说,国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后,面对激烈的国际竞争,是个严重的挑战。
1.4论文的研究内容
系统设计的目的是要用微处理器来替代传统直流稳定电源中手动旋转电位器,实现输出电流的连续可调,精度要求高。
实现的途径很多,可以用DAC的模拟输出控制电源的基准电压或分压电阻,或者用其它更有效的方法,因此如何选择简单有效的方法是本课题需要解决问题。
第2章系统设计
2.1设计要求
(1)输出电流最大200mA
(2)输出电流稳定度达到1%
(3)负载电阻R<
50欧姆
(4)改变负载电阻,要求输出电流变化
1mA
2.2整体方案论证和比较
方案一:
采用单片机作为核心控制器,用键盘设置所需的输出电流值,数模转换器D/A与其右边部分的电路构成恒流源,D/A输出电压作为恒流源的参考电压,运算放大器IC与三个晶体管组成达林顿电路构成电压跟随器,利用晶体管平坦的输出特性即可得到恒流源输出,如图1所示。
该方案硬件电路简单,容易实现,但其输出精度不高。
方案二:
通过编码开关来控制存储器的地址;
根据地址输出对应的数字量送数模(D/A)进行转换;
再根据输出的电压量来控制电流的变化;
同时;
通过四个编码开关的BCD码送给4511及数码管显示。
此方案的优点是电路简单,缺点是数据量大且存储器存储容量有限,在实验过程中发现编码开关不稳定,所以不宜采用。
其电路方框图如图2所示:
图2方案二系统框图
方案三:
系统主要由放大电路,单片机,D/A转换电路,稳压电源,恒流源等组成,如图3所示。
系统采用以AT89C51为核心的单片机系统来控制8位DAC0832的数据的输入并将其转换成模拟量输出同送数码管显示,再根据输出的电压量来控制电流的变化。
为了得到稳定的恒流输出,采用了闭环控制的处理方式。
即采用康锰铜电阻将电流信号转化成电压信号,电压值的大小反映了电流的强弱;
经过高精度斩波运放及场效应管将信号进行比较放大,单片机根据电压值转换为对应的电流值,通过D/A转换的电压控制输出电流,从而达到恒流的目的。
图3方案三系统框图
综上所述,在方案三中,由于采用闭环控制方式,其输出电流纹波小,精度高、稳定性能好,能够消除温度漂移等原因造成的输出误差对测量系统的影响,能够满足系统设计的要求,所以选择方案三。
2.3恒流源方案论证与比较
2.3.1引起稳定电源输出不稳定的主要原因
稳定电源的输出电量(电压或电流),是相对稳定而非绝对不变的,它只是变化很小,小到可以在允许的范围之内。
产生变化的原因是多方面的,主要有以下四个因素:
(1)电网输入电压不稳定所致。
电网供电有高峰期和低谷期,不可能始终稳定如初。
(2)由负载变化形成的。
如果负载短路,负载电流会很大,电源的输出电压会趋于接近于零,时间一长还会烧坏电源;
如果负载开路,没有电流流过负载,输出电压就会升高。
即使不是这两种极端情况,负载电阻有微小的变化也会引起稳定电源输出电量的变化。
(3)由稳定电源本身条件促成的。
构成稳定电源的元器件质量不好,参数有变化或完全失效时,就不可能有效地调节前两种原因引起的波动。
(4)元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也会影响稳定电源的输出不稳。
一般地说,稳定电源电路的设计首先要考虑前两种因素,并针对这两种因素设计稳定电源中放大器的放大量等。
在选择元器件时,要重点考虑第三个因素。
但在设计高精度稳定电源时,必须要高度重视第四个因素。
因为在高稳定电源中,温度系数和漂移这两个关键的技术指标的好坏都是由这个因素所决定的。
2.3.2恒流源方案
方案一:
采用脉冲调宽式(开关)的开关恒流源。
其组成方框图如图4所示。
图中
、
为滤波电容;
K是开关器件;
D是续流二极管;
L是扼流圈;
PWM是脉宽调制电路;
是电流反馈电路;
是电流取样电阻。
在原理图电路上,通过精选元器件和采用合理的结构设计,可以使电路的分布参数得到有效控制。
采用脉冲调宽式开关恒流源主要特点是:
振荡反馈电容小,阻抗大,反馈电流小,开关电源的调整器工作在开关状态,功率消耗小,效率高,能到达70%-90%,比较经济。
但纹波电流大,辐射干扰强,横流精度低,不易满足本题要求。
图4脉冲调宽式开关电源原理图
本设计在起初利用图5所示恒流源电路,运放的输出端通过三极管与反向输出端相连,构成负反馈电路,由于运放的同相输入端与反相输入端在理论上是虚短的,且运放的输入电阻无穷大,因此反相端和同相端的电位相等,即
又由于三极管的发射极
与集电极电流
仅相差微小的基极电流,可视为两者相等即
。
因此可以通过改变同相输入端的电压来调整输出电流
的大小。
例如:
时,
但是在测试
对
的控制比预期效果差,总是小于理论值。
误差偏大,不能满足高精度的要求。
图5方案二恒流源电路原理图
压控恒流源,通过改变恒流源的外围电压,利用电压的大小来控制输出电流的大小。
电压控制电路采用数控的方式,利用单片机送出数字量,经过D/A转换转变成模拟信号,再送到运放进行放大。
单片机系统实时对输出电流进行监控,采用数字方式作为反馈调整环节,由程序控制调节功率管的输出电流恒定。
当改变负载大小时,基本上不影响电流的输出,采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。
该方案通过软件方法实现输出电流稳定,易于功能的实现,便于操作,故选择此方案。
2.4控制器模块方案
方案一:
采用各类数字电路来组成键盘控制系统,进行信号处理,如选用CPLD等可编程逻辑器件。
本方案电路复杂,灵活性不高,效率低,不利于系统的扩展,对信号处理比较困难。
方案二:
采用AT89C51作为控制模块核心。
单片机最小系统简单,容易制作PCB,算术功能强,软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片,方便的实现程序的更新,自由度大,较好的发挥C语言的灵活性,可用编程实现各种算法和逻辑控制,同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
基于以上分析,本课题选用方案二。
2.5电源模块方案
开关电源。
用开关稳压电源给整机供电,此方案能够完成本作品电流源的供电,功率消耗小,效率高,但是开关电源比较复杂,而且体积也比较大,制作不辨。
再者其电压波纹大,难以滤除,会对后续电路造成影响。
线性电源。
线性电源能提供可靠稳定的电压,结构简单,纹波电压小,容易滤除,对后续电路影响小,能满足设计的要求
经比较,本课题选用方案二。
第3章单元电路设计
3.1恒流源电路设计
3.1.1什么是恒流源
顾名思义恒流源就是一个能恒定输出电流的电源。
恒流源相当于一个高压稳压电源与一个高阻值电阻的串联,其特点是外部阻抗的变化对其输出电流的影响极小。
上图中的r是电源E的内阻,RL为负载电阻,根据欧姆定律:
流过RL的电流为I=E/r+R如果r很大如500K,那么此时RL在1K---10K变化时,I将基本不变(只有微小的变化)因为RL相对于r来说太微不足道了,此时我们可以认为E是一个恒流源。
这就是最简单的恒流源原理。
最常用的简易恒流源用两只同型三极管,利用三极管相对稳定的be电压作为基准,如下图所示,当
一定时,
可确定为:
可见,利用两管基一射电压差
可以控制IO。
由于
VBE的数值小,用阻值不大的
即可得微小的工作电流--微电流源。
因为
又
所以
若
则
这种恒流源优点是简单易行,而且电流的数值可以自由控制,也没有使用特殊的元件,有利于降低产品的成本。
缺点是不同型号的管子,其be电压不是一个固定值,即使是相同型号,也有一定的个体差异。
同时不同的工作电流下,这个电压也会有一定的波动。
因此不适合精密的恒流需求。
为了能够精确输出电流,通常使用一个运放作为反馈,同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。
如果电流不需要特别精确,其中的场效应管也可以用三极管代替。
三极管恒流源电路图
值得一提的是,以上的恒流源并不都适合安培以上级别的恒流应用,因为电阻上面太大的电流会导致发热严重。
可以通过使用更小的或者精密的电阻来降低这个热量,不过在单电源供电模式下,多数运放都不能有效检测和输出接近地或者Vcc的电压,因此必须使用特殊的器件才能达到要求。
有个简单的办法是通过一个稳压器件(稳压管,或者LM399等)偏置电阻上面的电压,使得这个电压进入运放的检测范围。
恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈,动态调节设备的供电状态,从而使得电流趋于恒定。
只要能够得到电流,就可以有效形成反馈,从而建立恒流源。
能够进行电流反馈的器件,有电流互感器,或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈,也可以利用回路上的发光器件(例如光电耦合器,发光管等)进行反馈。
这些方式都能够构成有效的恒流源,而且更适合大电流等特殊场合,不过因为这些实现形式的电路都比较复杂,这里就不一一介绍了。
3.1.2恒流源电路设计
恒流源电路的设计为本文的核心部分,为了达到高精度的目的,经过论证,最终确定了下图的恒流方案。
恒流源电路图
LM399功能介绍:
上图中LM399为隐埋齐纳二极管式高精度基准电压源。
在目前生产的基准电压源中,以LM199、LM299和LM399电压温度系数为最低,性能也最佳,其内部电路可以分为两部分:
基准电压源和恒温电路。
图2给出了它的管脚排列、结构框图及电路符号。
1、2脚分别为基准电压源的正、负极,3、4脚之间接9~40V的直流电压。
图2中,H为恒温器;
LM399采用T0-46封装,工作温度范围是0~+70℃,电压稳定系数的典型值为0.3×
10-6/℃(最大值为1×
10-6/℃,只相当于普通基准电压源的1/10),动态阻抗为0.5Ω(能在0.5~10mA的工作电流范围内保持基准电压和温度系数不变),噪声电压有效值为7μV,25℃时的功耗为300mW。
LM399的结构图
LM399的基准电压由隐埋齐纳管提供,这种新型稳压管是采用次表面隐埋技术制成的。
普通稳压管在半导体表面产生齐纳击穿,因此噪声高、稳定性差。
次表面隐埋技术则在半导体内部产生击穿,可使噪声电压显著降低,稳定性大幅提高。
恒温器电路能把芯片温度自动调节到90℃,只要环境温度不超过90℃,就能消除温度变化对基准电压的影响。
正因为如此,LM399的电压稳定系数才降至1×
10-6/℃以下,这是其它基准电压源难以达到的指标。
LM399的基准电压实际上是由次表面稳压管的稳定电压
(6.3V)与硅晶体管的发射结压降
(0.65V)叠加而成。
输出基准电压为
=
+
=6.95(V)
ICL7650功能介绍:
在电子电路设计中,经常需要放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号。
而一般集成运算放大器都是利用参数补偿原理的直接耦合或者阻容耦合放大器,它们的初始失调参数并不等于零,而是用调零电位器或精密修正技术的调节来进行失调参数的补偿。
如此使得直接耦合放大器在放大信号的同时也放大了温漂,而阻容耦合放大器虽然能够抑制温漂,但不能用来放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号,它会把这种信号作为温漂给抑制掉。
使用斩波自动稳零就能很好解决抑制温漂和放大微弱直流信号这个问题。
所以在本恒流源电路中我们选用第四代运放ICL7650来满足设计的要求。
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