电力变压器直流电阻的快速测量方法----恒流源的设计与试验（二） 电力变压器, 恒流源, 稳压器, 元器件, 测量

Bazinga

4.5串联调整稳压电路
该节主要从组成串联调整稳压电路的各部件的选择原则上，阐明用串联调整集成稳压器构成恒流源的设计思想以及与稳压器相关电路和元器件的设计。

4.5.1稳压器的选择
各类线性集成稳压器，无论是可调式稳压器，或是固定式稳压器均可用来构成恒流源，而且外接电路都很简单。用集成稳压器构成的恒流源，它的各项指标和所用稳压器的性能有直接的关系。因此，在设计恒流源电路时，应根据实际使用之要求以及各类稳压器的特点、性能予以合理选择。

各类集成稳压器构成的恒流源，它们的特点、性能以及适用范围简述如下：
（1）三端可调集成稳压器具有很低的基准电压（UR =1.25V ）极强的调整能力（ Su=0.02%/v ，Sl=0.1 -0.3%）;调整端电流既小又稳定
.
因此，用它构成的恒流源电流稳定、效率高、电路简单、安装调试方便，在mA～A级电流范围内都可满足较高精度应用之要求，应予优先选用。但目前大电流的三端可调式集成稳压器的价格很高。

（2）三端固定式稳压器构成的恒流源电路也很简单，且价格适中，但有以下缺点：1）这类稳压器的调整率指标不及可调式稳压器，用以构成的恒流源性能相对较差；2）调整端电流及其变化较大（IQ为mA数量级、ΔIQ =0.5～1.5mA），不适于构成小电流的恒流源；

（3）稳压器的输出电压不能很低，构成的恒流源基准较高、功耗偏大，特别是对大电流的恒流源。因此，这类稳压器构成的恒流源使用于中等电流（102 mA数量级）及要求恒流精度不高的场合。例如用作镍镉电池的充电器。


（4）多端可调式集成稳压器属于早期的产品通常需要外接采样电阻、补偿电容、限流保护电路、基准分压电路和扩展电流的功率晶体管等，因而电路复杂，使用不便。但是，这类稳压器的性能很高、价格低廉、运用灵活，若能巧妙设计，可达到相当好的恒流精度。又因其基准电压（通过外接分压电路）和采样电阻可调节，故使用于构成输出宽电流范围可调的精密恒流源。

4.5.2基准电压选择
用集成运算放大器构成的恒流源电路中，基准电压是外设的，常用的有标准电池、锌汞电池或温度补偿型稳压管等，基准电压值的高低也可根据要求独立的选择。

但是，对于集成稳压器构成的恒流源，它的基准电压内含于稳压器之中，大部分是固定的，并不设外引线端。因此选择了集成稳压器，它的基准电压值被同时确定了。

常用的W317型三端可调式稳压器的基准电压最低，只有1.25V，W7805型三端固定式稳压器构成的恒流源为 UR（i）=Uo（i）=5V.多端可调式稳压器WA724、WB724型的基准电压约为3～4V；而W 2、YZ03-06型为6V；W723型为7V，但因其接有引出端，因而容易通过外接电阻分压器使基准电压值连续可调。

用集成稳压器构成的恒流源时，其内部基准电压高低的选择应该一分为二来分析。从提高调整率指标出发，基准电压值越高越好。但基准电压值越高，取得同样恒流源输出而采用的采样电阻值就大，因而增加了内部功耗，对于小电流恒流源问题不大，但对于安培级的恒流源，这样大的功耗就很难保证采样电阻的稳定性。据此考虑，基准点压低一些有利。但若基准电压太低，它和采样电压的差值就小，这对集成稳压器中放大器的增益、漂移和噪声提出了更高的要求。总之，在选择基准电压时要兼顾上述两个方面。一般原则是，对小电流恒流源，基准电压值可适当高一些。而对大电流恒流源，在满足调整率指标条件下，基准电压值低一些好。
4.5.3采样电阻的选择
用集成稳压器构成恒流源时，由于采样电阻串联在主回路内，因而采样电阻自阻值的精度、功率容量、温度系数、时效变化等，对恒流性能有至关重要的影响。因此，通常的碳膜电阻不宜采用，而应选择精密金属膜电阻或精密线绕电阻。大电流输出时，最好采用温度系数更小的锰铜丝线绕电阻。由于此时的采样电阻值很小，只有零点几欧到几欧，因此必须用电流接头和电压接头分开的标准电阻。另外，连接线的长短粗细、焊接的质量、调节机构的接触电阻和稳定性也将直接影响采样值，应予以充分注意。为了避免采样电阻发热造成的不稳定，电阻功率要有一定的富裕量，必要时还应采取散热和恒温措施。

连续可调问题：根据恒流源输出电流的一般表达式IH=UR/Us可见，为得到输出电流可调的恒流源，或改变基准电压RU，或改变采样电阻Rs.然而大多数集成稳压器的基准电压都是固定的，因此只有改变采样电阻。对于电流可调范围不大的恒流源，输出微调可采用精密多圈电位器。调节范围大时，则用多个电阻经转换开关改变量程。需要注意的是，开关的接触电阻必须很小，最好采用同一批号的电阻。

顺便指出，上述通过改变采样电阻调节输出电流的方法有许多问题：
（1）电阻串联在主回路内，而采样调节机构不可能十分稳定，因而直接影响到输出电流的稳定性；
（2）为了减少功耗，Rs值取小一些好，所以调节范围不可能很宽；
（3）除非设置负电源，否则不可能从零起调；
（4）对于高精度恒流源，几乎不可能改变作为标准的采样电阻。因此，对于大电流精密恒流源，最好采用基准电压的采样电阻。

4.5.4调整管的选择
用集成稳压器构成的恒流源，其最大电流和最高电压值受制于所用集成稳压器的极限值。当实际应用要求更大的电流和电压时，就要外加调整管。由于固定稳压器和可调稳压器的内部电路和引出方法不同，所以外接调整管的接法也不一样。

另外，调整管的最大值也必须满足下列条件：


对于中高压小电流恒流源，或宽范围的可调恒流源，还必须考虑调整管漏电流的影响，要选择Iceo尽可能小的管子。如果漏电流大于输出电流的下限值，则完全破坏了恒流源的工作状态。

4.6恒流源的设计和试验
4.6.1恒流源的设计基本原理通过上述恒流源的原理分析和各类恒流源的比较，根据实际情况，对应电力变压器直流电阻测试仪的要求，对恒流源进行了设计。在电源部分，把220V交流电，经稳压器降压、整流滤波，作为恒流源器件所用的电源。其基本原理如4-8图：



图中NA1,NA2和NA3全部采用集成运算放大器ICL7650，它是高精度、低漂移、动态校零CMOS型斩波稳零式单片集成运算放大器，称为第四代运算放大器。其输入失调电压Uos只相当于通用型运算放大器F007的千分之一，Uos =1.0μv，失调电压温漂为0.01μv/oC，每月漂移低于1μv，输入偏置电流约为100PA，且有极高共模抑制能力（CMBR≥130dB）、开环增益（Ad >140dB ）。Uin为输入基准电压；VTR为功率放大器件；R2为VTR的限流电阻。

恒流源的工作原理如下：基准源Uin分压后，经过加法器NA1、反馈放大器NA2，由电流放大驱动VTR电路输出电流Ix.为了使输出电流稳定，除各个环节引入深度负反馈外，还从输出电流Ix取样经电压跟随器NA3反馈至加法器NA1，形成一个大反馈，进一步增强了输出电流的稳定度，使恒流源在负载变化较大范围内输出电流具有高稳定度。

恒流源电流的稳定原理：运放NA1的输出电压U1为Uin=Uin-U4，反相集成运算放大器NA2的输出电压U2为U2 =-U1，电压跟随器NA3的输出电压U4为U4=U3，而标准电阻Rn上的电流I为I =（U2- U3 ） / Rn .由于电压跟随器NA3的输入电阻很大（≥1012欧），则流过标准电阻Rn的电流I全部流向被测的感性负载，I = Ix，由以上方程联立求解可得，

上式表明：
（1）输出电流Ix与被测感性负载无关
（2）输入电压Uin的稳定度、纹波大小、静态电流大小和温漂特性都会直接影响输出电流Ix.
（3）改变标准电阻值Rn和组成恒流源的电阻R1会改变输出电流的大小。

试验中，发现当三个集成运算放大器的接地点布置不恰当时，有干扰信号会进入恒流源的电路中，输出电流就有一定的波动，导致恒流源工作不稳定。把它们的各个接地点接在一起，再与电源的接地点相连，电流输出稳定，有效抑制了干扰。

本文研究的恒流源能够稳定输出的最大电流为10A，用于测量100μ级以上感性负载的直流电阻。由于一般的集成运算放大器的输出电流比较小，不能直接驱动较大的功率管，因此，要获得10A恒流源就必须采取扩流技术。本文采用了前级驱动后级的办法，以达到扩流目的。