超高穩(wěn)定度大直流恒流源的設(shè)計(jì)*

占 清,朱自科,陳 勇,張自長(zhǎng),曾舒帆,李亞娟

(1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院,昆明 650224;2.云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院,昆明 650228)

超高穩(wěn)定度大直流恒流源的設(shè)計(jì)*

占 清1,2,朱自科2*,陳 勇2,張自長(zhǎng)2,曾舒帆2,李亞娟2

(1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院,昆明 650224;2.云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院,昆明 650228)

研制的超高穩(wěn)定度大直流恒流源在國(guó)防、計(jì)量、精密測(cè)量等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價(jià)值。該直流恒流源主要采用直流電流比較儀作為反饋采樣元件,使用“極低負(fù)載效應(yīng)分布式電阻”作為恒流源的輸出信號(hào)采樣電阻,可降低電阻功耗,溫漂減小,噪聲有抵消效應(yīng),使恒流源的穩(wěn)定性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí);采用功率管并聯(lián),實(shí)現(xiàn)大直流輸出。測(cè)試結(jié)果表明:該恒流源穩(wěn)定性優(yōu)于0.001%(1 min),最大輸出電流達(dá)400 A,是一款性能優(yōu)異的超高穩(wěn)定度的大直流恒流源。

恒流源;超高穩(wěn)定;極低負(fù)載效應(yīng);大電流;直流電流比較儀

恒流源以輸入交流電壓控制輸出穩(wěn)定的電流達(dá)到穩(wěn)流流目的,實(shí)際應(yīng)用中通過采樣輸出電壓信號(hào),通過閉環(huán)反饋與基準(zhǔn)直流電壓信號(hào)通過比較控制放大器進(jìn)行比較放大調(diào)節(jié)輸出高穩(wěn)定的電流。恒流源在鐵路交通、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、通信技術(shù)、國(guó)防工業(yè)、光電效應(yīng)以及計(jì)量測(cè)試等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,隨著電子技術(shù)與數(shù)字電路的廣泛應(yīng)用與不斷地發(fā)展,各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)懔髟刺岢隽烁叩囊骩1]。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的超高穩(wěn)定度大直流恒流源,具有高可靠性、高穩(wěn)定度、大電流、大功率等特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的恒流源無法同時(shí)兼顧高穩(wěn)定的同時(shí)輸出大電流,因此研制超穩(wěn)定度恒流源具是非常有意義的。

1 恒流源的基本原理

理想的恒流源應(yīng)具有以下特點(diǎn):內(nèi)阻無限大,電流不因負(fù)載變化以及環(huán)境溫度變化而改變。恒流源系統(tǒng)采用了高穩(wěn)定度、波紋系數(shù)小、線性負(fù)反饋式恒流源形式[2],系統(tǒng)主要由電源、功率放大電路、采樣反饋電路、D/A、A/D以及單片機(jī)模塊組成,系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 恒流源的整體設(shè)計(jì)

2 恒流源關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)

恒流源需解決輸出電流大且可連續(xù)可調(diào)、低漂移以及在功放單元中并聯(lián)方式擴(kuò)展量程共地引起的不穩(wěn)定以及功放散熱問題等問題。下面介紹幾個(gè)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)。

2.1 電源電路

高品質(zhì)的電源設(shè)計(jì)是恒流源能夠高效地工作的前提條件之一。恒流源電路的供電部分主要采用的橋式整流電路。第1部分為主電源電路,應(yīng)用電容濾波型三相橋式整流電路[3-4],能得到平滑的大功率電信號(hào),應(yīng)用在對(duì)電源信號(hào)質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合;將輸入信號(hào)進(jìn)行有效的隔離濾波,供電部分輸入380 V、32 A的三相交流電,此部分作用主要是為功放電路的功率管供電,高品質(zhì)的電源提高功率三極管的使用性能,簡(jiǎn)化了功放電路,提高了恒流源的工作可靠性。第2部分為輔助電源電路,此部分主要為單相整流濾波電路,輸入220 V、50 Hz的市電,經(jīng)過變壓器變壓整流濾波之后,經(jīng)過穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓輸出電壓信號(hào),此部分主要給運(yùn)算放大器IC供電。

2.2 直流反饋采樣電路

直流恒流源主要采用直流電流比較儀作為反饋采樣元件,使用“極低負(fù)載效應(yīng)分布式電阻”作為恒流源的反饋和輸出信號(hào)采樣電阻,可使系統(tǒng)電阻消耗的功率下降,溫漂減小,噪聲有抵消效應(yīng),采樣環(huán)節(jié)幾乎不產(chǎn)生發(fā)熱,使恒流源的穩(wěn)定性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。直流電流比較儀與“極低負(fù)載效應(yīng)分布式電阻”構(gòu)成的反饋采樣元件的組合,使得恒流源能輸出超高穩(wěn)定的大直流電流。

2.2.1 直流電流比較儀

在傳統(tǒng)的恒流源設(shè)計(jì)中,采用分流器實(shí)現(xiàn)直流采樣,一般對(duì)于小電流采樣是能滿足需求,但是對(duì)于大電流采樣,存在采樣電壓信號(hào)低、信噪比低、穩(wěn)定漂移高、溫漂較大,制約著恒流源穩(wěn)定性提高。在本項(xiàng)項(xiàng)目中,采用直流比較儀來實(shí)現(xiàn)電流變換采樣,提供精確的電流比例變化,提高了恒流源穩(wěn)定性[5],直流比較儀如圖2所示。

圖2 直流電流比較儀原理

在恒流源的反饋換件采用直流反饋,采用磁調(diào)制式直流電流比較儀作為反饋元件,直流電力與比較儀能夠?qū)⒏鳈n電流(無論是大電流還是小電流)變換成歸一化的滿幅信號(hào)為0.1 A的小電流進(jìn)行采樣,這樣解決了在采樣環(huán)節(jié)的因溫度漂移造成恒流源輸出電流不穩(wěn)定的問題,而且能夠做到大電流與小電流具有相同的穩(wěn)定度,同時(shí)大大地降低了采樣環(huán)節(jié)的功耗,使采樣環(huán)節(jié)幾乎不產(chǎn)生熱量。磁調(diào)制式直流電流比較儀一般采用對(duì)稱雙鐵芯,四繞組結(jié)構(gòu)和“零磁通”原理的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),能有效抑制激勵(lì)振蕩器的零頻噪聲以及減少輸出高次的諧波的優(yōu)勢(shì),具有高精度、低溫票、線性好的優(yōu)點(diǎn)[6]。

2.2.2 采樣電阻

恒流源的穩(wěn)定性也取決于以下3種部件。第1是標(biāo)準(zhǔn)直流電壓源,第2是低噪聲的放大器,第3是采樣電阻。前兩種由于電子技術(shù)的進(jìn)步得到充分的發(fā)展,而采樣電阻則停滯不前。采樣電阻由于負(fù)載系數(shù)的影響,電流通過電阻而發(fā)熱,使得電阻值發(fā)生改變。一般情況下,減小負(fù)載系數(shù)的影響,可從兩方面著手。一方面減小采樣電阻對(duì)周圍環(huán)境的熱阻,同樣負(fù)載下的溫度變化小。另一方面,采用溫度系數(shù)低的線繞電阻或者采用溫度補(bǔ)償方式,也可以使得采樣電阻在工作時(shí)阻值基本不發(fā)生改變。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的電阻器件基本都采樣“集成式”結(jié)構(gòu),一個(gè)電阻器件只包含一個(gè)電阻元件,由于這種電阻元件對(duì)外界的沖擊或應(yīng)力敏感,因此需要加上鎧裝進(jìn)行保護(hù),反而使得電阻元件在通電時(shí)因發(fā)熱使負(fù)載變大,影響恒流源的穩(wěn)定性。

恒流源的采樣電阻采用由中國(guó)計(jì)量科學(xué)院研發(fā)生產(chǎn)的 2只“極低負(fù)載效應(yīng)分布式負(fù)載電阻”串聯(lián)組成,阻值分別為50 Ω、10 Ω,采樣出滿幅為6 V信號(hào)直接作為反饋信號(hào)?！皹O低負(fù)載效應(yīng)分布式電阻”負(fù)載系數(shù)極小,優(yōu)于10-6量級(jí),性能明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)外電阻器件。將其作為采樣電阻,能全面提高恒流源的穩(wěn)定度。“極低負(fù)載效應(yīng)分布式電阻”采用并聯(lián)型的鏈形分布式電路結(jié)構(gòu),對(duì)環(huán)境的接觸面積大為增加,與參與并聯(lián)的電阻元件的高阻值相比,分布式電阻的連接導(dǎo)線自身的內(nèi)阻電阻的就顯得要小很多,對(duì)整個(gè)分布式電阻系統(tǒng)的影響就可以忽略不計(jì)。又因?yàn)榉峙浣o每個(gè)電阻元件的電流很小,使得熱阻降低,因此分布式電阻的總體負(fù)載效應(yīng)大為降低。分布式電阻結(jié)構(gòu)主要是把電阻元件并聯(lián)起來形成鏈形電路,為了去除連接導(dǎo)線以及接觸電阻的影響,其整體作為一個(gè)分布式的四端電阻,鏈形電路的輸入端作為電流端鈕[7]。電阻采用德國(guó)Isabellenhütte公司生產(chǎn)錳銅絲為線材的線繞電阻,選擇導(dǎo)熱性良好的紫銅作為電阻骨架。如圖3所示,r表示連接兩個(gè)電阻元件之間導(dǎo)線的內(nèi)阻,R表示參與并聯(lián)的每個(gè)電阻元件的阻值,它們構(gòu)成了四端鏈?zhǔn)椒植际诫娮璧囊粋€(gè)單元環(huán)節(jié),多個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)連接就形成了分布式電阻的結(jié)構(gòu)。

圖3 分布式電阻的一個(gè)環(huán)節(jié)

圖4 前置放大電路圖

2.3 前置放大電路的設(shè)計(jì)

前置放大電路的優(yōu)異直接影響功率放大電路性能,主要是通過負(fù)反饋原理,需要將基準(zhǔn)電壓與采樣信號(hào)通過運(yùn)算放大器進(jìn)行比較放大,從而驅(qū)動(dòng)功率放大電路[8]。圖4為前置放大電路圖,由多個(gè)運(yùn)算放大IC組成。

圖4中,Vs為可調(diào)直流基準(zhǔn)電壓源,Vi為采樣電壓,Vs由高性能的可調(diào)直流基準(zhǔn)電壓源提供。IC8為電壓跟隨器,IC9、IC10、IC11、IC12為反向比例放大器。采樣電壓Vi經(jīng)IC11反向放大產(chǎn)生信號(hào)作為IC12的反向端輸入信號(hào)放大產(chǎn)生信號(hào)V1,Vs經(jīng)過電壓跟隨器IC8后產(chǎn)生信號(hào)輸入IC9的反向端生成放大信號(hào)V2,V1與V2累加之和作為IC10的反向端輸入信號(hào),最后放大生成信號(hào)Vo流向功率放大電路。如果輸出電流增大,則采樣電壓Vi也隨之增大,而V1大小為負(fù)值,V2大小為正值,反饋電壓也增大,則輸出電壓Vo減小,其中Vo=K(V2-V1),K為運(yùn)算放大器增益放大倍數(shù)。圖中運(yùn)放IC均為OP07CP高精度低漂移運(yùn)算放大器。

2.4 功率放大模塊

2.4.1 功率放大電路設(shè)計(jì)

直流恒流源采用互射級(jí)跟隨器功率放大輸出,功率放大電路簡(jiǎn)圖如圖5所示。Q1、Q2、Q3組成電流放大電路使電流反向放大,產(chǎn)生的放大電流作為功率三極管Q的基極電流.每組三極管組均有多個(gè)達(dá)林頓三極管并聯(lián)而成[9]。每個(gè)達(dá)林頓三極管發(fā)射極端均通過阻值很小的線繞電阻與輸出端連接,將輸出電流放大至最大輸出400 A。

圖5 功率放大電路簡(jiǎn)圖

2.4.2 達(dá)林頓管的相關(guān)特性分析

目前市場(chǎng)上的功率放大器件主要由場(chǎng)效應(yīng)管與晶體三極管。場(chǎng)效應(yīng)管與晶體三極管相比較,各有所長(zhǎng),但是在大電壓大電流場(chǎng)合,場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)離散性相對(duì)較大,并且其配對(duì)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求較高,而晶體三極管的配對(duì)則相對(duì)較簡(jiǎn)單,能夠有效避免瞬態(tài)電流尖峰的沖擊[10-11]。本文設(shè)計(jì)的恒流源對(duì)功率管的直流電流增益要求較高,為實(shí)現(xiàn)恒流源的大電流、大功率輸出,必須為功率三極管提供較大的基極驅(qū)動(dòng)電流,所以功率管選用直流電流增益較大的NPN型大功率達(dá)林頓管MJ11032作為恒流源系統(tǒng)的電流放大器件。

達(dá)林頓管又稱復(fù)合管,一般由兩只功率三極管并聯(lián)組合形成一只新的功率三極管,其性能由第1只三極管決定。直流電流增益為三極管的是二者之積。在電子電路設(shè)計(jì)中,達(dá)林頓接法常用于功率放大器和穩(wěn)壓電源中。根據(jù)三極管放大特性可知:

IC=βIB

(1)

由式(1)可推出,理想狀態(tài)下,恒流源輸出電流的大小:

(2)

式中:i=1,2,3,…,n(n為整數(shù)),βi為達(dá)林頓管的直流電流增益。

2.4.3 功耗平衡措施

由于本文采取功率管并聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)大電流輸出,在理想情況下,通過功率管并聯(lián)能實(shí)現(xiàn)功耗的均衡。但是恒流源系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí),可能會(huì)因?yàn)橥ㄟ^某一功率管的電流過大而使系統(tǒng)功耗不均衡,甚至?xí)驕囟冗^高而損害元器件。為了保證恒流源系統(tǒng)的正常工作性能,實(shí)現(xiàn)功率管功耗均衡,我們主要需要解決電流均衡以及散熱均衡問題[12]。

通過功率管并聯(lián)實(shí)現(xiàn)電流的均衡,當(dāng)功率管供電電壓及保護(hù)電阻的阻值相同時(shí),在理論上,每只功率管功耗是相同的。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中,需要通過調(diào)整功率管的保護(hù)電阻阻值參數(shù)以及合理布線平衡系統(tǒng)的功耗。在功放環(huán)節(jié),由于功率管的主要功耗集中在集電區(qū)與集電極,故將MJ11032的基極與其散熱板相連,能夠有效地使恒流源系統(tǒng)正常工作。恒流源封裝在完整的機(jī)箱內(nèi),用于保護(hù)電子線路不受外界環(huán)境的干擾與影響,但是會(huì)不利于散熱,因此電子元器件的布局、機(jī)箱設(shè)計(jì)以及散熱風(fēng)道的設(shè)計(jì)尤為重要。將大功率元件放置于氣流入口的上游,將小功率元件置于氣流下游,便于增加空氣的流動(dòng),平衡機(jī)箱內(nèi)的溫度,使恒流源能夠散熱均衡[13-14]。

3 恒流源穩(wěn)定度分析

恒流源系統(tǒng)最大輸出電流可達(dá)400A,在實(shí)驗(yàn)中通過測(cè)量采樣電阻上電流的方法,檢驗(yàn)恒流源的穩(wěn)定度,間接說明功率管的均流情況,輸出電流穩(wěn)定度是直流恒流源的一個(gè)重要指標(biāo)就是,它是指輸出電流相對(duì)干自身變化量的比值,其公式如下所示:

(3)

式中:ID為電流設(shè)定值,Imax、Imin為每組電流測(cè)量值。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出電流高穩(wěn)定度、大電流以及低紋波系數(shù),在采樣電阻的選擇上,原先采用金屬箔電阻,恒流源輸出電流穩(wěn)定度并不令人滿意,隨后采用中國(guó)計(jì)量研究院研制的“極低負(fù)載效應(yīng)分布式電阻”,恒流源輸出電流的穩(wěn)定度達(dá)到了預(yù)期值。恒流源設(shè)有100A、400A兩檔電流值,通過步進(jìn)調(diào)節(jié),能夠?qū)崿F(xiàn)0～400A的電流輸出。本文通過恒流源系統(tǒng)設(shè)定電流值ID分別為100A、400A時(shí),系統(tǒng)輸出電流的穩(wěn)定度。

圖7 400 A電流輸出情況

在測(cè)試輸出電流穩(wěn)定度時(shí),由于系統(tǒng)剛開機(jī)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)輸出電流不穩(wěn)定,所以需要先將恒流源系統(tǒng)預(yù)熱20 min～30 min,再進(jìn)行輸出電流穩(wěn)定度的測(cè)量。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,連續(xù)記錄數(shù)據(jù),每3 min采集一次偏離平均數(shù)值最大的數(shù),每隔1 h計(jì)算一次輸出電流穩(wěn)定度。圖6為設(shè)定電流值ID=100 A時(shí)恒流源系統(tǒng)電流輸出情況,圖7為設(shè)定電流值ID=400 A時(shí)系統(tǒng)電流輸出情況。橫坐標(biāo)為輸出電流大小I,單位為A,縱坐標(biāo)為時(shí)間t,單位為min。由于恒流源的設(shè)計(jì)過程中,大功率管的散熱問題無法得到充分的解決,當(dāng)ID=400 A,若長(zhǎng)時(shí)間工作,將產(chǎn)生大量的熱,使得在400 A電流輸出時(shí),不得不考慮,恒流源的安全性,而恒流源主要作為標(biāo)準(zhǔn)源使用,應(yīng)用于計(jì)量領(lǐng)域,沒有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的需求,已經(jīng)能夠滿足實(shí)際的需求,所以實(shí)際的過程中,無需大功率管的散熱性能做更進(jìn)一步的優(yōu)化。由式(3)可知輸出電流穩(wěn)定度如表1所示,表1所表示的是恒流源系統(tǒng)輸出電流的穩(wěn)定度。

圖6 100 A電流輸出

電流/A極低負(fù)載效應(yīng)分布式電阻1h2h3h4h金屬箔電阻1h2h3h4h1000.00070%0.00080%0.00070%0.00050%0.00270%0.00170%0.00240%0.00120%4000.00100%0.00100%0.00050%0.00075%0.00500%0.01200%0.01800%0.01600%

測(cè)試100 A、400 A兩擋電流,在大直流恒流源具有很高的代表性,由以上數(shù)據(jù)可知,采用“極低負(fù)載效應(yīng)分布式電阻”作為采樣電阻,100 A擋電流穩(wěn)定度明顯優(yōu)于0.001%(min),400 A恒流源系統(tǒng)電流輸出穩(wěn)定度基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求0.001%(min)的要求,兩檔電流均隨著恒流源的運(yùn)行輸出電流趨于平穩(wěn)。但是,當(dāng)設(shè)定電流值為100 A,恒流源輸出電流曲線變化較為平緩,相較而言,當(dāng)設(shè)定電流值為400 A,恒流源源的輸出電流曲線變化相對(duì)大,可以推斷出,輸出電流越大,恒流源的穩(wěn)定度的線性度相對(duì)較差。

4 總結(jié)

研究的超高穩(wěn)定度大直流恒流源通過添加繞線電阻平衡以及優(yōu)化相關(guān)電路參數(shù)來平衡電流,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗平衡。選擇將“極低負(fù)載效應(yīng)分布式采樣電阻”應(yīng)用于直流恒流源作為反饋采樣電阻流中的電流變換的采樣電阻將極大提高電流源的穩(wěn)定度與精度。該恒流源系統(tǒng)輸出電流0～400 A,電路穩(wěn)定度達(dá)到0.001%(min),電流紋波系數(shù)小,散熱性較好。當(dāng)然,恒流源也存在不足,例如,當(dāng)設(shè)定電流值達(dá)到400 A時(shí),對(duì)其功率管散熱處措施是不夠優(yōu)化。

恒流源作為一種直流標(biāo)準(zhǔn)源,對(duì)我國(guó)恒源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。并聯(lián)功率三極管來實(shí)現(xiàn)恒流源的大直流輸出,基于這種技術(shù),在今后的600 A、800 A甚至更大電流的超高高穩(wěn)定大直流恒流源技術(shù)的研究,將會(huì)變得更加重要。

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Design of Ultrahigh-Stability Big DC Constant Current Source*

ZHANQing1,2,ZHUZike2*,CHENYong2,ZHANGZichang2,ZENGShufan2,LIYajuan2

(1.College of Mechanical and Transportation,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China;2.Yunnan Technological Research Institute of Metrology and Measurement,Kunming 650228,China)

Development of ultrahigh-stability big DC constant current source has important application value in the field of national defense industry,metrology,precision measurement and so on. The design of DC constant current source,DC current comparator was adopted as a sampling element and the Distributed Low Load Coefficient Precision Resistor was used as a constant current source feedback and the output signal of the sampling resistor,so the overall stability of the constant current sources was improved. And the power tube in parallel realized DC constant current source of big current output,thereby the system reliability was also improved. The performance of the designed constant current source is tested,and the results indicate that the source could generate a ultrahigh-stability current. The stability of the output current is excel to 0.001%(min),the maximal output current is 400 A and it’s an excellent ultrahigh-stability big DC constant current source.

constant current source;ultrahigh-stability;low load coefficient;big current;DC current comparator

項(xiàng)目來源:國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2011YQ090004)

2016-04-19 修改日期:2016-05-25

TM9

A

1005-9490(2017)03-0607-05

C:1210

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.018