一種應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)的恒流源加熱電路

蔡 璇

(中北大學(xué) 信息探測(cè)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(duì)溫控系統(tǒng)穩(wěn)定性要求也越來(lái)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(cè)量得到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)以后輸入到控制電路，而控制電路的基本原理是通過(guò)將測(cè)量得到的溫度信號(hào)與一個(gè)標(biāo)定的溫度信號(hào)進(jìn)行比較，如果測(cè)量得到的溫度信號(hào)小于標(biāo)定的溫度信號(hào)，則控制電路驅(qū)動(dòng)加熱電路對(duì)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(cè)量得到的溫度信號(hào)升高，反之則加熱電路停止加熱，因此加熱電路的好壞對(duì)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(hào)的一部分或者全部通過(guò)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(shì)，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(duì)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(lái)的電壓信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)加熱絲的功率，在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(duì)此有較好的抑制效果。

2 場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管恒流源［2］。場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管，N 溝道場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)。因此只要讓場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管，加熱絲兩端的電壓經(jīng)過(guò)分壓后分別通過(guò)兩個(gè)電壓跟隨器作比較然后經(jīng)過(guò)放大后輸出，雙運(yùn)放輸出管腳直接與場(chǎng)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(lái)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(duì)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(chǎng)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(cè)得的信號(hào)是低頻微弱信號(hào)，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(duì)輸出信號(hào)的影響，在實(shí)驗(yàn)中AD8512 性能穩(wěn)定。

在電路中選用場(chǎng)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(chǎng)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(lái)測(cè)量采樣電流。場(chǎng)效應(yīng)管在使用過(guò)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(jiǎn)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(hào)由JP1 端輸入，運(yùn)放AD8512 的1 管腳為輸出接場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(guò)分壓電阻后分別通過(guò)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(guò)測(cè)試AD8512 的7 管腳輸出端的測(cè)試點(diǎn)tp1 處的電壓值記為Utp1，則有:

由式(1)可以推算出場(chǎng)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(guò)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(cè)量值，則有:

由式(2)可計(jì)算出ΔU 的值，通過(guò)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(chǎng)效應(yīng)管可以正常工作，是柵極對(duì)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(cè)試點(diǎn)輸出，ΔU 為加熱絲兩端的電壓差，其測(cè)量值是通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量得到，理論值是根據(jù)加熱電路輸出測(cè)量值計(jì)算所得，Uo為加熱電路輸出，其理論值是通過(guò)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(cè)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(hào)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(guò)管道的時(shí)間，以此來(lái)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(hào)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(cè)試點(diǎn)測(cè)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(chǎng)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(jiǎn)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(guò)簡(jiǎn)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(cè)

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

［2］田俊杰，董威.基于場(chǎng)效應(yīng)管的恒流源設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)測(cè)試，2009，35(1) ：118－121.