單電源供電的多檔位高精度恒流源電路

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有的恒流源要正負(fù)雙電源供電精度不很高等方面的不足，設(shè)計(jì)了款單電源供電的多檔位高精度恒流源電路。該恒流源電路選用增益高、轉(zhuǎn)換速度快可由單電源供電的集成運(yùn)放LM358和功率場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成壓控恒流源，因此可由單電源供電工作；采樣部分采用精度千分之一以上的電阻，檔位選擇開關(guān)選用接觸電阻小于5mΩ的雙路開關(guān)，雙路開關(guān)并聯(lián)當(dāng)一個(gè)開關(guān)使用進(jìn)一步減小接觸電阻，給定電壓部分精度高。樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該恒流源精度很高，使用方便。

關(guān)鍵詞：恒流源；單電源；高精度；集成運(yùn)放

中圖分類號(hào)：TN386；TM933.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2018）01-0065-03

A High Precision Constant Current Source Circuit with a Single Power Supply

ZHANG Bo1，2，WANG Yiwang1，2，GAO Ju1，WANG Langqi1，WANG Aojie1

（1.School of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China；2.Jiangsu Photovoltaic Power Generation Engineering Technology Research and Developmet Centers，Suzhou 215104，China）

Abstract：In view of the shortcomings of the existing constant current source，the precision of both positive and negative power supply is not very high.A high precision constant current source circuit for a single power supply with a single power supply is designed.The constant current source circuit with high gain and fast switching speed by single power supply integrated operational amplifier LM358 and power FET constitute a voltage controlled constant current source，it can be managed by a single power supply；sampling part adopts resistance accuracy of more than 1/1000， the gear selection switch with double road contact resistance is less than 5mΩ. Switches，dual parallel switch when a switch is used to further reduce the contact resistance，a given voltage high precision part. The experimental results show that the precision of the constant current source is very high and it is easy to use.

Keywords：constant current source；single power supply；high precision；operational amplifier

0 引 言

恒流源，顧名思義，不論接什么負(fù)載都能輸出期望的恒定的電流。工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、機(jī)器人、通訊、照明等等很多領(lǐng)域都要用到恒流源。一些場(chǎng)合下用恒壓源替代恒流源要么影響應(yīng)用效果，要么減少產(chǎn)品的合使用壽命，是不可取的。研究制作恒流源意義重大?，F(xiàn)有恒流源大都要雙電源供電，使用起來不那么方便；精度還有待提高。因此本文設(shè)計(jì)了款單電源供電的多檔位高精度恒流源電路。

1 恒流源電路分類

恒流源按照恒流器件的不同可分為晶體管恒流源、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源和集成電路恒流源三類[1]。晶體管恒流源的電流控制器件，穩(wěn)流精度不高，集成電路恒流源適合小電流恒流[2]，輸出電流很難做大；場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件，其工作在飽和區(qū)時(shí)的柵源電壓UGS恒定時(shí)漏極輸出電流穩(wěn)定度比較好，好于晶體管工作于放大區(qū)基極電源恒定時(shí)集電極輸出電流的穩(wěn)定度，另外場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻非常高，柵極幾乎不取電流，因此非常適合作恒流源的調(diào)整管。本文設(shè)計(jì)的的恒流源恒流器件選用場(chǎng)效應(yīng)管。輸出特性上場(chǎng)效應(yīng)管有截止區(qū)、飽和區(qū)、恒流區(qū)（也稱非飽和區(qū)、可調(diào)電阻區(qū)）和雪崩區(qū)四個(gè)區(qū)。在恒流區(qū)柵源電壓UGS恒定時(shí)漏源極電流也恒定，但隨著漏源極之間的電壓增加，管子會(huì)進(jìn)入雪崩區(qū)，會(huì)損壞管子，所以通常它不工作于雪崩區(qū)。

2 恒流源電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的單電源供電的高精度多檔位恒流源電路如圖1所示，整個(gè)電路包括電源電路（圖中未給出）、基準(zhǔn)電壓給定電路、恒流源電路和檔位選擇電路。基準(zhǔn)電壓給定電路給恒流源電路提供電壓基準(zhǔn)，檔位選擇電路為恒流源電路選擇采樣電阻，恒流源電路部分根據(jù)基準(zhǔn)電壓給定電路提供的基準(zhǔn)電壓和檔位選擇電路選擇的采樣電阻實(shí)現(xiàn)相應(yīng)檔位的恒流輸出。

恒流源電路由+15V直流電源（單電源）供電。電源電路用線性三端穩(wěn)壓芯片7812從+15V電源得到+12V直流電供給相當(dāng)?shù)牟糠?。基?zhǔn)電壓給定部分由穩(wěn)壓二極包括精度1%以上5.1V穩(wěn)壓二極管VD1，電阻R1、R2、R4和多圈高精度電位器RP3，電容C1。穩(wěn)壓二極管上得到5.1V電壓，電容C1濾除高頻干擾，使穩(wěn)壓管上電壓更穩(wěn)定。R2、R4和RP3串聯(lián)后并在穩(wěn)壓二極管上，調(diào)節(jié)RP3得到需要的給定電壓U2。檔位選擇電路包括三個(gè)單路接觸電阻小于5mΩ的雙路開關(guān)S1、S2與S3，包括電阻R5、R6與R7。雙路開關(guān)的觸點(diǎn)引腳1、2是雙路開關(guān)中的一路，觸點(diǎn)引腳3、4為另一路，雙路開關(guān)同時(shí)斷開或同時(shí)閉合，雙路開關(guān)當(dāng)一路使用，進(jìn)一步減少了接觸電阻。電阻R5、R6與R7為精度千分之一以上的電阻，其中R5大小為0.1Ω，R6大小為1Ω，R7大小為10Ω。檔位選擇電路通過選擇接入不同的采樣電阻電阻（R5、R6和R7中選擇一個(gè)）來實(shí)現(xiàn)三種不同的恒流檔位。雙路開關(guān)S1閉合時(shí)采樣電阻為R5接入電路，S2閉合時(shí)采樣電阻R6接入電路，S3閉合時(shí)采樣電阻R7接入電路。

恒流源電路部分包括可由單電源供電的集成運(yùn)算放大器LM358，功率調(diào)整管Q1，采樣電阻R（由檔位選擇電路選擇接入的等效采樣電阻R），還包括負(fù)載Load。集成運(yùn)算放大器LM358內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的、高增益的、內(nèi)部頻補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器[3]，可單電源供電（3V～30V），也可以雙電源供電（±1.5V～±15V）。LM358有8個(gè)引腳，8腳和腳接電源，3引腳、2引腳和1引腳分別是內(nèi)部一個(gè)集成運(yùn)放的同相輸入端，反相輸入端和輸出端，5引腳、6引腳和7引腳分別是內(nèi)部另一個(gè)集成運(yùn)放的同相輸入端，反相輸入端和輸出端。

這里只用一個(gè)集成運(yùn)算放大器。3腳從基準(zhǔn)電壓給定電路得到基準(zhǔn)電壓U2，本案中基準(zhǔn)電壓U2設(shè)定為0.100V，2腳連接采樣電阻R得到電壓反饋信號(hào)，1腳接Q1的柵極。集成運(yùn)放采用LM358，所以本案可由單電源供電，極大地方便了恒流源電路的應(yīng)用。LM358增益高，轉(zhuǎn)換速度快，3腳和2腳電壓一有偏差就會(huì)通過1腳改變調(diào)整管Q1柵源極電壓UGS從而改變漏源極上的電流，使得3腳和2腳上的電壓相等，最終負(fù)載上獲得恒定的電流。電路處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下[4]。恒流器件選擇場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控型器件，工作在恒流區(qū)漏極輸出電流穩(wěn)定度很好。負(fù)載上得到的恒流的大小為：I=U2/R=0.100/R。檔位選擇開關(guān)S1、S2與S3選擇的R值分別為0.1Ω、1Ω、10Ω，對(duì)應(yīng)的恒流輸出分別為1A、0.1A、0.01A。通常檔位選擇開關(guān)只有一個(gè)閉合。若多于一個(gè)檔位選擇開關(guān)閉合時(shí)，輸出恒定電流的大小為各個(gè)開關(guān)單獨(dú)閉合時(shí)對(duì)應(yīng)恒流輸出之和，例S1、S2和S3同時(shí)閉合時(shí)，恒流輸出大小為1.11A。本案只實(shí)現(xiàn)三檔恒流輸出，但同樣的方法增加開關(guān)和電阻數(shù)量也可實(shí)現(xiàn)多檔位輸出。

從上分析可知，改變恒流源輸出電流大小有兩種方法：一種方法是改變給定電壓U2的大小，另一種方法是改變采樣電阻R的大小。本案采用的是固定給定電壓U2，改變采樣電阻R的大小的方法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的恒流輸出。固定采樣電阻R，改變U2，按圖1也可實(shí)現(xiàn)恒流輸出，但是改變RP3得到的U2大小在實(shí)際應(yīng)用中不是很方便得知，故對(duì)應(yīng)的恒流輸出電流的大小也不方便得知。固定采樣電阻R，U2不由圖1中電路的方式給出，由程控給出，例如由單片機(jī)給出，U2很方便設(shè)定大小，但是U2精度會(huì)受供單片機(jī)供電電源波動(dòng)的影響，輸出精度難以保證。固定給定電壓U2，采樣電阻R改為可調(diào)電位器給出，R值可連續(xù)調(diào)節(jié)，但也存在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)際等效接入電路的R值不是很方便得知，對(duì)應(yīng)的恒流輸出電流大小從而也不方便得知的問題，故也沒采用這種方法。

應(yīng)用中實(shí)際等效接入電路的采樣電阻R的精度和給定電壓U2的精度直接決定著恒流源電路輸出電流的精度。為提高實(shí)際等效接入電路的采樣電阻R的精度，本案采取的措施主要有：選擇精度高于千分之一的采樣電阻R5、R6和R7；檔位選擇開關(guān)選擇單路接觸電阻小于5mΩ的雙路開關(guān)S1、S2與S3，雙路開關(guān)并聯(lián)當(dāng)一路使用以進(jìn)一步減少開關(guān)接觸電阻。電阻的熱穩(wěn)定性也要與其精度對(duì)應(yīng)。為提高給定電壓U2的精度，本案選用精度高于1%的穩(wěn)壓二極管，熱穩(wěn)定性好的電阻R2、R4及熱穩(wěn)定性好的可細(xì)調(diào)的電位器Rp3。當(dāng)然可選擇比本案精度更高的采樣電阻，接觸電阻更小的檔位選擇開關(guān)，給定電壓精度更高的集成芯片，但成本也隨之有所增加，這要根據(jù)實(shí)際需要決定。本案所選器件在大部分場(chǎng)合下均能滿足要求。

本案中恒流輸出最大檔位是1A，要提高恒流輸出電流大小可增加U2，例如U2給定為1.00V時(shí)，相應(yīng)的恒流輸出檔位就變?yōu)?0A、1A、0.1A。若要增加恒流輸出電流檔位，只要增加相應(yīng)的采樣電阻和采樣開關(guān)即可。本恒流源使用時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是受供電電源+15V電源的限制，本案恒流輸出電流大小肯定小于15V與負(fù)載等效電阻Rload的比值，若此時(shí)要提高恒流輸出電流的大小可增加電源電壓，但要確保在MOS管等不被燒壞的情況下進(jìn)行。MOS管上有一定功耗，通常使用時(shí)要加上散熱片。

3 結(jié) 論

本案采用LM358加場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)壓控恒流源輸出，系統(tǒng)可由單電源供電，恒流輸出的電流值范圍可以比較大，也可以很方便地實(shí)現(xiàn)多檔位輸出。精選采樣電阻、采樣開關(guān)、穩(wěn)壓二極管等元器件，保證了恒流源輸出的精度。按圖1制作出的恒流源樣機(jī)三個(gè)檔位恒流精度都高于2%，達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張波（1979-），男，漢族，湖北棗陽人，副教授，碩士。主要研究方向：電力電子技術(shù)。