精密線性恒流儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用分析

前言

恒流源與穩(wěn)壓源一樣，是電子線路中的基本單元。隨著電子技術(shù)和元器件的發(fā)展，恒流技術(shù)已得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，常見(jiàn)的恒流源結(jié)構(gòu)主要有：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管型（3DJ系列）、恒流二極管型（2DH系列）、集成恒流元件型（LM334等）、穩(wěn)壓管-三極管型以及固定或可調(diào)的三端集成穩(wěn)壓器型（如LM78XX、LM317）等等（詳見(jiàn)圖1、2、3、4、5）。用精密并聯(lián)型三端可調(diào)基準(zhǔn)電壓源（如TL431）替換圖4中的穩(wěn)壓管DW，則可構(gòu)成恒流精度更高的穩(wěn)壓源（見(jiàn)圖6）。但采用上述元件構(gòu)成的恒流源有的不可調(diào)（圖2）；有的輸出的恒流很?。▓D1、圖2、圖3）；有的范圍較窄、精度不高、電壓不寬等等。而最主要的是輸出的恒流電流與調(diào)節(jié)的電阻呈非線性的關(guān)系，這給恒流電流的精細(xì)調(diào)節(jié)和量程的擴(kuò)展帶來(lái)了不便。本文介紹的恒流儀（見(jiàn)圖9），具有恒流輸出的范圍寬廣，從1μA～2.5×106μA，跨越了6個(gè)數(shù)量級(jí)。其次，除了最小的電流檔（1～20μA）外，其余各檔輸出的恒流電流與電位器的電阻均為線性關(guān)系。因此，恒流電流的調(diào)節(jié)非常細(xì)微和平滑。由于采用了集成并聯(lián)型三端可調(diào)精密基準(zhǔn)電壓源TLV431A和固定的精密基準(zhǔn)電壓源LM385-1.2，因此，恒流的精度高。最后再選用耐高壓的大功率三極管和配以寬范圍的外接直流（穩(wěn)壓）電源，電子愛(ài)好者就可輕松地?fù)碛幸慌_(tái)實(shí)用的高壓大功率線性寬量程精密恒流、耐壓測(cè)試和電子負(fù)載三用儀。 圖7為線性恒流儀（圖9）第檔不接IC2時(shí)的簡(jiǎn)化線路圖。設(shè)基準(zhǔn)電壓源IC1的基準(zhǔn)電壓為Vref1，V1三極管的發(fā)射極電流為Iix。當(dāng)因某種原因，使流過(guò)電阻Rxi的電流增加時(shí)，則經(jīng)RW和Ri電阻分壓后的電壓將大于基準(zhǔn)電壓Vref1，于是IC1基準(zhǔn)電壓源導(dǎo)通，使三極管V1的基極電位下降，基極電流減小，從而使發(fā)射極電流減小。反之亦反。由于精密可調(diào)基準(zhǔn)電壓源IC1的精度很高，因此，線性恒流儀的恒流精度也很高。

設(shè)電位器Rw的動(dòng)觸點(diǎn)移至X處的電阻為Rwx此時(shí)輸出的恒流電流為Iix。根據(jù)并聯(lián)電路的歐姆定律可求出：

由上式可知，Iix與電位器的電阻Rwx成正比，即Iix隨Rwx的變化呈線性地變化，線性變化是該恒流儀的顯著特點(diǎn)之一。

2．實(shí)用線性寬量程精密恒流儀的制作要點(diǎn)

為了擴(kuò)大線性恒流輸出的范圍，又能保持細(xì)微的調(diào)節(jié)精度，需要將恒流范圍進(jìn)行分檔。為使小電流時(shí)仍然保持線性的變化和很高的恒流比（某檔的最大輸出恒流電流與最小輸出恒流電流之比），采用串入精密基準(zhǔn)電壓源IC2的辦法，可有效地降低加在Rxi上的電壓，從而可將線性恒流的輸出延伸至很小的電流（20～100μA，恒流比=5）。這是本恒流儀又一個(gè)特點(diǎn)。圖8為圖9在小電流輸出并接入IC2時(shí)第檔的簡(jiǎn)化線路圖。Vref2為基準(zhǔn)電壓源IC2的基準(zhǔn)電壓，R0i為當(dāng)Vrefl-Vref2《0時(shí)使系統(tǒng)進(jìn)入線性正常工作范圍的起始電阻。由圖8可求出：

式中I0i為該檔流過(guò)基準(zhǔn)電壓源IC2和電阻的最小電流，且

式中△V=Vre？1-Vre？2，I0為基準(zhǔn)電壓源IC2能正常工作時(shí)的最小工作電流。由上式可見(jiàn)，串入了IC2后△V=Vref1-Vref2可減少到0甚至為負(fù)，有效地降低了輸出的恒流電流，并繼續(xù)保持線性的關(guān)系。

為了減少精密電阻的數(shù)量和選測(cè)所帶來(lái)的困難，采用各檔電阻公用的辦法是唯一有效的辦法?？梢宰C明：當(dāng)IC1、IC2的基準(zhǔn)電壓Vrefl=Vref2且各檔的恒流比相等時(shí)，則各檔的Rxi和R0i是相等的，可以分別公用一個(gè)電阻。

另外，由于實(shí)際使用的元件參數(shù)與理論計(jì)算值總存在一定的誤差，為保證覆蓋輸出的恒流范圍，實(shí)際每一檔的最大輸出恒流應(yīng)選為該當(dāng)標(biāo)稱恒流的（1+β）倍，而該當(dāng)?shù)淖钚≥敵龊懔魇窍乱粰n的（1-β）倍。其中β稱為各檔量程的富裕量。

為滿足耐壓測(cè)試和大功率電子負(fù)載的需要，三極管必須采用高反壓、大功率的三極管。

為了降低精密電阻Rxi的功耗，應(yīng)采用低基準(zhǔn)電壓的三端可調(diào)精密基準(zhǔn)電壓源，例如：TLV431A、AZ432、CYT432等元件以及小的恒流比，以減小最大的輸出電壓。本儀器IC1采用的是TLV431A，其基準(zhǔn)電壓是1.25V左右。IC2元件采用LM385-1.2的固定精密基準(zhǔn)電壓源，基準(zhǔn)電壓為1.25V左右，最小工作電流在8～15μA左右。使用時(shí)用數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)選，確保IC1、IC2的基準(zhǔn)電壓相等。

圖9即為考慮上述各種因素后，設(shè)計(jì)制作的實(shí)用線性寬量程精密恒流儀線路圖。

該恒流儀共有9檔，恒流輸出范圍為1μA～2.5×106μA，跨越了6個(gè)數(shù)量級(jí)。第1～8檔為線性輸出檔，第9檔為非線性輸出檔。各檔輸出的電流以及各元件的參數(shù)見(jiàn)表1：

不難看出，第5、6、7、8四檔的恒流比均相等且為5，在接入IC2的情況下可以公用精密電阻。因此，Rx5=Rx6=Rx7=Rx8=97.67Ω，R05=R06=R07=R08=300Ω。上述四檔各選一個(gè)電阻即可，可以減少6只精密電阻。

其他主要元件或部件的選用：

（1） 電源。E1選用小功率穩(wěn)壓直流電源，電壓為12V。E2為外接直流（穩(wěn)壓）電源，可由高中低不同輸出電壓的電源組成?？砂礈y(cè)試時(shí)的需要接人不同輸出電壓范圍和功率的電源。

（2） 電壓表和電流表一般選用指針式或數(shù)字式萬(wàn)用表，以適應(yīng)不同電壓、電流范圍測(cè)試

的需要。

（3） V1、V2三極管應(yīng)選用耐壓高、大功率的三極管。本恒流儀選用的型號(hào)、耐壓、最大工作電流、功耗和直流放大倍數(shù)為：

在制作時(shí)，可選用上述參數(shù)相近的三極管，其他無(wú)特殊的要求。

（4） RW1用精密線繞多圈電位器，如：WXD3-13型。RW2可選用1W碳膜電位器1.5MΩ左右。

（5） K1波段開(kāi)關(guān)為3刀×11位。因需要通過(guò)較大的電流，因此，應(yīng)選用大號(hào)優(yōu)質(zhì)的陶瓷波段開(kāi)關(guān)。

（6） 所有測(cè)量用電阻的功耗應(yīng)選用大于計(jì)算值的精密電阻，以提高熱穩(wěn)定性。如：電阻Rx1、Rx2、Rx3的計(jì)算功耗分別為8.92W、5.74w、1.87W，實(shí)際選用的功耗至少應(yīng)選用10W、7.5W、3W及以上功率的精密水泥電阻或金屬膜的電阻。

由于線性多檔量程精密恒流儀的設(shè)計(jì)計(jì)算還較復(fù)雜，限于篇幅無(wú)法在本文中介紹。

3. 主要作用

本恒流儀除了作為一個(gè)實(shí)用的高壓大功率線性寬量程的精密恒流儀使用外，還是一個(gè)實(shí)用的耐壓測(cè)試儀和電子負(fù)載測(cè)試儀。

3.1 耐壓測(cè)試儀

（1） 電子元件的電壓測(cè)試（包括：反向耐壓、工作電壓和正向壓降等）。根據(jù)電子元件的類型和測(cè)試原理，選擇好外接直流（穩(wěn)壓）電源的電壓范圍，然厲將元件的引腳分清正負(fù)極接到Z1、Z2測(cè)試端上，將RW調(diào)至最小，再打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)RW使流過(guò)測(cè)試元件的電流達(dá)到手冊(cè)規(guī)定的測(cè)試電流時(shí)，從電壓表上讀得的電壓就是該元件的各種電壓（耐壓）。此類測(cè)試的電子元件包括各種三極管、二極管、可控硅、穩(wěn)壓管、各種電容（電解電容）、壓敏電阻、大電阻（阻值=電壓／電流）、發(fā)光二極管、雙向觸發(fā)二極管、場(chǎng)效應(yīng)管等元件耐壓的測(cè)試，也可測(cè)試元件的正向壓降（如發(fā)光二極管工作電流下的工作電壓）等。因三極管的漏電流測(cè)試一般是在額定的電壓下進(jìn)行的。因此，調(diào)節(jié)RW，當(dāng)電壓表的讀數(shù)達(dá)到規(guī)定電壓時(shí)，讀得的電流即為該元件的漏電流。當(dāng)需要精確測(cè)量元件的電壓（如穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值）時(shí)，可將電壓表的正表筆移到Z1測(cè)試端。

（2） 繼電器的吸合和釋放電壓、電流的測(cè)試。自小而大地調(diào)節(jié)RW，當(dāng)繼電器吸合時(shí)的電壓、電流即為吸合電壓電流。吸合后，再自大而小地調(diào)節(jié)RW，當(dāng)繼電器釋放時(shí)讀得電壓、電流即為釋放電壓、電流。正常情況下，釋放電壓為吸合電壓的10-50％左右。用同樣的方法，可測(cè)量氖管（輝光數(shù)碼管）的起輝、熄滅電壓，等等。

（3） 恒流充電。將待充電池正負(fù)極分別接在Z1、Z2端子上，調(diào)節(jié)RW使充電電流為某一規(guī)定的電流，便可對(duì)電池進(jìn)行恒流充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定的電壓時(shí)，充電即可結(jié)束。如同時(shí)測(cè)量充電的時(shí)間，還可測(cè)出電池的容量和好壞。

類似的，也可將上述測(cè)試方法用于其它元件的測(cè)試。

當(dāng)將測(cè)試端的Z1、Z2短接，電壓表的負(fù)極接Z4端或地時(shí)，耐壓測(cè)試儀變?yōu)楹懔餍碗娮迂?fù)載測(cè)試儀。在Z3、Z4端子上外接待測(cè)的電子設(shè)備，調(diào)節(jié)RW使電流表的電流達(dá)到需要的值，記下此時(shí)的電壓。依次類推，繼續(xù)測(cè)試下一個(gè)電流和電壓，便可計(jì)算出該設(shè)備在一定工作電壓、電流范圍內(nèi)性能的變化。具體應(yīng)用有：

（1） 穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓性能的測(cè)試。制作好的穩(wěn)壓電源需要測(cè)試其穩(wěn)壓、保護(hù)性能（限流保護(hù)、減流保護(hù)）等等。首先按上述測(cè)試方法測(cè)出不同輸出電流下的電壓，了解穩(wěn)壓性能的好壞。其次，調(diào)節(jié)RW當(dāng)電流達(dá)到保護(hù)值時(shí)，穩(wěn)壓電源應(yīng)正確動(dòng)作，否則應(yīng)對(duì)穩(wěn)壓電源的保護(hù)電阻進(jìn)行調(diào)整，直到符合要求時(shí)為止。

（2） 充電電池性能的測(cè)試。將充滿電的電池正負(fù)極分別接在Z3、Z4端子上，調(diào)節(jié)RW使放電電流達(dá)到測(cè)試的規(guī)定值，并開(kāi)始計(jì)時(shí)間。當(dāng)放電電壓達(dá)到規(guī)定的電壓時(shí)。記下時(shí)間，則電池的容量可按下式計(jì)算：電池容量mAh=恒流放電電流mA*放電時(shí)間h（也適用充電時(shí)容量的計(jì)算）。

法拉（超級(jí)）電容放電時(shí)間和容量的測(cè)試。按上述方法可測(cè)出充滿電的法拉（超級(jí)）電容，在不同恒流放電電流（毫安）下的放電時(shí)間和容量，方法同上。

如：配合數(shù)字萬(wàn)用表的電壓檔擴(kuò)大電阻和電流的測(cè)量范同。一般數(shù)字萬(wàn)用表的最小電阻、電流檔分別為200Ω和2mA，有的也無(wú)2A檔（如本人使用的DT890B+等）。此時(shí)，可將輸出的精密恒流電流調(diào)整到10mA、100mA，配直流200mV檔測(cè)試低電阻，其滿量程分別延伸至20Ω和2Ω，最高分辨率可達(dá)千分之一歐姆（待測(cè)電阻和數(shù)字電壓表都接在Z1、Z2測(cè)試端上），可作為最簡(jiǎn)單的毫歐姆電阻計(jì)使用。同樣，因本恒流儀的恒流最小僅幾個(gè)μA，為精確測(cè)試恒流值，可制作1kΩ和10kΩ兩個(gè)精密的電阻串在線路上，用直流200mV檔測(cè)量，可將最小直流電流檔分別延伸至200μA和20μA，測(cè)量的精度可達(dá)0.01μA。因此，還可對(duì)高靈敏度的電流表以及萬(wàn)用表的最小電流檔進(jìn)行校準(zhǔn)。再制作一個(gè)大功率1Ω的精密電阻，配上2V檔可增加測(cè)試2000mA檔的電流。采用上述方法，既解決了數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量范圍的不足，也滿足了本線性寬量程精密恒流儀功能發(fā)揮的需要。

4. 注意事項(xiàng)

（1） 所用的元件均需用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量，盡量準(zhǔn)確（有條件的可用電橋測(cè)量），確保各檔的輸出范圍符合設(shè)計(jì)要求；

（2） 大電流輸出時(shí)，電阻和三極管的功耗很大，應(yīng)選擇滿足電流和功耗要求的元件，同時(shí)加裝足夠大的散熱板。使用時(shí)估計(jì)測(cè)量所需的輸入電壓和功率大小，防止超過(guò)安全范圍。

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