摘 要： 基于運(yùn)算放大器原理，介紹了一種電壓控制電流源的設(shè)計(jì)，分析了控制電壓的輸入范圍和電流的輸出范圍，用三極管進(jìn)行擴(kuò)流，以滿足不同的應(yīng)用要求。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可控性好、線性度高、成本低廉。最后給出了電池充電電路的應(yīng)用實(shí)例。
關(guān)鍵詞： 壓控電流源；運(yùn)算放大器；電池；充電
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電流源的用途很多，壓控電流源因設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便而得到廣泛應(yīng)用。
壓控電流源有多種實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]采用運(yùn)算放大器做輸出，得到的輸出電流小；文獻(xiàn)[3]是一種比較復(fù)雜的應(yīng)用；文獻(xiàn)[4]用于蓄電池恒流充電；文獻(xiàn)[5]采用脈寬調(diào)制控制器實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)恒流源。
本文采用運(yùn)算放大器作為恒流元件，克服了文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的不足，由單片機(jī)通過(guò)DA進(jìn)行控制，通過(guò)A/D采樣進(jìn)行比較，以得到精度高、電路穩(wěn)定的閉環(huán)恒流控制。
1 電壓控制電流源的原理設(shè)計(jì)與分析
1.1 電路原理
電路如圖1所示，根據(jù)理想運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”的原理，可以得到：
當(dāng)R>>R0、RL時(shí)，有如下近似等式：
即輸出電流IL與輸入電壓vi成線性關(guān)系。
1.2 改進(jìn)后的電路
圖1所示電路要求R>>R0、RL時(shí)，(4)式才滿足。將電路進(jìn)行如圖2所示的改進(jìn)。由于理想運(yùn)算放大器的輸入阻抗為無(wú)限大，所以，流過(guò)電阻R0和RL的電流相等，可以得到：
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1.3 進(jìn)一步擴(kuò)充電流后的電路
由于運(yùn)算放大器的電流輸出能力很小，一般為20mA～40mA，因此當(dāng)實(shí)際應(yīng)用電流比較大時(shí)，要對(duì)電路進(jìn)行擴(kuò)流，如圖3所示。
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同理，可以得到：
式中VEB是三極管發(fā)射結(jié)電壓。所以，對(duì)應(yīng)的輸入電壓范圍是：
根據(jù)三極管的電流原理，設(shè)三極管的電流放大倍數(shù)為β，有：
??? 因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要根據(jù)輸出電流的大小，按照(13)式、(14)式和(15)式的要求，選擇合適的電阻R0、Rb和電源電壓，以保證控制電壓在合理的范圍。
2 電壓控制電流源的應(yīng)用
??? 圖4所示為電池充電器中充電及控制電路的原理框圖。單片機(jī)采用AT89C52，AD采用MAX195，DA采用DAC1232，采樣放大是用OP177對(duì)采樣電阻RS(100mΩ)上的小信號(hào)進(jìn)行差分放大，負(fù)載電阻就是電池組，擴(kuò)流三極管采用TIP127，壓控電流源內(nèi)的運(yùn)算放大器采用TL082，以保證有足夠大的輸入阻抗。通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行置數(shù)，得到所需要的充電電流。對(duì)電流采樣放大后進(jìn)行比較，若電流偏大，則壓控電壓控制減1個(gè)LSB；若電流偏小，則加1個(gè)LSB，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電流的閉環(huán)控制。在F3.4設(shè)備中，電流的范圍是0.1mA～400mA，誤差小于2％，滿足了實(shí)際需要。
??? 壓控電流源的實(shí)現(xiàn)有很多種方法，本文所介紹的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，理論分析明確。文中詳細(xì)介紹了輸出電流與輸入電壓的控制關(guān)系及動(dòng)態(tài)范圍，這對(duì)實(shí)際應(yīng)用非常有幫助，這一點(diǎn)在充電電池的化成設(shè)備中得到了驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)
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