高精度恒流源设计.doc
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1、高精度恒流源设计目 录摘 要Abstract 0 引言1恒流源入门1.1 恒流源定义1.1.1 简易恒流源1.1.2 运放恒流源1.1.3恒流源的基本要素2.电力电子技术和直流稳定电源2.1电力电子技术的概况2.1.2电力电子器件的发展概况2.1.3电力电子变换技术的发展2.1.4电力电子控制技术的发展2.2电力电子技术的发展趋势2.3直流变换器软开关技术3高稳定度稳流电源基础理论3.1稳流电源主要性能指标3.2直流稳流电源的现状3.3直流稳流电源的发展趋势3.4直流稳流电源的分类4.1结论参考文献 致谢摘 要电流源输出的电流与外部影响无关,是电子仪器设备的一个重要组成部分。随着信息时代的飞速
2、发展,电源设备也逐渐向数字化的方向发展。电流源可以看做输出电压随着负载而变化,保证负载中的电流恒定不变。以此为思路,本设计介绍了一种具有开路和过载保护的数字电流源。采用MCS51作为控制电路,TL494作调整电路。整个电路效率高,输出较稳定,纹波电流较小。主要性能参数:最大输出电压25V;输出电流范围 ;步进值20mA。本文先介绍了电流源的应用,然后简要说明电力电子技术,数控技术的发展,开始分析电流源的电路相应参数的计算,最后分析控制电路。其中,以控制电路的分析为重点,着重说明MCS51在电路中的应用。先说明硬件电路的组成,然后分析各个程序,说明控制的原理。关键字:电流源;数控;MCS51AB
3、STRACTCurrents output by current source unrelated with external parts , wich is an important component of electronic equipment. With the rapid development of the information age, power equipment gradually develops in the direction of digit. Seeing output voltage with the current sources can load cha
4、nge, ensuring the load current constant unchanged. Taking this as a way of thinking, the design of a building and introduced a number of current Over Load Protection sources. MCS51 used as a control circuit, TL494 adjusted circuit. Entire circuit efficiency can be higher ,the exporting more stable,
5、and the wave currents become smaller. The first introduced current source applications, and then a brief description of the power of electronic technology, digital technology, and follows the analysis of current sources circuit corresponding parameters calculated, the final is the analysis of contro
6、l circuits. The analysis focused on the control circuit, highlighting MCS51 circuit in the application. First on the composition of the hardware circuit, and then analysis the various of procedures on the control method.Keywords : current sources, digital, MCS511绪言恒流源入门恒流源是电路中广泛使用的一个组件,以下是比较常见的恒流源的结
7、构和特点。恒流源分为流出(Current Source)和流入(Current Sink)两种形式。最简单的恒流源,就是用一只恒流二极管。实际上,恒流二极管的应用是比较少的,除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外,电流规格比较少,价格比较贵也是重要原因。图(1) 简易恒流源最常用的简易恒流源如图(1)所示,用两只同型三极管,利用三极管相对稳定的be电压作为基准,电流数值为:I = Vbe/R1。这种恒流源优点是简单易行,而且电流的数值可以自由控制,也没有使用特殊的元件,有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子,其be电压不是一个固定值,即使是相同型号,也有一定的个体差异。同时不同的工作
8、电流下,这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。为了能够精确输出电流,通常使用一个运放作为反馈,同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。图(2)运放恒流源典型的运放恒流源如图所示,如果电流不需要特别精确,其中的场效应管也可以用三极管代替。电流计算公式为:I = Vin/R1这个电路可以认为是恒流源的标准电路,除了足够的精度和可调性之外,使用的元件也都是很普遍的,易于搭建和调试。只不过其中的Vin还需要用户额外提供。从以上两个电路可以看出,恒流源有个定式就是利用一个电压基准,在电阻上形成固定电流。有了这个定式,恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个“电压基准”的器件上。最简
9、单的电压基准,就是稳压二极管,利用稳压二极管和一只三极管,可以搭建一个更简易的恒流源。如图(3)所示:电流计算公式为:I = (Vd-Vbe)/R1L431是另外一个常用的电压基准,利用TL431搭建的恒流源如图(4)所示,其中的三极管替换为场效应管可以得到更好的精度。电流计算公式为:I = 2.5/R1事实上,所有的三端稳压,都是很不错的电压源,而且三端稳压的精度已经很高,需要的维持电流也很小。利用三端稳压构成恒流源,也有非常好的性价比,如图(5)所示。这种结构的恒流源,不适合太小的电流,因为这个时候,三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。电流计算公式为:I = V/R1,其中V是三端稳压
10、的稳压数值。实际的电路中,有一些特殊的结构,也可以提供很好的恒流特性,最典型的就是一个很高的电压通过一个电阻在一个低压设备上形成电流,如图(6),这个恒流源的精度,取决于高压的精确度和低压设备本身导致的电压波动。在一些开关电源电路中,这个结构用来给三极管提供偏置电流。电流计算公式为: I = Vin/R1值得一提的是,以上这些恒流源并不都适合安培以上级别的恒流应用,因为电阻上面太大的电流会导致发热严重。图(2)可以通过使用更小的电阻来降低这个热量,不过在单电源供电模式下,多数运放都不能有效检测和输出接近地或者Vcc的电压,因此必须使用特殊的器件才能达到要求。有个简单的办法是通过一个稳压器件(稳
11、压管,或者TL431等)偏置电阻上面的电压,使得这个电压进入运放的检测范围。恒流源的基本要素恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈,动态调节设备的供电状态,从而使得电流趋于恒定。只要能够得到电流,就可以有效形成反馈,从而建立恒流源。能够进行电流反馈的器件,还有电流互感器,或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈,也可以利用回路上的发光器件(例如光电耦合器,发光管等)进行反馈。这些方式都能够构成有效的恒流源,而且更适合大电流等特殊场合,电力电子技术的概况随着19世纪初电磁学原理的发现,电力技术得到了很大地发展,各种电气设备如变压器、发电机、电动机相继出现,电能成为人们生活中不可缺少的部分
12、。随后,晶体管特别是三极管的出现促使电子学进入一个新的台阶,集成电路和微电子技术的进一步发展成为可能。伴随着电力技术和电子技术的发展,许多新的控制技术和方法也诞生了。至今,随着用户对供电要求的提高,电力技术、电子技术和控制技术融为一体成为一门新兴的交叉学科:电力电子技术。电力电子技术是二十一世纪的关键技术之一,它是一门使用电力半导体器件,应用电路和控制理论知识分析开发,实现对电能的高效变换和控制的技术。电力电子技术是电工技术的分支之一。应用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术,对电能特别是大的电功率进行处理和变换,是电力电子技术的主要任务。可以认为,电力电子技术研究的内容包括以下三个基本内容
13、: 元器件(电力电子器件,磁元件及电容器)。 电力电子变流技术,包括改变频率、电压、电流及变换相数。 电力电子电路的控制技术。现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。当前,电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来.电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合.电力电子器件的发展概况电力电子学诞生以后,人们常把相对应的半导体学科分为两个
14、分支:一个是以集成电路为核心的微电子学;另一个则是以大功率半导体器件为代表的电力电子学。前者单元器件的功率越来越小;后者单元器件的功率越来越大电力电子器件,既是电力电子技术的基础,也是电力电子技术发展的强大动力。近年来,随着应用领域的不断扩大,要求集成电路功率化,功率器件集成化,这又把半导体学科的两个分支有机地结合起来,于是就出现了功率集成电路(PowerIC)简称PIC,它使微电子技术和电力电子技术相辅相成,把“信息”与“功率”合为一体。可以说电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机的。下面概略介绍国内外先进的电力电子器件的发展动向和目前水平。(1)双极功率晶体管最近几年来,双极功率
15、晶体管的发展主要集中在高速开关反相应用器件方面。由于双扩散工艺的成熟,使器件的电压、电流、功率等额定值达到很高水平并己经出现了许多具有较快开关速度和较低开关损耗的新器件。随着模块化技术的进步,巨型晶体管(GiantTransistor)简称GTR,已经向高耐压、大容量方向发展。双极功率晶体管应用的主要局限性是随着阻断电压的增加,器件增益降低。由于双极功率晶体管是电流控制器件,增益减小导致了控制信号的增加,这就需要分立电路来实现,从而增加了成本。另外由于受安全工作区的限制,双极功率晶体管的应用需要缓冲电路,这也会提高应用中的系统成本。总之,目前双极功率晶体管器件发展的主要目标仍是高速晶体管、达林
16、顿晶体管、功率模块以及混合集成器件的制造。(2)晶闸管与可关断晶闸管(GTO)自从1957年晶闸管问世以来,其功率容量大约增加了3000倍。今后的发展方向仍是高压、大电流。目前最高科研水平为1000A,12000V。光触发晶闸管的稳定生产水平已经是4000A,8000V,而且具有过压自保护功能它在直流输电、无功补偿、大功率直流电源、超大功率和高压变频调速等方面仍有广阔的应用领域。与晶闸管相比,GTO具有快的关断速度,高的关断电流容量和大的关断安全工作区。它代表了晶闸管的发展方向。(3)功率MOSFET功率场效应晶体管集中了电子管、双极功率晶体管和晶闸管等优点,它具有开关速度快、驱动功率小和极好
17、的安全工作区(SOA)等特性,因此,在高性能的开关电源、斩波器和电机控制的逆变电源中得到越来越广泛的应用。它的特点如下:MOSFET是多数载流子器件,不存在少数载流子的存贮效应,开关速度极快,目前IC直接驱动的功率MOSFET的开关频率均高于l00kHz。在IMHz左右高频工作下的DC/DC转换器已经问世。 (4)绝缘栅双极晶体管(IGBT)IGBT的主要特点是能集MOSFET的电压激励和达林顿管的大电流低导通电阻特性于一体,还保存了高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流,对温度不敏感等MOSFET所拥有的一切优点。用相同面积芯片制作的工GBT,其最大输出电流可比同类MOSFET的输出电流增
18、加两倍以上。IGBT有一个固有的特点,即其开关输出脉冲后沿有约1,us长的拖尾电流。此电流会产生一定的开关损耗。(5)静电感应晶体管(SIT)与静电感应晶闸管(SITH)静电感应晶体管(SIT)与静电感应晶闸管(SITB)分别于70年代初期及中期在日本研制成功,现已应用于许多领域。功率SIT是具有非饱和输出特性的多子器件,可实现极高速工作;由于它具有正温度特性,能实现多个SIT并联工作,容易实现大电流化。SITH与普通晶闸管和GTO相比,有低正向压降、高开关速度、高阻断增益、高导通和高关断电流增益,以及高di/dt和dvldt容量等优良特性。与SIT相比,导通电压较低,但开关速度也低于SIT。
19、它在大容量应用方面很有前途。总之,今后电力电子器件将沿着一下几个方向发展:大容量化,即高压、大电流;高频化,即提高器件的开关速度;易驱动,主要向电压驱动方向发展;低导通压降,可降低导通损耗;模块化,使主电路结构简化,体积缩小:功直集成化,将驱动、保护、检测、控制等功能与器件集成,使装置更为简化。1.1.2电力电子变换技术的发展从电能变换功能来看,电源设备中常用的变换电路有四种:AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC。每种又有单相,三相及其它各种电路类型。下面仅就四种变换电路的发展方向进行概述性的介绍:AC/DC变换将交流电变换成直流电称为AC/DC变换,这种变换的功率流向由电源传向负载
20、,一般称为“整流”。通常单相半波可控整流电路因其性能较差,只应用于小功率场合,在实际应用中,广泛使用的是单相全波可控整流电路。其电路形式有:单相桥式全控整流、单相桥式半控整流及单相双半波整流电路。三相AC/DC变流器具有比单相变流器更加优越的性能,诸如输出电压高、脉动程度小、源侧功率因数高以及动态响应快等。因此它不仅在中、大功率领域中得到广泛应用,而且还在直流电机调速系统中得到应用。常规的整流装置,由于工作方式的影响,功率因数低,且谐波电流污染了电网,而导致用电设备之间的相互干扰。因此近年来,国内外研究功率因数校正器(PFC)成为热点。正是由于单级PFC电路在满足谐波标准的同时还能够实现低成本
21、、高性能,尤其适用于小功率应用,因此具有很大的市场前景。DC/AC变换将直流电变换成交流电称之为DC/AC变换,也就是通常所说的“逆变”。中、高压大功率逆变技术是当前电力电子技术的一个最新发展动向。它们主要应用于大功率电机调速传动系统和电力系统。这一方面是因为工业应用的实际需要;另一方面是因为在这一领域有许多挑战性的前沿研究课题:如高功率开关容量(50MVA)、高耐压(9000v)、大电流(6000A)的新型大功率器件;新型多电平逆变器;大功率逆变器的串并联及动态投切;超大功率逆变器的EMC、保护及控制:新型灵活交流输电系统等。DC/DC变换将直流电能的任一参数(IGM值和极性)加以转换,实现
22、这一转换的装置称为直流变换器或斩波器。以直流变换器为核心的开关电源随着电力电子技术和计算机科学与技术的发展,其应用越来越广,目前己成为一个重要的新兴产业。1985年有人提出了移相控制PWM变换器,通过调节移相角的大小来调节输出电压。目前,DC/DC电源的软开关技术仍是电力电子技术的一个研究热点。AC/AC变换AC/AC变换亦称交流调压与周波变换,把恒定交流变换为可变交流称为交流调压,把固定频率的交流变为频率可变的交流称为变频。变频电路按照变换次数又可分为间接变频和直接变频两种结构。前者指包括整流和逆变两次变换,即将工频电网的交流电能经整流器变换为直流电能,再由逆变器变换为另一频率的交流电能。这
23、种电路结构较简单,技术也较为成熟,生产上已得到广泛应用。直接变频电路较间接变频电路在结构上复杂,但只有一次转换,系统效率较高,对大容量装置有价值。电力电子控制技术的发展电力电子控制策略的发展体现在各种控制理论和控制思想的尝试和应用。目前,在PFC整流,波形控制方面都出现了许多令人满意的控制技术。比例积分PI控制是工程实际中应用最广的控制器,它概念清晰,容易实现,且鲁棒性强。比例P调节影响系统的稳定性,积分I调节消除静态误差、增加稳态精度,同时又增加了控制的相位滞后。PI控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪,因此系统的稳态精度不容易满足要求。重复控制是一种基于周期的控制方法,现已广泛应用于质子同步
24、加速器等高精度高稳定度磁铁电源系统。重复控制的基本思想来源于控制理论中的内模原理,在重复信号发生器内模的作用下,控制器进行逐周期点对应式的积分控制,通过对波形误差的逐点补偿,实现稳态时无静差的控制效果。二瞬时内环反馈控制是通过负反馈使反馈量接近给定,并抑制反馈环所包围的环节的参数变动或扰动所引起的偏差。因此在逆变器控制中,若给定为正弦,瞬时值内环控制能使输出电压波形尽量接近正弦,从而减小输出电压畸变率。电压电流的双环控制可以避免单环控制在抵抗负载扰动方面的缺点,同时具备优异的动、静态特性,是一种高性能的波形控制方法。但是它也有自身的不足,就是电流内环的设计要求具备足够宽的带宽,这就使得对数字控
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