蔡 璇

(中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種行業(yè)對溫控系統(tǒng)穩(wěn)定性要求也越來越嚴(yán)格，溫度控制系統(tǒng)一般由溫度傳感器、控制電路以及加熱電路構(gòu)成一個(gè)反饋回路，溫度傳感器將測量得到的溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號以后輸入到控制電路，而控制電路的基本原理是通過將測量得到的溫度信號與一個(gè)標(biāo)定的溫度信號進(jìn)行比較，如果測量得到的溫度信號小于標(biāo)定的溫度信號，則控制電路驅(qū)動(dòng)加熱電路對設(shè)置于溫度傳感器上的加熱絲進(jìn)行加熱，使溫度傳感器測量得到的溫度信號升高，反之則加熱電路停止加熱，因此加熱電路的好壞對整個(gè)控制系統(tǒng)有著重要的作用，本文主要介紹了一種應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)的恒流源加熱電路。

1 深度負(fù)反饋

在恒流源加熱電路中應(yīng)用雙運(yùn)放構(gòu)成負(fù)反饋電路，負(fù)反饋是指將輸出信號的一部分或者全部通過一定的方式回饋給輸入端進(jìn)行比較，使凈輸入量減小的反饋。引入負(fù)反饋有很多優(yōu)勢，它可以提高電路增益的穩(wěn)定性、展寬通頻帶、減小非線性失真、改變輸入電阻和輸出電阻。除此之外負(fù)反饋技術(shù)還對抑制放大電路內(nèi)部的溫漂、噪聲和干擾具有很好的效果［1］。

由于該加熱電路主要是根據(jù)控制電路反饋回來的電壓信號來調(diào)節(jié)加熱絲的功率，在實(shí)驗(yàn)過程中不可避免的會(huì)有溫度的變化，而溫度的變化容易引起放大器內(nèi)晶體管參數(shù)和其靜態(tài)工作點(diǎn)的移動(dòng)，從而導(dǎo)致放大器的靜態(tài)輸出電壓發(fā)生緩慢變化的現(xiàn)象，因此引入負(fù)反饋電路對此有較好的抑制效果。

2 場效應(yīng)管恒流原理

恒流源按照恒流器件不同可以分為晶體管恒流源、集成電路恒流源、場效應(yīng)管恒流源［2］。場效應(yīng)管是一種電壓控制器件，控制端輸入電流很小，因此它的輸入電阻非常高，而且場效應(yīng)管利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此它的溫度穩(wěn)定性很好，柵極幾乎不取電流，非常適合作恒流源的調(diào)整管。

本文所介紹的恒流源加熱電路中應(yīng)用的是N 溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管，N 溝道場效應(yīng)管要導(dǎo)通，柵極電壓必須高于源極電壓，即UGS＞0，在其輸出特定性曲線上，場效應(yīng)管工作可分為四個(gè)區(qū)，即可變電壓區(qū)、放大區(qū)、擊穿區(qū)、夾斷區(qū)。放大區(qū)即為場效應(yīng)管的恒流區(qū)，在可變電阻區(qū)漏源電流隨漏源電壓、柵源電壓的增大而增加;在恒流區(qū)漏源電流為恒定值，其大小由柵源電壓控制，隨著漏源壓的繼續(xù)增大場效應(yīng)管進(jìn)入擊穿區(qū)，管子會(huì)損壞，當(dāng)柵源電壓低于管子的開啟電壓時(shí)，管子進(jìn)入夾斷區(qū)，漏極源極上幾乎沒有電流流過。因此只要讓場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，就能實(shí)現(xiàn)恒流［2］。

3 恒流源加熱電路原理

在前期設(shè)計(jì)中采用雙運(yùn)放構(gòu)成負(fù)反饋回路，驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管，加熱絲兩端的電壓經(jīng)過分壓后分別通過兩個(gè)電壓跟隨器作比較然后經(jīng)過放大后輸出，雙運(yùn)放輸出管腳直接與場效應(yīng)管的柵極連接，是開環(huán)電路，開環(huán)電路的輸出端與輸入端不存在反饋，因此開環(huán)電路中只有輸入量控制輸出量，而沒有輸出量再返回來影響系統(tǒng)控制作用的能力，因此開環(huán)電路的抗擾能動(dòng)性差，靜態(tài)穩(wěn)定性差，在實(shí)驗(yàn)中柵極總是處于飽和狀態(tài)。為了得到更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對電路做了一定的改進(jìn)。

改進(jìn)的恒流源加熱電路由雙運(yùn)放AD8512、場效應(yīng)管FDP42AN15A0、以及儀表運(yùn)放AD620 組成，具體電路圖如下圖1 所示。

由圖1 可以看到，雙運(yùn)放采用芯片AD8512，其輸入失調(diào)電壓為400 μV，輸入失調(diào)電流為25 pA，因此它具有低輸入失調(diào)電壓、低輸入失調(diào)電流、低輸入失調(diào)電壓噪聲以及低輸入失調(diào)電流噪聲的特點(diǎn)。由于本實(shí)驗(yàn)中所測得的信號是低頻微弱信號，因此選用低輸入失調(diào)電壓以及低輸入失調(diào)電流的放大器可以減小放大器本身對輸出信號的影響，在實(shí)驗(yàn)中AD8512 性能穩(wěn)定。

在電路中選用場效應(yīng)管FDP42AN15A0，其導(dǎo)電方式為增強(qiáng)型，N 溝道，開啟電壓范圍為2 V～4 V，在電路中起到恒流源的作用，N 溝道場效應(yīng)管的主要特點(diǎn)是電流方向是從漏極到源極，因此電路中漏極作為加熱絲一端電壓，在源極設(shè)置采樣點(diǎn)來測量采樣電流。場效應(yīng)管在使用過程使用不當(dāng)容易擊穿損壞，尤其是在焊接當(dāng)中需要注意烙鐵溫度需要斷電以后再進(jìn)行焊接，焊接時(shí)需要先焊接源極，以此再焊接漏極以及柵極，并且在電路板布線時(shí)需要注意，源極電流大，需要采用粗短線分布。

在改進(jìn)的電路中用儀表運(yùn)放AD620 作為電壓比較電路，使得電路更為簡化，而且儀表放大器比普通的差分電路有更好的共模抑制能力，AD620 的放大倍數(shù)與它的1 管腳以及8 管腳之間的增益電阻RG有關(guān)，計(jì)算公式為G=，其中G 為AD620 放大增益。

圖1 恒流源加熱電路

在該恒流源加熱電路系統(tǒng)中，電壓信號由JP1 端輸入，運(yùn)放AD8512 的1 管腳為輸出接場效應(yīng)管的柵極，1 管腳與2管腳之間接入負(fù)反饋電阻R13，構(gòu)成深度負(fù)反饋回路，場效應(yīng)管的源極接AD8512 的5 管腳作為輸入電，由7 管腳輸出，該輸出電壓作為補(bǔ)償電壓接雙運(yùn)放的2 管腳，6 管腳與7 管腳之間接入反饋電阻，構(gòu)成深度負(fù)反饋回路，為了使電路更加穩(wěn)定，根據(jù)零極點(diǎn)補(bǔ)償原理分別在兩個(gè)反饋電阻兩端并聯(lián)兩個(gè)小電容。P1 處接一定阻值的加熱絲，場效應(yīng)管的漏極為加熱絲提供電壓，加熱絲的另一端由24 V 恒壓源供電，由于在加熱過程中，加熱絲電阻太小，電流太大時(shí)，加熱絲容易被熔斷，因此需要選用合適阻值的加熱絲，24 V 電壓與漏極電壓經(jīng)過分壓電阻后分別通過AD620 進(jìn)行比較，根據(jù)AD620的輸出可以計(jì)算出加熱絲兩端的電壓差。tp1 為采樣電壓輸出，Jp2 為加熱電路輸出。

通過測試AD8512 的7 管腳輸出端的測試點(diǎn)tp1 處的電壓值記為Utp1，則有:

由式(1)可以推算出場效應(yīng)管源極提供的電流即流經(jīng)加熱絲的采樣電流I，其中Rs為采樣電阻，由于采樣電阻上流過的電流很大，因此為了減少功耗和發(fā)熱，采樣電阻阻值要求特別小。記ΔU=24－Ud，Uo為加熱電路輸出，即Jp3 處電壓測量值，則有:

由式(2)可計(jì)算出ΔU 的值，通過ΔU 與采樣電流I 的乘積可以計(jì)算出加熱絲發(fā)熱時(shí)所能提供的功率大小。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1 單個(gè)電路板調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)中，電路中采用正負(fù)15 V 電壓源供電，用可調(diào)電壓源控制JP1 處輸入電壓Ui的大小，JP3 處接加熱絲，為了使場效應(yīng)管可以正常工作，是柵極對地電壓在2 V～4 V 范圍內(nèi)，此時(shí)當(dāng)加熱絲的阻值一定時(shí)，隨著輸入電壓的升高，則加熱絲兩端的電壓也升高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示:

表1 加熱絲輸出端

在表1 中，Ui為輸入電壓，Tp1 為AD8512 的7 管腳處設(shè)置的測試點(diǎn)輸出，ΔU 為加熱絲兩端的電壓差，其測量值是通過萬用表測量得到，理論值是根據(jù)加熱電路輸出測量值計(jì)算所得，Uo為加熱電路輸出，其理論值是通過AD620 理論輸入與增益計(jì)算所得，從上表中可以看出，ΔU 與Uo具有可信性，其測量數(shù)據(jù)可以應(yīng)用與實(shí)際的計(jì)算中，隨著輸入電壓的增大，ΔU 也增大，Tp1 增大，因此加熱絲上的功率也增大，符合實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)輸入電壓增大到一定程度時(shí)，AD8512 的2管腳與3 管腳不滿足“虛斷”的條件，此時(shí)需要調(diào)節(jié)補(bǔ)償回路的放大倍數(shù)即R2/R3，當(dāng)該比值增大時(shí)，補(bǔ)償電壓也隨之增大，此時(shí)，隨著輸入電壓的增大，2 管腳與3 腳近似相等，滿足運(yùn)放的“虛斷”條件。但是需要注意的是，放大倍數(shù)不能太大，當(dāng)放大倍數(shù)達(dá)到一定程度時(shí)容易引起電路振蕩。

4.2 將電路接入實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)中調(diào)試

將溫度控制電路比較電壓設(shè)置為1.6 V，根據(jù)計(jì)算可以得到，1.6 V 的電壓轉(zhuǎn)化為溫度信號是40 ℃，加熱絲阻值為16 Ω，用精密閥門控制水流速度大小，記錄500 mL 水流流過管道的時(shí)間，以此來計(jì)算出水流流速，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示:量得到的電壓信號接近于標(biāo)定電壓，此時(shí)加熱電路輸出電壓變化趨于平穩(wěn)，記錄此時(shí)加熱電路的輸出電壓值Uo，將Uo代入式(2)中計(jì)算得到表2 中ΔU 的值，同理tp1 測試點(diǎn)測量得到的電壓記錄方法也是如此。

表2 加熱絲功率計(jì)算

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，用場效應(yīng)管FDP42AN15A0 設(shè)計(jì)得到的恒流源加熱電路，具有恒流精度高、外圍電路簡單的優(yōu)點(diǎn)。將該恒流源加熱電路應(yīng)用于實(shí)際的溫度控制系統(tǒng)中可以得到可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，另外該電路經(jīng)過簡化以后也可以減小電路板元件之間的干擾，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，隨著管道中水流流速的增大，加熱電路輸出電壓也隨著增大，因此加熱絲上的功率也隨之升高，由表2 中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出這一特點(diǎn)，因此該電路符合實(shí)驗(yàn)要求。在記錄數(shù)據(jù)時(shí)需要注意，當(dāng)水流速度從某一個(gè)值變化增大為另一值時(shí)，加熱電路輸出電壓是緩慢增大的，當(dāng)該電壓增大到一定值時(shí)，由于管道上的溫度傳感器測

［1］奚慧平.關(guān)于負(fù)反饋技術(shù)的幾點(diǎn)討論［J］.麗水師范?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2003，25(5) ：41－43.

［2］田俊杰，董威.基于場效應(yīng)管的恒流源設(shè)計(jì)［J］.中國測試，2009，35(1) ：118－121.