可控恒流源设计与制作
2017-04-21黄桂梅刘永立王亚青邵联合
黄桂梅，刘永立，王亚青，邵联合
(保定电力职业技术学院，河北 保定 071051)
可控恒流源设计与制作
黄桂梅，刘永立，王亚青，邵联合
(保定电力职业技术学院，河北 保定 071051)
恒流源在现代检测计量以及节能环保等热点领域中发挥着重要作用，从可控恒流源系统的整体方案设计，到各模块电路设计、原理、特点及参数选择进行了分析讨论和实践，并且分析了影响恒流源技术指标的因素及解决办法；说明了采用单片机实现连续输出与脉动输出的控制思路，同时提供了软件编程的框图。
可控恒流源；升压电路；限幅电路；脉动输出
0 引 言
目前LED发光体、电动车、太阳能发电等都已得到了广泛使用； LED发光体的使用需要恒流源驱动；电动车、太阳能发电必备的蓄能电池也需要恒流源充电；实践证明，对LED发光体的用电、蓄能电池的充电等需遵循一定的工作方式，尤其是恒流源电流的大小，电压的高低，恒流输出的模式等都会对恒流源负载的寿命甚至安全产生影响。因此选用合理的可控恒流源的电路模式也就应运而生，本文就此进行了探讨和制作实践。
图1 可控恒流源系统
1 可控恒流源系统整体构成
如图1所示，可控恒流源系统由升压模块、恒流模块、限幅模块、报警模块、控制模块五部分组成。升压模块用来将电池电压(例3.5 V)经高频调制后转换成恒流模块所需的直流高电压(例14 V)；该电压用来给恒流模块提供工作条件[1]。
恒流模块则接受控制模块(虚框内)给出连续或脉动控制电压，并将其转换成相应的恒流电流信号；例图中是将1V基准电压送到恒流模块的输入端，经1 V/5 Ω=0.2 A(即200 mA)转换后将恒流电流200 mA输出到负载端。
限幅模块就是限制负载两端的电压；例10.5 V，当电压低于该值时限幅电路处于截止状态不起作用；当负载电阻增加时其输出电压UO也增加，当电压UO超过设定值10.5 V时，限幅电路导通进行分流以保证端电压不变。
报警模块是一个电压比较器，当输出电压低于设定值时比较器输出高电平，指示灯不亮；当输出电压大于设定值后比较器输出低电平，指示灯被点亮。
控制模块就是控制恒流源电流的大小及工作方式；其中的单片机是用来产生脉动信号并通过按钮对脉动信号进行控制，通过液晶显示器、LED灯显示其工作状态。
2 升压模块设计
2.1 升压原理分析
升压原理是利用电感线圈的储能特性，直流电压在高频开关作用下使电感线圈中的电流发生交替变化产生反电势；该感应电势与电源电压叠加送到负载端实现升压。
如图2(a)所示，当开关T导通时，UL=US电感电流线性增加，电感储能增加，电源向电感储存电能，电感上出现的反电势为左正右负；当开关T断开时，UL=US-UC电感电流线性减小，电感储能减少，电感上的感应电势开始反转：变为右正左负，正好与电源电压一致，此时电源电压US与电感上的电压UL串联叠加到续流二极管D上，使二极管导通。这时负载R上会得到电源电压再加上电感上的电压之和；从而使电源电压在输出负载R端的电压UO得到提升；电容C用于高频滤波。
图2 升压电路原理图
2.2 升压实际电路
实际升压电路如图2(b)所示。图2(a)中的开关T在实际电路(b)中是用集成芯片中的大功率电子开关所取代。图中XL6009是专用升压芯片的一种。1脚GND接地，2脚EN为芯片使能，高电平有效，低电平关闭，所以该脚不接为高电平。3脚SW是电子开关，内部为大功率场效应管，以便能产生足够的驱动电流。场效应管由高频脉宽调制电路来控制其导通或截止的占空比。4脚VIN为输入端，接入低压直流电源(或电池)；5脚FB为负反馈端，该端由外接的电阻分压电路来检测输出电压的大小，当输出端UCC电压因某种原因升高时，则其分压值也升高，反馈端FB感受这一变化并通过内部运算放大器控制驱动管减少高频开关的占空比，从而减少电压上升的趋势使电压稳定在某一固定值上。改变R1和R2的分压值可改变升压模块的输出值。由图中可知5脚FB对地1间的基准值为1.25 V。所以模块的输出电压UCC=1.25(1+R2/R1)[2]。
3 恒流模块设计
3.1 恒流原理分析
图3 恒流源电路
恒流源是基于内阻无限大，相对負载电阻变化很小而言，可控恒流源是指其恒流大小及模式可根据要求而改变。基于上述情况，晶体三极管是理想的可控恒流源。如图3(a)所示，由于三极管的集电结处于反偏状态，内阻很大，其集电极电流不受集电极负载控制，只受基极电流控制，即IC=βIb因而只要受控端基极电流不变，集电极电流IC就不变，从而满足可控恒流源的基本条件。但只靠晶体管本身还不能满足使用要求，因为环境温度的变化会使晶体管的结电压及电流放大倍数发生变化；如在基极电压Ub不变前提下，如果环境温度升高則结电压会降低，从而使基极电流增加，导致集电极电流也隨之增加。所以根据负反馈原理,实用电路需加电流负反馈，如图3(a)中的Re为电流负反馈电阻，用来稳定输出电流。当负载或温度等因素引起输出回路中的IC变化时会使Ie发生变化，导致UR变化，该变化会影响输入回路；例IC↑→IR↑→UR↑；因为输入电压Ub不变，故晶体管结电压Ube=Ub-UR↑受到挤压开始下降，并控制IC也下降，从而使输出电流趋于稳定；稳定精度决定输出与输入的放大系数。放大系数越大反馈回路的比例调节得到的电流偏差越小。上述电路适合对恒流精度要求不高的场合。对恒流精度要求高的场合，需进一步提高反馈回路的放大倍数；实用电路如图3(b)所示，其中Q2与Q1构成复合管，用来提高电流放大系数即β=β1·β2；IC-1运放构成同相电压跟随器，尽管电压放大倍数为1但电流放大倍数却接近无限大，根据运放“虚短”原理，输出Re上的电压总是跟随输入Ub上的电压，从而输出电流IC=Ub/Re被锁定；所以该电路具有高精度恒流性能[3-4]。
3.2 电路参数的选择
3.2.1 晶体管选择
Q1为驱动管，应选择大功率管如BD201等；技术指标要求高的可选用大功率开关管或IGBT管，使其饱和压降尽量小些且应有较大的功率冗余；功率管散热器面积也要符合要求。Q2为复合管，用来提高β值，可选β较高的中小功率管如8050等。
3.2.2 反馈电阻选择
为保证精度应选用电阻温度系数小的功率电阻，其阻值在0.1 Ω～5 Ω左右，具体阻值应根据应用场合确定，阻值过小反馈灵敏度会降低，阻值大些可增加负反馈的灵敏度，但过大则额外损耗增加，效率降低；一般设计反馈电阻选择为5 Ω。
3.2.3 运算放大器选择
考虑到恒流电源的能量来自锂电池或铅酸电池，为节省电量，供电方式多采用单电源，所以运算放大器应选用可以单电源工作、低功耗、高增益型，如LM358 等。
4 限幅与报警模块设计
4.1 限幅模块
一般对蓄能电池的充电，除了要恒流外还要限幅，以避免电池过充电。实现限幅的方法很多。如图4所示，为并联型稳压电源工作方式，其恒压值就是并联稳压电源的稳压值，该方式简明实用。图中TL431为三端可控二极管，其限幅电压UW=UD·(1+RW/R1)，式中UD为TL431控制端对地的稳压值2.5 V，RW和R1分別是TL431控制引脚的上下分压电阻值。改变变阻器中心触头的位置可改变分压系数，例当RW=R1时，则限幅值为UW=2.5·(1+RW/R1)=2.5·(1+1)=5 V，又如当RW=3R1时其限幅值为UW=2.5·(1+Rw/R1)=2.5·(1+3)=10 V。所以RW的电阻值越大其限幅的电压越高。
图4 限幅电路图 图5 报警电路图
限幅模块限幅过程如下：恒流源负载上的电压UO会随负载电阻RO增加而增加，当UO
4.2 报警模块
如图5所示：LM339为电压比较器芯片，内有四个独立的运算放大器单元，报警电路中只用了一个比较单元。LM339可以单电源工作；其输出为OC门，即集电极开路方式。比较器的同相输入端接基准电压，反相输入端接分压电路，调整分压的电位器RW1分压值使其恒流源端电压在设定值时(例10.5 V)比较器发生翻转。即输出由高电平转为低电平。于是LED发光管点亮，发出报警信号。
5 控制模块设计
由前面的图1可知，控制模块主要由AVR单片机ATmega16芯片、分压电阻等组成。控制模块主要任务是控制恒流源输出电
流的大小及工作方式。恒流源的各档电流由两个三分压电路提供，当连续输出时由连续分压电路提供，脉动输出时由单片机产生脉宽调制信号经分压给出。这两个分压电路如图6所示：图6(b)为脉动分压电路，由单片机直接提供5 V脉动信号，再通过分压得到相应的脉动电流，例分压值为3 V时则其脉动的峰值电流等于3 V/5 Ω=0.6 A=600 mA。
图6 恒流源分压电路
图7(a)为单片机整机工作的程序流程图，由图中可知单片机按连续模式、脉动模式及测试模式三种方式工作。其中连续和脉动两种工作模式用于驱动恒流源，使恒流源输出各种不同方式的恒流信号。测试模式用于驱动LED发光管，是用来检查恒流源的工作状态[5-6]。
图7 程序框图
5.1 连续模式
由上所述，连续模式的恒流输出由精密稳压源经分压确定。精密稳压源多采用专用稳压芯片TL431或LM399作为基准电压再通过电位器不同的分压来得到所需的恒流电流，相对比较简单；由图3(b)可知当Re等于5 Ω，Ub分別为0.5V，0.75V，1V时。则IO=Ub/Re就分别有100 mA，150 mA，200 mA的恒流输出。
5.2 脉动模式
脉动模式是由脉宽调制信号经电位器分压加到恒流源的输入端，再由恒流源转換成相应的脉动电流信号来实现的。脉动方式的间歇工作特点可对蓄能电池的充电产生更好的效果。脉宽调制信号的产生可以用硬件电路搭接，如用555芯片组成振荡电路；也可以由单片机来实现，使用单片机会有更好的灵活性。本例使用ATmega16单片机产生脉动信号[7]。
5.2.1 脉动信号产生的硬件设置
在ATmega16单片机中有三个定时器，T0和T2 为8位计数器，T1为16位计数器，选择一个闲置的计数器，例用T0，将T0硬件设置为8 M/8=1 M分频，周期为1 μs，计满是255，所以预装值为156，这样在156的基础上再计100次就计满溢出了，所以T0每溢出中断一次需要1 μs·100=100 μs的时间，设X为中断变量的计数值，则X记录了0.1 ms的次数，设XX为1 ms的变量的计数值，则X计10个数就得了1 ms的变量XX。如果要得到周期为10 ms、30 ms、100 ms并要求有1/3占空比且误差小于2%的脉冲信号时,则需由单片机根据X和XX变量编制程序来实现。
5.2.2 脉动信号产生的软件流程
由上述分析可得单片机脉动程序框图如7(b)所示： aa为三挡选择变量，根据aa的1-3个编号可选择周期为10 ms、30 ms、100 ms、占空比为1/3的不同输出。当aa=1时则选择10 ms，aa=2时选择30 ms，aa=3时选择100 ms。OUT为单片机的一个I/O口，该口可根据变量aa的选择输出5V，占空比1/3的脉动周期信号；该信号再经电位器分压可选择1.5 V、2.25 V、3 V三种其中一种脉宽电压送到恒流模块的输入端，再由恒流模块转换成对应的300 mA、450 mA、600 mA的脉宽峰值电流输出值[8]。
6 结束语
通过对连续/脉动可控恒流源方案的设计与制作，无论是功能上还是技术指标上都达到了规定的要求；该技术方案在实际应用中有一定的借鉴意义。为此，本次设计的作品获得了2015年度全国大学生电子大赛高职高专组国家级二等奖。
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[7] 谢海瑞.基于单片机的数控恒流源电路的设计[EB/OL].电子技术网http://www.elecfans.com/emb/danpianji/20140304336586.html
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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
黄桂梅，(1967-)女，江西赣州人，硕士，教授，主要研究方向：从事电子电路设计，自动检测技术，单片机控制。
定稿日期: 2016-08-12
