恒流控制范文

恒流控制范文（精选9篇）

恒流控制 第1篇

随着半导体集成技术的发展,恒流源的研究已经入崭新的一个阶段。在一些电真空器件中,如示波器,功率发射管等由于通电瞬间的电流非常大,所以对稳定其工作来说,恒流源显得非常必要。另外如各种标准灯、校验表、自动化仪表和半导体器件参数测量等,恒流源对器件的性能起着重要作用。

恒流源的实质是对电流进行反馈,通过对硬件电路进行供电,从而使电流趋于恒定。在得到电流之后形成反馈,从而建立恒流源。由于恒流源具有的特性,所以具有适合阻性、感性、容性负载的优点。理想的恒流源不会因负载的输出电压、环境温度的变化而变化,并因其内阻无限大,所以可使其电流全部输出[1]。

1 恒流源实现原理

数/模转换输出的值加到运放的LM358正输入端,输出端电位加到场效应管的栅极上,根据场效应管的特性,可使输出电流信号放大若干倍,具体数值根据所选场效应管与外部电路而定[2]。通过分析计算出外部电路的参数,使场效应管工作在放大区,由于此时漏源极电流仅决定于栅源极电压,所以当改变栅源极电压时,源极的电流也随着变化。为排除外部干扰信号的影响,源极电位加往U6-B运放器的正输入端以便滤波。经滤波所产生的信号加入到U6-A的负输入端,使其经过两端的压差放大之后控制场效应管的栅源极电压。当场效应管的漏极电流变大时,源极的电流同样增大,U6-A的反相端电位也变大,这样U6-A两端输入之差变小[3],所以场效应管的栅极电位也变小,漏极电流随之变小,从而达到恒流的效果。当场效应管的漏极电流变小时,源极的电流变小,U6-A的反相端电位变小,这样U6-A两端输入之差变大,所以场效应管的栅极上的电位变大,从而也达到恒流的效果。恒流源模块如图1所示。

2 系统的方案设计

本文设计的恒流源主要分下面几个模块:单片机控制系统、A/D和D/A转换模块、电源模块、恒流源模块、负载及显示模块。通过对按键的操作实现手动输入,通过D/A转换输入至恒流源模块,再通过A/D转换将数值送入到单片机内。系统框图如图2所示。

3 系统的控制算法

在恒流源的设计中,采用了增量式PID控制,由最为常见的传统式PID控制,比例、积分、微分控制推导而来。传统PID控制回路如图3所示。

PID调节控制器的输出/输入关系的表达式如下:

式中:uT为输出信号,e(t)为输入偏差信号,tD为微分时间,tI为积分时间。在该系统中,单片机对恒流源模块输出进行采样,得出量化数值。所以需将式(1)离散化以求得所需结果[5]:

式中:T为采样周期;e(n)为第n次采样的偏差值;e(n-1)为第n-1次的采样偏差值;u(n)为第n次采样输出值。为使系统具有足够高的精度,必须将采样周期设定的足够小。由式(2)可以看出,如果要得出第n次输出值,需要处理的数据非常庞大,不仅需本次与前一次的偏差信号,而且需要从第一次到第n次的采样偏差值,再将其累加求和。在这一步骤当中,对微控制器所需的内存会有一定要求,并且其计算量繁冗。因此,对其进行化简,由递推原理求得第n-1次输出值,如下:

由式(3)减去式(2)可得如下方程:

由式(4)可知,如果要得出第n次的输出值,只需求得第n-1次的采样输出值,第n,n-1,n-2次的偏差值,整个过程就简单清晰的多。在该系统中,经过A/D转换所得到的参数就是PID的被控对象。

在整个系统中,通过采用PID控制算法,不仅可以即时的反应出控制系统的偏差信号,减少偏差,而且通过积分控制作用之后,可以消除静差,使系统的精度大幅度提高。另外,在微分控制当中,偏差信号的变化趋势也可以读出。通过反馈作用,可对信号进行修正,从而加快系统的响应速度,减少调节时间。并且可避免因处理器的任何故障而引起的输出信号的大幅度变化。

为了证明增量式PID控制相对于传统PID控制的优越性,本文采用Matlab分别对增量式PID算法和传统PID算法进行仿真比较。

取KP=10,tD=3,tI=0.1,采样时间TS=0.001。给出一个叠加的阶跃响应模拟电流值的调节信号输入,分别在1,2.3,3.5,4处将系统输入(即:设定电流值)从0~1,1~1.8,1.8~2,2~2.9进行变化,仿真5 s后观察不同控制算法下的响应情况,如图4所示。

由图4可知,在控制器参数相同的情况下增量式的PID控制算法具有其响应速度更快,超调量更小,优于传统的PID控制。

4 系统的软硬件设计

4.1 软件设计

首先完成系统初始化,给系统变量赋初值,然后进行按键扫描,获取键值,判断设定键,进而进行相应的功能子程序处理。该系统是采用外部中断0来实现实时扫描,使系统进行数值设置[4]。通过外部中断1来实现数值设置值的LED显示。其中LED显示时,每一位显示的间间隔为2ms。在进行数值采样的时,为了有足够的精度,该系统所采用的采样时间间隔为1 ms,这里也可以根据工作的需要进行自行设定。主程序流程图如图5所示。

定时器中断实现数字信号处理的整个过程。当中涉及到参数的设定,即校准过程,并且需进行PID控制算法的实现,所以对数字处理这一块会稍微繁琐一些。其流程图如图6所示。

4.2 硬件设计及系统测试

给出本系统几个主要电路图如图7~图9所示。

该系统微控制器是采用高性价比AT89S52单片机。D/A转换芯片采用的是10位DAC芯片,A/D转换芯片是采用的美国德州仪器公司生产的8位串行ADC换器芯片。为了能够在实际中验证系统设计的性能采用万用板连接系统各种硬件,经过电路的搭建和程序的烧写得到如图10所示的系统。

在搭建并调试好系统后,下一步工作就是进行数值测定,测试系统各项性能。数值测定结果如下:

设定电流的300mA,测得步进电流数据如表1、表2所示。

取负载电阻为10Ψ,纹波电流=纹波电压/负载电阻,测试数据如表3所示。

5 结语

对该恒流源模块的测量结果表明,其步进分辨率高,纹波小,并且可以手动输入电流20~2000mA之间的数据。可以为各项工程应用提供高稳定度的恒流源。该系统还可采用其他更为先进的控制算法,以求得更好的效果。

参考文献

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一种两级式LED恒流驱动电源设计 第2篇

摘 要：根据LED驱动电源设计要求，对设计方案进行合理论证，前级功率因素校正采用升压型斩波电路，控制芯片采用仙童公司的FAN7527，后级采用隔离式单端反激电路实现降压型DC/DC变换，控制芯片为TI公司的UC3843；此外为满足LED驱动电源恒流输出特性，设计中采用AP4310设计一个恒流限压控制器。基于以上结构，完成一款实验样机，通过测试和分析，实验波形与理论波形基本一致，完成本次设计要求的性能指标。

关键词：LED DC/DC变换；功率因素；UC3843；恒流

中图分类号：TM46 文献标识码：A

Abstract：According to the design requirements of LED Current drirer， this design plan for a reasonable argument. The first stage power of factor correction adopted boost chopper circuit and its control chip is Fairchild's FAN7527. Isolated singleended flyback circuit buck type DC/DC converter was used as the second stage and its controller chips is TI's UC3843. In addition， to meet the output characteristics of constant current ，AP4310 was designed as constant current controller. Based on the above structure， experimental prototype of LED driver was realized. Through testing and analysis， experimental waveforms were consistent with the theoretical waveform and the proposed LED driver meets the design requirements.

Key words：LED DC / DC conversion；power factor correction；UC3843；constant current

1 引 言

近年来，能源危机使世界各国开始关注绿色节能照明问题，新型光源也应运而生。发光二极管（Lighting Emitting Diode，LED）具有高效、节能、无污染、模拟自然光等优点，在最近几年得到快速发展，逐渐成为照明市场的主流，世界各国政府和公司已投入大量资金用于白光LED的开发和推广。LED主要可应用于信号指示、装饰照明、景观照明，家具照明、路灯等，不同应用场合的照明必须设计对应的驱动电源才能满足需求[1-3]。

由于LED自身的伏安特性及温度特性，对驱动电源的要求非常高，必须研发可靠、稳定的驱动器与之匹配[4-5]。通常，对于LED驱动器的基本要求有：高功率因素（Power Factor Corrector，PFC），高效率，恒流控制等，本文选用最新应用控制芯片，通过合理的外围电路设计，完成了一款LED驱动电源。

2 方案论证

LED驱动电源设计中，通常采用桥式整流和电解电容滤波电路来实现AC/DC变换，为下级变换器提供直流电。由于整流二极管具有单向导电性，只有在正向偏置时才会导通，也就是交流输入电压的半个周期中，只有交流电压峰值高于电解电容电压整流二极管才会导通。因此，在交流电压的半个周期内，每对二极管的导通角往往只有60o-70o。虽然交流输入电压仍然能保持正弦，但输入电流却出现严重畸变，呈幅度很高的尖峰状脉冲，从而导致系统功率因素很低，一般仅有0.5-0.6，影响电源的利用率，对电能造成巨大浪费。此外，输入端产生的谐波电流也会对电网造成污染，影响电能质量和供电品质，同时也会对系统中其它电子设备产生干扰[6]。

美国能源部于2008年10月发布的固态照明光源“能源之星”规范要求：任何功率等驱动电源都需要强制进行功率因数校正；住宅应用LED灯具的功率因素>0.7，商业用LED灯具的功率因素>0.9。因此在本设计中首先应考虑功率因素校正环节。典型功率因素校正方式有无源PFC和有源PFC两种类型。无源PFC电路只使用二极管、电阻、电容和电感等无源元件，拓扑简单、成本低，但功率因素校正效果较差。实际LED驱动电源中较多采用有源PFC，有源功率因素校正技术是利用集成电路使电流波形主动跟随电压波形从而达到功率因素校正的目的，按电路拓扑结构可以分成降压式、升/降压式、反激式、升压式四种，本文选用比较成熟的是Boost升压式电路结构。

在直流供电方面，LED驱动电源按照驱动方式主要可以分为四类：电阻限流控制、线性控制、电荷泵变换器以及开关变换器等。开关变换器效率高、控制精准，可以实现宽范围的电压/电流控制，非常适合大功率多串式LED 的控制。其中典型降压型DC/DC变换有：非隔离降压型（Buck）、反激式拓扑、半桥拓扑。非隔离降压型一般应用在1-10W场合；反激式一般用在25W-100W左右场合；100W以上一般选用半桥拓扑，本文根据功率等级选择反激式隔离降压变换器[6]。

此外，为了保证LED光源稳定性及可调性，需要了解其基本电气特性，如图1所示为LED光通量与其正向电流、正向电压的关系曲线[7]。从图中可看到，LED的光通量仅取决于驱动电流的大小，LED 两端的电压近似为恒值。由此可知，LED 需要采用恒流控制，通过调节电流大小来调节 LED 的输出光通量。

3.1 PFC电路设计

PFC电路设计采用了升压型斩波电路，控制环节主要由仙童公司功率因素校正控制芯片FAN7527完成，电路设计如图3所示。输出电压经R4、R5电阻分压进入1号脚，芯片内部调节器输出与3脚输入的半波电压瞬时值相乘，乘法器输出作为电感参考电流指令，与4脚输入电流瞬时值比较，当输入电流值大于乘法器输出时，输出电平翻转，RS触发器置“0”，该电平由7脚输出，关断开关管。因此，乘法器输出电流即为通过开关管的电流的门限值，该门限值随输入电压的变化而近似呈正弦规律变化。当开光管关断后，变压器L2电流慢慢减小，当电流接近零时，又导致引脚5过零比较器的输出翻转，将RS触发器置“1”，开关管导通，电感电流增大。重复上面的过程，电流波形接近正弦波，从而达到功率因素校正的目的。

3.2 DC/DC直流变换电路设计

本级设计选用UC3843作为控制芯片，UC3843是高性能固定频率电流模式控制器，具有可微调的振荡器、精确的占空比控制、高增益误差放大器、大电流图腾式输出等优点，专为反激式DC/DC变换器应用而设置，只需很少外部元件就能获得成本效益高的解决方案，其外围电路设计如图4所示。变换器开关频率由R9、C12决定。反馈信号通过电阻R10、R11进入2脚，通过芯片内容高增益误差放大器构成控制环节，调节6脚输出占空比大小。开关管电流通过R13进行采样进入引脚3，当流过开关管电流超过给定值时，关断开关管。

3.3 恒流限压控制电路设计

如前所述，LED驱动电源必须采用恒流方式。恒流控制的方式很多，此处主要利用AP4310作为主控芯片，来实现恒流限压输出，AP4310内部结构主要是由2个运放组成，如图5所示。AP4310的3号引脚自带一个2.5V的基准电压（第一个运放的正向输入端），通过R20、R21输出电压采样反向输入端（2号引脚），该运放构成电压控制环，当方向输入电压过2.5V，输出端为低，这样反馈信号从光耦通过二极管D8到运放1的输出端，从而实现限压功能。同理，运放2用于调节电流，其同相端的参考电压值由R22、R23决定，反向输入端为从R16采样电流反馈的电压值，当过流时，其反相端电压超过同相，运放输出低电位，从而使光耦通过二极管D9导通，反馈到开关模块进行调节电流。

4 实验测试

根据以上设计电路，在实验室制作了一款LED驱动电源，实物图片如图6所示。

功率因素校正部分实验结果如图7和图8所示。图7为PFC电路电感电流和PWM驱动波形，图8 PFC电路电感电流和输出交流电压波形，通过图中可看出输入电流呈正弦，与输入电压相位接近，系统功率因素较整流电路有较大提高。

后级反激式DC/DC电路波形如图9和图10所示。图9中频率为71KHZ，占空比为36.49%。图8为样机输出电压和电流波形。

从以上波形可看出，设计的LED 驱动电源能较好的完成功率因素校正和恒流输出驱动LED发光的功能。

5 总 结

本次设计根据LED的驱动电源设计要求和，对从功率因素和电路能量变换角度确定了电路拓扑结构；在此基础上，设计了一款高功率因素的LED恒流驱动电源，通过实验验证了LED驱动电路的有效性。

参考文献

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[6] 裴云庆，王兆安.开关稳压电源的设计和应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

基于单片机控制的恒流测试系统设计 第3篇

1 设计硬件电路

1.1 系统的组成及工作机理

该系统主要由恒流充放电主电路、开关电源供电电路、电流电压检测电路及PIC控制系统构成。将典型的正激双管式拓扑结构应用到开关电源电路中,TL494脉宽调制控制器为基本的控制芯片,经过采样反馈回路,获取输出电压,对脉宽宽度大小进行改变,对开关管导通时间实施调节处理,进而确保输出电压的稳定。

1.2 充放电柱电路系统

充放电柱电路主要由两部分组成,即有源电子负载和恒流源,通过恒流源为超级电容器充电是其基本思想,然后,超级电容器再利用恒流形式下的有源电子负载进行放电,对于充放电功能的自动转换,由继电器完成控制。

恒流源用图中的虚线框表示,有源电子负载用右虚线表示,继电器为KA1和KA2,由单片机控制它们的状态。在进行充电时,闭合KA1,断开KA2,将供电电路接通,将超级电容器中的电充满,将功率器和耗能电阻应用到回路中将电能消耗掉。单片机利用输出低电平和高电平,对开关KA1和KA2的通、断情况进行控制,完成恒流放电和恒流充电的转换,也就是有源电子负载功能和恒流源之间的相互转换。

在设计恒流源电路时,对开关的状态,用运算放大器控制功率管进行掌控,确保稳流功能的实现,有高精度的大电流存在于这种电路中,对相关的设计要求予以满足。图1为此电路的模型图。

其中控制电压用Ui表示,输出电流为Io,运放为A1和A2。由单片机完成控制电压Ui的输出,由用户完成大小的设定。Ui向着A1中输入,在放大之后,对MOS管的导通程度进行控制,进而生成输出电流Io。在采样电阻Rs上输出电流会生成采样电压,通过放大向着运放A1的反向输入端中反馈,然后合理调整其中的输出电流,进而发挥出稳流的功能。把采样电阻上获取的采样电压向着单片机中输入,利用数据的处理,最后,二次调整输出控制电压。

按照虚断和虚短的规律,能够将输出电流和控制电压之间的关系推导出来,用恒流模式下的电子负载放电作为超级电容器放电测试的主要构成部分。有效的结合起有源地码字负载和恒流远电路,通过继电器和少量的外围电路的掌控,实现恒流放电和恒流充电的功能切换,进而提升工作效率,大大地节省投入成本。

1.3 控制系统

在对电路进行控制时,将PIC16F877A作为主控芯片的控制器,它的运行速度比普通的单片机要快上5倍左右,而且具备10位ADC转换模块和完善的时钟模块,此外与US-ART总线方式结合了起来,与上位机的通信可以有效地完成。

一个六位的端口为PIC单片机端口RA的主要特征。端口里面的RBA-RB7具备电平改变中的终止功能,在4×4矩阵键盘中断响应端口中能够发挥相应的作用,将输出电流值、电压限定值和电路工作方式利用矩阵键盘能够设定出来,对于设定的输出电压限定值和输出电流值用数码管显示出来。对MAX7219显示控制芯片进行应用,有BCD码编码器存在于内片集成中,数据段驱动器、多元扫描电路等将八位显示数据的静态RAM存储了进去,将八个七段共阴级数码显示管能够一同的完成驱动处理,对较少的端口资源进行占用。

1.4 分析供电电路

如图2所示。输入整流滤波器是由图中的C1、C2、C3、C4和扼流Lab一同将输入整流滤波器构造了出来,避免电网的干扰信号和开关电源互相干扰。由TL494对正激双管式的两个开关管进行掌控,然后确保D1与D2能够一同被中断,在输入电压值上籍位电压,所以,将单管一半的耐压值应用到开关管中就可以。将TL494作为控制驱动芯片,这种集成电路是由典型的固定频率脉宽调制控制的,对于控制开关电源所需要的所有功能它都能够包含于其中,可以当作半桥式、全桥式、单端正激双管式开关电源的掌控系统。将TL431和4N34组合作为反馈采样回路的光耦隔离器。

通过滤波电路,交流220V市电流利用整流桥向着300V的直流电压转变,之后利用通断控制功率MOS,用高频脉冲电压取代300V电压,然后,向着高频变压器中送入,再通过滤波、稳压和流管整流,将48V的直流电压输出来。经过反馈回路,将部分输出电压向着TL494脉宽调制控制器中输送,利用对输出脉冲电压脉宽宽度的大小进行改变,对功率MOS管的开通时间进行掌控,从而对输出电压进行调节控制,将稳压的作用发挥出来。

2 仿真设计放电主电路

对仿真软件Multisim10进行使用来分析设计主电路,在主电路里面,100m/5W为设置电流采样电阻,将TLC2522作为运放选择,对IRF公司生产的IRF540进行使用作为功率MOS管,直流30V的电源。控制电压Ui用采样通道A表示,采样电阻上的电压用通道B表示,输入电源电压用通道C表示。在控制电压Ui是5V时,会有0.5V的电压存在于采样电阻上,也就是电流在回路中是5V。

恒流控制 第4篇

关键词：LED驱动；跨导放大器；降压；恒流

近年来，白光LED光源以其长寿命、高亮度、低功耗等诸多优点，迅速的占领了广场、办公、路灯、医疗等各个领域的照明市场。 LED光源就是半导体发光材料技术高速发展及绿色照明逐渐深入人心的产物。

半导体发光材料的光强度与通过它的电流呈线性关系，传统的LED驱动是用恒压驱动的方式，由于流过半导体的电流与加在上面的电压呈指数关系，所以即便是恒压驱动，当负载由于温度或者其他原因变化的时候，其上面的电流变动很大，严重的影响LED的发光亮度。

现行市场上流行的LED恒流驱动是通过上面改进而来，是由一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路的LED供电，如果其中一路LED故障，并不会影响其他路LED的工作，但是成本很高。还有就是恒流LED串联应用电路，但是如果其中某个LED故障，就会影响整个电路的工作。

本文设计的这种LED驱动电路，是工作在恒流驱动模式下的，此路的恒流电流可以驱动一个LED串联电路，多个驱动电路并联，就可以灵活的组成各种LED串并联电路，而且流过LED的电流可以通过外部采样电阻来调节，实现每一路电流都不相同的应用。

1 基于OTA的恒流电路原理分析

1.1 整体电路架构

恒流电路芯片内部由误差放大模块和PWM产生模块组成，外部是一个BUCK型的恒流驱动电路，如图1所示。

误差放大模块将Rs上的采样电压VSEN反馈回芯片内部，误差放大器将VSEN电压与基准电压作比较，产生误差电压值VERR。误差电压值VERR和锯齿波进行比较，产生了能够控制外部MOS管的PWM波形。外部电路是一个BUCK型的恒流电路，在GATE端的PWM波控制开关管的开启关闭，在VIN端和NET0端之间的负载上产生电流。因为最终的VSEN采样均值被误差放大器稳定在VREF处，且开关管导通时LED上流过的电流与采样电阻电流相同，所以负载上的电流均值是恒定的。

1.2 误差放大模块

误差放大模块是将外部的采样电压VSEN转换为误差信号的电路，由采样电路、误差放大电路和缓冲输出电路组成，如图2所示。

MN1和MN2为两个n管，组成了一个采样电路。在PWM输出端GATE为高电平时，采样电压VSEN有效，MN2导通，MN1截止，VSEN端的电压传输到误差放大电路中；当GATE为低电平时，采样的电压无效，MN2截止，MN1导通，将基准电压VREF传输到了误差放大电路中，使误差放大器的正负输入端电压相等，输入差模信号为0。

整体电路中的X1是一种单端输出的跨导型放大器。第一级差分输入端P390和P391完成了电压信号到电流信号的转换；第二级N381是一个共栅极的放大组态，其漏端对源端的电流增益为1。计算P390的跨导的公式如下：

X1输出的电流为：

Ie=Gm(amp)×(VREF-VSEN)

当采样电压VSEN小于基准电压值VREF时，跨导放大器电流输出为正，对电容C1充电，使得X1的输出端电压升高；当采样电压VSEN大于基准电压值时，跨导放大器电流输出为负，电容C1对跨导放大器放电，使得X1的输出端电压降低。

X2为缓冲输出电路，由一个两级的差分运放构成，运放开环时，低频增益为45dB，-3dB带宽为3.5kHz。因为运放的带宽较小，所以能够有效滤除误差电压信号上叠加的高频分量，保证了误差信号的直流特性。将此运放连接为单位增益的方式，构成电压跟随电路，保证了误差电压信号对后级电路的驱动能力，也将X1输出的误差电压信号与后级电路隔离开，不受后级电路的高频耦合影响。

1.3 PWM波形产生模块

PWM模块是将误差信号与基准电压做比较，输出PWM波形，驱动外部开关管。

X3是一个比较器，将峰值为1V震荡锯齿波VSLOPE与0~1V之间的误差信号直流电平VERR做比较，产生占空比与误差信号直流电平VERR成正比的PWM方波，此方波信号经过一个或非门X4和一个RS触发器X5，或非门和RS触发器的另一端输入为震荡频率的方波信号，保证此PWM方波与震荡频率同步。X6为一个由4级大宽长比的反相器构成的驱动缓冲电路，其中每一级的反相器宽长比都比前一级大一倍。驱动缓冲电路将PWM方波信号驱动能力增强，才能保证外部开关管有效的导通和截止，使外部电路正常工作。

1.4 外部应用电路

外部应用电路是一个BUCK型的PWM控制的恒流电路。VIN是外部电压，MOSFET是开关管，D1是肖特基二极管，L1是储能电感，C2为滤波电容，电阻Rs是采样电阻，VSEN是采样电压反馈，GATE是PWM输出，负载LED接在VIN和NET0之间。

当GATE为高电平时，MOSFET开关管开启，VIN电压加在负载LED上，电流从VIN到NET0，经过L1和MOSFET以及采样电阻Rs，D1反偏不导通，同时VIN为电容C2充电；当GATE为低电平时，MOSFET管关闭，从MOSFET的漏极到地没有电流通路，而且电感上的电流不能突变，还是从NET0到NET1的电流，此时电感左边的节点NET1电压瞬间升高，高于VIN+VD，其中VD为肖特基二极管的正向压降，肖特基二极管导通，电流从电感的右边节点NET0到左边NET1，然后顺着二极管的正向开启方向，流入负载LED中，同时C2为负载放电，保持电流稳定，如果电感L1和电容C2中的储存能量消耗完之前，GATE变为高电平的话，VIN又能对电感冲入能量，维持连续的工作模式，如果电感L1和电容C2中的储存能量消耗完，但是MOSFET还没有开启的话，二极管关断，LED上没有电流通路，此时就工作在了不连续模式。

2 电路仿真

本文设计的电路采用CSMC 0.5μm的标准CMOS工艺库，利用HSPICE软件进行仿真验证(见图3)。

2.1 跨导放大器仿真

将跨导放大器的输出端连接一个电容负载，尾电流为9μA，负输入端接0.25V直流电平，正输入端加入一个正弦波，其直流偏置为0.25V，峰峰值为0.05V，频率为1MHz的交流小信号，观察各节点电压电流。

由图可以看出，在正端电压比负端电压大0.05V的时候，输出到负载的电流为3.5μA。根据此仿真结果，3.5μA/0.05V=70μs，与计算得到的跨导结果一致。

2.2 全电路仿真

将误差放大器模块、PWM波形产生模块，以及外部应用电路连接在一起，构成一个闭合的反馈环路(见图4)。整体电路中，加入控制信号和基准电压250mV，观察负载电流和采样电压与GATE占空比的关系。

由仿真结果可得，GATE端的占空比为48%，流过LED的等效电流为247mA。等效电流基本上等于基准电压除以采样电阻，电流精度高，稳定性好。

3 结束语

本文设计的LED驱动电路是基于OTA的BUCK型恒流驱动电路。误差放大模块对采样电压与基准电压差进行放大，输出的误差电压信号控制外部开关管的PWM的占空比，最后由外部应用电路实现LED的恒流功能，并将采样电

压反馈回芯片内部。本文电路基于CSMC 0.5μm的工艺库做了仿真，结果显示本电路能够稳定LED上面的电流，可以满足对电流稳定度要求较高的LED驱动。而且本文设计的驱动电路，电路实现性好，可以多个支路并联应用，增加电路灵活性，适合家庭及办公场所照明应用。

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[3] 王松林，洪益文，来新泉，吕亚兰. 一种新颖的具有带隙结构的误差放大器设计[J]. 电子器件，2008，6(31): 838-844.

[4] 潘文捷，葛康康，何乐年. 高压、高效率白光LED驱动电路的研究与设计[J]. 电子器件，2008，12(31): 1989-1906.

恒流控制 第5篇

图1为系统的总体框图。本系统通过小键盘和LCD实现人机交流, 小键盘负责接收要实现的电流值LCD12864负责显示。AVR单片机根据输入的电流值产生对应的PWM波, 经过滤波和功放电路后对压控恒流元件进行控制, 产生电流, 电流再经过采样电阻到达负载。同时, 对采样电阻两端信号进行差分和放大, 送入ADC。单片机根据采集到的值调整PWM输出, 从而调整了输出电流。如此反复, 直到LED灯亮度恒定。

1 模块介绍

1.1 人机接口模块

本模块包括小键盘电路和液晶显示电路。键盘设计为34键盘, 由数字键0~9, 功能键“删除”及“确认”组成, 采用反转法实现键值识别。显示电路由带中文字库的LCD12864构成, 该液晶可以每行8个汉字显示4行。

1.2 核心控制模块

单片机片内有一个具有16位PWM功能的定时/计数器。在普通模式下, 计数器不停地累加, 计到最大值后溢出, 返回到最小值0x0000重新开始。当启用PWM功能即在单片机的快速PWM模式下, 通过调整0CR1A的值可实现输出PWM波的占空比变化。PWM波的频率为:

其中, 为系统时钟频率 (7.3728MHZ) , N为分频系数 (取1、8、64、256或1024) 。在N取1时, 根据式 (1) 得PWM波的最大频率为7.3728MHz;当N取1024时, PWM波的最小频率为7.2k Hz。本系统N取256, PWM波频率为28.8k Hz。

单片机内部有1个10位的逐次逼近型ADC, 当使用片内VCC作为参考电压, 其分辨率为:

若使用片内的2.56V源作为参考电压, 依据式 (2) 可得到其分辨率为0.003V。当系统需要更高的分辨率时, 可以通过软件补偿的方法来实现。具体实现方法可参考相关资料。

1.3 滤波和功放模块

PWM波产生后不能直接用于控制MOS-FET, 需把其变成能随占空比变化而变化的直流电压。在此, 选用二阶RC低通无源滤波器, 并取得了很好的效果。二阶低通无源滤波器的系统函数为:

其中, A为通带增益, Q品质因素, 为截止频率。根据式 (1) 算出PWM波的频率, 取截止频率为30k Hz, 由式 (3) 可确定对应的电阻、电容值。

由于无源滤波器的负载能力差, 信号经过二阶无源滤波网络后衰减比较厉害, 需要增加一级功率放大电路。

1.4 恒流源模块

恒流源采用的是压控恒流元件IRF540, 它的VGS为20V, ID为33A。截止时, 最大漏电流为, 导通电阻仅有, 图2为IRF540的特性曲线。由图2可知, 当VGS为5V时, 可输出电流就可达到30A左右, 完全能实现小电压控制大电流的目的。具体应用电路如图3所示。

IRF540的G极接PWM波转换后的直流电压, D极接能提供12V/4A电流的电源 (可采用开关电源) , S极用来接采样电阻和负载。采样电阻应采用温漂系数低、阻值为、精度为1%的大功率锰铜丝电阻。当对采样电阻两端信号进行差分后, 可得到采样电阻两端的电压值U, 而在已知采样电阻阻值情况下, 很容易得到流经采样电阻的电流, 即I=U/R。由于负载与采样电阻在同一条支路, 故流经负载的电流也为I。差分放大电路的放大倍数可根据采样电阻阻值以及ADC的参考电压来选择, 图4中要求R1=R3, R2=R4, 放大倍数为RA/R3。需要注意的是该电路应该具有很高的输入阻抗, 以减少对负载电路的影响。差分信号经ADC口送入单片机进行处理。

2 实验结果

我们对此数控恒流源进行了负载测试, 该恒流源在负载为以内, 最大误差仅为2m A, 在0~60m A段没有误差, 满足了设计要求, 达到了较高的精度。

3 结论

本文介绍的基于PWM技术的数控恒流源电路, 成本低, 系统稳定可靠, 精度高, 已经应用于显微镜LED灯光源的亮度调节及定时开关功能。如果设计要求更高的恒流值, 可以更换更大功率的+12V/I电源, 以及更换合适的压控恒流元件。

摘要：本文介绍了AVR单片机PWM在一个动态的闭环系统中与IRF540组成一种高精度数控恒流源电路控制LED灯, 达到了设计要求, 提高了光源亮度的稳定性。

关键词：单片机,PWM,数控恒流源,LED灯

参考文献

[1]陈明.一种数字可调的升压型开关电源的设计与实现[J].西部工控.

恒流源实验电路的设计 第6篇

关键词：恒流源,PSpice,集成运算放大器,仿真

恒流源, 是一种能向负载提供恒定电流的电路, 在电阻的测量、温度的测量、金属杨氏模量的测量等许多场合中得到了广泛应用[1]。目前, 在国内常见的模拟电子技术实验教材中, 少见有恒流源电路的实验内容, 为此, 有必要将一些典型实用的恒流源电路引入实验教学, 以增进学生的理解。

Cadence公司的Or C AD/PSp ice16.3 (本文简称PSpice) 是一套功能强大的EDA软件, 日益成为世界上越来越多的科研和工程技术人员进行仿真计算的必备工具, 利用软件进行电路的辅助设计, 对于在真实当中不方便试验的一些因素 (如变化的负载、温度等) 都可以进行仿真。本文运用PSpice仿真工具, 设计了两个高精度的恒流源电路, 利用其强大的仿真功能和方便易用的图形后处理功能, 对恒流源电路的负载影响以及温度影响进行了仿真分析, 结果证明是可行的, 运用PSpice的分析方法也具有很好的借鉴意义[2]。

1 负载悬浮式的恒流源实验电路设计

1.1 理论分析

实验电路如图1, 在该电路中, 负载RL串接在集成运放反向输入端与晶体管Q1发射极之间。由Q1、R2、RL构成了负反馈支路, 在晶体管Q1工作在正常的放大区条件下, 考虑集成运算放大器输入阻抗极高, 可近似为理想运算放大器。根据理想运放的特点, 利用“虚短”特性, 可知流经负载RL的电流:

该电流只与输入电压V1和R1有关, 与RL无关, 故是恒流源电路。通过改变输入电压V1和R1, 就可以实现恒流范围的变化。

1.2 负载特性分析

本例中设计的恒流源电流较大, 对负载的功率有一定要求, 如果使用者不注意恒流源的负载特性, 就可能会导致负载电阻的烧坏, 但是在软件仿真当中不必担心。在图1中选取负载RL, 设置其Value={RL}, 放置参数元件PARAM, 并在其属性中增加一行RL=1.5Ω, 保持V1、R1不变, 在分析设置里选择DCSWEEP, 扫描变量选择全局参数RL, 设定RL变化范围为从0.1Ω~10Ω, 步进为0.1Ω, 进行仿真计算, 即可得到流经负载电流IRL的图形, 从中可知:当负载电阻RL在0~7.5Ω时, 输出电路IRL为1A, 当负载为9Ω时, IRL=985.6m A, 误差为1.44%;当负载为10Ω时, IRL=975.2 m A, 误差为2.48%。事实上, 对于大电流恒流源而言, 负载电阻一般很小, 所以该恒流源在负载为0~8Ω范围内, 精度都很高, 实用性强。如果学生在实验使用时, 输入电压V1一开始不要调大, 否则很容易烧掉负载。

1.3 电路的温度特性分析

设计的恒流源电路除了要考虑负载特性外, 还需要考虑环境温度可能产生的影响。在本电路中, 选取负载电阻RL=1.5Ω, 功率2W, 设置电路工作环境温度分别为-50℃~50℃, 步进为1℃, 在软件中对电路进行温度扫描分析, 可得到图形,

从图中可知, 当温度在-50℃~0℃时, 输出电流IRL随温度近似线性增长;当温度在0℃~50℃时, 输出电流IRL=1A。当温度在-50℃时, IRL=858 m A, 误差为14.2%;当温度在-10℃时, IRL=971 m A, 误差为2.9%。所以对于该1A恒流源电路, 实际工作中最好选择在温度为0℃以上, 这样能更好保证电流的精度。

2 负载接地式恒流源实验电路设计

2.1 理论分析

设计的负载接地式恒流源电路如图4, 由于集成运放IC1、IC2输入阻抗极高, 可近似为理想运算放大器。在图中, 针对集成运放IC1, 其反向输入端电压为:

根据叠加定理, 可知运放IC1同相输出端电压为:

由于集成运放IC2实际上构成了一个跟随器电路, 其目的是为了将输入端与输出端隔离, 避免输入信号对输出产生影响, 所以有:

考虑到集成运放IC1近似为理想, 两个输入端电压相等:

在电路中取R1、R2、R3、R4相等, 联系以上 (2) ~ (6) 式, 即有流经负载RL的输出电流

从以上分析可知, 该电路输出电流IO与负载RL无关, 所以是恒流源电路。如在图中取V1=2.5 V, Rf=250Ω, R 1=10 kΩ, RB=20Ω, 晶体管选Q2N39 04, 即可以得到输出电流为10 m A的恒流源电路。

2.2 负载特性分析

在ORCAD软件当中建立电路图, 选取负载RL为可变负载, 变化范围为从0.1Ω到2kΩ, 步进为1Ω, 进行仿真计算, 即可得到流经负载电流IRL的图形。

从图中可知:负载电阻RL在0Ω~1.1 kΩ时, 输出电路IRL为10 m A;当负载为1.5 kΩ时, IRL=7.94 m A, 误差为2%;当负载为2 kΩ时, IRL=6.18 m A, 误差为3.82%。

所以为保证该10 m A电流源精度, 负载最好不要超过1.5 kΩ。目前, 工业过程控制中常用的恒流负载一般在0~750Ω, 通过采用该电路, 大大增加了负载能力。

2.3 电路的温度特性分析

在本电路仿真中, 选取负载电阻为250Ω, 设置电路工作环境温度分别为-50℃~50℃, 在软件中对电路进行温度扫描分析, 即可得到电流图形。

从图形中可知, 当温度在-50℃, I R L=9.9 9 7 m A, 误差为0.0 3%;当温度在+5 0℃时, IRL=9.99 6 m A, 误差为0.04%。所以对于该10m A电流源, 温度的影响不大。值得注意的是, 同样要用该电路实现一个1A的电流源时, 其温度敏感度将大大增强。

3 结语

本文介绍了两种简单实用的恒流源电路, 分别是负载悬浮型与负载接地型, 并在ORCAD/PSPICE16.3软件中分别举例实现了一个1A的电流源以及一个10 m A的电流源, 并对电路的负载特性、温度特性进行了仿真分析, 结果证明其在一定范围内精度较高, 具有很好的通用性。由于恒流源的稳定性主要取决于集成运算放大器以及采样电阻所以在实际应用当中要注意选择高精度的运算放大器芯片 (如OP07等) 以及温漂小的电阻 (普通电阻的温漂系数大约在0.05%/℃以上, 此电路中R可选取温漂系数为510-4%/℃的电阻) , 要根据电流的大小选择合适的晶体管或场效应管[3]。目前, 该两种电路已分别在某工业控制产品中得到了应用, 通过在实验项目中引入这两个电路, 让学生得到了训练, 了解了恒流源电路的原理及应用特点。

参考文献

[1]凌向虎.自制恒压恒流电源在物理实验中的应用[J].物理与工程, 2008, 18 (3) :17-19.

[2]刘东梅, 陈飞鸣, 王晓媛.基于Or CA D/PSpice15.7的无损均匀线实验研究与实践[J].实验技术与管理, 2011, 28 (4) :73-75.

微安级数控恒流源的设计 第7篇

1 微安级数控恒流源的一般设计方法

虽然恒流源的电路形式各种各样,但是其电路结构基本一样,都是基于闭环反馈的思想,反馈的形式主要有晶体管反馈、场效应管反馈、并联稳压器反馈、运算放大器反馈等[1]。数控恒流源的一般结构框图如图1所示,根据所需的恒流电路的电流值,系统首先通过微处理器计算出对应的电压值,由DA转换环节输出电压,经过滤波电路的处理,和误差放大、功率放大、电流检测比较放大以及电压电流转换等环节,在负载电阻所在回路输出恒定的电流。

精密的恒流源电路多是使用运算放大器作为负反馈的误差放大器,以晶体管或场效应管作为功率放大器件,从而形成闭环反馈电路。微安级恒流源电路的设计也是基于这种闭环反馈的思想,所不同的是由于在功率放大环节使用的晶体管或场效应管都有数微安或者数十微安的漏电流,会影响电路的精度,远超过微安级电路所允许的误差范围。而一般运放的输出带载能力都能达到数毫安或者数十毫安,能满足微安级恒流源电路所需的输出要求。因此在微安级恒流源中无需采用功率放大器件,而直接使用运放向负载电阻输出电流。即运放既起到误差放大器的作用,又起到功率放大器的作用。如此设计不仅能满足要求,也能减小由于功率放大引起的误差和功率损耗,提高电路的精度和效率。

图2所示为典型的微安级恒流源电路。DA转换器输出给定电压后,经R1和C1组成的低通滤波器送入运放同相输入端,运放输出端接负载,电流采样电阻R3将输出电流转换为电压,进入运放的反向输入端构成负反馈。图中R3为采样电阻,需采用初始精度高、温度漂移系数低的精密电阻。

下面举例说明元器件参数的选择,如需要设计0~10μA的数控电流源,所选DA转换器的参考电压为2.5V,即DA转换器的最大输出电压Vmax为2.5V,在此电路中,应该对应最大的输出电流Imax为10μA,根据运放"虚短虚断"的原则,R3的值应由式(1)确定。

因此R3应取250kΩ。

2 差分电路在微安级恒流源电路中的应用

图2所示的微安级恒流源电路,简单可靠,但存在两个问题。a.运放反向输入端的偏置电流会影响电路的精度,尤其是对于微安级的电路影响很大。因此必须选用偏置电流较小的运放,如FET型的运放。b.在此电路中,负载没有共地。由于在地线上串入了电阻,流入地电平的电流将在取样电阻上产生电压,此电压将以地电平噪声的形式出现在系统的所有地节点上,这样将严重影响模拟电路的精度甚至会导致系统数字电路的误动作。

为了使电路的应用更为广泛,可以采用图3所示的电路结构。

此电路通过差分放大器的拓扑形式解决了恒流源负载不共地的问题,负载是接在输出与地线之间。在此电路中,由于采用了差分结构,因此需慎重选择电阻,其中R1和R2,R3和R4,R5和R6分别相等,如果这三对电阻选得不对称,将会严重影响输出电流的精度。通过运放"虚短虚断"的原则,可以计算出在此电路中DA转换器输出1V的电压对应恒流源电路的输出电流为10μA。

3 运用仪表放大器设计微安级恒流源电路

差分放大型电路虽然解决了恒流源负载不共地的问题,但电路结构较复杂,而且由于使用了三对大阻值精密电阻,器件难以购买,使得电路的成本大大提高,通用性降低。但是,可以基于上述电路思想,运用新型运算放大器设计出简单廉价的高精密微安级数控恒流源。图4所示电路是采用仪表放大器INA118结合运放设计出的高精密微安级数控恒流源。

INA118是美国B-B公司生产的精密仪表放大器,具有精度高和共模抑制比高的优点,适合对微小信号进行不失真的放大[2]。INA118由三个运算放大器组成差分放大结构,其内部结构图如图5所示[3]。

其中运放A1、A2的作用是为了提高放大器的输入阻抗和提供放大(其放大倍数由Rg决定),A1、A2分别对Vin-和Vin+进行电压跟随,A3和4个60kΩ的电阻组成差分放大器。

在图4所示电路中,根据运放"虚短虚断"的原则,负载电阻R2上流过的电流值由式(2)计算得出。

电路中Rg的稳定性和温度漂移对增益有影响,应采用高精度、低噪声的金属膜电阻,OPA尽量采用高阻抗运算放大器,以减小偏置电流所带来的误差。如选用普通的运放OPA177,Ib的误差达到±15n A;选用高速精密运放OPA602,Ib的误差降为±1p A;选用静电计级运放OPA128,Ib的误差仅为±75f A。

4 小结

INA118通过内部集成的六个精密电阻与运放组成差分放大结构,解决了元器件选择困难,电路成本高的问题。整个电路结构也解决了恒流源负载不共地的问题,在微弱信号采集和处理等实际工程应用中具有较高的实用价值。

参考文献

[1]马场清太郎.运算放大器应用电路设计[M].北京:科学出版社,2007:165-174.

[2]杨昌金,王涛.精密低功耗仪表放大器INA118及其应用[J].国外电子元器件,2000(6):14-15.

恒流源制作与动手能力的提高 第8篇

在目前的计量检测设备中, 恒流源的性能直接决定了整体测量系统的性能, 因此, 对于恒流源的设计有着实际的应用意义。同时恒流源的设计过程中涉及的知识面较广, 并且有着一定的深度, 因此, 对于恒流源设计的教学工作也有着一定的挑战。恒流源的设计和制作过程能够将模数电、电路等理论知识串联起来, 对于学生的深化掌握和提高学生的实际动手能力有着重要意义。针对在恒流源设计和制作过程中的不同流程中存在的问题进行详细的分析, 并且提出具体可行的建议, 以期更好的加强学生在电子设计过程中的动手能力和实际分析能力。

1 常用恒流源电路

在恒流源的设计中, 可以将恒流源电路主要分为流出和流入两种主要实现方式, 下面对常见的用于恒流源设计的电路进行简要分析。

在恒流源设计中, 最简单的实现形式是采用一个高性能的恒流二极管实现, 这种恒流源的实现依赖于恒流二极管的特性。然而由于恒流二极管的特性一般较差, 而且造价十分昂贵, 因此这种形式的恒流源在实际应用中较少。

在恒流源电路中, 最为常用的形式是选用两只相同规格的三极管来实现, 其主要是利用三极管的be电压的稳定性能实现的, 这种恒流源的设计思路简单, 而且设计流程较为简便, 输出参数的可控性较好, 并且在设计过程中元器件的选取也较为方便。然而, 这种恒流源也存在一个问题, 即在选取相同规格的三极管时, 由于在进行三极管的加工中可能存在一定的波动, 就容易导致两个三极管的be电压存在一定的差异, 因此, 这种三极管形式的恒流源对于高精度的参数是难以满足要求的。根据目前的应用, 通常可以在三极管的输出端加一个反馈电路作为调节装置, 进一步降低电压的波动范围, 增加输出电流的稳定性。

2 一种高精度恒流源设计

下面针对一种高精度恒流源的设计过程对恒流源设计中的主要问题进行详细分析, 并且提出提高动手能力的具体措施。

2.1 确定恒流源的整体方案

确定恒流源设计的整体方案是整个恒流源设计的基础, 也是整个设计过程的关键步骤。针对高精度恒流源设计的特点, 需要用到负反馈电路提高恒流源电路的精度。因此, 在进行恒流源设计的整体方案确定时, 首先要对所设计的恒流源方案的精度进行分析, 并且结合具体的参考资料和实践经验, 确定满足设计参数要求的恒流源设计方案。在本方案中主要用到的元器件包括基准电压源、运算放大器等。其工作原理可以简单的概括为基于电流的负反馈。具体的工作原理是首先电流经过预设的采样电阻, 将其转化为电压的形式, 然后将此电压作为负反馈模块的输入参量, 并且在放大器中对将输入的电压与基准电压的值进行比较, 然后根据判断的结果返回信息, 通过调整内阻的方式对电流进行调整, 最终达到稳定输出恒定电流的目的。

这其中主要包括以下几个主要模块的考虑: (1) 电源的选取。在进行电源选取时要尽量选择市面上质量较好, 工作较为稳定的电源, 以更好的保证电源输出电流的稳定性, 在本方案中选取12V的电源; (2) 基准电压源的选取。常用的基准电压源是LM385系列的稳压二极管, 这种稳压二极管有着较好的工作范围, 并且对于电压变动的灵敏度检测较高, 其良好的动态范围特性决定了这种基准电压源可以应用于对调整能力要求较高的恒流源设计; (3) 比较放大器。LM358系列是最常用的放大器类型, 它的主要特点是增益较高, 同时能够实现放大器内部的频率补偿, 因此, 其在电压波动范围要求较高的恒流源设计中较为实用。

在完成恒流源整体框架结构的设计后, 需要使用相关的软件绘制出系统的原理图形式, 并且根据绘制的原理图对系统设计的方案进行反复研究, 以保证系统设计的可靠性。

2.2 恒流源的制作

在完成了恒流源的整体设计和原理图绘制后, 就需要购买具体的器件, 并且进行恒流源的实际制作。在进行恒流源制作中, 元器件的焊接是最为关键的。这就要求学生在进行实际的恒流源电路焊接前进行反复的焊接训练, 以更好的保证所焊接的电路不会出现虚焊、短路等情况。在制作阶段, 首先要根据绘制的恒流源原理图确定元器件在电路板的分布, 在进行正是焊接前一定要对元器件的引脚进行分析, 确定所焊接的元器件是否正确, 这主要是由于一旦焊接错误就容易导致元器件损坏, 而且假如在焊接中出现短路, 有可能会烧坏整套系统, 因此, 在焊接前一定要进行反复的检查。在按照原理图焊接完成后, 首先要对焊接的电路板进行检查, 确定是否存在虚焊和短路的问题, 然后进行恒流源的调试工作。调试环节的主要内容是确定所设计的恒流源能否稳定的输出所需要的直流, 根据恒流源的输出电流做出判断后, 假如输出的电流无法满足设计的要求, 就需要进一步对设计的电路进行检查和调整。

2.3 恒流源测试

在恒流源的设计过程中, 恒流源的测试环节也是十分重要的, 主要是对所设计的恒流源的参数进行测试和数据分析, 以确定恒流源能否满足设计的要求。在本方案的恒流源测试过程中, 主要是通过调整内阻和电压来改变放大器的输入电压, 然后也会对恒流源电流输出值产生变化, 通过观察和记录电流表的值可以判断电流的输出是否稳定。首先保证恒流源的电流不发生变化, 通过改变负载的值, 观察恒流源的输出电流是否发生变化, 以判断恒流源是否能够输出恒定电流;然后, 通过对于电压值和内阻的调整, 判断恒流源输出电流的波动范围, 以确定恒流源的工作范围;最后对恒流源的精度进行分析, 主要是分析恒流源的精度与时间以及负载的关系, 在测试中要注意控制单一变量, 保持无关变量为定值, 然后观察恒流源的输出, 这个测试过程的实现需要多次进行, 而且其测试的结果也是多次测量的均值。

2.4 恒流源的数据分析。

在完成了恒流源的设计和测试步骤后, 要对恒流源的测试数据进行分析, 在这个过程中要注意发现数据的变化规律, 并且结合数理统计的思想进行数据分析。通过数据分析, 可以发现所设计的恒流源的参数变化范围及其具体的精度, 不仅可以验证恒流源设计思路的正确性, 而且还可以为以后的设计提供参考。

3 结束语

恒流源的设计是一个系统化的过程, 对于学生的整体动手能力要求较高, 因此, 在整个过程中学生要积极的参与, 焊接的过程要反复的进行, 也只有这样才能够真正提高学生的动手能力。

参考文献

[1]米卫卫, 杨风.高精度恒流源的设计与制作[J].电子测试, 2012年12月

恒流静压技术在机床工作台上的应用 第9篇

关键词：机床,工作台恒流静压导轨,液压系统

1 引言

机床工作台是立式车床的主要部件之一, 随着机床工作性能要求的提高及承载能力的增大, 要求工作台导轨结构形式也随之变化。选用大型滚动轴承作为工作台导轨, 可提高机床精度及承载力。但因货源紧张、成本高等因素影响, 迄今仍未在大型立式车床工作台上得到应用。

立式车床原工作台导轨静压油腔的提供方式是定比阻尼阀调节的恒压提供油。由于油液到达油腔要经过节流器, 节流产生压力损失会使系统发热, 而系统压力是由溢流阀调整, 溢流阀的大量溢流又加剧了系统发热, 导致油温过高, 使工作台面受热变形加大, 工件的切削精度不易达到要求。

基于上述原因, 现已采用恒流静压导轨技术, 是应用12头等量齿轮分流器, 单泵单腔均匀向工作台导轨腔恒流量供油, 压力及溢流损失小, 发热量小, 工作台面变形小, 工件切削精度能达到较高要求。但随着工作台旋转, 油温也会升高, 因此在液压油箱应安装油冷机来降温。

L=0.32m l=0.15m B=0.5414m b=0.3m g=0.15m k=0.1m D2=2.8m D3=2.45m D4=2.16m

2 结构形式和主要参数的确定

(1) 确定导轨结构尺寸

工作台底座导轨结构尺寸是通过多次设计验算及筛选最佳方案确定, 如图1。

(2) 确定工作台导轨油膜间隙

上下导轨油膜间隙h。如图2, 针对公司实际加工能力, 确定工作台底座环形导轨平面加工磨床, 以工作台底座中心轴承孔定心, 自转磨削环形导轨, 来保证导轨对主轴中心孔的垂直度及导轨平面度0.02mm。工作台台面环形导轨采用锌铝合金板来提高耐磨刚性, 其导轨面是通过刮研实现平面度0.02mm。因此, 根据实际情况最终确定h0为0.06~0.12mm。

1.液位计2.棒式磁滤器3.磁滤器4.空气滤清器5.液位发令装置6.双联叶片泵7.变量叶片泵8.网式滤油器9.纸质滤油器10.压力继电器11.溢流阀12.压力表13.流量发讯器14.单向阀15, 12.头等量齿轮分流器

3 受力估算

3.1 切削力分力计算

单刀架切削时, 导轨受颠覆力矩作用产生的力较大, 如图3。Px=Py=0.5Pz式中, Px-切削力在x轴上分力, k N;Py-切削力在y轴上分力, k N;Pz-右刀架切削力, 63k N。

3.2 主电机传动齿轮对齿圈的作用力

Pz′=Mmax (/D1/2) 式中, Mmax-工作台最大扭矩, 160k Nm;D1-齿圈节圆直径, m, D1=mz, 式中, m-齿圈模数, 12;z-齿圈齿数, 250。

式中, αs-径面压力角;α-法面压力角, 20°;β-齿圈螺旋升角, 12°18′;

式中, Px′-齿轮对齿圈作用力在x轴上分力, k N;Py′-齿轮对齿圈作用力在y轴上分力, k N;f-摩擦系数, 0.1。

3.3 颠覆力矩作用产生力F′

式中, M-颠覆力矩, k Nm, 如图4;My-力系对y轴的力矩, k Nm;Mz-力系对z轴的力矩, k Nm。

式中, h-最大工作高度, 3.15m;a-工作台台面厚度, 0.38m;q-齿圈厚度, 0.12m;Dmax-工作最大直径, 4m。

式中, D3-工作台环形道轨中径, 2.45m。

4 流量估算

(1) 一个支承座有效承载面的计算

(2) 作用于一个支承座的最小压力P0及最大压力Pi计算P0= (1/i) Wmin/A′

式中, Wmin-工作台台面重量, 16309kg;i-工作台底座环型导轨油腔数。Pi= (Wmin+Wmax+Px+Px′+F′) /i A′

式中, Wmax-最大工件重量, 50000kg。

(3) 采用32号液压油, 油的温升最高限定为50℃, 油液的动力粘度μ=1.810-3kgs/m2, 工作台最大浮升即h0=0.12mm时的流量计算:

空运转时工作台导轨所需的流量Q0:

最大载荷时工作台导轨所需的流量:

5 泵及泵用电机的选型

5.1 泵的选型

(1) 在空运转时, 为保持工作台台面浮升不致于过高, 选一台双联叶片泵 (YB1-12/10) , 其中流量大的用Q1表示流量, 并向12头等量齿轮分流器供油, 另一个流量小的用Q2表示流量, 且向机床变速装置供油。

(2) 在最大荷载时, 为了使油膜间隙不至于过小, 而使导轨面接触研伤。又选一台变量叶片泵 (1PV2V410/32A1MCOO6A1) 的流量用Q3表示, 也向12头等量齿轮分流器供油, 保证在各种载荷状态下, 工作台面浮升达到最佳值。

(3) 两泵向12头等量齿轮分流器供油总流量:

式中, Q1-双联叶片泵单联流量, 11.52L/min;Q3-变量叶片泵最大流量, 46.08L/min;

经过计算Q′>Qi, 故两种泵的选型合适。

5.2 泵用电机的选型

根据功率公式N=PQ/612η

(1) 双联叶片泵用电机功率

式中, p-液压系统压力, 2.5MPa; (Q1+Q2) -双联叶片21.12L/min;η-机械效率, 0.7。

(2) 变量叶片泵用电机效率

(3) 考虑到各种情况的变化, 选与双联叶片泵向相匹配的电机型号:Y132S-6 960r/min 3.0k W B35。

(4) 选与变量叶片泵相匹配的电机型号:Y112M-41440r/min 4.0k W B35。

6 结语

到目前为止, 公司生产的最新大型立式车床系列的液压系统, 也采用了此结构设计, 在用户使用过程中并无任何不良反馈。

实践证明, 恒流静压导轨结构设计, 在立式车床工作台上的使用是成功的。

参考文献

[1]徐灏.机械设计手册[M].北京机械工业出版社, 1992.

[2]雷天觉.液压工程手册[M].北京:机械工业出版社, 1990.