干货｜一文读懂恒流源电路模块设计

电子工程世界 2021-09-28 07:30

入门级示波器的属性缺陷 精密双向电流传感放大器，提供精准测量

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恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，因此恒流源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的。例如在用通常的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流就会相应减少。为了保证恒流充电，必须随时提高充电器的输出电压，但采用恒流源充电后就可以不必调整其输出电压，从而使劳动强度降低，生产效率得到了提高。恒流源还被广泛用于测量电路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。

集成运放构成的线性恒流源

采用集成运放构成的线性恒流源电路构成如图所示，两个运放（一片324）构成比较放大环节， BG1、BG2三极管构成调整环节， RL 为负载电阻， RS为取样电阻， RW为电路提供基准电压。工作原理：如果由于电源波动使Uin降低，从而使负载电流减小时，则取样电压US必然减小，从而使取样电压与基准电压的差值（US- Uref）必然减小。由于UIA为反相放大器，因此其输出电压Ub=（R5/R4）×Ua必然升高，从而通过调整环节使US升高恢复到原来的稳定值，保证了US的电压稳定，从而使电流稳定。当Uin升高时，原理与前类同，电路通过闭环反馈系统使US下降到原来的稳定值，从而使电流恒定。调整RW，则改变Uref，可使电流值在0～4A之间连续可调。

采用开关电源的开关恒流源

采用开关电源的开关恒流源电路构成如图2.3.2所示。BG1为开关管，BG2为驱动管， RL为负载电阻， RS为取样电阻， SG35 24为脉宽调制控制器， L1、E2、E3、E4为储能元件， RW提供基准电压Uref。图采用开关电源的开关恒流源工作原理：减小开关器件的导通损耗和开关损耗是提高电路效率的关键。为此，器件选择饱和压降小、频率特性好的开关三极管和肖特基续流二极管。

扼流圈L1的磁芯上再绕一个附加线圈，利用电磁反馈降低开关三极管的饱和压降，并采用合理的结构设计，使电路的分布参数得到有效的控制。当电源电压降低或负载电阻RL 降低时，则取样电阻RS 上的电压也将减少，则SG3524的12、13管脚输出方波的占空比增大，从而使BG1导通时间变长，使电压U0回升到原来的稳定值。BG1关断后，储能元件L1、E2、E3、E4保证负载上的电压不变。当输入电源电压增大或负载电阻值增大引起U0增大时，原理与前类同，电路通过闭环反馈系统使U0下降到原来的稳定值，从而达到稳定负载电流IL 的目的。

采用集成稳压器构成的开关恒流源

采用集成稳压器构成的开关恒流源电路构成如图所示。MC7805为三端固定式集成稳压器，RL 为负载电阻，RW为可调电阻器。工作原理：固定式集成稳压器工作在悬浮状态，在输出端2和公共端3之间接入一电位器RW，从而形成一固定恒流源。调节RW，可以改变电流的大小，其输出电流为：IL=（ Uout/RW） +Iq式中Iq 为MC7805的静态电流，小于10m A。当RW较小即输出电流较大时，可以忽略Iq。当负载电阻RL 变化时，MC7 8 05用改变自身压差来维持通过负载的电流不变。

RW 的确定：RW 的值可由RW=Uout/IL 确定。因Uout=5 V，IL=0.5～2A，因此确定的取值范围为2.5～10Ω。输出电压和负载变化范围的确定：根据设计要求，本例的输出电压U0=10V。由于恒流源的输出电流可调范围为0.5～2A，因此相应的负载变化范围为5～20Ω。以上几种恒流源结构简单，可靠性高，调整方便，在科研中已得到了应用。其中线性恒流源适用于蓄电池的恒流放电，开关恒流源适用于蓄电池的恒流充电，集成稳压器构成的恒流源适用于电阻测量等。

压控恒流源电路设计

压控恒流源电路设计压控恒流源是系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高，所以选好压控恒流源电路显得特别重要。采用如下电路：电路原理图如图2.4.3所示。该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电阻R2、负载电阻RL等组成1、硬件设计。

电路中调整管采用大功率场效应管IRF640。采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流最大达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。因为当场效应管工作于饱和区时，漏电流Id近似为电压Ugs控制的电流。即当Ud为常数时，满足：Id=f（Ugs），只要Ugs不变，Id就不变。在此电路中，R2为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小），阻值为0.35欧。运放采用OP-07作为电压跟随器， UI=Up=Un，场效应管Id=Is（栅极电流相对很小，可忽略不计）所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因为Io=UI/R2，电路输入电压UI控制电流Io，即Io不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。同时，由设计要求可知：由于输出电压变化的范围U〈=10V，Iomax=2A，可以得出负载电阻RLmax=5欧。

电源电路设计

本系统对电源有较高的要求。设计电源时既要保证电源的高稳定度，也要保证电源能输出大于2A的电流，故本系统采用三级管1264来扩流而且在使用电源时必须充分考虑电源的效率。电源电路如图所示，此电源电路采用了LM317和LM337，其输出电压是连续可调的，输出电压调到为＋15V和－15V来供给硬件电路使用，其中－15V的电源是供运放使用的，不需要扩流；而＋15V的电源的负载电流要求不低于2A，所以采用三级1264来扩流。另外用LM7805产生＋5V的电压供凌阳SPCE061A单片机使用。

线性恒流源、开关恒流源，可靠性高，调整方便，在科研中已得到了应用。其中线性恒流源适用于蓄电池的恒流放电，开关恒流源适用于蓄电池的恒流充电，集成稳压器构成的恒流源适用于电阻测量等。SPCE061A单片机作为中央控制器，本系统有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点。本系统最小可步进1mA ，精度也比较高。输出电流范围较宽。，硬件部分中采样电阻的热稳定性要较好，硬件中的核心模块为压控恒流源，其核心元件采用场效应管其性能和稳定性均高于三极管。