一種數(shù)控直流恒流源的設(shè)計

李彩云，胡洪波

(上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 上饒 334109)

0 引言

直流恒流源一般采用線性恒流式和開關(guān)恒流式兩種，開關(guān)式恒流源的效率高，一般只適用固定輸出或電流調(diào)節(jié)范圍小的場所，輸出紋波大，且穩(wěn)流精度低;線性式恒流源的優(yōu)點是:穩(wěn)流精度高、輸出紋波小，輸出電流調(diào)節(jié)范圍大，便于數(shù)字控制，電路簡單，可靠性高，成本低等，但效率不高。采用一定的控制技術(shù)，能實現(xiàn)恒流源的電壓調(diào)整管的壓降達到較低值，從而提高恒流源的效率。

1 用三端輸出可調(diào)集成穩(wěn)壓器構(gòu)成恒流源

采用LM317 型三端輸出可調(diào)集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源如圖1所示。

圖1 LM317 構(gòu)成的恒流源基本電路

LM317的輸出端(OUT)與調(diào)整端(ADJ)的基準(zhǔn)電壓為1.25V，其穩(wěn)定度較高，優(yōu)于0.07%，Iadj僅50μA，用LM317構(gòu)成恒流源其最小輸出電流可達1mA，因此能滿足系統(tǒng)的最小輸出值，D1、D2為保護二極管，采用1N4001 ～4003。

因此，

RW采用1/2W 多圈線繞電位器，調(diào)節(jié)RW能使IL達到設(shè)計要求值。

設(shè)R=R1+RW，恒流源輸出電流與R的選擇參見表1。

表1 電阻選擇

在設(shè)計時，RW的取值為R1的1/10 左右，盡量減小電位器的功耗。

對于256mA、512mA和1024mA的三種恒流電波，為了提高LM317的可靠性，采用擴流技術(shù)或采用5A的LM317。

1mA的恒流可以選用輸入電壓＞40V，恒壓為2.5V的電壓基準(zhǔn)構(gòu)成，其方法同LM317 構(gòu)成恒流源。

2 恒流源輸出電流的合成控制方式

將1mA、2mA、4mA、8mA、16mA、32mA、64mA、128mA、256mA、512mA、1024mA、1024mA 共12個獨立的恒流源通過單片機進行控制，實現(xiàn)1mA ～3071mA 范圍內(nèi)和任一電流預(yù)置，步進增減，步長為1mA。

對輸出電流合成控制的傳統(tǒng)方法是在恒流源加到負載上采用繼電器控制，其缺點是控制速度慢，一般為20ms，可靠性低，繼電器工作會產(chǎn)生輸出干擾，另外當(dāng)不提供輸出電流的恒流源處于懸浮狀態(tài)，容易損壞恒流源，特別是LM317容易損壞。本設(shè)計中采用光電耦合器進行輸出電流的合成控制能克服上述繼電器控制的缺陷。

光電耦合器的控制速度快，一般在μs級，能實現(xiàn)無觸點控制，小于32mA的電流控制可以直接用光電耦合器4N35，大于32mA的電流控制采用光電耦合器和外接三極管(或場效應(yīng)管)構(gòu)成達林頓管進行控制，如圖2所示。主電路由1mA ～1024mA 等十二個獨立單元恒流源組成，a0 ～a11 受單片機控制。當(dāng)一個單元恒流源的光電耦合器a 端加上5V 電壓時，該單元恒流源的LM317的輸入加上電源電壓Ui，并給負載RL提供一個設(shè)定的電流，用程序控制，負載RL能得到1mA ～3071mA的任意值的恒定電流，其電流穩(wěn)定度能達到0.1%，精度可達1%，采用單片機能實現(xiàn)輸出電流數(shù)顯，預(yù)置和步進等功能。

圖2 1mA、2mA、512mA、1024mA的恒流單元電路

光電耦合器所外接的三極管，64mA、128mA、256mA 單元采用2N5551 或1A的場效應(yīng)管，512mA、1024mA 單元采用3DD01 或3A的場效應(yīng)管。

3 提高系統(tǒng)效率

LM317是各單元恒流源的核心，為了提高系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換效率，其主要就是提高LM317的電源轉(zhuǎn)換效率，降低LM317的輸入輸出壓降，采用低壓差的LM317 系列產(chǎn)品，其最小輸入輸出壓差可達0.7V，并能正常工作，普通的LM317一般要求輸入輸出壓差大于3V 才能正常工作。

恒流源的特點是隨負載電阻增大時輸出電壓增高，恒流源輸入電壓=恒流值×負載電阻+恒流源壓降，例如輸入電壓為40V，當(dāng)輸出電流設(shè)置在3A 時，恒流源的壓降最小為3V，則負載電阻最大為12Ω 左右，當(dāng)在同樣條件下，負載電阻為1Ω 時，則恒流源的壓降為34V，此時的LM317 會因功耗過大而損壞。因此可將電源變壓器設(shè)計成次級為多抽頭變壓器，通過檢測恒流源的輸入與輸出的壓差來控制變壓器的抽頭切換，可以實現(xiàn)恒流源的輸入與輸出的壓差在3V ～6V 范圍內(nèi)。另外，也可以采用開關(guān)電源作輸入，利用輸入與輸出壓差的大小來控制開關(guān)電源的占空比，從而實現(xiàn)恒流源的輸入與輸出的壓差為3V ～6V 范圍內(nèi)，降低其功耗，提高系統(tǒng)的效率。

4 小結(jié)

采用LM317 作恒流源，成本低，功耗小，方便調(diào)節(jié)，光電耦合器控制速度快，實現(xiàn)控制系統(tǒng)與恒流源隔離，克服了數(shù)字信號對恒流源的干擾，系統(tǒng)的恒流精度高，輸出紋波小，易于集成化生產(chǎn)。

［1］《中國集成電路大全》編寫委員會.中國集成電路大全［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1989.

［2］陳永真.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.