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第四章直流电阻测试仪用恒流源的设计与试验

4.1恒流源的应用与分类

近年来电力变压器直流电阻快速测试的研究中,恒流源器件被广泛采用,这是由于经仿真试验表明:较大的直流电流有利于感性负载直流电阻测量的快速性;具有高稳定度的直流电流有利于感性负载直流电阻测量的准确性。因此,研究一种具有高稳定性、较强带负载能力的较大容量的恒流源直接决定感性负载直流电阻测量的准确性、快速性和可靠性。因此本章介绍恒流源的基本原理和类型,并进行了恒流源器件的设计与试验。

一般把能够向负载提供恒定电流的电源称为“恒流源”。所谓“恒流”是一种习惯叫法,并不是电流值绝对不变,而是在一个工作范围内保持足够的稳定性。恒流源的基本作用是消除或削弱负载电阻和环境温度变化对输出电流的影响。

恒流源分类:按照所采用的调整元件不同,可分为电真空器件恒流源、双极性晶体管恒流源、场效应器件恒流源和集成电路恒流源。按照调整方式不同,恒流源可分为直接调整型恒流源和间接调整型恒流源。间接调整型恒流源根据调整元件的工作状态不同,又分为连续调整型恒流源、开关调整型恒流源[21]和组合调整型恒流源等。

文中先按调整方式分类对各种恒流源电路的特点与性能作简要介绍。然后则根据采用的调整元件不同,对各类恒流源电路进行详细讨论。

4.1.1.直接调整型恒流源

直接调整型恒流源由恒流器件和供电电源串联组成,电路结构非常简单,主要是利用了恒流器件的非线性特性对负载电流进行直接调整并使之保持稳定。作为恒流器件,早先采用镇流管,目前则广泛使用半导体恒流二极管。半导体恒流二极管在电路中的连接方法及其恒流特性如图4-1(a)所示。

半导体恒流二极管能在很宽的电压范围Us~Ub内提供十分恒定的电流,如图4-1(b),它在晶体管电路中得到了广泛应用。但是,目前恒流二极管的最大电流只是毫安级,限制了它的应用。

4.1.2间接调整型恒流源电子管、晶体管一般不能直接提供恒定电流,但可利用它们和其它电子元器件组合而成的恒流电路来实现恒流,所以称为间接调整。根据调整元件的工作状态不同,又分为连续调整、开关调整和组合调整型恒流源。

(1)连续调整型恒流源图4-2是连续调整型恒流源的结构示意图,其中4-2(a)是开环电路,4-2(b)是闭环电路。在图4-2(a)中,由基准电压Us,精密电阻Rs与射极跟随器F构成连续调整型恒流源开环电路。由于跟随器的输出电压和输入电压(即基准电压Us)大致相等,因此串联在输出电流通路中的实际负载上流过近似恒定的电流,它等于基准电压S U与精密电阻Rs之比,即Io = Us/ Rs.

图4-2(b)为连续调整型恒流源闭环电路,其中A为放大器,它是一个输入端接基准电压Us,另一输入端加上反馈电压IoRs,由于放大器的作用,使输出电流在标准电阻S R上的压降和基准电压近似相等,得到Io = Us/ Rs.由此可见,连续调整型恒流源的输出电流仅由基准电压和标准电阻决定,而与电源电压和负载变化无关。

(2)开关调整型恒流源

图4-3是开关调整型恒流源,这里的电源Us通过开关S和滤波回路向负载RL提供电流。由于这个电流也通过标准电阻Rs而放大器A将Rs上的电压降IoRs和基准电压Us比较,并对开关S进行控制以保持输出电流Io的稳定。

图4-3中S是一个电子开关,他的形式很多,在交流输入的情况下,一般采用单结晶体管触发的可控硅相控开关电路。而在直流输入时,则用多谐振荡器控制的开关电路。开关型恒流源用于输出容量大,但对恒流源性能要求不高的场合,例如用作蓄电池的恒流充电器。

(3)组合调整型恒流源

在连续调整型恒流源闭环电路中,当负载电阻很小甚至短路时,输入电源电压全部加到调整管的集-射极,耗散功率很大。所以,这种电路的恒流性能虽好,但输出容量不能很大。对于开关调整型恒流源,因其调整管工作在开关状态,效率明显提高,但输出纹波较大。为了克服上述矛盾,可以采用组合调整型恒流源,即在开关调整稳压电路后紧接连续调整恒流电路。