精密线性恒流仪的设计和应用分析

来源：安博电竞官网    发布时间：2023-11-09 11:07:15

  恒流源与稳压源一样，是电子线路中的基本单元。随着电子技术和元器件的发展，恒流技术已得到了快速的发展和广泛的应用。目前，常见的恒流源结构主要有：结型场效应晶体管型（3DJ系列）、恒流二极管型（2DH系列）、集成恒流元件型（LM334等）、稳压管-三极管型以及固定或可调的三端集成稳压器型（如LM78XX、LM317）等等（详见图1、2、3、4、5）。用精密并联型三端可调基准电压源（如TL431）替换图4中的稳压管DW，则可构成恒流精度更高的稳压源（见图6）。但采用以上描述的元件构成的恒流源有的不可调（图2）；有的输出的恒流很小（图1、图2、图3）；有的范围较窄、精度不高、电压不宽等等。而最主要的是输出的恒流电流与调节的电阻呈非线性的关系，这给恒流电流的精细调节和量程的扩展带来了不便。本文介绍的恒流仪（见图9），具有恒流输出的范围宽广，从1μA～2.5×106μA，跨越了6个数量级。其次，除了最小的电流档（1～20μA）外，其余各档输出的恒流电流与电位器的电阻均为线性关系。因此，恒流电流的调节非常细微和平滑。由于采用了集成并联型三端可调精密基准电压源TLV431A和固定的精密基准电压源LM385-1.2，因此，恒流的精度高。最后再选用耐高压的大功率三极管和配以宽范围的外接直流（稳压）电源，电子爱好者就可轻松地拥有一台实用的高压大功率线性宽量程精密恒流、耐压测试和电子负载三用仪。 图7为线时的简化线路图。设基准电压源IC1的基准电压为Vref1，V1三极管的发射极电流为Iix。当因某一些原因，使流过电阻Rxi的电流增加时，则经RW和Ri电阻分压后的电压将大于基准电压Vref1，于是IC1基准电压源导通，使三极管V1的基极电位下降，基极电流减小，从而使发射极电流减小。反之亦反。由于精密可调基准电压源IC1的精度很高，因此，线性恒流仪的恒流精度也很高。

  设电位器Rw的动触点移至X处的电阻为Rwx此时输出的恒流电流为Iix。根据并联电路的欧姆定律可求出：

  由上式可知，Iix与电位器的电阻Rwx成正比，即Iix随Rwx的变化呈线性地变化，线性变化是该恒流仪的显著特点之一。

  为了扩大线性恒流输出的范围，又能保持细微的调节精度，需要将恒流范围进行分档。为使小电流时仍就保持线性的变化和很高的恒流比（某档的最大输出恒流电流与最小输出恒流电流之比），采用串入精密基准电压源IC2的办法，可有效地降低加在Rxi上的电压，从而可将线性恒流的输出延伸至很小的电流（20～100μA，恒流比=5）。这是本恒流仪又一个特点。图8为图9在小电流输出并接入IC2时第档的简化线i为当Vrefl-Vref2《0时使系统进入线性正常工作范围的起始电阻。由图8可求出：

  式中△V=Vre？1-Vre？2，I0为基准电压源IC2能正常工作时的最小工作电流。由上式可见，串入了IC2后△V=Vref1-Vref2可减少到0甚至为负，有效地降低了输出的恒流电流，并继续保持线性的关系。

  为了减少精密电阻的数量和选测所带来的困难，采用各档电阻公用的办法是唯一有效的办法。可以证明：当IC1、IC2的基准电压Vrefl=Vref2且各档的恒流比相等时，则各档的Rxi和R0i是相等的，可以分别公用一个电阻。

  另外，由于实际使用的元件参数与理论计算值总存在一定的误差，为保证覆盖输出的恒流范围，实际每一档的最大输出恒流应选为该当标称恒流的（1+β）倍，而该当的最小输出恒流是下一档的（1-β）倍。其中β称为各档量程的富裕量。

  为满足耐压测试和大功率电子负载的需要，三极管一定要采用高反压、大功率的三极管。

  为了降低精密电阻Rxi的功耗，应采用低基准电压的三端可调精密基准电压源，例如：TLV431A、AZ432、CYT432等元件以及小的恒流比，以减小最大的输出电压。本仪器IC1采用的是TLV431A，其基准电压是1.25V左右。IC2元件采用LM385-1.2的固定精密基准电压源，基准电压为1.25V左右，最小工作电流在8～15μA左右。使用时用数字万用表进行测选，确保IC1、IC2的基准电压相等。

  图9即为考虑上述各种各样的因素后，设计制作的实用线性宽量程精密恒流仪线个数量级。第1～8档为线档为非线性输出档。各档输出的电流以及各元件的参数见表1：

  不难看出，第5、6、7、8四档的恒流比均相等且为5，在接入IC2的情况下可以公用精密电阻。因此，Rx5=Rx6=Rx7=Rx8=97.67Ω，R05=R06=R07=R08=300Ω。上述四档各选一个电阻即可，能够大大减少6只精密电阻。

  （1） 电源。E1选用小功率稳压直流电源，电压为12V。E2为外接直流（稳压）电源，可由高中低不同输出电压的电源组成。可按测试时的需要接人不同输出电压范围和功率的电源。

  （2） 电压表和电流表一般都会采用指针式或数字式万用表，以适应不一样电压、电流范围测试

  （3） V1、V2三极管应选用耐压高、大功率的三极管。本恒流仪选用的型号、耐压、最大工作电流、功耗和直流放大倍数为：

  （4） RW1用精密线绕多圈电位器，如：WXD3-13型。RW2可选用1W碳膜电位器1.5MΩ左右。

  （5） K1波段开关为3刀×11位。因需要通过较大的电流，因此，应选用大号优质的陶瓷波段开关。

  （6） 所有测量用电阻的功耗应选用大于计算值的精密电阻，以提高热稳定性。如：电阻Rx1、Rx2、Rx3的计算功耗分别为8.92W、5.74w、1.87W，实际选用的功耗至少应选用10W、7.5W、3W及以上功率的精密水泥电阻或金属膜的电阻。

  由于线性多档量程精密恒流仪的设计计算还较复杂，限于篇幅无法在本文中介绍。

  本恒流仪除了作为一个实用的高压大功率线性宽量程的精密恒流仪使用外，还是一个实用的耐压测试仪和电子负载测试仪。

  （1） 电子元件的电压测试（包括：反向耐压、工作电压和正向压降等）。根据电子元件的类型和测试原理，选择好外接直流（稳压）电源的电压范围，然厉将元件的引脚分清正负极接到Z1、Z2测试端上，将RW调至最小，再打开电源开关，调节RW使流过测试元件的电流达到手册规定的测试电流时，从电压表上读得的电压就是该元件的各种电压（耐压）。此类测试的电子元件包括各种三极管、二极管、可控硅、稳压管、各种电容（电解电容）、压敏电阻、大电阻（阻值=电压／电流）、发光二极管、双向触发二极管、场效应管等元件耐压的测试，也可测试元件的正向压降（如发光二极管工作电流下的工作电压）等。因三极管的漏电流测试一般是在额定的电压下进行的。因此，调节RW，当电压表的读数达到规定电压时，读得的电流即为该元件的漏电流。当需要精确测量元件的电压（如稳压管的稳压值）时，可将电压表的正表笔移到Z1测试端。

  （2） 继电器的吸合和释放电压、电流的测试。自小而大地调节RW，当继电器吸合时的电压、电流即为吸合电压电流。吸合后，再自大而小地调节RW，当继电器释放时读得电压、电流即为释放电压、电流。一般的情况下，释放电压为吸合电压的10-50％左右。用同样的方法，可测量氖管（辉光数码管）的起辉、熄灭电压，等等。

  （3） 恒流充电。将待充电池正负极分别接在Z1、Z2端子上，调节RW使充电电流为某一规定的电流，便可对电池进行恒流充电。当电池电压达到规定的电压时，充电就可以结束。如同时测量充电的时间，还可测出电池的容量和好坏。

  当将测试端的Z1、Z2短接，电压表的负极接Z4端或地时，耐压测试仪变为恒流型电子负载测试仪。在Z3、Z4端子上外接待测的电子设备，调节RW使电流表的电流达到需要的值，记下此时的电压。依次类推，继续测试下一个电流和电压，便可计算出该设备在一定工作电压、电流范围内性能的变化。具体应用有：

  （1）稳压电源稳压性能的测试。制作好的稳压电源需要测试其稳压、保护性能（限流保护、减流保护）等等。首先按上述测试方法测出不同输出电流下的电压，了解稳压性能的好坏。其次，调节RW当电流达到保护值时，稳压电源应正确动作，否则应对稳压电源的保护电阻做调整，直到符合标准要求时为止。

  （2） 充电电池性能的测试。将充满电的电池正负极分别接在Z3、Z4端子上，调节RW使放电电流达到测试的规定值，并开始计时间。当放电电压达到规定的电压时。记下时间，则电池的容量可按下式计算：电池容量mAh=恒流放电电流mA*放电时间h（也适用充电时容量的计算）。

  法拉（超级）电容放电时间和容量的测试。按上述方法可测出充满电的法拉（超级）电容，在不同恒流放电电流（毫安）下的放电时间和容量，方法同上。

  如：配合数字万用表的电压档扩大电阻和电流的测量范同。一般数字万用表的最小电阻、电流档分别为200Ω和2mA，有的也无2A档（如本人使用的DT890B+等）。此时，可将输出的精密恒流电流调整到10mA、100mA，配直流200mV档测试低电阻，其满量程分别延伸至20Ω和2Ω，最高分辨率可达千分之一欧姆（待测电阻和数字电压表都接在Z1、Z2测试端上），可作为最简单的毫欧姆电阻计使用。同样，因本恒流仪的恒流最小仅几个μA，为精确测试恒流值，可制作1kΩ和10kΩ两个精密的电阻串在线mV档测量，可将最小直流电流档分别延伸至200μA和20μA，测量的精度可达0.01μA。因此，还可对高灵敏度的电流表以及万用表的最小电流档进行校准。再制作一个大功率1Ω的精密电阻，配上2V档可增加测试2000mA档的电流。采用上述方法，既解决了数字万用表测量范围的不足，也满足了本线性宽量程精密恒流仪功能发挥的需要。

  （1） 所用的元件均需用数字万用表测量，尽量准确（有条件的可用电桥测量），确保各档的输出范围契合设计要求；

  （2） 大电流输出时，电阻和三极管的功耗很大，应选择满足电流和功耗要求的元件，同时加装足够大的散热板。使用时估计测量所需的输入电压和功率大小，防止超过安全范围。

  恒流源在各种测量电子电路和传感器电子电路中应用广泛，是开关电源、信号检测和功率放大等场合中无法替代的测试单元。微安级数控恒流源更是广泛地应用于智能仪器和先进检测技术中。与一般的恒流源电路相比，微安级恒流源输出电流小，更易受到电路中纹波和噪声的影响，在器件选择和电路设计方面尤其要注意高精度和高阻抗。正是由于这些特点，微安级恒流源的电路设计方法与普通的恒流源电路有所区别。 1 微安级数控恒流源的一般设计方法 虽然恒流源的电路形式各种各样，但是其电路结构基本一样，都是基于闭环反馈的思想，反馈的形式主要有晶体管反馈、场效应管反馈、并联稳压器反馈、运算放大器反馈等。数控恒流源的一般结构框图如图l所示，根据所需的恒流电路的

  7805集成稳压器组成的恒流源应用电路 如图所示的电路是用W7805正集成稳压器组成的恒流源应用电路。图示电路中正集成稳压器W7805工作在悬浮状态。在其输出端和公共端之间接入一个电阻，形成一固定电流，让此电流流过负载RL后，再回到电源。选择W7805输出电压低的稳压器，主要是为了更好的提高效率。调节R的大小，能改变恒流源的值(当然不能超过该稳压器的最大输出电流)。输出电流符合下式： Iout=Vxx/r+5V/R+id 式中，Id为稳压器静态电流，小于10 mA。当R较小即输出电流比较大时，可忽略Id，但Iout不能太小，否则Id的变化将影响Iout恒流的精度。当负载RL变化时，稳压器W7805用改变自身的压差来维持通过负

  应用电路 /

  1 引言 目前，功率级LED产品有两种实现方式：一是采用单一的大面积功率级LED芯片封装，美国、日本已经有5W芯片的产品推向市场，需要低压大电流的恒流驱动电源供电，其价格也比较高；另一种是采用小功率芯片集成方式实现功率级LED，日本松下电工已经开发出20W的集成LED产品。然而由于功率级LED在低压大电流条件下工作，对于远距离的恒流驱动电源供电却存在着线路功耗大、系统可靠性低等许多难以解决的技术问题。 在承担的国家级科技攻关项目中，我们将新设计的DIS1xxx系列浮压恒流集成二极管与LED芯片通过厚膜集成电路工艺技术集成为一体，解决了集成功率级LED在使用中的恒流电源供电问题，其电流稳定度、温度漂移和可靠性等技术指标，

  2011年是LED照明行业快速地发展的一年，世界各国政府的大力推动促使其蒸蒸日上。近来，荧光粉的离奇大幅涨价，导致荧光灯成本的增加；LED光源的制造技术大踏步发展，使其成本迅速下降；日本震后核电问题使得震后重建市场对LED灯具的需求迅速增加。目前，各国政府继续加强淘汰白炽灯的力度，例如，欧洲规定2009年年底开始禁用100W白炽灯，2010年年底开始禁用75W白炽灯，这无疑又是给LED照明市场带来非常大的机会。伴随LED照明驱动 电源 恒流控制技术的进步和LED光源价格的不断降低，LED照明与千家万户的距离进一步拉近。 LED照明驱动电源恒流控制技术的进步，大多数表现在以下几个方面：1） 芯片 外围控制 电路 的不断简化，主级侧恒流技术

  芯片技术 /

  在航天设备测试中，陀螺和加速度计测试是必不可少的重要组成部分。随着陀螺与加速度计精度水平的提高，测试过程中对其激励源-恒流源的精度要求慢慢的升高。本文给出了一种基于PXI总线的高精度恒流源设计，并已成功应用于很多航天型号的陀螺和加速度计测试中。 1 系统模块设计 图1 系统框图 如图1所示，系统通过PXI总线与上位机进行通信，本地总线与PXI总线通过PXI接口电路连接。PXI接口电路将PXI总线指令翻译成本地局部总线传给FPGA,通过FPGA将PXI总线传输给D/A进行转换，D/A转换后的电压经V/I转换为高精度电流输出给用户。 2 系统电路设计 2.1 PXI接口电路

  1原理 作为精密直流测量系统，高稳定度的恒流源的设计是十分重要的。本系统采用的是集成运放反馈型恒流源电路，它通过负反馈作用，便加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流的恒定 .图1是反馈型恒流源的电路及方框图，这中间还包括高速管理、采样电阻、基准电压、比较放大器等。在要求输出电流比较大、精度较高的实际应用中，采用反馈型恒流源电路是行之有效的方法。 由图1（a）可知，比较放大器一个输入端是基准电压Us，另一端是负载电流I 0 ，采样电阻Rs的电压降I 0 R s ，若比较放大器两个输入电压暂时不等，其电压值被放大后，加到高速管的栅极（ G）与源极（ S ）之间，从而改变调整管V GS 的值，由调整管的转移特性可知

  的试制 /

  传统的负载检测将电阻、电容以及电感等串并联组合模拟实际负载，这样的做法负载形式单一、大小不能连续调节，且占用较大安装空间，电能损耗大。直流电子负载克服了传统负载的缺点，不仅仅可以精确检测负载电压、调整负载电流，同时还能轻松实现模拟负载短路。直流电子负载已成为开关电源相关设备调试检测中的重要仪器。 文中设计了一款简易的直流电子负载，采用Msp430F169微控制器作为程序和算法控制单元，配合基于MOSFET的恒流源电路，实现了直流电流输出和负载电压调制率测量的功能。 1 系统总体框图和工作原理 1．1 系统总体框图 根据直流电子负载的基本功能要求及工作原理，系统最重要的包含：4 x 4键盘模块、电源模块、LCD12864显示模块

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