一种电压控制电流源的设计与应用
2009-03-23
作者：韩静霖1，李国峰2，张 勇2，
摘 要： 基于运算放大器原理，介绍了一种电压控制电流源的设计，分析了控制电压的输入范围和电流的输出范围，用三极管进行扩流，以满足不同的应用要求。该电路结构简单、性能稳定、可控性好、线性度高、成本低廉。最后给出了电池充电电路的应用实例。
关键词： 压控电流源；运算放大器；电池；充电
电流源的用途很多，压控电流源因设计简单，调试方便而得到广泛应用。
压控电流源有多种实现方法。文献[1]和文献[2]采用运算放大器做输出，得到的输出电流小；文献[3]是一种比较复杂的应用；文献[4]用于蓄电池恒流充电；文献[5]采用脉宽调制控制器实现了开关恒流源。
本文采用运算放大器作为恒流元件，克服了文献[1]和文献[2]的不足，由单片机通过DA进行控制，通过A/D采样进行比较，以得到精度高、电路稳定的闭环恒流控制。
1 电压控制电流源的原理设计与分析
1.1 电路原理
电路如图1所示，根据理想运算放大器“虚短”和“虚断”的原理，可以得到：
当R>>R0、RL时，有如下近似等式：
即输出电流IL与输入电压vi成线性关系。
1.2 改进后的电路
图1所示电路要求R>>R0、RL时，(4)式才满足。将电路进行如图2所示的改进。由于理想运算放大器的输入阻抗为无限大，所以，流过电阻R0和RL的电流相等，可以得到：
1.3 进一步扩充电流后的电路
由于运算放大器的电流输出能力很小，一般为20mA～40mA，因此当实际应用电流比较大时，要对电路进行扩流，如图3所示。
同理，可以得到：
式中VEB是三极管发射结电压。所以，对应的输入电压范围是：
根据三极管的电流原理，设三极管的电流放大倍数为β，有：
因此在实际应用时，要根据输出电流的大小，按照(13)式、(14)式和(15)式的要求，选择合适的电阻R0、Rb和电源电压，以保证控制电压在合理的范围。
2 电压控制电流源的应用
图4所示为电池充电器中充电及控制电路的原理框图。单片机采用AT89C52，AD采用MAX195，DA采用DAC1232，采样放大是用OP177对采样电阻RS(100mΩ)上的小信号进行差分放大，负载电阻就是电池组，扩流三极管采用TIP127，压控电流源内的运算放大器采用TL082，以保证有足够大的输入阻抗。通过单片机进行置数，得到所需要的充电电流。对电流采样放大后进行比较，若电流偏大，则压控电压控制减1个LSB；若电流偏小，则加1个LSB，以实现稳定电流的闭环控制。在F3.4设备中，电流的范围是0.1mA～400mA，误差小于2％，满足了实际需要。
压控电流源的实现有很多种方法，本文所介绍的电路结构简单，理论分析明确。文中详细介绍了输出电流与输入电压的控制关系及动态范围，这对实际应用非常有帮助，这一点在充电电池的化成设备中得到了验证。
参考文献
[1] 钱如竹.用运算放大器构成压控电流源的研究[J].电测与仪表，2002，39(4).
[2] 李盛峰，姚若河，李斌.基于AT89C51的电流源设计[J].电子设计应用，2007(3).
[3] 郭继昌，李香萍，张宏涛.基于单片机控制的恒流源的设计[J].电子测量与仪器学报，2000，114(12).
[4] 尉广军，朱宇虹.几种恒流源电路的设计[J].电子与自动化，2000(1).
[5] 尉广军，朱宇虹，姚志敏.关于蓄电池充电器中的恒流源电路设计[J].河北工业科技，2000(4).