精密线性恒流仪的设计和应用分析

前言

恒流源与稳压源一样，是电子线路中的基本单元。随着电子技术和元器件的发展，恒流技术已得到了快速的发展和广泛的应用。目前，常见的恒流源结构主要有：结型场效应晶体管型（3DJ系列）、恒流二极管型（2DH系列）、集成恒流元件型（LM334等）、稳压管-三极管型以及固定或可调的三端集成稳压器型（如LM78XX、LM317）等等（详见图1、2、3、4、5）。用精密并联型三端可调基准电压源（如TL431）替换图4中的稳压管DW，则可构成恒流精度更高的稳压源（见图6）。但采用上述元件构成的恒流源有的不可调（图2）；有的输出的恒流很小（图1、图2、图3）；有的范围较窄、精度不高、电压不宽等等。而最主要的是输出的恒流电流与调节的电阻呈非线性的关系，这给恒流电流的精细调节和量程的扩展带来了不便。本文介绍的恒流仪（见图9），具有恒流输出的范围宽广，从1μA～2.5×106μA，跨越了6个数量级。其次，除了最小的电流档（1～20μA）外，其余各档输出的恒流电流与电位器的电阻均为线性关系。因此，恒流电流的调节非常细微和平滑。由于采用了集成并联型三端可调精密基准电压源TLV431A和固定的精密基准电压源LM385-1.2，因此，恒流的精度高。最后再选用耐高压的大功率三极管和配以宽范围的外接直流（稳压）电源，电子爱好者就可轻松地拥有一台实用的高压大功率线性宽量程精密恒流、耐压测试和电子负载三用仪。 图7为线性恒流仪（图9）第档不接IC2时的简化线路图。设基准电压源IC1的基准电压为Vref1，V1三极管的发射极电流为Iix。当因某种原因，使流过电阻Rxi的电流增加时，则经RW和Ri电阻分压后的电压将大于基准电压Vref1，于是IC1基准电压源导通，使三极管V1的基极电位下降，基极电流减小，从而使发射极电流减小。反之亦反。由于精密可调基准电压源IC1的精度很高，因此，线性恒流仪的恒流精度也很高。

设电位器Rw的动触点移至X处的电阻为Rwx此时输出的恒流电流为Iix。根据并联电路的欧姆定律可求出：

由上式可知，Iix与电位器的电阻Rwx成正比，即Iix随Rwx的变化呈线性地变化，线性变化是该恒流仪的显著特点之一。

2．实用线性宽量程精密恒流仪的制作要点

为了扩大线性恒流输出的范围，又能保持细微的调节精度，需要将恒流范围进行分档。为使小电流时仍然保持线性的变化和很高的恒流比（某档的最大输出恒流电流与最小输出恒流电流之比），采用串入精密基准电压源IC2的办法，可有效地降低加在Rxi上的电压，从而可将线性恒流的输出延伸至很小的电流（20～100μA，恒流比=5）。这是本恒流仪又一个特点。图8为图9在小电流输出并接入IC2时第档的简化线路图。Vref2为基准电压源IC2的基准电压，R0i为当Vrefl-Vref2《0时使系统进入线性正常工作范围的起始电阻。由图8可求出：

式中I0i为该档流过基准电压源IC2和电阻的最小电流，且

式中△V=Vre？1-Vre？2，I0为基准电压源IC2能正常工作时的最小工作电流。由上式可见，串入了IC2后△V=Vref1-Vref2可减少到0甚至为负，有效地降低了输出的恒流电流，并继续保持线性的关系。

为了减少精密电阻的数量和选测所带来的困难，采用各档电阻公用的办法是唯一有效的办法。可以证明：当IC1、IC2的基准电压Vrefl=Vref2且各档的恒流比相等时，则各档的Rxi和R0i是相等的，可以分别公用一个电阻。

另外，由于实际使用的元件参数与理论计算值总存在一定的误差，为保证覆盖输出的恒流范围，实际每一档的最大输出恒流应选为该当标称恒流的（1+β）倍，而该当的最小输出恒流是下一档的（1-β）倍。其中β称为各档量程的富裕量。

为满足耐压测试和大功率电子负载的需要，三极管必须采用高反压、大功率的三极管。

为了降低精密电阻Rxi的功耗，应采用低基准电压的三端可调精密基准电压源，例如：TLV431A、AZ432、CYT432等元件以及小的恒流比，以减小最大的输出电压。本仪器IC1采用的是TLV431A，其基准电压是1.25V左右。IC2元件采用LM385-1.2的固定精密基准电压源，基准电压为1.25V左右，最小工作电流在8～15μA左右。使用时用数字万用表进行测选，确保IC1、IC2的基准电压相等。

图9即为考虑上述各种因素后，设计制作的实用线性宽量程精密恒流仪线路图。

该恒流仪共有9档，恒流输出范围为1μA～2.5×106μA，跨越了6个数量级。第1～8档为线性输出档，第9档为非线性输出档。各档输出的电流以及各元件的参数见表1：

不难看出，第5、6、7、8四档的恒流比均相等且为5，在接入IC2的情况下可以公用精密电阻。因此，Rx5=Rx6=Rx7=Rx8=97.67Ω，R05=R06=R07=R08=300Ω。上述四档各选一个电阻即可，可以减少6只精密电阻。

其他主要元件或部件的选用：

（1） 电源。E1选用小功率稳压直流电源，电压为12V。E2为外接直流（稳压）电源，可由高中低不同输出电压的电源组成。可按测试时的需要接人不同输出电压范围和功率的电源。

（2） 电压表和电流表一般选用指针式或数字式万用表，以适应不同电压、电流范围测试

的需要。

（3） V1、V2三极管应选用耐压高、大功率的三极管。本恒流仪选用的型号、耐压、最大工作电流、功耗和直流放大倍数为：

在制作时，可选用上述参数相近的三极管，其他无特殊的要求。

（4） RW1用精密线绕多圈电位器，如：WXD3-13型。RW2可选用1W碳膜电位器1.5MΩ左右。

（5） K1波段开关为3刀×11位。因需要通过较大的电流，因此，应选用大号优质的陶瓷波段开关。

（6） 所有测量用电阻的功耗应选用大于计算值的精密电阻，以提高热稳定性。如：电阻Rx1、Rx2、Rx3的计算功耗分别为8.92W、5.74w、1.87W，实际选用的功耗至少应选用10W、7.5W、3W及以上功率的精密水泥电阻或金属膜的电阻。

由于线性多档量程精密恒流仪的设计计算还较复杂，限于篇幅无法在本文中介绍。

3. 主要作用

本恒流仪除了作为一个实用的高压大功率线性宽量程的精密恒流仪使用外，还是一个实用的耐压测试仪和电子负载测试仪。

3.1 耐压测试仪

（1） 电子元件的电压测试（包括：反向耐压、工作电压和正向压降等）。根据电子元件的类型和测试原理，选择好外接直流（稳压）电源的电压范围，然厉将元件的引脚分清正负极接到Z1、Z2测试端上，将RW调至最小，再打开电源开关，调节RW使流过测试元件的电流达到手册规定的测试电流时，从电压表上读得的电压就是该元件的各种电压（耐压）。此类测试的电子元件包括各种三极管、二极管、可控硅、稳压管、各种电容（电解电容）、压敏电阻、大电阻（阻值=电压／电流）、发光二极管、双向触发二极管、场效应管等元件耐压的测试，也可测试元件的正向压降（如发光二极管工作电流下的工作电压）等。因三极管的漏电流测试一般是在额定的电压下进行的。因此，调节RW，当电压表的读数达到规定电压时，读得的电流即为该元件的漏电流。当需要精确测量元件的电压（如稳压管的稳压值）时，可将电压表的正表笔移到Z1测试端。

（2） 继电器的吸合和释放电压、电流的测试。自小而大地调节RW，当继电器吸合时的电压、电流即为吸合电压电流。吸合后，再自大而小地调节RW，当继电器释放时读得电压、电流即为释放电压、电流。正常情况下，释放电压为吸合电压的10-50％左右。用同样的方法，可测量氖管（辉光数码管）的起辉、熄灭电压，等等。

（3） 恒流充电。将待充电池正负极分别接在Z1、Z2端子上，调节RW使充电电流为某一规定的电流，便可对电池进行恒流充电。当电池电压达到规定的电压时，充电即可结束。如同时测量充电的时间，还可测出电池的容量和好坏。

类似的，也可将上述测试方法用于其它元件的测试。

当将测试端的Z1、Z2短接，电压表的负极接Z4端或地时，耐压测试仪变为恒流型电子负载测试仪。在Z3、Z4端子上外接待测的电子设备，调节RW使电流表的电流达到需要的值，记下此时的电压。依次类推，继续测试下一个电流和电压，便可计算出该设备在一定工作电压、电流范围内性能的变化。具体应用有：

（1） 稳压电源稳压性能的测试。制作好的稳压电源需要测试其稳压、保护性能（限流保护、减流保护）等等。首先按上述测试方法测出不同输出电流下的电压，了解稳压性能的好坏。其次，调节RW当电流达到保护值时，稳压电源应正确动作，否则应对稳压电源的保护电阻进行调整，直到符合要求时为止。

（2） 充电电池性能的测试。将充满电的电池正负极分别接在Z3、Z4端子上，调节RW使放电电流达到测试的规定值，并开始计时间。当放电电压达到规定的电压时。记下时间，则电池的容量可按下式计算：电池容量mAh=恒流放电电流mA*放电时间h（也适用充电时容量的计算）。

法拉（超级）电容放电时间和容量的测试。按上述方法可测出充满电的法拉（超级）电容，在不同恒流放电电流（毫安）下的放电时间和容量，方法同上。

如：配合数字万用表的电压档扩大电阻和电流的测量范同。一般数字万用表的最小电阻、电流档分别为200Ω和2mA，有的也无2A档（如本人使用的DT890B+等）。此时，可将输出的精密恒流电流调整到10mA、100mA，配直流200mV档测试低电阻，其满量程分别延伸至20Ω和2Ω，最高分辨率可达千分之一欧姆（待测电阻和数字电压表都接在Z1、Z2测试端上），可作为最简单的毫欧姆电阻计使用。同样，因本恒流仪的恒流最小仅几个μA，为精确测试恒流值，可制作1kΩ和10kΩ两个精密的电阻串在线路上，用直流200mV档测量，可将最小直流电流档分别延伸至200μA和20μA，测量的精度可达0.01μA。因此，还可对高灵敏度的电流表以及万用表的最小电流档进行校准。再制作一个大功率1Ω的精密电阻，配上2V档可增加测试2000mA档的电流。采用上述方法，既解决了数字万用表测量范围的不足，也满足了本线性宽量程精密恒流仪功能发挥的需要。

4. 注意事项

（1） 所用的元件均需用数字万用表测量，尽量准确（有条件的可用电桥测量），确保各档的输出范围符合设计要求；

（2） 大电流输出时，电阻和三极管的功耗很大，应选择满足电流和功耗要求的元件，同时加装足够大的散热板。使用时估计测量所需的输入电压和功率大小，防止超过安全范围。