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发表于 2011-6-30 14:53:54
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本帖最后由 longshort 于 2011-6-30 15:21 编辑
简易恒流源的图纸，供各位参考：
简易恒流源.pdf
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调试记录
调试开始和调试过程中，环境气温保持在30.3°C。调试在上电暖机一小时后进行。
１）电源
电源部分比较顺利，由L7810担任的稳压电路相当稳定，上电时输出10.030V，一小时后为10.043V，此时负载电流为17.2mA。输入电压为23.97V，调整管压降为23.97-10.043=13.927V，则功耗为13.927*0.0172=239.5mW。调整管本身耗电6mA，则总的功耗为239.5+23.97*0.006=383.32mW。
在datasheet中，L7800系列的TO220封装从管芯到自由空气的热阻为50°C/W=0.05°C/mW，所以呈现在封装表面的温升应为383.32*0.05=19.166°C，但实测表面温度高于环境温度24.3°C，折合到热阻，实际的管芯到自由空气的热阻应矫正为0.06313°C/mW=63.13°C/W，与D² AK、TO220FP、TO220FM的参数相近。
自由空气的温度测量是在离稳压器封装1cm的水平距离上进行。不过在封装两边附近几毫米处有接线端子和电解电容器存在，且体积均较大，无形中抬高了周边环境温度，故上述测量数据仅作为实践参考用，datasheet所载值还是基本可用的。
所使用的L7810CV的温度系数为(10.043-10.030)/24.3=+0.535mV/°C，datasheet中是-1mV/°C。
当未来90mA档可以使用时，稳压器外表面的温升将比环境温度高出100°C以上，因此从安全使用考虑，加了个从废计算机主板上拆下的散热器，有效面积30cm²。
２）基准
基准源使用了编号为10-2-10的2DW232。
从上电开始至三小时后，基准有大约4mV的电压上升。由于手头没有合适的电阻器作为限流电阻，用的是库存的1/4W750Ω色环电阻，温度系数达-300ppm，这一特性使驱动电流进一步上升，变化降落在2DW232的动态电阻（约10Ω）上，使输出电压发生大约+3ppm增加，但+3ppm不足以产生4mV的变化，需要寻找其它原因。
基准管的初始上电漂移是重要原因，这可能跟老化有关系。作为新管第一次使用时，同样的驱动电流，上电时的电压为6.181V，一小时后的电压为6.176V。拆下后放置一段时间又用在这里，上电时的电压为6.177V，一小时后的电压为6.173V。此后基本保持6.173V不变。
上述状态是在管壳温度为42°C时稳定下来的。当管壳的表面温度因吹风的影响降到了36°C时，端电压变为6.174V，升高了1mV。算起来，变化了-162ppm，再除以变化的6°C，等于-27ppm/°C，与这一管子在大电流测试（9mA~18mA）时的温漂相当，而方向相反。这种情况提示可能存在一个工作电流的临界点，在这一点上的温度系数为零。
考虑限流电阻的温度系数已经发生的影响，基准管的温度系数还应该加上-3ppm，即等于-30ppm/°C。
３）恒流源
最初使用的运放是TLC271CP，本来是作为微电流仪准备的，因有备用的，先拿过来用了。
TLC271是低输入偏置电流的运算放大器，有三种功耗模式：L、M、H。在L模式时的增益最高，因此最初使用的是L模式。后来发现L模式下在9mA档不能全力驱动恒流管，于是换用H模式，结果9mA档是可以了，0.9mA档却不行了，0.09mA和0.009mA档则都可以。根据它的行为来看，是发生了振荡，由恒流管的栅极输入电容引起的输出相移，造成了0.9mA档的正反馈。想起还有几个CA3140可用，先用上来看看。
CA3140原本是作为恒流源输出指示的跟随器使用，因为增益较低，怕影响不同输出电流时的准确度，所以未考虑用于恒流发生器。现在代用以后表现很好，没有振荡产生，各档（除90mA档外，现在输入电源的负载能力不行）的调试端子电压一致，显然这个运放有足够的增益，并且补偿良好，容性负载能力非常强，因为恒流管的栅极输入电容实测超过了1200pF。
运放使用插座安装是实验活动的重要因素，这可以为正式产品的应用设计指引正确的方向。
恒流管的源极电阻中，270KΩ组与30KΩ组因没有±1%精度的器件，用的是±5%的高温漂色环电阻产品，来自于电阻包。3KΩ、300Ω、30Ω都使用±1%精度的电阻器配组，其温漂系数在±(25~50)ppm之间，两串两并的结果再结合值的配对，预期的温漂系数可控制在±(12.5~25)ppm之间。
恒流管在90mA档的间歇使用将断续达到超过2W的功耗，因此加了个由两片简易散热片组成的散热器，有效面积约8cm²。
４）指示输出
指示输出没有悬念，一个CA3140加上一个15KΩ的有机微调电位器。这个电位器是用了库存的旧货，不是多圈的，因而调整比较困难，好容易才将零点调到±50µV内，再小就调不准了，一碰就跑。正式产品中，需要精细控制的部位绝对不能使用这种类型的器件。
当接上被测器件时，原先调好的零点偏移了约-10~-60µV。偏移产生的原因基本上和器件的正、负电源发生相对变化有关。当正输入端升高时，负输入端通过输出端的反馈力图跟随正输入端的变化，这使两个输入端之间产生了电压差。由于输出端所接数字表有10MΩ的输入电阻，所以负载的影响可以忽略。
从输出电压的2V~14V范围来看，动态范围12V，则零点偏移-60µV相当于-5ppm的变化，在预定的±10ppm容差内。在测量时，2V侧的偏移达到-60µV而14V侧的偏移不超过-10µV，所以在2V侧的读数误差将可能达到-30ppm。按平均每伏-5µV计算，预期的-10ppm读数误差，将在4.6V位置以上开始。
作为跟随器使用时，运放的电源相当于随输入电压的不同而同步降低和升高。按datasheet中的电源抑制比（PSRR）的数据来看，器件实际的水平（-5µV/V）远优于典型值（100µV/V）的水平。
５）使用实测
在9mA档对系统进行了使用实测。
被测器件是标称1.5KΩ的1/4W色环电阻，在9mA档的高电压是13.5V，在3mA档的低电压是4.5V，电流表串接测量电流变化。
空载调试时的源极电压为2.43V/0.81V，接上被测器件后的源极电压没有变化，或者有变化但没有在数字电压表上反映出来。分辨率是1mV，所以变化最多在500µV以内。
与不同阻值的被测器件串接电流表后测出的电流没有变化，或者有变化但没有在表上反映出来。分辨率是1µA，所以变化最多在500nA以内。500nA的电流变化在270Ω源极电阻上的电压变化是135µV，这样源极电阻上的变化相当于56ppm，这也是电流的变化率。这个变化率超出了·±10ppm的要求。不过这个变化率到目前为止还是猜想，因为测量仪表没有反映出来。
恒流源运放CA3140的输出电压变化为0.7V，除以反馈回路的135µV，得5185倍，相当于74.3dB，低于datasheet载明的大信号最低86dB。显然恒流管源极电阻上的电压变化根本不到135µV，而是更小。按86dB即20000倍算，恒流管源极电阻上的电压变化为35µV，相当于14.4ppm，与要求比较接近了。由于这里是小信号区域，增益通常应能在100dB（=100000）或更高，则0.7V/100000=7µV，即2.88ppm，应能满足使用要求。
在恒流源运放的两个输入端之间接入了万用表的200mV档，分辨率为±10µV，输入电阻为10MΩ。开机上电后的电压显示为0.82mV~0.83mV之间跳动，在0.9mA和9mA档之间来回切换的结果，情况保持不变。7µV的源极电压变化在10µV分辨率之下，因此上一小节的结论是合乎实际的，也应是可信的。
实测各档电流为：
90mA 尚无条件测试
9mA 9.000/3.000
0.9mA 0.900/0.300
0.09mA 0.090/0.030
0.009mA 0.009/0.003
实际使用时应按上述值代入计算公式。
三端稳压器L7810与恒流管TP8N05的散热测试：
L7810在未加散热器时的表面温升为24.3°C；加上30cm²的散热器后，稳压器紧固锣丝中心凹槽处温升为4°C，散热器边缘温升为3°C。
TP8N05未加散热器时仅有微温，加上8cm²散热器后与室温持平。
作跟随器输出的CA3140在电压上空间处有约2.1V的限制，可视需要更换为具有上部到轨能力的单电源运放来替换。
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发表于 2011-6-30 14:51:07
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