一種基于自舉電路的可調恒壓恒流源設計

陳盼輝,郭立峰,金傳喜

（1.海軍工程大學核能科學與工程系，武漢,430033）

一種基于自舉電路的可調恒壓恒流源設計

陳盼輝1,郭立峰1,金傳喜1

（1.海軍工程大學核能科學與工程系，武漢,430033）

介紹了一種基于自舉電路的可調恒壓恒流源的設計。解決了使用普通運算放大器調整較高輸出電壓的問題。在輸出電壓在較大范圍變化時，通過自舉的方法保證運算放大器的供電電壓不變，并且能夠對輸出電壓和電流進行有效地調整，實現了0~30V的電壓輸出和0~1A的電流輸出

自舉；運算放大器；恒壓恒流源

直流穩壓電源是實驗室調試電路所不可缺少的儀器。在高精度電路調試中，通常使用線性穩壓電源，避免使用開關電源而引入開關噪聲。為了增強電源的實用性和可靠性，電源的輸出電壓可以根據需要進行調整，并且提供過流保護功能，從而避免在輸出短路的情況下燒毀內部電路。

可調恒壓恒流源，是一種能夠同時對輸出電壓和輸出最大限制電流進行調整的直流穩壓電源。相比普通的穩壓電源，能夠根據需要限制輸出電流，可以在意外情況下減小對外部電路的損壞，而且能夠通過提高輸出電壓的情況下調整輸出電流，實現恒流輸出。

為了提高輸出電壓和輸出電流的調整精度，通常采用運算放大器進行誤差放大，而普通運算放大器正常工作時的電源供電電壓在36V以下，所以采用普通運算放大器難以實現較高的電壓輸出。本文采用自舉電路，實現了輸出電壓在較大范圍變化時，保證運算放大器的供電電壓不變，并且能夠對輸出電壓和電流進行有效地調整，實現了0~30V的電壓輸出和最大1A的電流輸出。

1　原理分析

1.1可調恒流恒壓源原理

可調恒壓恒流源主要有兩種工作模式，恒壓模式和恒流模式。在輸出負載比較小，輸出電流未達到設定的最大限制電流時，電路工作在恒壓模式，輸出電壓和設定的電壓相同，并且在負載變化時，維持輸出電壓的相對穩定。在輸出負載較大，輸出電流達到或者超過設定的最大電流時，電路工作在恒流模式，電壓將會下降以維持輸出電流的相對穩定。當輸出電壓設置為，輸出電流設置為，其負載特性如圖1所示。

圖1　恒壓恒流源負載特性

1.2自舉電路原理

圖2　自舉電路原理

如果運算放大器的工作電源電壓必須小于18V，而需要用它來控制30V的電壓輸出。對于采用運算放大器控制三極管的電源電路，要求運算放大器的輸出大于30V的條件下，才能得到30V的輸出。如果采用運算放大器和主回路共用同一組電源，勢必會造成運算放大器的電源電壓過高而燒毀。

本文所采用的自舉電路能夠消除這樣一個矛盾。如圖2所示，首先將運算放大器的電源和主回路的電源相互隔離，分別經過整流后按照圖2所示的方式進行連接，輸出電壓就會對運算放大器的電源產生自舉的效果。運算放大器的供電電壓滿足以下關系

根據以上結果，運算放大器的正負供電電壓分別大于和小于輸出電壓，使得運算放大器能夠對輸出進行有效地調整，同時運算放大器的正負電源之差將穩定地保持15V不變。

2　電路設計

圖3　電路總體框圖

圖4　使用自舉方法的恒壓源電路

2.1總體設計

本電路由整流電源、基準源電路、電壓取樣電路、誤差放大電路和電流放大電路組成。整流電源將220V的交流電變壓和整流濾波后得到兩組直流電壓分別為運算放大器的工作提供電源和為主輸出回路提供電源。基準源電路作為電路的調整參照，它的穩定性決定了輸出電壓的穩定性。電壓取樣電路和電流取樣電路將輸出電壓和電流經過適當的轉換后形成誤差電壓。誤差放大電路將誤差電壓放大，控制電流放大電路對輸出電壓進行調整。調整電路在誤差放大電路的控制下進行電流放大，其輸出電壓由控制電路決定。電路框圖如圖3所示。

1.2電壓調整電路設計

如圖4所示，當輸出電流沒有達到限制時，算放大器U1:B將輸出高電壓，從而不能對三極管進行調整。以輸出電壓的地為參考零點點位，運算放大器U1:A的同相輸入端和反相輸入端的電位和分別計算如下

1.3電流調整電路設計

如圖4所示，當電路有電流輸出時，會在電阻R2兩端形成電壓差。如果以輸出的地為參考，設輸出電流為Io。則算放大器U1:B的同向端和反相端的電壓分別計算如下

2　測試數據及其分析

2.1負載特性測試

將輸出最大限制電流調整到1A，輸出電壓分別調整到10V、20V和30V，外接負載從100歐姆變化到0歐姆時，記錄負載兩端的電壓以及電流的變化情況。數據記錄如下

2.2數據分析

根據記錄的實驗數據，做出負載特性曲線，如圖5所示。通過分析，本電路可以較好地實現恒流恒壓源的功能。能夠實現0~30V電壓和0~1A的電流調整輸出。

3　結論

經過實際的電路驗證，本電路在輸出為0~30V，輸出電流為0~1A的情況下，均能穩定工作。使用自舉方法能夠很好地將低電壓供電的運算放大器應用在恒壓恒流源電路中，簡化了電路設計。

[1]崗村迪夫．OP放大電路設計[M]．王玲 徐雅珍 李武平譯．北京：科學出版社,2004．

[2]鈴木雅臣．晶體管電路設計（上）[M]．周南生譯．北京：科學出版社,2004．

Design of an adjustable constant voltage and current source based on the bootstrap circuit

Chen Panhui1,Guo Lifeng1,Jin Chuanxi1
(1.Naval Univ. of Engineering,WuHan,430033,China)

Introduced a method of using the bootstrap to design an adjustable constant voltage and current source.Solved the problem of using the ordinary op-amp in high output voltage adjustment.Using the bootstrap method can ensure constant supply voltage of operational amplifier when the output voltage changes in a wide range, and output voltage and current can be effectively adjusted to achieve a 0 ~ 30V voltage output and 0 ~ 1A Current output.

bootstrap;Op amplifier;constant voltage and current

圖5　恒壓恒流源負載特性曲線