高稳定度恒流源的研究与影响因素分析

2016-03-11党玉杰董全林孙茂多杨娅姣

电源技术 2016年4期

关键词：恒流源物镜稳定度

党玉杰，董全林，孙茂多，杨娅姣

(1.教育部微纳测控与低维物理重点实验室，北京100191；2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)

高稳定度恒流源的研究与影响因素分析

党玉杰1，2，董全林1，2，孙茂多1，2，杨娅姣1，2

(1.教育部微纳测控与低维物理重点实验室，北京100191；2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)

以一款稳定度为2×10－6/min串联补偿型透射电子显微镜物镜恒流源为例，研究其原理设计，建立系统传递函数，通过讨论各影响因素与相对电流变化之间的关系，分析了恒流源的内部因素和外部因素对电流稳定度的影响，得到直接影响因素是基准电压的稳定性、采样电阻的变化及放大器自身参数的变化，间接影响因素是调整管的自身参数变化、放大环节的电压增益变化、主回路输入电压的波动、负载电阻的变化，为开展恒流源的高稳定度设计提供了理论依据。

恒流源；高稳定度；影响因素；传递函数

恒流源是指能够向负载提供恒定电流的电源，高稳定度的恒流源是电子显微镜、粒子加速器、质谱仪以及β谱仪等现代仪器中产生稳定磁场的核心电源系统之一，应用领域十分广阔[1-2]。应用于透射电子显微镜的恒流源主要为磁透镜提供激励电流。为提高透射电子显微镜的性能，满足其高分辨率的性能指标，要求恒流源的电流稳定度是非常高的，通常为10－5～10－6/min。其中物镜是透射电子显微镜成像系统的第一个透镜，由其造成的像差会被中间镜与投影镜继续放大，所以物镜恒流源的稳定度是最高的。

目前，高稳定度的透射电子显微镜物镜恒流源通常采用串联补偿方式设计。串联补偿型恒流源是一个闭环反馈控制系统，依靠与负载串联的调整管内阻变化来补偿输出电流的变化[3-5]。影响其输出电流稳定性的因素可归为两部分：一是构成恒流源的内部因素，基准电压、采样电阻、放大和调整环节；二是恒流源所处的外部因素，输入电源电压、负载电阻和环境温度的变化[6]。

本文以一款稳定度为2×10－6/min的串联补偿型透射电子显微镜物镜恒流源为例，研究其工作原理，建立其系统传递函数，讨论上述各影响因素对输出电流稳定度的影响，为高稳定度恒流源的研究设计提供了理论依据。

1 物镜恒流源的工作原理

本文讨论的透射电子显微镜物镜恒流源的原理如图1所示，主要由基准电压、差分放大电路、反向放大电路、电流输出前置驱动、电流输出功率模块、负载线圈、采样电阻以及相关的补偿和保护电路组成。

差分放大电路用于放大基准电压与采样电压的差值信号；反向放大电路用于进一步放大差值信号，从而驱动电流输出前置驱动工作；电流输出前置驱动由调整管T1和T2构成，进一步放大电压信号；电流输出功率模块由大功率调整管T3和T4～T35构成的并联扩流电路组成，可获得所需的大强度电流，并使单个调整管的负荷减少，继而降低其热效应；采样电阻与负载串联，对物镜恒流源的输出电流采样，然后转换为电压进而作为差分放大电路的反向输入端；是经过整流滤波稳压后的主回路输入电压，作为物镜恒流源的功率来源。

图1 物镜恒流源的原理图

图2 物镜恒流源的结构框图

结合图2所示，系统的闭环传递函数为：

2 影响物镜恒流源稳定度的因素

2.1 内部因素

2.1.1 基准电压

由式(4)可知：电流的相对变化与基准电压的相对变化量成正比，所以基准电压是影响物镜恒流源输出电流稳定度的重要因素。基准电压稳定度的大小是物镜恒流源稳定度的极限。因此，如果要得到高稳定度的物镜恒流源，必须设计出稳定度更优的基准电压。

2.1.2 采样电阻

在该反馈型物镜恒流源电路中，采样电阻与负载串联，并由此检测电流的变化，其稳定性会影响到物镜恒流源的稳定度[2，6-8]。由式(3)对求微分，化简得电流的相对变化为：

式(5)中的负号表示等式两边的变化方向是相反的，并且采样电阻的相对变化量直接影响物镜恒流源输出电流的稳定度。

2.1.3 放大器

放大器的输入失调电压、输入失调电压温漂、输入失调电流、输入偏置电流、输入失调电流温漂、等效噪声电压等自身参数的变化会使其输出产生中点偏移，可以将其视为放大器的RTI误差，即相当于在放大器的输入端叠加了一个误差电压Δ[9]，如图2所示。当放大器输入端叠加Δ时，物镜恒流源的输出电流为：

由式(7)可知，放大器自身参数的变化对物镜恒流源稳定度的影响是直接的，没有因闭环而衰减。若基准电压变大，则Δ的影响会相对减小。

2.1.4 调整管

放大器将采样电阻取来的电压信号与基准电压比较放大，放大后的信号通过控制调整管，以稳定输出电流，因此，调整管自身参数的变化会影响恒流源的稳定度。

调整管的基极-发射极电压、集电极-发射极电压、直流电流放大倍数等自身参数与工作温度密切相关，当温度改变时，这些参数会发生变化，调整管的输出会发生相应的变化，这相当于在电流输出前置驱动的输出端加了一个干扰Δ，如图2所示。当有干扰Δ时，传递函数是：

2.1.5 放大环节

物镜恒流源的放大环节由差分放大电路、反向放大电路、电流输出前置驱动和电流输出功率模块组成，其电压增益为各部分电压增益的乘积。电压增益的变化会影响物镜恒流源的稳定度。

将式(11)代入式(10)，化简得电流的相对变化为：

2.2 外部因素

2.2.1 负载电阻

故电流的相对变化为：

2.2.2 主回路输入电压

主回路输入电压的波动并不直接影响物镜恒流源的输出电流，而是通过调整管间接作用的，等效为在电流输出前置驱动模块的输入端加一个干扰Δ。如图2所示，当有Δ干扰时，系统的闭环传递函数是：

2.2.3 温度

3 结束语

本款物镜恒流源的稳定度为2×10－6/min，研究了其设计原理，通过建立其传递函数模型，从理论上推导出影响恒流源输出电流稳定度的直接因素：基准电压的稳定性、采样电阻的变化及放大器自身参数的变化；间接因素：调整管的自身参数变化、放大环节的电压增益变化、主回路输入电压的波动、负载电阻的变化。

在直接影响因素中，放大器自身参数的变化对物镜恒流源稳定度的影响与基准电压的大小有关，越大其影响就越小，同时降低了对放大器增益、输入电阻、漂移和低频噪声等指标的要求。但是恒流源的无用功耗增加会带来热稳定性差等一系列新的问题。因此，实际中基准电压的取值必须综合考虑，同时兼顾放大器的选择。间接影响因素对电流稳定度的影响均与电路的放大倍数有关，电路的放大倍数越大其影响越小，但是放大倍数太大电路容易产生振荡，必须结合电路具体技术指标综合考虑。另外由于电路的输出电流大，电流功率放大模块的功耗就比较大，单个调整管无法承担如此大的功耗，调整管的并联均流和散热均匀就显得至关重要。

基准电压、放大器以及采样电阻的温度系数共同决定了恒流源受温度的影响程度，在实际设计电路时要选择温度系数合适的器件，同时采取相应的降温和散热措施，尽可能使物镜恒流源的温度系数小。

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图5 蓄电池充电过程(仿真)端电压

利用薄膜太阳电池和本控制系统对20 Ah的铅酸蓄电池(DC 48 V)进行充电，测得不同时刻蓄电池的端电压柱形图，如图6所示。

图6 蓄电池端电压不同时刻观测值

由图6可知，蓄电池在整个充电过程并不呈线性关系(恒流输出特性)，其中在13：30左右，电压上升较快，说明电流较大，这与此时段阳光辐射最强的实际情况是相吻合的。从时间上看，四个半小时充电就能结束，这与蓄电池的容量(20 Ah)基本吻合。在充电后期，蓄电池端电压仍大幅增加且整个充电过程的变化率无太大变化，结合图1可以判定整个充电过程的电流为间歇性大电流，且第二阶段的太阳电池工作在最大功率输出点附近，从而实现了快速充电，且有效延长了蓄电池的使用寿命。

5 结论

本文提出了一种单片机控制的，始终处于脉冲式充电方式下的光伏智能控制系统，有效避免了蓄电池的极化和硫化，延长蓄电池使用寿命。因整个充电过程的光伏电池输出电压在80%以内，则充电电流较大以实现快速充电。在第二充电阶段，因光伏输出电压在开路电压的80%左右，故只要环境变化不甚恶劣，光伏电池可工作在最大功率输出点附近。因此，该光伏充电控制系统能在晴朗的白天把握好阳光并充分利用，从而实现了快速充电。

参考文献：

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Research of high stability of current-invariable power supply and analysis of its factors

With the object lens current-invariable power supply for TEM in a compensatory series with the high stability of 2×10－6/min as example，the principle and design were researched，and the transmission function is set up. The relation between the affecting factors and changes of the relative current was discussed. The effect of internal and external factors on the stability of current was analyzed. The direct factors are the stability of the reference voltage， the change of the sampling resistor and the amplifier parameters.The indirect factors are the instability of the transistors，change of the amplification’voltage gain，input power supply fluctuation and change of the load.It provides the theoretical basis for the design of high stability current-invariable power supply.

current-invariable power supply;high stability;factors;transmission function

TM 91

1002-087 X(2016)04-0865-04