程控隔離恒流電源在儀器儀表中的應(yīng)用體現(xiàn)分析

王震

（光大危廢處置（淄博）有限公司，山東 淄博 255000）

0 引言

世界上最早出現(xiàn)恒流源是在20世紀(jì)50年代初期，當(dāng)時科研學(xué)者利用鎮(zhèn)流管作為電真空器件，因其具有穩(wěn)定電流的應(yīng)用功能，所以就被應(yīng)用到交流電路設(shè)計中，且主要用來穩(wěn)定電子管的燈絲電流。發(fā)展至今，隨著半導(dǎo)體及其集成技術(shù)的不斷優(yōu)化，恒流源的科研探討方向逐漸進(jìn)入到全新階段[1]。如今，研發(fā)推廣的集成電路恒流源既能控制零件的體積大小，又可以簡化電路實踐設(shè)計的步驟和調(diào)試操作過程。

1 恒流電源的分析

一般來講，恒流電源主要分為兩種類型，一種是指非隔離式，由于會在負(fù)載端和輸入端直接連接，所以直接接觸負(fù)載必然會出現(xiàn)極高的觸電風(fēng)險。在設(shè)計時電源直接將交流電源的高壓傳遞到負(fù)載端，以此造成觸電的風(fēng)險。通常情況下，LED和鋁散熱器之間所產(chǎn)生的絕緣性能，也是利用鋁基板的印制板的薄膜絕緣進(jìn)行體現(xiàn)。雖然這一部分的絕緣層可以抵抗2000V的高壓，但部分情況下的螺絲孔毛刺很容易出現(xiàn)爬電現(xiàn)象，因此在實際應(yīng)用中存在較大的安全隱患。

另一種是指隔離式，其在設(shè)計時會在輸入和輸出端安裝隔離變壓器，這種變壓器既可以是工頻又可以是高頻，雖然形式不同，但都能將兩端隔離開，且可以有效預(yù)防觸電的發(fā)生。因為隔離式的開關(guān)電源在保障電氣安全中具有積極作用，所以在LED照明中得到了廣泛利用，但因為這類設(shè)計相比非隔離的恒流電源多了一個變壓器，所以實際重量和所需成本要求較高[2]。

2 程控隔離恒流電源的工作原理分析

2.1 介紹

在實踐發(fā)展中，很多領(lǐng)域都需要利用恒定的電流提供電源。比如說，為了檢測某一電流點(diǎn)中二極管的正反向電壓變化，抑或是檢測某個恒定基極電流時，三極管的輸出特點(diǎn)等，都可以利用隔離式恒流電源提供所需電量。在進(jìn)行電機(jī)型式實驗分析時，設(shè)計人員需要進(jìn)行一項影響較為明顯的升溫試驗，其主要用來分析測量電機(jī)在規(guī)定條件下的溫度上升速度和水平。一般來講，電機(jī)的溫度變化大都是從熱態(tài)電阻和冷態(tài)電阻中得到的。通過利用電阻法計算分析電機(jī)繞組的電阻，并選用具有極強(qiáng)穩(wěn)定性和精確度的直流恒流電源作為基礎(chǔ)保障。需要注意的是，基于電機(jī)熱態(tài)電阻所進(jìn)行的理想化檢測方法，要在不斷開主電源的基礎(chǔ)上進(jìn)行帶電測試，這樣不僅需要科學(xué)調(diào)控系統(tǒng)設(shè)置，而且要做好相應(yīng)的隔離工作。面對這一發(fā)展趨勢，本文在明確恒流電源應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提出了一種利用光電耦合器件來建設(shè)恒流源電路的方案，其實際電流的覆蓋面積可以達(dá)到1mA到30mA，不僅能在實踐工作中自主完成測量，而且可以選用D/A轉(zhuǎn)換器或單片機(jī)等方式全面管控電源的程序控制，在實踐應(yīng)用中具有電流平穩(wěn)、隔離管控以及可操作性等優(yōu)勢[3]。

2.2 原理分析

利用光帶耦合器組建的恒流源電路圖為圖1，其在建設(shè)規(guī)劃中選用了國內(nèi)生產(chǎn)的DH902型三端可調(diào)節(jié)的恒流源，實際電流推廣范圍可以達(dá)到1mA到100mA，在本文研究中，A代表陽極，C代表陰極，G代表控制極。根據(jù)有關(guān)試驗分析顯示，在規(guī)定的電源電壓范圍內(nèi)，這一電源結(jié)構(gòu)的控制極電阻（GG）和輸出電流（IH）之間的關(guān)系如下圖2所示：

圖1 恒流源電路原理圖

圖2 G G和IH之間的關(guān)系曲線圖

同時，在研究分析中耦合器的輸出端口和標(biāo)準(zhǔn)電阻發(fā)生串聯(lián)，假設(shè)此時的光耦輸出端的等效電阻可以看作是RX，那么這個設(shè)備系統(tǒng)所擁有的極電阻公式為。在光耦的輸入關(guān)口添加規(guī)定數(shù)量的電壓V之后，可以利用數(shù)字的萬用表來準(zhǔn)確測量，由此得到標(biāo)準(zhǔn)的電阻RN及相對應(yīng)的電壓UN和耦合輸入端的電壓UX

結(jié)合公式3分析發(fā)現(xiàn)，只需明確標(biāo)準(zhǔn)電阻RN和UX、UN，就能計算得到光耦輸出端的等效電阻RX。但若是調(diào)整輸入電壓V，那么就能計算得到相應(yīng)的等效電阻RX，由此也可以明確V和RX之間的關(guān)系曲線，如下圖3:

圖3 V和RX之間的關(guān)系曲線圖

對比上圖3關(guān)系曲線圖可知，按照公式計算分析可以得到恒流源的輸出電流IH和光電耦合器的輸入電壓V有關(guān)系，具體體現(xiàn)為：

2.3 實現(xiàn)程控

為了對隔離式恒流源電流進(jìn)行程序化管控，在實踐工作中需要利用8031的單片機(jī)和8位的D/A轉(zhuǎn)換器DA C0832來獲取光電耦合器所需的輸入電壓V，且具體電路原理圖如下圖4所示：

圖4 電路原理介紹圖

3 在儀器儀表中應(yīng)用程控隔離式恒流電源

結(jié)合本文對恒流電源及程控隔離式電路設(shè)計情況的分析結(jié)果顯示，因為在實踐工作中引用了光電隔離器件，且信號傳播的方式選用了電光電的過程進(jìn)行傳遞，所以就算在電路上沒有直接連接，也不會出現(xiàn)供電問題。由此可知，在儀器儀表中引用程控隔離式恒流電源既能科學(xué)處理由傳導(dǎo)造成的干擾，又能避免出現(xiàn)高壓隔離等問題。

在新時代背景下，利用程控隔離式恒流電源進(jìn)行儀器儀表優(yōu)化，具有非常廣闊的研究發(fā)展前景，其不僅能合理完成繞組電阻的檢測和升溫測量等工作，還可以在其他測試領(lǐng)域中自主構(gòu)成自動測量儀器，比如說在高壓硅堆性能測試中，可以在檢測分析過程中為傳感器提供實踐工作所需的恒定電流等。需要注意的是，在儀器儀表中應(yīng)用的程控隔離式恒流電源所表現(xiàn)出的電流特性屬于非線性，因此需要利用CPU按照性能特征來科學(xué)管控電流變化。結(jié)合以往設(shè)計應(yīng)用經(jīng)驗分析可知，要想達(dá)到這一目標(biāo)，最常見的方式分為兩種，一種是指利用逐步測量的方式，將其制作成表格，而后將表格記錄到儀器的EPROM當(dāng)中，這樣有助于在實踐發(fā)展中按照查表的方式科學(xué)管控電流變化，并達(dá)到恒定的目標(biāo)；另一種是按照測量要求逐步將數(shù)據(jù)傳遞到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺，并結(jié)合曲線擬合算法計算曲線的解析表達(dá)公式，而后將有關(guān)內(nèi)容記錄到儀器儀表的EPROM或EEPROM等區(qū)域，以此確保在后續(xù)運(yùn)行中系統(tǒng)可以直接利用程序軟件在準(zhǔn)確計算中管控電流變化，并達(dá)到恒定的目標(biāo)。

除此之外，結(jié)合本文研究分析結(jié)果探討可知，在設(shè)計電路的過程中安裝光電耦合器件，也可以在科學(xué)隔離CPU電路和外圍模擬電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升電路系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[5]。在儀器儀表中合理運(yùn)用程控隔離式的恒流電源，可以保障設(shè)計電路長期且穩(wěn)定地運(yùn)行下去，實際獲取數(shù)據(jù)的精確度和電流控制范圍也會隨之提高，同時更能在隔離防護(hù)中提升儀器對電路的控制質(zhì)量。比如說，現(xiàn)如今很多大型醫(yī)療診斷設(shè)備中選用這類電源，能在保障磁場穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，獲取準(zhǔn)確的測量數(shù)值變化。假設(shè)利用穩(wěn)壓電源，因為電磁鐵線圈在工作狀態(tài)很容易受溫度變化而影響阻值的變化，進(jìn)而影響供電的電流數(shù)值，并引發(fā)磁場紊亂等問題。而選用恒流源的方式進(jìn)行供電，不僅能在保障磁場穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，科學(xué)控制電流變化，而且可以在多次工作中累積更多經(jīng)驗。另外，程控隔離式恒流電源也會運(yùn)用到其他領(lǐng)域中。以普通充電機(jī)為例，其所擁有的電流會隨著電池端電壓水平的提高而下降，此時為了保障正常充電，必須要持續(xù)保護(hù)電機(jī)的輸出電壓。選用程控隔離式恒流電源進(jìn)行充電，并不需要去調(diào)整電壓，且可以提升實際工作效率。

4 結(jié)語

綜上所述，本文研究分析得到的程控隔離式恒流電源所選電流信號傳遞方式為電-光-電，所以在實踐運(yùn)行中具有極強(qiáng)的隔離效果，可以被廣泛運(yùn)用到具備CPU的儀器儀表中。需要注意的是，因為恒流源具有過低的溫度系數(shù)，所以安裝適宜的光電耦合器也可以在感受溫度變化的同時，不會產(chǎn)生過于敏感等不良現(xiàn)象。假設(shè)在應(yīng)用過程中選用負(fù)反饋的方式進(jìn)行操作，不僅能調(diào)整光電耦合器件的非線性水平，而且可以從基礎(chǔ)上加強(qiáng)電流控制水平。因此，在未來儀器儀表工作中，必須要加大對程控隔離式恒流電源的研究與探討，并注重結(jié)合實踐發(fā)展需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。