高穩(wěn)定度恒流源的研究與影響因素分析

黨玉杰，董全林，孫茂多，楊婭姣

(1.教育部微納測控與低維物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191；2.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191)

高穩(wěn)定度恒流源的研究與影響因素分析

黨玉杰1，2，董全林1，2，孫茂多1，2，楊婭姣1，2

(1.教育部微納測控與低維物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191；2.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191)

以一款穩(wěn)定度為2×10－6/min串聯(lián)補(bǔ)償型透射電子顯微鏡物鏡恒流源為例，研究其原理設(shè)計(jì)，建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)，通過討論各影響因素與相對(duì)電流變化之間的關(guān)系，分析了恒流源的內(nèi)部因素和外部因素對(duì)電流穩(wěn)定度的影響，得到直接影響因素是基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性、采樣電阻的變化及放大器自身參數(shù)的變化，間接影響因素是調(diào)整管的自身參數(shù)變化、放大環(huán)節(jié)的電壓增益變化、主回路輸入電壓的波動(dòng)、負(fù)載電阻的變化，為開展恒流源的高穩(wěn)定度設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

恒流源；高穩(wěn)定度；影響因素；傳遞函數(shù)

恒流源是指能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源，高穩(wěn)定度的恒流源是電子顯微鏡、粒子加速器、質(zhì)譜儀以及β譜儀等現(xiàn)代儀器中產(chǎn)生穩(wěn)定磁場的核心電源系統(tǒng)之一，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊[1-2]。應(yīng)用于透射電子顯微鏡的恒流源主要為磁透鏡提供激勵(lì)電流。為提高透射電子顯微鏡的性能，滿足其高分辨率的性能指標(biāo)，要求恒流源的電流穩(wěn)定度是非常高的，通常為10－5～10－6/min。其中物鏡是透射電子顯微鏡成像系統(tǒng)的第一個(gè)透鏡，由其造成的像差會(huì)被中間鏡與投影鏡繼續(xù)放大，所以物鏡恒流源的穩(wěn)定度是最高的。

目前，高穩(wěn)定度的透射電子顯微鏡物鏡恒流源通常采用串聯(lián)補(bǔ)償方式設(shè)計(jì)。串聯(lián)補(bǔ)償型恒流源是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，依靠與負(fù)載串聯(lián)的調(diào)整管內(nèi)阻變化來補(bǔ)償輸出電流的變化[3-5]。影響其輸出電流穩(wěn)定性的因素可歸為兩部分：一是構(gòu)成恒流源的內(nèi)部因素，基準(zhǔn)電壓、采樣電阻、放大和調(diào)整環(huán)節(jié)；二是恒流源所處的外部因素，輸入電源電壓、負(fù)載電阻和環(huán)境溫度的變化[6]。

本文以一款穩(wěn)定度為2×10－6/min的串聯(lián)補(bǔ)償型透射電子顯微鏡物鏡恒流源為例，研究其工作原理，建立其系統(tǒng)傳遞函數(shù)，討論上述各影響因素對(duì)輸出電流穩(wěn)定度的影響，為高穩(wěn)定度恒流源的研究設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 物鏡恒流源的工作原理

本文討論的透射電子顯微鏡物鏡恒流源的原理如圖1所示，主要由基準(zhǔn)電壓、差分放大電路、反向放大電路、電流輸出前置驅(qū)動(dòng)、電流輸出功率模塊、負(fù)載線圈、采樣電阻以及相關(guān)的補(bǔ)償和保護(hù)電路組成。

差分放大電路用于放大基準(zhǔn)電壓與采樣電壓的差值信號(hào)；反向放大電路用于進(jìn)一步放大差值信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電流輸出前置驅(qū)動(dòng)工作；電流輸出前置驅(qū)動(dòng)由調(diào)整管T1和T2構(gòu)成，進(jìn)一步放大電壓信號(hào)；電流輸出功率模塊由大功率調(diào)整管T3和T4～T35構(gòu)成的并聯(lián)擴(kuò)流電路組成，可獲得所需的大強(qiáng)度電流，并使單個(gè)調(diào)整管的負(fù)荷減少，繼而降低其熱效應(yīng)；采樣電阻與負(fù)載串聯(lián)，對(duì)物鏡恒流源的輸出電流采樣，然后轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)而作為差分放大電路的反向輸入端；是經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓后的主回路輸入電壓，作為物鏡恒流源的功率來源。

圖1 物鏡恒流源的原理圖

圖2 物鏡恒流源的結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)合圖2所示，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

2 影響物鏡恒流源穩(wěn)定度的因素

2.1 內(nèi)部因素

2.1.1 基準(zhǔn)電壓

由式(4)可知：電流的相對(duì)變化與基準(zhǔn)電壓的相對(duì)變化量成正比，所以基準(zhǔn)電壓是影響物鏡恒流源輸出電流穩(wěn)定度的重要因素?；鶞?zhǔn)電壓穩(wěn)定度的大小是物鏡恒流源穩(wěn)定度的極限。因此，如果要得到高穩(wěn)定度的物鏡恒流源，必須設(shè)計(jì)出穩(wěn)定度更優(yōu)的基準(zhǔn)電壓。

2.1.2 采樣電阻

在該反饋型物鏡恒流源電路中，采樣電阻與負(fù)載串聯(lián)，并由此檢測電流的變化，其穩(wěn)定性會(huì)影響到物鏡恒流源的穩(wěn)定度[2，6-8]。由式(3)對(duì)求微分，化簡得電流的相對(duì)變化為：

式(5)中的負(fù)號(hào)表示等式兩邊的變化方向是相反的，并且采樣電阻的相對(duì)變化量直接影響物鏡恒流源輸出電流的穩(wěn)定度。

2.1.3 放大器

放大器的輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓溫漂、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流溫漂、等效噪聲電壓等自身參數(shù)的變化會(huì)使其輸出產(chǎn)生中點(diǎn)偏移，可以將其視為放大器的RTI誤差，即相當(dāng)于在放大器的輸入端疊加了一個(gè)誤差電壓Δ[9]，如圖2所示。當(dāng)放大器輸入端疊加Δ時(shí)，物鏡恒流源的輸出電流為：

由式(7)可知，放大器自身參數(shù)的變化對(duì)物鏡恒流源穩(wěn)定度的影響是直接的，沒有因閉環(huán)而衰減。若基準(zhǔn)電壓變大，則Δ的影響會(huì)相對(duì)減小。

2.1.4 調(diào)整管

放大器將采樣電阻取來的電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓比較放大，放大后的信號(hào)通過控制調(diào)整管，以穩(wěn)定輸出電流，因此，調(diào)整管自身參數(shù)的變化會(huì)影響恒流源的穩(wěn)定度。

調(diào)整管的基極-發(fā)射極電壓、集電極-發(fā)射極電壓、直流電流放大倍數(shù)等自身參數(shù)與工作溫度密切相關(guān)，當(dāng)溫度改變時(shí)，這些參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，調(diào)整管的輸出會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這相當(dāng)于在電流輸出前置驅(qū)動(dòng)的輸出端加了一個(gè)干擾Δ，如圖2所示。當(dāng)有干擾Δ時(shí)，傳遞函數(shù)是：

2.1.5 放大環(huán)節(jié)

物鏡恒流源的放大環(huán)節(jié)由差分放大電路、反向放大電路、電流輸出前置驅(qū)動(dòng)和電流輸出功率模塊組成，其電壓增益為各部分電壓增益的乘積。電壓增益的變化會(huì)影響物鏡恒流源的穩(wěn)定度。

將式(11)代入式(10)，化簡得電流的相對(duì)變化為：

2.2 外部因素

2.2.1 負(fù)載電阻

故電流的相對(duì)變化為：

2.2.2 主回路輸入電壓

主回路輸入電壓的波動(dòng)并不直接影響物鏡恒流源的輸出電流，而是通過調(diào)整管間接作用的，等效為在電流輸出前置驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端加一個(gè)干擾Δ。如圖2所示，當(dāng)有Δ干擾時(shí)，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是：

2.2.3 溫度

3 結(jié)束語

本款物鏡恒流源的穩(wěn)定度為2×10－6/min，研究了其設(shè)計(jì)原理，通過建立其傳遞函數(shù)模型，從理論上推導(dǎo)出影響恒流源輸出電流穩(wěn)定度的直接因素：基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性、采樣電阻的變化及放大器自身參數(shù)的變化；間接因素：調(diào)整管的自身參數(shù)變化、放大環(huán)節(jié)的電壓增益變化、主回路輸入電壓的波動(dòng)、負(fù)載電阻的變化。

在直接影響因素中，放大器自身參數(shù)的變化對(duì)物鏡恒流源穩(wěn)定度的影響與基準(zhǔn)電壓的大小有關(guān)，越大其影響就越小，同時(shí)降低了對(duì)放大器增益、輸入電阻、漂移和低頻噪聲等指標(biāo)的要求。但是恒流源的無用功耗增加會(huì)帶來熱穩(wěn)定性差等一系列新的問題。因此，實(shí)際中基準(zhǔn)電壓的取值必須綜合考慮，同時(shí)兼顧放大器的選擇。間接影響因素對(duì)電流穩(wěn)定度的影響均與電路的放大倍數(shù)有關(guān)，電路的放大倍數(shù)越大其影響越小，但是放大倍數(shù)太大電路容易產(chǎn)生振蕩，必須結(jié)合電路具體技術(shù)指標(biāo)綜合考慮。另外由于電路的輸出電流大，電流功率放大模塊的功耗就比較大，單個(gè)調(diào)整管無法承擔(dān)如此大的功耗，調(diào)整管的并聯(lián)均流和散熱均勻就顯得至關(guān)重要。

基準(zhǔn)電壓、放大器以及采樣電阻的溫度系數(shù)共同決定了恒流源受溫度的影響程度，在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)要選擇溫度系數(shù)合適的器件，同時(shí)采取相應(yīng)的降溫和散熱措施，盡可能使物鏡恒流源的溫度系數(shù)小。

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圖5 蓄電池充電過程(仿真)端電壓

利用薄膜太陽電池和本控制系統(tǒng)對(duì)20 Ah的鉛酸蓄電池(DC 48 V)進(jìn)行充電，測得不同時(shí)刻蓄電池的端電壓柱形圖，如圖6所示。

圖6 蓄電池端電壓不同時(shí)刻觀測值

由圖6可知，蓄電池在整個(gè)充電過程并不呈線性關(guān)系(恒流輸出特性)，其中在13：30左右，電壓上升較快，說明電流較大，這與此時(shí)段陽光輻射最強(qiáng)的實(shí)際情況是相吻合的。從時(shí)間上看，四個(gè)半小時(shí)充電就能結(jié)束，這與蓄電池的容量(20 Ah)基本吻合。在充電后期，蓄電池端電壓仍大幅增加且整個(gè)充電過程的變化率無太大變化，結(jié)合圖1可以判定整個(gè)充電過程的電流為間歇性大電流，且第二階段的太陽電池工作在最大功率輸出點(diǎn)附近，從而實(shí)現(xiàn)了快速充電，且有效延長了蓄電池的使用壽命。

5 結(jié)論

本文提出了一種單片機(jī)控制的，始終處于脈沖式充電方式下的光伏智能控制系統(tǒng)，有效避免了蓄電池的極化和硫化，延長蓄電池使用壽命。因整個(gè)充電過程的光伏電池輸出電壓在80%以內(nèi)，則充電電流較大以實(shí)現(xiàn)快速充電。在第二充電階段，因光伏輸出電壓在開路電壓的80%左右，故只要環(huán)境變化不甚惡劣，光伏電池可工作在最大功率輸出點(diǎn)附近。因此，該光伏充電控制系統(tǒng)能在晴朗的白天把握好陽光并充分利用，從而實(shí)現(xiàn)了快速充電。

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Research of high stability of current-invariable power supply and analysis of its factors

With the object lens current-invariable power supply for TEM in a compensatory series with the high stability of 2×10－6/min as example，the principle and design were researched，and the transmission function is set up. The relation between the affecting factors and changes of the relative current was discussed. The effect of internal and external factors on the stability of current was analyzed. The direct factors are the stability of the reference voltage， the change of the sampling resistor and the amplifier parameters.The indirect factors are the instability of the transistors，change of the amplification’voltage gain，input power supply fluctuation and change of the load.It provides the theoretical basis for the design of high stability current-invariable power supply.

current-invariable power supply;high stability;factors;transmission function

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0865-04

2015-09-02

國家科技支撐計(jì)劃(2006BAK03A24)

黨玉杰(1987—)，女，河南省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦叻€(wěn)定度恒流源。

董全林，E-mail:dongquanlin@buaa.edu.cn