[12]实用新型专利说明书专利号 ZL
200820054545.0
[51]Int.CI.
G05F 1/56 (2006.01)
[45]授权公告日2009年3月4日[22]申请日2008.01.08[21]申请号200820054545.0
[73]专利权人上海大学
地址200444上海市宝山区上大路99号[72]设计人朱明 高忠友 张金龙 张英姿 司霞
[11]授权公告号CN 201203812Y
[74]专利代理机构上海上大专利事务所（普通合伙）
代理人王正
权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 6 页
[54]实用新型名称
可调恒压恒流电源
[57]摘要
本实用新型涉及一种可调恒压恒流电源，属自动控制与电子设备领域。可调恒压恒流电源由电压控制环节、电流控制环节等组成。其中电压控制环节由电压标定单元与运算放大器组成，电流控制环节由电流标定单元、功率驱动单元组成。可调恒压恒流电源输入为有波动的直流电压，输出为标定电压与标定电流可调、输出电压或电流恒定的直流电源。可调恒压恒流电源的输出特性为一个较为理想的矩形曲线。本实用新型可调恒压恒流电源仅采用半导体器件与阻容元件构成，具有结构简单、成本低廉、性能稳定、精度高、响应速度快、可靠性高、易于集成化等特点，在实验室、电子装备、电源产品等领域有着广泛的应用价值。
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权 利 要 求 书
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1.一种可调恒压恒流电源由电压控制环节、电流控制环节与电阻R1、二极管D1组成，电压控制环节有一个接地端vg10、一个电源端vp11、二个信号端vs12和vs13，电流控制环节有一个电源输入端cp21、一个信号端cs22、一个电源输出端cp23，其特征在于电压控制环节的接地端vg10接地，电压控制环节的电源端vp11与电流控制环节的电源输入端cp21同时连接直流输入电压源，电压控制环节的信号端vs12通过电阻R1接电源输出，电压控制环节的信号端vs13与电流控制环节的信号端cs22相连接，电流控制环节的电源输出端cp23接电源输出；二极管D1跨接在电源输出与接地之间，即D1的正端接地、负端接电源输出。
2.按权利要求1所述的可调恒压恒流电源，其特征在于所述的电压控制环节由电压标定单元与运算放大器A1二个部分组成，电压标定单元有一个接地端bg110、一个电源端bp111、一个信号端bs112。
3.按权利要求2所述的可调恒压恒流电源，其特征在于所述的电压标定单元的接地端bg110接为电压控制环节的接地端vg10，电压标定单元的电源端bp111接为电压控制环节的电源端vp11，电压标定单元的信号端bs112与运放A1的负输入端连接，运放A1的正输入端接为电压控制环节的信号端vs12，运放A1的输出端接为电压控制环节的信号端vs13。
4.按权利要求2所述的可调恒压恒流电源，其中的电压标定单元由电阻R110、电容C111、稳压管D111、可变电阻R111组成，其特征在于所述的电阻R110的一端与稳压管D111的负端连接，即R110与D111串联，电阻R110的另一端接为电压标定单元的电源端bp111，稳压管D111的正端接为电压标定单元的接地端bg110，电容C111与稳压管D111并联，可变电阻R111的固定端跨接在稳压管D111的两端，可变电阻R111的可调端接为电压标定单元的信号端bs112。
5.按权利要求1所述的可调恒压恒流电源，其特征在于所述的电流控制环节由电流标定单元、功率驱动单元二个部分组成，电流标定单元有一个电源端dp211、二个信号端ds210和ds212，功率驱动单元有一个功率输入端qp221、一个信号端qs222、一个功率输出端qp223。
6.按权利要求5所述的可调恒压恒流电源，其特征在于所述的电流标定单元的信号端ds210接为电流控制环节的信号端cs22，电流标定单元的电源端dp211与功率驱动单元的功率输入端qp221相连接并接为电流控制环节的电源输入端cp21，电
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流标定单元的信号端ds212与功率驱动单元的信号端qs222相连接，功率驱动单元的功率输出端qp223接为电流控制环节电源输出端cp23。
7.按权利要求6所述的可调恒压恒流电源，其中的电流标定单元由电阻R210、稳压管D211、可变电阻R211组成，其特征在于所述的电阻R210的一端与稳压管D211的正端连接，即R210与D211串联，电阻R210的另一端接为电流标定单元的信号端ds210，稳压管D211的负端接为电流标定单元的电源端dp211，可变电阻R211的固定端跨接在稳压管D211的两端，可变电阻R211的可调端接为电流标定单元的信号端ds212。
8.按权利要求6所述的可调恒压恒流电源，其中的功率驱动单元由运算放大器A2、大功率管Tp与稳压管D221、电阻R221、R222、R223组成，其特征在于所述的运放A2的正输入端接为功率驱动单元的信号端qs222，运放A2的负输入端通过电阻R221与大功率管Tp的发射极相连接，运放A2的输出端通过电阻R222与大功率管Tp的栅极相连接，稳压管D221跨接在大功率管Tp的栅极与发射极之间，大功率管Tp的发射极通过电阻R223接为功率驱动单元的功率输入端qp221，大功率管Tp的集电极接为功率驱动单元的功率输出端qp223。
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说 明 书
可调恒压恒流电源
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技术领域
本实用新型涉及一种可调恒压恒流电源(简称可调电源)，属自动控制与电子设备领域。背景技术
在实验室、电子装备中电源作为一个独立装置或电子设备中的组成部分，其作用非常重要，其成本也占据设备总成本相当大的比例，其可靠性、稳定性对电子设备的正常运行与工作更是有着举足轻重的影响。
直流电压源是最为常用的电源，有些带有简单电流限制功能，由于限流精度与输出响应速度的原因不适合同时作为电压源与电流源使用。
带有较高精度限流功能的电源，可以同时作为电压源与电流源，并可作为电池充电器使用的电源，但其电路较为复杂、成本较高。发明内容
本实用新型的目的是涉及一种可调恒压恒流电源。 本实用新型的目的是通过下述技术方案实现的。
一种可调恒压恒流电源由电压控制环节、电流控制环节与电阻R1、二极管D1组成。电压控制环节有一个接地端vg10、一个电源端vp11、二个信号端vs12和vs13。电流控制环节有一个电源输入端cp21、一个信号端cs22、一个电源输出端cp23。其特征在于电压控制环节的接地端vg10接地，电压控制环节的电源端vp11与电流控制环节的电源输入端cp21同时连接直流输入电压源，电压控制环节的信号端vs12通过电阻R1接电源输出，电压控制环节的信号端vs13与电流控制环节的信号端cs22相连接。电流控制环节的电源输出端cp23接电源输出。二极管D1跨接在电源输出与接地之间，即D1的正端接地、负端接电源输出。可调恒压恒流电源结构框图如图1所示。
上述的电压控制环节由电压标定单元与运算放大器A1二个部分组成(如图2所示)。电压标定单元有一个接地端bg110、一个电源端bp111、一个信号端bs112。所述的电压控制环节，其特征在于所述的电压标定单元的接地端bg110接为电压控制环节的接地端vg10，电压标定单元的电源端bp111接为电压控制环节的电源端vp11，
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电压标定单元的信号端bs112与运放A1的负输入端连接。运放A1的正输入端接为电压控制环节的信号端vs12，运放A1的输出端接为电压控制环节的信号端vs13。 所述的电压标定单元由电阻R110、电容C111、稳压管D111、可变电阻R111组成(图4)。其特征在于所述的电阻R110的一端与稳压管D111的负端连接，即R110与D111串联，电阻R110的另一端接为电压标定单元的电源端bp111，稳压管D111的正端接为电压标定单元的接地端bg110，电容C111与稳压管D111并联，可变电阻R111的固定端跨接在稳压管D111的两端，可变电阻R111的可调端接为电压标定单元的信号端bs112。
上述的电流控制环节由电流标定单元、功率驱动单元二个部分组成(如图3所示)。电流标定单元有一个电源端dp211、二个信号端ds210和ds212。功率驱动单元有一个功率输入端qp221、一个信号端qs222、一个功率输出端qp223。所述的电流控制环节，其特征在于所述的电流标定单元的信号端ds210接为电流控制环节的信号端cs22，电流标定单元的电源端dp211与功率驱动单元的功率输入端qp221相连接并接为电流控制环节的电源输入端cp21，电流标定单元的信号端ds212与功率驱动单元的信号端qs222相连接。功率驱动单元的功率输出端qp223接为电流控制环节电源输出端cp23。
所述的电流标定单元由电阻R210、稳压管D211、可变电阻R211组成(图5)。其特征在于所述的电阻R210的一端与稳压管D211的正端连接，即R210与D211串联，电阻R210的另一端接为电流标定单元的信号端ds210，稳压管D211的负端接为电流标定单元的电源端dp211，可变电阻R211的固定端跨接在稳压管D211的两端，可变电阻R211的可调端接为电流标定单元的信号端ds212。
所述的功率驱动单元由运算放大器A2、大功率管Tp与稳压管D221、电阻R221、R222、R223组成(图6)。其特征在于所述的运放A2的正输入端接为功率驱动单元的信号端qs222，运放A2的负输入端通过电阻R221与大功率管Tp的发射极相连接，运放A2的输出端通过电阻R222与大功率管Tp的栅极相连接，稳压管D221跨接在大功率管Tp的栅极与发射极之间，大功率管Tp的发射极通过电阻R223接为功率驱动单元的功率输入端qp221，大功率管Tp的集电极接为功率驱动单元的功率输出端qp223。
可调恒压恒流电源电路结构原理图如图7所示，电压标定单元的电源经限流电阻R110为稳压管D111提供工作电流，稳压管D111与电容C111保持一个稳定直流基
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准电压VZ1，可变电阻R111则输出一个稳定可调的恒压值标定电压。 电压标定单元的输出电压即标定电压U1为： U1＝K1Vz1
式中K1为可变电阻R111的调节比，K1的范围为：0～1。即电压标定单元的输出电压的范围为：0～VZ1。可以在可变电阻固定端串入电阻的方法限制恒压值标定电压设置的调整范围。
电压控制环节运放A1的输出电压与电流标定单元的电源电压二者压差经电阻R210与可变电阻R211为电流标定单元输出一个电流调节电压，当压差足够大时稳压管D211进入限幅状态，此时稳压管D211保持一个稳定直流基准电压VZ2，可变电阻R211则输出一个稳定可调的恒流值标定电压(相对于电源电位)。 电流标定单元进入限幅状态时，电流标定单元的输出电压(相对于电源电位)即恒流值标定电压U2为： U2＝K2Vz2
式中K2为可变电阻R211的调节比，K2的范围为：0～1。即电流标定单元的输出电压的范围为：0～VZ2。可以在可变电阻固定端串入电阻的方法限制恒流值标定电压设置的调整范围。
功率驱动单元的运放A2、大功率晶体管Tp、稳压管D221及电阻R221、R222、R223组成一个电压电流转换电路。工作时由于运放A2负反馈的作用，其正负输入端电压保持一致，即电阻R223的压降(Tp发射极电位相对于电源电位)与电流标定单元的输出电压(相对于电源电位)保持一致。
当负载较轻即负载电流较小时，输出电源电压经电阻R1、运放A1、R210、R211、运放A2、R222、大功率管Tp再输出电源电压，形成一个负反馈，使输出电源电压值与电压标定单元输出电压值一致。电源输出电压等于标定电压为： Uo＝U1＝K1Vz1
当负载较重即输出电源电压值低于电压标定单元输出电压值时，运放A1输出一个低电平，电流标定单元进入限幅状态，电源输出电流等于恒流值标定电压的对应值即标定电流。电源输出电流为：
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可调恒压恒流电源的输出特性为一个较为理想的矩形曲线，如图8所示。 运算放大器A1和A2的电源接法：负电源端接地，运放A1和A2的正电源端接直流输入电压源，如图9所示。输入电源电压可以允许在一定的范围内波动，其最大值在运放A1和A2容许的电源电压范围内。
电阻R110、R111、R210、R211的取值通常(但不限于)取5KΩ～50KΩ。电阻R1、R221、R222的取值通常(但不限于)取0Ω～50KΩ，取0Ω相当于用导线短路。电阻R223的取值通常(但不限于)取0.1Ω～100Ω。
大功率管Tp通常(但不限于)采用绝缘栅双极晶体管IGBT或功率场效应管MOSFET。
可调恒压恒流电源的另一种形式是负电源形式，其电路结构原理图如图10所示。与正电源形式的可调恒压恒流电源相比除大功率管的极性不同外，其余元器件均相同，电路结构也基本一致。
可调恒压恒流电源输入为有波动的直流电压，输出为标定电压与标定电流可调、输出电压或电流恒定的直流电源。
本实用新型可调恒压恒流电源仅采用半导体器件与阻容元件构成，具有结构简单、成本低廉、性能稳定、精度高、响应速度快、可靠性高、易于集成化等特点，在实验室、电子装备、电源产品等领域有着广泛的应用价值。附图说明
图1可调恒压恒流电源结构框图。 图2电压控制环节结构框图。 图3电流控制环节结构框图。 图4电压标定单元电路结构图。 图5电流标定单元电路结构图。 图6功率驱动单元电路结构图。
图7可调恒压恒流电源基本电路结构原理图。 图8可调恒压恒流电源输出特性。
图9可调恒压恒流正电源电路结构原理图。 图10可调恒压恒流负电源电路结构原理图。 图11可变电阻负载的恒压恒流驱动电源。 图12具有不间断供电功能的后备直流稳压电源。
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图13可调恒压恒流电源变负载输出特性。 图14可调恒压恒流电源对电池充电的充电曲线。 具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细描述。 实施例1
可变电阻负载的恒压恒流驱动电源，电路如图11所示。
可调恒压恒流电源由降压变压器、整流桥、滤波电容组成的初级电源供电。 可调恒压恒流电源采用正电源形式，输出接可变电阻性负载RL。 负载电阻RL变化时，可调恒压恒流电源的输出电压、输出电流、输出功率曲线如图13所示。
输出电压、输出电流、输出功率曲线转折点对应的电阻为：
式中Uo为标定电压、Io为标定电流。
当负载电阻RL阻值较Rz小时，恒压恒流电源处于恒流输出状态，电压与功率随电阻值的增大而增大，电压或功率与电阻呈线性关系。
当负载电阻RL阻值较Rz大时，恒压恒流电源处于恒压输出状态，电流与功率随电阻值的增大而减小，电流或功率与电阻呈双曲关系。 实施例2
具有不间断供电功能的后备直流稳压电源，由二个可调恒压恒流电源和一个可充电电池及二极管组成，电路如图12所示。
二个可调恒压恒流电源采用正电源形式，充电用可调恒压恒流电源输出通过二极管接待充电电池E，电池E与直流电压源分别通过二极管接入输出用可调恒压恒流电源，输出用可调恒压恒流电源输出所需直流稳压电源。
当有直流电压源输入时，充电用可调恒压恒流电源对电池进行充电，输出用可调恒压恒流电源使用直流电压源输入来输出一个稳压直流电源。
充电用可调恒压恒流电源的输出电压、输出电流曲线即充电曲线如图14所示。 充电的第一阶段为恒流充电阶段，在此阶段中充电电流保持电源设置的恒值即标定电流不变，电压随着充电的进行逐步升高。待电压升高至电源电压标定值时，充电进入第二阶段。
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充电的第二阶段为恒压充电阶段，在此阶段中充电电压保持电源设置的恒值即标定电压不变，电流随着充电的进行逐步降低。
充电的第三阶段为恒压涓流充电阶段，在此阶段中充电电压保持电压标定值不变，但由于电池充电已经基本充满，电池的电动势与电源电压标定值接近相等，充电电流减小到较低的程度，呈涓流充电状态。
当没有直流电压源输入时，充电用可调恒压恒流电源停止对电池充电，输出用可调恒压恒流电源使用电池作为电源输入来输出一个稳压直流电源，实现对负载的不间断供电。
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说 明 书 附 图
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图12
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