黃桂梅，劉永立，王亞青，邵聯(lián)合

(保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071051)

可控恒流源設(shè)計(jì)與制作

黃桂梅，劉永立，王亞青，邵聯(lián)合

(保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071051)

恒流源在現(xiàn)代檢測(cè)計(jì)量以及節(jié)能環(huán)保等熱點(diǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，從可控恒流源系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)，到各模塊電路設(shè)計(jì)、原理、特點(diǎn)及參數(shù)選擇進(jìn)行了分析討論和實(shí)踐，并且分析了影響恒流源技術(shù)指標(biāo)的因素及解決辦法；說(shuō)明了采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出與脈動(dòng)輸出的控制思路，同時(shí)提供了軟件編程的框圖。

可控恒流源；升壓電路；限幅電路；脈動(dòng)輸出

0 引 言

目前LED發(fā)光體、電動(dòng)車、太陽(yáng)能發(fā)電等都已得到了廣泛使用； LED發(fā)光體的使用需要恒流源驅(qū)動(dòng)；電動(dòng)車、太陽(yáng)能發(fā)電必備的蓄能電池也需要恒流源充電；實(shí)踐證明，對(duì)LED發(fā)光體的用電、蓄能電池的充電等需遵循一定的工作方式，尤其是恒流源電流的大小，電壓的高低，恒流輸出的模式等都會(huì)對(duì)恒流源負(fù)載的壽命甚至安全產(chǎn)生影響。因此選用合理的可控恒流源的電路模式也就應(yīng)運(yùn)而生，本文就此進(jìn)行了探討和制作實(shí)踐。

圖1 可控恒流源系統(tǒng)

1 可控恒流源系統(tǒng)整體構(gòu)成

如圖1所示，可控恒流源系統(tǒng)由升壓模塊、恒流模塊、限幅模塊、報(bào)警模塊、控制模塊五部分組成。升壓模塊用來(lái)將電池電壓(例3.5 V)經(jīng)高頻調(diào)制后轉(zhuǎn)換成恒流模塊所需的直流高電壓(例14 V)；該電壓用來(lái)給恒流模塊提供工作條件[1]。

恒流模塊則接受控制模塊(虛框內(nèi))給出連續(xù)或脈動(dòng)控制電壓，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的恒流電流信號(hào)；例圖中是將1V基準(zhǔn)電壓送到恒流模塊的輸入端，經(jīng)1 V/5 Ω=0.2 A(即200 mA)轉(zhuǎn)換后將恒流電流200 mA輸出到負(fù)載端。

限幅模塊就是限制負(fù)載兩端的電壓；例10.5 V，當(dāng)電壓低于該值時(shí)限幅電路處于截止?fàn)顟B(tài)不起作用；當(dāng)負(fù)載電阻增加時(shí)其輸出電壓UO也增加，當(dāng)電壓UO超過(guò)設(shè)定值10.5 V時(shí)，限幅電路導(dǎo)通進(jìn)行分流以保證端電壓不變。

報(bào)警模塊是一個(gè)電壓比較器，當(dāng)輸出電壓低于設(shè)定值時(shí)比較器輸出高電平，指示燈不亮；當(dāng)輸出電壓大于設(shè)定值后比較器輸出低電平，指示燈被點(diǎn)亮。

控制模塊就是控制恒流源電流的大小及工作方式；其中的單片機(jī)是用來(lái)產(chǎn)生脈動(dòng)信號(hào)并通過(guò)按鈕對(duì)脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制，通過(guò)液晶顯示器、LED燈顯示其工作狀態(tài)。

2 升壓模塊設(shè)計(jì)

2.1 升壓原理分析

升壓原理是利用電感線圈的儲(chǔ)能特性，直流電壓在高頻開(kāi)關(guān)作用下使電感線圈中的電流發(fā)生交替變化產(chǎn)生反電勢(shì)；該感應(yīng)電勢(shì)與電源電壓疊加送到負(fù)載端實(shí)現(xiàn)升壓。

如圖2(a)所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)T導(dǎo)通時(shí)，UL=US電感電流線性增加，電感儲(chǔ)能增加，電源向電感儲(chǔ)存電能，電感上出現(xiàn)的反電勢(shì)為左正右負(fù)；當(dāng)開(kāi)關(guān)T斷開(kāi)時(shí)，UL=US-UC電感電流線性減小，電感儲(chǔ)能減少，電感上的感應(yīng)電勢(shì)開(kāi)始反轉(zhuǎn)：變?yōu)橛艺筘?fù)，正好與電源電壓一致，此時(shí)電源電壓US與電感上的電壓UL串聯(lián)疊加到續(xù)流二極管D上，使二極管導(dǎo)通。這時(shí)負(fù)載R上會(huì)得到電源電壓再加上電感上的電壓之和；從而使電源電壓在輸出負(fù)載R端的電壓UO得到提升；電容C用于高頻濾波。

圖2 升壓電路原理圖

2.2 升壓實(shí)際電路

實(shí)際升壓電路如圖2(b)所示。圖2(a)中的開(kāi)關(guān)T在實(shí)際電路(b)中是用集成芯片中的大功率電子開(kāi)關(guān)所取代。圖中XL6009是專用升壓芯片的一種。1腳GND接地，2腳EN為芯片使能，高電平有效，低電平關(guān)閉，所以該腳不接為高電平。3腳SW是電子開(kāi)關(guān)，內(nèi)部為大功率場(chǎng)效應(yīng)管，以便能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)電流。場(chǎng)效應(yīng)管由高頻脈寬調(diào)制電路來(lái)控制其導(dǎo)通或截止的占空比。4腳VIN為輸入端，接入低壓直流電源(或電池)；5腳FB為負(fù)反饋端，該端由外接的電阻分壓電路來(lái)檢測(cè)輸出電壓的大小，當(dāng)輸出端UCC電壓因某種原因升高時(shí)，則其分壓值也升高，反饋端FB感受這一變化并通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算放大器控制驅(qū)動(dòng)管減少高頻開(kāi)關(guān)的占空比，從而減少電壓上升的趨勢(shì)使電壓穩(wěn)定在某一固定值上。改變R1和R2的分壓值可改變升壓模塊的輸出值。由圖中可知5腳FB對(duì)地1間的基準(zhǔn)值為1.25 V。所以模塊的輸出電壓UCC=1.25(1+R2/R1)[2]。

3 恒流模塊設(shè)計(jì)

3.1 恒流原理分析

圖3 恒流源電路

恒流源是基于內(nèi)阻無(wú)限大，相對(duì)負(fù)載電阻變化很小而言，可控恒流源是指其恒流大小及模式可根據(jù)要求而改變?；谏鲜銮闆r，晶體三極管是理想的可控恒流源。如圖3(a)所示，由于三極管的集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，內(nèi)阻很大，其集電極電流不受集電極負(fù)載控制，只受基極電流控制，即IC=βIb因而只要受控端基極電流不變，集電極電流IC就不變，從而滿足可控恒流源的基本條件。但只靠晶體管本身還不能滿足使用要求，因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化會(huì)使晶體管的結(jié)電壓及電流放大倍數(shù)發(fā)生變化；如在基極電壓Ub不變前提下，如果環(huán)境溫度升高則結(jié)電壓會(huì)降低，從而使基極電流增加，導(dǎo)致集電極電流也隨之增加。所以根據(jù)負(fù)反饋原理,實(shí)用電路需加電流負(fù)反饋，如圖3(a)中的Re為電流負(fù)反饋電阻，用來(lái)穩(wěn)定輸出電流。當(dāng)負(fù)載或溫度等因素引起輸出回路中的IC變化時(shí)會(huì)使Ie發(fā)生變化，導(dǎo)致UR變化，該變化會(huì)影響輸入回路；例IC↑→IR↑→UR↑；因?yàn)檩斎腚妷篣b不變，故晶體管結(jié)電壓Ube=Ub-UR↑受到擠壓開(kāi)始下降，并控制IC也下降，從而使輸出電流趨于穩(wěn)定；穩(wěn)定精度決定輸出與輸入的放大系數(shù)。放大系數(shù)越大反饋回路的比例調(diào)節(jié)得到的電流偏差越小。上述電路適合對(duì)恒流精度要求不高的場(chǎng)合。對(duì)恒流精度要求高的場(chǎng)合，需進(jìn)一步提高反饋回路的放大倍數(shù)；實(shí)用電路如圖3(b)所示，其中Q2與Q1構(gòu)成復(fù)合管，用來(lái)提高電流放大系數(shù)即β=β1·β2；IC-1運(yùn)放構(gòu)成同相電壓跟隨器，盡管電壓放大倍數(shù)為1但電流放大倍數(shù)卻接近無(wú)限大，根據(jù)運(yùn)放“虛短”原理，輸出Re上的電壓總是跟隨輸入U(xiǎn)b上的電壓，從而輸出電流IC=Ub/Re被鎖定；所以該電路具有高精度恒流性能[3-4]。

3.2 電路參數(shù)的選擇

3.2.1 晶體管選擇

Q1為驅(qū)動(dòng)管，應(yīng)選擇大功率管如BD201等；技術(shù)指標(biāo)要求高的可選用大功率開(kāi)關(guān)管或IGBT管，使其飽和壓降盡量小些且應(yīng)有較大的功率冗余；功率管散熱器面積也要符合要求。Q2為復(fù)合管，用來(lái)提高β值，可選β較高的中小功率管如8050等。

3.2.2 反饋電阻選擇

為保證精度應(yīng)選用電阻溫度系數(shù)小的功率電阻，其阻值在0.1 Ω～5 Ω左右，具體阻值應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合確定，阻值過(guò)小反饋靈敏度會(huì)降低，阻值大些可增加負(fù)反饋的靈敏度，但過(guò)大則額外損耗增加，效率降低；一般設(shè)計(jì)反饋電阻選擇為5 Ω。

3.2.3 運(yùn)算放大器選擇

考慮到恒流電源的能量來(lái)自鋰電池或鉛酸電池，為節(jié)省電量，供電方式多采用單電源，所以運(yùn)算放大器應(yīng)選用可以單電源工作、低功耗、高增益型，如LM358 等。

4 限幅與報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

4.1 限幅模塊

一般對(duì)蓄能電池的充電，除了要恒流外還要限幅，以避免電池過(guò)充電。實(shí)現(xiàn)限幅的方法很多。如圖4所示，為并聯(lián)型穩(wěn)壓電源工作方式，其恒壓值就是并聯(lián)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓值，該方式簡(jiǎn)明實(shí)用。圖中TL431為三端可控二極管，其限幅電壓UW=UD·(1+RW/R1)，式中UD為TL431控制端對(duì)地的穩(wěn)壓值2.5 V，RW和R1分別是TL431控制引腳的上下分壓電阻值。改變變阻器中心觸頭的位置可改變分壓系數(shù)，例當(dāng)RW=R1時(shí)，則限幅值為UW=2.5·(1+RW/R1)=2.5·(1+1)=5 V，又如當(dāng)RW=3R1時(shí)其限幅值為UW=2.5·(1+Rw/R1)=2.5·(1+3)=10 V。所以RW的電阻值越大其限幅的電壓越高。

圖4 限幅電路圖 圖5 報(bào)警電路圖

限幅模塊限幅過(guò)程如下：恒流源負(fù)載上的電壓UO會(huì)隨負(fù)載電阻RO增加而增加，當(dāng)UOUW時(shí)，則限幅電路急劇導(dǎo)通進(jìn)行分流以保證端電壓UO不再增加，從而達(dá)到限幅目的。三極管Q3和Q4組成復(fù)合管目的有兩個(gè)：一是如前所述提高電流放大系數(shù)，二是改變管型，因復(fù)合管的管型取決于最前面的管型，使其為PNP型。其中三極管Q4為NPN大功率型，大功率管Q4可進(jìn)一步提高TL431的分流能力。

4.2 報(bào)警模塊

如圖5所示：LM339為電壓比較器芯片，內(nèi)有四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器單元，報(bào)警電路中只用了一個(gè)比較單元。LM339可以單電源工作；其輸出為OC門，即集電極開(kāi)路方式。比較器的同相輸入端接基準(zhǔn)電壓，反相輸入端接分壓電路，調(diào)整分壓的電位器RW1分壓值使其恒流源端電壓在設(shè)定值時(shí)(例10.5 V)比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。即輸出由高電平轉(zhuǎn)為低電平。于是LED發(fā)光管點(diǎn)亮，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

5 控制模塊設(shè)計(jì)

由前面的圖1可知，控制模塊主要由AVR單片機(jī)ATmega16芯片、分壓電阻等組成。控制模塊主要任務(wù)是控制恒流源輸出電

流的大小及工作方式。恒流源的各檔電流由兩個(gè)三分壓電路提供，當(dāng)連續(xù)輸出時(shí)由連續(xù)分壓電路提供，脈動(dòng)輸出時(shí)由單片機(jī)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)分壓給出。這兩個(gè)分壓電路如圖6所示：圖6(b)為脈動(dòng)分壓電路，由單片機(jī)直接提供5 V脈動(dòng)信號(hào)，再通過(guò)分壓得到相應(yīng)的脈動(dòng)電流，例分壓值為3 V時(shí)則其脈動(dòng)的峰值電流等于3 V/5 Ω=0.6 A=600 mA。

圖6 恒流源分壓電路

圖7(a)為單片機(jī)整機(jī)工作的程序流程圖，由圖中可知單片機(jī)按連續(xù)模式、脈動(dòng)模式及測(cè)試模式三種方式工作。其中連續(xù)和脈動(dòng)兩種工作模式用于驅(qū)動(dòng)恒流源，使恒流源輸出各種不同方式的恒流信號(hào)。測(cè)試模式用于驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光管，是用來(lái)檢查恒流源的工作狀態(tài)[5-6]。

圖7 程序框圖

5.1 連續(xù)模式

由上所述，連續(xù)模式的恒流輸出由精密穩(wěn)壓源經(jīng)分壓確定。精密穩(wěn)壓源多采用專用穩(wěn)壓芯片TL431或LM399作為基準(zhǔn)電壓再通過(guò)電位器不同的分壓來(lái)得到所需的恒流電流，相對(duì)比較簡(jiǎn)單；由圖3(b)可知當(dāng)Re等于5 Ω，Ub分別為0.5V，0.75V，1V時(shí)。則IO=Ub/Re就分別有100 mA，150 mA，200 mA的恒流輸出。

5.2 脈動(dòng)模式

脈動(dòng)模式是由脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)電位器分壓加到恒流源的輸入端，再由恒流源轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈動(dòng)電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。脈動(dòng)方式的間歇工作特點(diǎn)可對(duì)蓄能電池的充電產(chǎn)生更好的效果。脈寬調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生可以用硬件電路搭接，如用555芯片組成振蕩電路；也可以由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用單片機(jī)會(huì)有更好的靈活性。本例使用ATmega16單片機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)信號(hào)[7]。

5.2.1 脈動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的硬件設(shè)置

在ATmega16單片機(jī)中有三個(gè)定時(shí)器，T0和T2 為8位計(jì)數(shù)器，T1為16位計(jì)數(shù)器，選擇一個(gè)閑置的計(jì)數(shù)器，例用T0，將T0硬件設(shè)置為8 M/8=1 M分頻，周期為1 μs，計(jì)滿是255，所以預(yù)裝值為156，這樣在156的基礎(chǔ)上再計(jì)100次就計(jì)滿溢出了，所以T0每溢出中斷一次需要1 μs·100=100 μs的時(shí)間，設(shè)X為中斷變量的計(jì)數(shù)值，則X記錄了0.1 ms的次數(shù)，設(shè)XX為1 ms的變量的計(jì)數(shù)值，則X計(jì)10個(gè)數(shù)就得了1 ms的變量XX。如果要得到周期為10 ms、30 ms、100 ms并要求有1/3占空比且誤差小于2%的脈沖信號(hào)時(shí),則需由單片機(jī)根據(jù)X和XX變量編制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.2.2 脈動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的軟件流程

由上述分析可得單片機(jī)脈動(dòng)程序框圖如7(b)所示： aa為三擋選擇變量，根據(jù)aa的1-3個(gè)編號(hào)可選擇周期為10 ms、30 ms、100 ms、占空比為1/3的不同輸出。當(dāng)aa=1時(shí)則選擇10 ms，aa=2時(shí)選擇30 ms，aa=3時(shí)選擇100 ms。OUT為單片機(jī)的一個(gè)I/O口，該口可根據(jù)變量aa的選擇輸出5V，占空比1/3的脈動(dòng)周期信號(hào)；該信號(hào)再經(jīng)電位器分壓可選擇1.5 V、2.25 V、3 V三種其中一種脈寬電壓送到恒流模塊的輸入端，再由恒流模塊轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的300 mA、450 mA、600 mA的脈寬峰值電流輸出值[8]。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)連續(xù)/脈動(dòng)可控恒流源方案的設(shè)計(jì)與制作，無(wú)論是功能上還是技術(shù)指標(biāo)上都達(dá)到了規(guī)定的要求；該技術(shù)方案在實(shí)際應(yīng)用中有一定的借鑒意義。為此，本次設(shè)計(jì)的作品獲得了2015年度全國(guó)大學(xué)生電子大賽高職高專組國(guó)家級(jí)二等獎(jiǎng)。

[1] 翟玉文,艾學(xué)忠,楊瀟.實(shí)用恒流源電路設(shè)計(jì)[J] .電子測(cè)量技術(shù),2002,26(5): 25-26.

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[3] 郭玉,趙順平.一種交流恒流源電路的設(shè)計(jì) [J] .電子技術(shù),2000,48(1): 46-47.

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[6] 徐慶富,江明珠,李清卉. 基于DSP數(shù)控恒流源電路:CN201410848964.1[P].2015-04-08.

[7] 謝海瑞.基于單片機(jī)的數(shù)控恒流源電路的設(shè)計(jì)[EB/OL].電子技術(shù)網(wǎng)http://www.elecfans.com/emb/danpianji/20140304336586.html

[8] 巴雷特(美),古爾(美).嵌入式C編程與Atmel AVR單片機(jī)[M].周俊杰,譯.北京：清華大學(xué)出版社,2003.

Design and Manufacture of a Controlled Constant Current Source

Huang Guimei, LiuYongli, Wang Yaqing, Shao Lianhe

(Baoding Technical and Vocational College of Electric Power, Baoding Hebei 071051, China)

The constant current source plays an important role in hot fields such as modern test and measurement, energy saving and environmental protection. This paper discusses and analyzes overall scheme design of the controlled constant current source system, as well as the design, principle, characteristics and parameter selection of modular circuits. Furthermore, it analyzes factors affecting technical indexes of the constant current source, as well as solutions, and explains the control idea that the single chip microcomputer can be used to realize continuous output and pulse output. In the meantime, it provides a block diagram for software programming.

controlled constant current source；booster circuit；amplitude limiting circuit； pulse output

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.014

TP211+.5

A

1000-3886(2017)02-0045-04

黃桂梅，(1967-)女，江西贛州人，碩士，教授，主要研究方向：從事電子電路設(shè)計(jì)，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，單片機(jī)控制。

定稿日期: 2016-08-12