精密線性恒流儀的設(shè)計和應(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，常見的恒流源結(jié)構(gòu)主要有：結(jié)型場效應(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)展帶來了不便。本文介紹的恒流儀（見圖9），具有恒流輸出的范圍寬廣，從1μA～2.5×106μA，跨越了6個數(shù)量級。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，電子愛好者就可輕松地?fù)碛幸慌_實用的高壓大功率線性寬量程精密恒流、耐壓測試和電子負(fù)載三用儀。圖7為線性恒流儀（圖9）第檔不接IC2時的簡化線路圖。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，使流過電阻Rxi的電流增加時，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的動觸點移至X處的電阻為Rwx此時輸出的恒流電流為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之一。

2．實用線性寬量程精密恒流儀的制作要點

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特點。圖8為圖9在小電流輸出并接入IC2時第檔的簡化線路圖。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能正常工作時的最小工作電流。由上式可見，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)量和選測所帶來的困難，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，則各檔的Rxi和R0i是相等的，可以分別公用一個電阻。

另外，由于實際使用的元件參數(shù)與理論計算值總存在一定的誤差，為保證覆蓋輸出的恒流范圍，實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。使用時用數(shù)字萬用表進(jìn)行測選，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)計制作的實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個數(shù)量級。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試時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)字式萬用表，以適應(yīng)不同電壓、電流范圍測試

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、耐壓、最大工作電流、功耗和直流放大倍數(shù)為：

在制作時，可選用上述參數(shù)相近的三極管，其他無特殊的要求。

（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波段開關(guān)為3刀×11位。因需要通過較大的電流，因此，應(yīng)選用大號優(yōu)質(zhì)的陶瓷波段開關(guān)。

（6）所有測量用電阻的功耗應(yīng)選用大于計算值的精密電阻，以提高熱穩(wěn)定性。如：電阻Rx1、Rx2、Rx3的計算功耗分別為8.92W、5.74w、1.87W，實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)計計算還較復(fù)雜，限于篇幅無法在本文中介紹。

3. 主要作用

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

3.1 耐壓測試儀

（1）電子元件的電壓測試（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測試端上，將RW調(diào)至最小，再打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)RW使流過測試元件的電流達(dá)到手冊規(guī)定的測試電流時，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、場效應(yīng)管等元件耐壓的測試，也可測試元件的正向壓降（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，讀得的電流即為該元件的漏電流。當(dāng)需要精確測量元件的電壓（如穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值）時，可將電壓表的正表筆移到Z1測試端。

（2）繼電器的吸合和釋放電壓、電流的測試。自小而大地調(diào)節(jié)RW，當(dāng)繼電器吸合時的電壓、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，充電即可結(jié)束。如同時測量充電的時間，還可測出電池的容量和好壞。

類似的，也可將上述測試方法用于其它元件的測試。

當(dāng)將測試端的Z1、Z2短接，電壓表的負(fù)極接Z4端或地時，耐壓測試儀變?yōu)楹懔餍碗娮迂?fù)載測試儀。在Z3、Z4端子上外接待測的電子設(shè)備，調(diào)節(jié)RW使電流表的電流達(dá)到需要的值，記下此時的電壓。依次類推，繼續(xù)測試下一個電流和電壓，便可計算出該設(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)壓性能的測試。制作好的穩(wěn)壓電源需要測試其穩(wěn)壓、保護(hù)性能（限流保護(hù)、減流保護(hù)）等等。首先按上述測試方法測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，穩(wěn)壓電源應(yīng)正確動作，否則應(yīng)對穩(wěn)壓電源的保護(hù)電阻進(jìn)行調(diào)整，直到符合要求時為止。

（2）充電電池性能的測試。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)到測試的規(guī)定值，并開始計時間。當(dāng)放電電壓達(dá)到規(guī)定的電壓時。記下時間，則電池的容量可按下式計算：電池容量mAh=恒流放電電流mA*放電時間h（也適用充電時容量的計算）。

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

如：配合數(shù)字萬用表的電壓檔擴(kuò)大電阻和電流的測量范同。一般數(shù)字萬用表的最小電阻、電流檔分別為200Ω和2mA，有的也無2A檔（如本人使用的DT890B+等）。此時，可將輸出的精密恒流電流調(diào)整到10mA、100mA，配直流200mV檔測試低電阻，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（待測電阻和數(shù)字電壓表都接在Z1、Z2測試端上），可作為最簡單的毫歐姆電阻計使用。同樣，因本恒流儀的恒流最小僅幾個μA，為精確測試恒流值，可制作1kΩ和10kΩ兩個精密的電阻串在線路上，用直流200mV檔測量，可將最小直流電流檔分別延伸至200μA和20μA，測量的精度可達(dá)0.01μA。因此，還可對高靈敏度的電流表以及萬用表的最小電流檔進(jìn)行校準(zhǔn)。再制作一個大功率1Ω的精密電阻，配上2V檔可增加測試2000mA檔的電流。采用上述方法，既解決了數(shù)字萬用表測量范圍的不足，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

（1）所用的元件均需用數(shù)字萬用表測量，盡量準(zhǔn)確（有條件的可用電橋測量），確保各檔的輸出范圍符合設(shè)計要求；

（2）大電流輸出時，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，同時加裝足夠大的散熱板。使用時估計測量所需的輸入電壓和功率大小，防止超過安全范圍。