一種基于自舉電路的可調(diào)恒壓恒流源設(shè)計(jì)

陳盼輝,郭立峰,金傳喜

（1.海軍工程大學(xué)核能科學(xué)與工程系，武漢,430033）

一種基于自舉電路的可調(diào)恒壓恒流源設(shè)計(jì)

陳盼輝1,郭立峰1,金傳喜1

（1.海軍工程大學(xué)核能科學(xué)與工程系，武漢,430033）

介紹了一種基于自舉電路的可調(diào)恒壓恒流源的設(shè)計(jì)。解決了使用普通運(yùn)算放大器調(diào)整較高輸出電壓的問題。在輸出電壓在較大范圍變化時(shí)，通過自舉的方法保證運(yùn)算放大器的供電電壓不變，并且能夠?qū)敵鲭妷汉碗娏鬟M(jìn)行有效地調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了0~30V的電壓輸出和0~1A的電流輸出

自舉；運(yùn)算放大器；恒壓恒流源

直流穩(wěn)壓電源是實(shí)驗(yàn)室調(diào)試電路所不可缺少的儀器。在高精度電路調(diào)試中，通常使用線性穩(wěn)壓電源，避免使用開關(guān)電源而引入開關(guān)噪聲。為了增強(qiáng)電源的實(shí)用性和可靠性，電源的輸出電壓可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，并且提供過流保護(hù)功能，從而避免在輸出短路的情況下燒毀內(nèi)部電路。

可調(diào)恒壓恒流源，是一種能夠同時(shí)對(duì)輸出電壓和輸出最大限制電流進(jìn)行調(diào)整的直流穩(wěn)壓電源。相比普通的穩(wěn)壓電源，能夠根據(jù)需要限制輸出電流，可以在意外情況下減小對(duì)外部電路的損壞，而且能夠通過提高輸出電壓的情況下調(diào)整輸出電流，實(shí)現(xiàn)恒流輸出。

為了提高輸出電壓和輸出電流的調(diào)整精度，通常采用運(yùn)算放大器進(jìn)行誤差放大，而普通運(yùn)算放大器正常工作時(shí)的電源供電電壓在36V以下，所以采用普通運(yùn)算放大器難以實(shí)現(xiàn)較高的電壓輸出。本文采用自舉電路，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓在較大范圍變化時(shí)，保證運(yùn)算放大器的供電電壓不變，并且能夠?qū)敵鲭妷汉碗娏鬟M(jìn)行有效地調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了0~30V的電壓輸出和最大1A的電流輸出。

1　原理分析

1.1可調(diào)恒流恒壓源原理

可調(diào)恒壓恒流源主要有兩種工作模式，恒壓模式和恒流模式。在輸出負(fù)載比較小，輸出電流未達(dá)到設(shè)定的最大限制電流時(shí)，電路工作在恒壓模式，輸出電壓和設(shè)定的電壓相同，并且在負(fù)載變化時(shí)，維持輸出電壓的相對(duì)穩(wěn)定。在輸出負(fù)載較大，輸出電流達(dá)到或者超過設(shè)定的最大電流時(shí)，電路工作在恒流模式，電壓將會(huì)下降以維持輸出電流的相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)輸出電壓設(shè)置為，輸出電流設(shè)置為，其負(fù)載特性如圖1所示。

圖1　恒壓恒流源負(fù)載特性

1.2自舉電路原理

圖2　自舉電路原理

如果運(yùn)算放大器的工作電源電壓必須小于18V，而需要用它來控制30V的電壓輸出。對(duì)于采用運(yùn)算放大器控制三極管的電源電路，要求運(yùn)算放大器的輸出大于30V的條件下，才能得到30V的輸出。如果采用運(yùn)算放大器和主回路共用同一組電源，勢(shì)必會(huì)造成運(yùn)算放大器的電源電壓過高而燒毀。

本文所采用的自舉電路能夠消除這樣一個(gè)矛盾。如圖2所示，首先將運(yùn)算放大器的電源和主回路的電源相互隔離，分別經(jīng)過整流后按照?qǐng)D2所示的方式進(jìn)行連接，輸出電壓就會(huì)對(duì)運(yùn)算放大器的電源產(chǎn)生自舉的效果。運(yùn)算放大器的供電電壓滿足以下關(guān)系

根據(jù)以上結(jié)果，運(yùn)算放大器的正負(fù)供電電壓分別大于和小于輸出電壓，使得運(yùn)算放大器能夠?qū)敵鲞M(jìn)行有效地調(diào)整，同時(shí)運(yùn)算放大器的正負(fù)電源之差將穩(wěn)定地保持15V不變。

2　電路設(shè)計(jì)

圖3　電路總體框圖

圖4　使用自舉方法的恒壓源電路

2.1總體設(shè)計(jì)

本電路由整流電源、基準(zhǔn)源電路、電壓取樣電路、誤差放大電路和電流放大電路組成。整流電源將220V的交流電變壓和整流濾波后得到兩組直流電壓分別為運(yùn)算放大器的工作提供電源和為主輸出回路提供電源?；鶞?zhǔn)源電路作為電路的調(diào)整參照，它的穩(wěn)定性決定了輸出電壓的穩(wěn)定性。電壓取樣電路和電流取樣電路將輸出電壓和電流經(jīng)過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換后形成誤差電壓。誤差放大電路將誤差電壓放大，控制電流放大電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整電路在誤差放大電路的控制下進(jìn)行電流放大，其輸出電壓由控制電路決定。電路框圖如圖3所示。

1.2電壓調(diào)整電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，當(dāng)輸出電流沒有達(dá)到限制時(shí)，算放大器U1:B將輸出高電壓，從而不能對(duì)三極管進(jìn)行調(diào)整。以輸出電壓的地為參考零點(diǎn)點(diǎn)位，運(yùn)算放大器U1:A的同相輸入端和反相輸入端的電位和分別計(jì)算如下

1.3電流調(diào)整電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，當(dāng)電路有電流輸出時(shí)，會(huì)在電阻R2兩端形成電壓差。如果以輸出的地為參考，設(shè)輸出電流為Io。則算放大器U1:B的同向端和反相端的電壓分別計(jì)算如下

2　測(cè)試數(shù)據(jù)及其分析

2.1負(fù)載特性測(cè)試

將輸出最大限制電流調(diào)整到1A，輸出電壓分別調(diào)整到10V、20V和30V，外接負(fù)載從100歐姆變化到0歐姆時(shí)，記錄負(fù)載兩端的電壓以及電流的變化情況。數(shù)據(jù)記錄如下

2.2數(shù)據(jù)分析

根據(jù)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做出負(fù)載特性曲線，如圖5所示。通過分析，本電路可以較好地實(shí)現(xiàn)恒流恒壓源的功能。能夠?qū)崿F(xiàn)0~30V電壓和0~1A的電流調(diào)整輸出。

3　結(jié)論

經(jīng)過實(shí)際的電路驗(yàn)證，本電路在輸出為0~30V，輸出電流為0~1A的情況下，均能穩(wěn)定工作。使用自舉方法能夠很好地將低電壓供電的運(yùn)算放大器應(yīng)用在恒壓恒流源電路中，簡化了電路設(shè)計(jì)。

[1]崗村迪夫．OP放大電路設(shè)計(jì)[M]．王玲 徐雅珍 李武平譯．北京：科學(xué)出版社,2004．

[2]鈴木雅臣．晶體管電路設(shè)計(jì)（上）[M]．周南生譯．北京：科學(xué)出版社,2004．

Design of an adjustable constant voltage and current source based on the bootstrap circuit

Chen Panhui1,Guo Lifeng1,Jin Chuanxi1
(1.Naval Univ. of Engineering,WuHan,430033,China)

Introduced a method of using the bootstrap to design an adjustable constant voltage and current source.Solved the problem of using the ordinary op-amp in high output voltage adjustment.Using the bootstrap method can ensure constant supply voltage of operational amplifier when the output voltage changes in a wide range, and output voltage and current can be effectively adjusted to achieve a 0 ~ 30V voltage output and 0 ~ 1A Current output.

bootstrap;Op amplifier;constant voltage and current

圖5　恒壓恒流源負(fù)載特性曲線