一种应用于温度控制系统的恒流源加热电路

蔡 璇

(中北大学 信息探测与处理技术研究所，山西 太原 030051)

随着科学技术的飞速发展，各种行业对温控系统稳定性要求也越来越严格，温度控制系统一般由温度传感器、控制电路以及加热电路构成一个反馈回路，温度传感器将测量得到的温度信号转化为电压信号以后输入到控制电路，而控制电路的基本原理是通过将测量得到的温度信号与一个标定的温度信号进行比较，如果测量得到的温度信号小于标定的温度信号，则控制电路驱动加热电路对设置于温度传感器上的加热丝进行加热，使温度传感器测量得到的温度信号升高，反之则加热电路停止加热，因此加热电路的好坏对整个控制系统有着重要的作用，本文主要介绍了一种应用于温度控制系统的恒流源加热电路。

1 深度负反馈

在恒流源加热电路中应用双运放构成负反馈电路，负反馈是指将输出信号的一部分或者全部通过一定的方式回馈给输入端进行比较，使净输入量减小的反馈。引入负反馈有很多优势，它可以提高电路增益的稳定性、展宽通频带、减小非线性失真、改变输入电阻和输出电阻。除此之外负反馈技术还对抑制放大电路内部的温漂、噪声和干扰具有很好的效果［1］。

由于该加热电路主要是根据控制电路反馈回来的电压信号来调节加热丝的功率，在实验过程中不可避免的会有温度的变化，而温度的变化容易引起放大器内晶体管参数和其静态工作点的移动，从而导致放大器的静态输出电压发生缓慢变化的现象，因此引入负反馈电路对此有较好的抑制效果。

2 场效应管恒流原理

恒流源按照恒流器件不同可以分为晶体管恒流源、集成电路恒流源、场效应管恒流源［2］。场效应管是一种电压控制器件，控制端输入电流很小，因此它的输入电阻非常高，而且场效应管利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性很好，栅极几乎不取电流，非常适合作恒流源的调整管。

本文所介绍的恒流源加热电路中应用的是N 沟道增强型场效应管，N 沟道场效应管要导通，栅极电压必须高于源极电压，即UGS＞0，在其输出特定性曲线上，场效应管工作可分为四个区，即可变电压区、放大区、击穿区、夹断区。放大区即为场效应管的恒流区，在可变电阻区漏源电流随漏源电压、栅源电压的增大而增加;在恒流区漏源电流为恒定值，其大小由栅源电压控制，随着漏源压的继续增大场效应管进入击穿区，管子会损坏，当栅源电压低于管子的开启电压时，管子进入夹断区，漏极源极上几乎没有电流流过。因此只要让场效应管工作在恒流区，就能实现恒流［2］。

3 恒流源加热电路原理

在前期设计中采用双运放构成负反馈回路，驱动场效应管，加热丝两端的电压经过分压后分别通过两个电压跟随器作比较然后经过放大后输出，双运放输出管脚直接与场效应管的栅极连接，是开环电路，开环电路的输出端与输入端不存在反馈，因此开环电路中只有输入量控制输出量，而没有输出量再返回来影响系统控制作用的能力，因此开环电路的抗扰能动性差，静态稳定性差，在实验中栅极总是处于饱和状态。为了得到更为准确的数据，对电路做了一定的改进。

改进的恒流源加热电路由双运放AD8512、场效应管FDP42AN15A0、以及仪表运放AD620 组成，具体电路图如下图1 所示。

由图1 可以看到，双运放采用芯片AD8512，其输入失调电压为400 μV，输入失调电流为25 pA，因此它具有低输入失调电压、低输入失调电流、低输入失调电压噪声以及低输入失调电流噪声的特点。由于本实验中所测得的信号是低频微弱信号，因此选用低输入失调电压以及低输入失调电流的放大器可以减小放大器本身对输出信号的影响，在实验中AD8512 性能稳定。

在电路中选用场效应管FDP42AN15A0，其导电方式为增强型，N 沟道，开启电压范围为2 V～4 V，在电路中起到恒流源的作用，N 沟道场效应管的主要特点是电流方向是从漏极到源极，因此电路中漏极作为加热丝一端电压，在源极设置采样点来测量采样电流。场效应管在使用过程使用不当容易击穿损坏，尤其是在焊接当中需要注意烙铁温度需要断电以后再进行焊接，焊接时需要先焊接源极，以此再焊接漏极以及栅极，并且在电路板布线时需要注意，源极电流大，需要采用粗短线分布。

在改进的电路中用仪表运放AD620 作为电压比较电路，使得电路更为简化，而且仪表放大器比普通的差分电路有更好的共模抑制能力，AD620 的放大倍数与它的1 管脚以及8 管脚之间的增益电阻RG有关，计算公式为G=，其中G 为AD620 放大增益。

图1 恒流源加热电路

在该恒流源加热电路系统中，电压信号由JP1 端输入，运放AD8512 的1 管脚为输出接场效应管的栅极，1 管脚与2管脚之间接入负反馈电阻R13，构成深度负反馈回路，场效应管的源极接AD8512 的5 管脚作为输入电，由7 管脚输出，该输出电压作为补偿电压接双运放的2 管脚，6 管脚与7 管脚之间接入反馈电阻，构成深度负反馈回路，为了使电路更加稳定，根据零极点补偿原理分别在两个反馈电阻两端并联两个小电容。P1 处接一定阻值的加热丝，场效应管的漏极为加热丝提供电压，加热丝的另一端由24 V 恒压源供电，由于在加热过程中，加热丝电阻太小，电流太大时，加热丝容易被熔断，因此需要选用合适阻值的加热丝，24 V 电压与漏极电压经过分压电阻后分别通过AD620 进行比较，根据AD620的输出可以计算出加热丝两端的电压差。tp1 为采样电压输出，Jp2 为加热电路输出。

通过测试AD8512 的7 管脚输出端的测试点tp1 处的电压值记为Utp1，则有:

由式(1)可以推算出场效应管源极提供的电流即流经加热丝的采样电流I，其中Rs为采样电阻，由于采样电阻上流过的电流很大，因此为了减少功耗和发热，采样电阻阻值要求特别小。记ΔU=24－Ud，Uo为加热电路输出，即Jp3 处电压测量值，则有:

由式(2)可计算出ΔU 的值，通过ΔU 与采样电流I 的乘积可以计算出加热丝发热时所能提供的功率大小。

4 实验数据

4.1 单个电路板调试

在实验中，电路中采用正负15 V 电压源供电，用可调电压源控制JP1 处输入电压Ui的大小，JP3 处接加热丝，为了使场效应管可以正常工作，是栅极对地电压在2 V～4 V 范围内，此时当加热丝的阻值一定时，随着输入电压的升高，则加热丝两端的电压也升高，实验数据如表1 所示:

表1 加热丝输出端

在表1 中，Ui为输入电压，Tp1 为AD8512 的7 管脚处设置的测试点输出，ΔU 为加热丝两端的电压差，其测量值是通过万用表测量得到，理论值是根据加热电路输出测量值计算所得，Uo为加热电路输出，其理论值是通过AD620 理论输入与增益计算所得，从上表中可以看出，ΔU 与Uo具有可信性，其测量数据可以应用与实际的计算中，随着输入电压的增大，ΔU 也增大，Tp1 增大，因此加热丝上的功率也增大，符合实验规律。

在实验中当输入电压增大到一定程度时，AD8512 的2管脚与3 管脚不满足“虚断”的条件，此时需要调节补偿回路的放大倍数即R2/R3，当该比值增大时，补偿电压也随之增大，此时，随着输入电压的增大，2 管脚与3 脚近似相等，满足运放的“虚断”条件。但是需要注意的是，放大倍数不能太大，当放大倍数达到一定程度时容易引起电路振荡。

4.2 将电路接入实验电路系统中调试

将温度控制电路比较电压设置为1.6 V，根据计算可以得到，1.6 V 的电压转化为温度信号是40 ℃，加热丝阻值为16 Ω，用精密阀门控制水流速度大小，记录500 mL 水流流过管道的时间，以此来计算出水流流速，实验数据如表2所示:量得到的电压信号接近于标定电压，此时加热电路输出电压变化趋于平稳，记录此时加热电路的输出电压值Uo，将Uo代入式(2)中计算得到表2 中ΔU 的值，同理tp1 测试点测量得到的电压记录方法也是如此。

表2 加热丝功率计算

5 实验结论

由实验数据可以看到，用场效应管FDP42AN15A0 设计得到的恒流源加热电路，具有恒流精度高、外围电路简单的优点。将该恒流源加热电路应用于实际的温度控制系统中可以得到可靠的实验数据，另外该电路经过简化以后也可以减小电路板元件之间的干扰，使实验数据更加准确可靠。

从以上实验数据可以得到，随着管道中水流流速的增大，加热电路输出电压也随着增大，因此加热丝上的功率也随之升高，由表2 中实验数据可以看出这一特点，因此该电路符合实验要求。在记录数据时需要注意，当水流速度从某一个值变化增大为另一值时，加热电路输出电压是缓慢增大的，当该电压增大到一定值时，由于管道上的温度传感器测

［1］奚慧平.关于负反馈技术的几点讨论［J］.丽水师范专科学校学报，2003，25(5) ：41－43.

［2］田俊杰，董威.基于场效应管的恒流源设计［J］.中国测试，2009，35(1) ：118－121.