一种高负载恒流源电路装置的设计方法

现　代　电　力

MODERNELECTRICPOWERVol.16　No.3

Aug.1999

一种高负载恒流源电路装置的设计方法

徐育新　侯国莲　张建华

华北电力大学(北京),北京102206

常　青

北京经济管理干部学院,北京100102

摘　要　鉴于目前许多工业过程所采用的DDZ-Ⅲ型系列仪表负载均在0～750Ψ

以内,实际应用时往往受到限制,给出了一种高负载恒流源电路的设计方法。这种高负载恒流源电路装置,不仅具有恒流特性好,负载电阻高的特点,同时具有良好的实用性和通用性,并已在某电厂的锅炉水位系统改造中得到应用。关键词　恒流源装置;高负载;工业过程;仪表分类号　TP216

　　问题的提出

目前,在我国的电厂和其它工业过程控制中广泛采用具有国际统一信号制直流电流为(4～20mA)的DDZ-Ⅲ型自动化仪表系列。无论是变送器、调节器、操作器或其它运算组件,其输出环节都是恒流源电路。一般规定的负载电阻为250～750Ψ。

但是在实用过程中,有时一个变送器的输出回路中要串联多个表计。以某电厂一台水位变送器为例,输出回路中,接有数字指示表、打印记录表、上限报警器、下限报警器、数据采集系统接口(A/D)等。因此,负载电阻超出了保证恒流特性的精度要求,从而会造成测量误差。为此本文给出一种高负载恒流源电路。

1　电路分析

本文给出的恒流源电路如图1所示。

图中,IC1,IC2为运算放大器,BG为晶体三级管,Rf为反馈电阻,RL为负载电阻,Vi为输入电压;Io为输出电流。必须指出,IC1,IC2均为高输入阻抗的电子器件,故以下分析中可近似视为

收稿日期:

图1　高负载恒流电路

1999-03-24　　徐育新,1968年生,男,助工,主要从事热工自动化方面的研究;侯国莲,

1966年生,女,副教授,主要从事热工自动化方面的研究。

　　72现　代　电　力1999年

理想运算放大器。

电路中,负载电阻RL可取为0～1.5k。由图可见,当Io=4～20mA时,VL=0～30V。Ψ而Vi=1～5V,故一般情况下是VL>Vi。

IC2构成一个跟随器,作用是使输入端与输出端隔离。由图1可得图2所示的等效电路:

进一步应用等效发电机原理,由图1、图2可得如图3的电路

图2　高负载恒流电路的等效电路图3　应用等效发电机原理所得的等效电路

图中,　　　　　　　Ri=R1‖R3=5kΨ

∵

R1=R3

VL-ViVL-Vi

·R1=VL-R1+R32VL+Vi

　=

2

IC1可视为理想运算放大器,V′i=VL-′

(1)(2)

∵∴

VT=Vi

由图3可知,IC1的反相输入端电压VF为

1VF=(IoRf+VL)

2　　又由于IC1可视为理想运放,故有

VF=VT

　　则可得

1(Vi+VL)=2

　　所以有

Io=

ViRf

1(IoRf+VL)2

(3)

(4)

(5)

　　由此可见,本电路输出电流Io与负载电阻RL无关,故本电路是一种恒流电路。又因为运放IC1具有很大的开环放大倍数,故恒流精度很高。实际测试表明,负载电阻RL在0～1.5kΨ范围内,恒流精度可达0.3%。

这里,取Rf=250～5V时,输出电流Io=4～20mA。Ψ,故当Vi=1

2　恒流精度分析

基于上述分析结果,可见VL是运算放大器IC1的共模输入信号,为此由图1可将整个第3期徐育新等:一种高负载恒流源电路装置的设计方法　　73

电路简化为如下的闭环系统。

图4　恒流源电路等效系统

图中A1——IC1的开环电压放大倍数,A1≥105;

Rbe——晶体三级管b—e结电阻;

U——晶体三极管电流放大倍数,U≥40;V01——IC1的输出电压

考虑到图4中的小回路也是一个深度负反馈系统,故可得

Io～1=V01Rf+RL

于是有

Io=

A1

Vi

(A1+1)Rf+RL

5

(6)

(7)

　　式中,Rf=250Ψ;RL=0～1.5kΨ;A1=10;Vi=1～5V

设　　Vi=5V,RL=0则　　Io=20mA　若设　　Vi=5V,RL=1.5kΨ

则　　Io=19.9988mA显然,当Vi一定时,RL在0～1.5kΨ范围内变化,Io都几乎没有变化,故本电路的恒流精度是非常高的。

3　结　论

本文给出的恒流源电路具有恒流特性好,负载电阻高的特点,具有良好的实用性和通用性,并已在某电厂的锅炉水位系统改造中得到应用。

参考文献

1　沈春林等.线性控制系统.北京:航空工业出版社,19892　李翰逊.电路分析基础.北京:中央电大出版社,1988