白菜高壓(300V)恆流源 10mA

jojoling

大家好~

最近都在搞一些奇怪的事，所以就一直忘了寫些文章來，剛好 peter5438大最近剛加入，
就順便慶祝一個遠在米國的台灣人加入這個大家庭。

感謝ciko老師常常貼一些很精密又基礎理論的文章與影片，所以又不自覺的吸收很多很多知識~
有關恆流源網路上一堆基礎文章， google就會跳出來一大堆~

有關這個"恆"，其實就是負回授理論，檢知，回授，調整。

很多資料常提及的"精密"，在電子元件來說一般不是只在說電壓/電流數值準確度而以，一般來說同時是在討論穩定度。

* 對溫度變化產生的輸出飄移
* 元件年老化率
* 3個月的變化率
* 短時間的穩定度

在這我們常看到"溫飄"的元件特性決定了零件的價錢。

回到主題 300V 10mA 恆流源 (Constant current source)，所謂的白菜電路，就是你如果是個電子愛好者，或維修專業者，一定弄的到零件。
此為基本電路，裏面的 DC300V請就去參考 peter5438的大作取得，或從任一市售 PWM 電源的前半部參考。


此電路的零件，基本上你可從你手上的零件任選：
* MOSFET enhancement N channel，你只要注意選擇 Vds (Drain-Source Breakdown Voltage ) 大於 Vin 及可。
* TL431 白菜精密 2.5V 50ppm 基準~最高等級的新的也是白菜價，或電源板上都有。
* zener 12V基本上是用於保護 Vgs 與 TL431 用，所以選個 15V - 12V 就可，20V以下基本上都能用。
* 電阻 R1 500k，給 Vgs 偏壓，並讓 zener 這條路工作時限流：
  I = 300V/ (500k+R2) , R1 >> R2, => I = 300V/500k = 0.6mA
* R2 250歐，決定輸出電流， I = 2.5V / 250R
  事實上一般會用 2.495V 電壓來計算，如需很精準時，可把 250R並上一個很大的 VR(>200k)來做微調可得到 249.5R

溫度穩定度來自 TL431與電阻 R2 250R，此 R2 的P= 2.5V * 10mA = 25mW

MultiSim 分析：


直流工作點分析：

V1 總輸出電流 10mA，整個功率約 3W~一定要上散熱鋁片~
此數字有些在靜態點分析時可參考，在動態工作工件就不能參考，如 mosfet~

基本上這就是一般基礎的 LDO 內部設計原理，底下是用 BJT 取代 TL431~

NPN 你隨便選，一般 Vceo 都 >20V

結論：
1.MOSFET 不同型號，會依據參數 Ciss,Coss,Qg,Qgs,Qgd 而產生不同大小的noise產生，但比起 PWM 少很多很多~
2.如需用不同 Vin，只需改變 R1 及可~
  DC Vin = 150V, R1 = 500k/2 = 250k
  DC Vin = 30V , R1 = 500k/10 = 50k
3.這也就是 LDO 高壓差時，LDO會很燙的原因，線性嘛，就是用本身的元件耗掉其它的能量。
4.參考TL431內部方塊圖，其實就是內含 Vref, comparator，switch ，another name is "error amplifier".
5.如覺得 Vref 2.5 太高，可以選用 Vref =1.25V 的另類的 ex:TLVH431~


reference information:

* The variable high voltage power supply 0-300V
http://www.eleccircuit.com/the-v ... ower-supply-0-300v/

* 如何搞定恆流電源電路設計？看懂六個提示！
https://read01.com/B8Pzdk.html




PS: 如有錯誤點，歡迎大力指點~
報告完畢

peter5438

我好像砸了..好幾個場子.  對不起了...jojoling.

兄弟們玩這個線路要非常的小心...絕對不能做測試LED使用....因為那個電流非常的不穩定...我2015用這個燒掉好多零件.  但是真的可以從零到300V. 電流要重新去設計過. 問題在於...電壓從零到 300V......變成說電流會隨著電壓的上升而上升..非常的不穩定

jojoling

peter5438 發表於 2017-4-20 02:03 AM
我好像砸了..好幾個場子.  對不起了...jojoling.

兄弟們玩這個線路要非常的小心...絕對不能做測試LED使用. ...

電流不穩定的話，可以在 R2 並上一個電容試試~

jojoling

peter5438 發表於 2017-4-20 02:03 AM
我好像砸了..好幾個場子.  對不起了...jojoling.

兄弟們玩這個線路要非常的小心...絕對不能做測試LED使用. ...

請問，你說燒掉很多零件？
請說明燒掉那些，麻煩你了~

peter5438

jojoling 發表於 2017-4-20 02:14 AM
請問，你說燒掉很多零件？
請說明燒掉那些，麻煩你了~

在測試LED的時候...會把這個MOSFET燒掉....我在2015英國網站上有整篇文章的討論這個. 電流保護電路過於簡單...像一匹黑馬...很難駕馭.

jojoling

peter5438 發表於 2017-4-20 02:20 AM
在測試LED的時候...會把這個MOSFET燒掉....我在2015英國網站上有整篇文章的討論這個. ...

報告大大，你沒鎖散熱片？

peter5438

也許你可以設計出一個限流電路.造福人群...從零到300伏限流電路非常難設計...我和我的美國朋友最後都放棄了.  最主要是電路沒有變壓器作初級次級的電壓改變.

jojoling

peter5438 發表於 2017-4-20 02:31 AM
也許你可以設計出一個限流電路.造福人群...從零到300伏限流電路非常難設計...我和我的美國朋友最後都放棄了 ...

請問大大，你是選用什麼元件？
1. BJT or TL431
2. mosfet 型號~

peter5438

IRF740 我現在大概還剩下20個....後來我們就改成用這個IGBT 還是不行. 最主要是電路沒有線圈, 像一匹黑馬...很難駕馭. 但是真的從零到300V 沒有任何問題.

jojoling

peter5438 發表於 2017-4-20 02:38 AM
IRF740 我現在大概還剩下20個....後來我們就改成用這個IGBT 還是不行. 最主要是電路沒有線圈, 像一匹黑馬.. ...

請教大大，你有用 TL431 試過嗎？

peter5438

TL431 Vref~2.5v 你隨便動一下就把TL431燒了.  所以一定要有初級線圈 & 次級線圈

jojoling

peter5438 發表於 2017-4-20 02:38 AM
IRF740 我現在大概還剩下20個....後來我們就改成用這個IGBT 還是不行. 最主要是電路沒有線圈, 像一匹黑馬.. ...

問題應該是來自 mosfet 未關閉~解決方法就是加速關閉它吧~

peter5438

jojoling 發表於 2017-4-20 03:02 AM
問題應該是來自 mosfet 未關閉~解決方法就是加速關閉它吧~

其實只要差不多10分鐘就可以組合好了...你可以試試看....如果你可以改進的話絕對成名的...例如: 升壓轉換器 boost converter 他一定要有線圈....  來作儲存和釋放能量.  很多生產電視的虧了老本.但是你看他一定要用線圈.

極力推薦這個LR8Adjustable 1.20 - 438V output regulation絕對的安全, 絕對的好.

jojoling

peter5438 發表於 2017-4-20 03:13 AM
其實只要差不多10分鐘就可以組合好了...你可以試試看....如果你可以改進的話絕對成名的...例如: 升壓轉換 ...

升壓用線圈是用來儲能用的，與這的目的不同~
大大~我再想一下好了，謝謝大大~

duke83

剛好前陣子在做一個電流源的測試電路，條件是 6 至 4 V 的三號電池四顆的工作電壓不裝 LDO 來穩壓，輸出電流為 10mA。
希望條件很簡單電路也能夠很簡單，因為要搭配 0.1% 的 DVM 現成模組所以電流源的穩定度也要高於這個水平。

就從最簡單的單主動元件用麵包板來測試，將電路圖與結果的紀錄一同貼出來，電腦模擬軟件不太愛用連這種簡單的類比線路都與實際相差甚大。



最後也只能用 OPA 來做精密恆流電路才能達到要求。
B 的線路就是樓主的高壓恆流源線路，在低電壓條件下就有 20% 的變化量高壓再加上去更無法想像。
C 的 360R 標錯了應該是 60R 才對，0.6V / 60R = 10mA。
D 的恆流電流源也能工作在交流情況，我拿他做過 1KHz 與 100KHz 的 10mA 精密交流恆流源。

許多網路抄來的線路不是不能工作只是那個電路工作條件能不能符合您的需求。
這種簡單的恆流源都必須搭配穩壓的電源才能穩定，也就是說要先恆壓才能恆流 300V 的高壓也不例外，前面只要再弄個 300V 的浮壓穩壓電路就能成功。
但前面又想要 0 ~ 300V 電壓可變這種簡單線路就沒輒，我以前做過 1.2KV 50mA 的恆流電路必須使用電流取樣與 OPA 線路才能如願。

可變輸入電壓的情況下將電流取樣電阻放在低壓側地端再用 OPA 來比較控制功率電晶體或 MOS-FET 會簡單很多，將 current source 改成 current sink 就像電子負載的線路。

再如果不是儀表測量用途的線路沒有精密的電流回授電路也沒關係，例如只是作為維修用途的電流源只要有電流表頭與可變 VR 就能成事，我以前有一台日本儀表大廠的精密恆流源，純類比回路就是靠人眼與人手去控制你想要的電流數值，這拿來量測元件已經是很好用不見得需要購買高價位的數位恆流源儀器。

peter5438

duke83 發表於 2017-4-20 06:19 AM
剛好前陣子在做一個電流源的測試電路，條件是 6 至 4 V 的三號電池四顆的工作電壓不裝 LDO 來穩壓，輸出電 ...

謝謝您精闢的講解....但是我要為LM317平反, 我不相信這個LM317東西有這麼大的誤差, lm317 precision current source 是一個非常精準的電流源...但是他的工作首要工作條件是要大於10mA的,  誤差應該小於0.1%.  就像這個TL431一樣.(TL431應該比這個OP AMP更好, 所以大家才拿它來做一個比較器.)

duke83

peter5438 發表於 2017-4-20 07:42 AM
謝謝您精闢的講解....但是我要為LM317平反, 我不相信這個LM317東西有這麼大的誤差, lm317 precision curr ...

10mA 滿足了 LM317 的最低工作條件，但是規格書裡面是電壓穩定的應用，電流穩定的應用應該數據差不多，但實測就是很差，電路就這麼簡單也懶得去追究原因應該是 4V 的輸入電壓不夠 LM317 不是低壓差的新一代設計（要保證有 3V 以上），對我的應用而言他已經出局了，我的應用只是一個例子線路就一個 IC 與ㄧ顆電阻再怎麼大外行的人也不會接錯他就是無法定電流工作良好在 4 至 6 伏間違背了長久來對她的觀感，我的應用也不代表其他人的應用。

講到這個 TL431 我也一肚子氣，這幾天發現一批 SOT-23 的 TL431A 誤差與穩定度有問題，我還特別買比較貴號稱 TI 牌的，沒有拆開帶封全測不知原因可能又是不良品或是 remark 的，以後有要求比較精密的還是到 DIGIKEY 這種地方去買。

ciko.ciko

當使用高壓做為定電流源使用時,往往在開機瞬間會將輸出端的低壓LED負載燒毀,此乃因回授動作尚未完成時,輸出電壓瞬間是幾乎等於輸入電壓的,所以在實務上最好事先作實體測試.

jojoling

謝謝各位大大的意見~
有空再來實作一下，會先從低壓觀察起。
會從幾個點下去：
1.獨立電源
2.確保元件正常在工作區。
   TL431 需有足夠的工作條件。
   mosfet 有足夠條件被快速關閉。
3.加入 OCP ( over current protection ) 看看。

jojoling

目前做了好幾個實驗，先說實驗結果。

1.TL431在高壓恆流電路來說，是可行的。
2.元件直流工作點，最好是與高壓分離，如不分離我們就要另外處理 power on 階段的硬體初始化。
3.TL431+MOSFET 組合是100%正確可工作。
4.TL431+BJT 組合也是100%正確可工作。
5. OPA LM358 + TL431 組合也是100%正確可工作。
6. OPA 07 + TL431 精確度其實滿高的。
7. 此高壓串上一顆 1K 2W 電阻來當限流用。
8.如需加裝保護元件 zener，請加在 TL431 Vref 與地之間。


先介紹下面會用到的板子，共3塊。
1.電源板，只是由 12V adapter 降壓成 8.xV再給 7805 ，並在 7805後經由 ICL7660 轉成 -5v
+12V , +5V, -5V 可能被底下使用(optional)~


參考 ATX power supply 裏面的 300v dc 端~
輸出端加上1顆 diode 與限流電阻 1K/2W~


初板精密恆流電路(測試一)


使用 0.1歐檢流，零漂移 OPA 經過2級放大，共100倍。
10mA來說，10mA * 0.1歐 * 100 = 0.1V
使用 TL431 產生 0.1V 的比較電壓
利用 OP07 來充當電壓比較，滿精確的。


量測 LTC1051 經過2級放大後的實際偏移，此 OPA 的 Vos 最大值為 5uV
第1級輸入


第1級輸出，此為 Vos1 X 10


第2級輸出，此為 Vos1 X100 + Vos2 X10


我還有做將 0.1V 加入第1級輸入，觀察放大倍數是否為期望值來檢驗 OPA 直流工作點是否正常。
由上圖得知，電表最後只看到 0.1mV(非常有可能是電表量不出來)，是很優秀的數值。

檢查 TL431產生的 100mV 參考電壓源。



實機測試，先上低壓 12V，於 OPA 第2級輸出量到 101.7mV


空載


量測~電表顯示發光二極體的電壓與電流
(測試一)工作正常


此為 (測試一) 溫度分佈



另外3個測試電路圖




(測試二)單一級 OPA LM358，檢流電阻 250歐與 2.5V比較。工作正常。


此為(測試二)溫度分佈




BJT 13007 400V 8A NPN 與 TL431A 另外組裝。


(測試三)此為 BJT 13007 400V 8A NPN 與 TL431A組合，工作正常。


此為(測試三)溫度分佈




(測試四)MOSFET + TL431A，工作正常。






測試影片，多次觸碰用以模擬瞬態電流衝擊。

第一次量測影片，此影片那時未加限流電阻，所以在量測時還會跳火花~


此為 LM358 + MOSFET + TL431A，多次觸碰來模擬瞬態電流衝擊


MJE13007 NPN 400V + TL431A ，多次觸碰來模擬瞬態電流衝擊



限流電阻上的溫度，可以看的出來整個回路在恆流上的調整上穩定度好不好。
溫度偏高的話，表示電流的波動比較大一些。
恆定的校能感覺看起來 BJT 優於 mosfet~

報告完畢


補充內容 (2017-4-29 02:18 PM):
(實驗一)溫度分佈圖，電表數值偏低的原因是，電路有修改為切換檢流電阻 0.1歐與250歐。此為 jumper 的阻抗與 0.1歐串連造成~