电磁铁用双极性压控电流源.doc

南昌航空大学大学生科技创新基金项目专家评审表（活页） 项目编号：项目名称电磁铁用双极性压控电流源申请金额3800元项目类别小发明 小制作 小创作项目来源 自主立题 教师指导选题1研究目的及意义：电流源是一种能向负载提供恒定电流的电路，它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载以提高放大倍数，在差动放大电路，脉冲产生电路中得到了广泛应用。其可做为信号源的试验室装置，如校验仪器等；做为信号源的手动调节的现场设备，如调节阀、变频器等；可控制恒流源，如电压控制恒流源往往是自动化控制系统不可缺少的组成部分。例如，在对现场信号的测量变送当中，经常需要将电压信号变换成一定的电流信号以便进行远距离传送和提高抗干扰能力。典型的DDZ-及DDZ-型电动调节仪表的变送单元都采用了电压控制恒流源电路；在用计算机直接控制以电流输入的执行机构的场合，由于计算机的DA输出一般均为电压信号，因而，电压控制恒流源也是必需的；在微机化的仪表校验装置中，向外提供任意电流的恒流源， 由于如上的原因，也必须使用电压控制恒流源电路。本课题为5000Gs左右电磁铁设计并实现双极性压控电流源。由于目前用于霍尔效应实验、巨磁电阻测量、直流电量测量、薄膜的磁电阻特性测量、磁性薄膜实验、薄膜金属电阻动态监测、磁场测量、磁学试验、磁学性质、材料实验等研究的5000Gs左右的电磁铁非常普及，很多实验室为了完成自己特色研究对磁场的产生需要有严格的控制，比如磁场随时间按设定的程序改变，这就需要为电磁铁专门制作由信号控制的压控电流源。这种电流源一般输出为4A，要求静态输出电流在2mA以下，避免零信号时还存在静态输出电流所产生的磁场，在一些磁性材料的研究或测量中静态输出电流必须接近零。这种电流源还要求实现连续的双向输出，也就是当输入电压为负时，电流必须连续地平稳地改变方向，这与目前众多的续电器变向的电流源设计上要求更高。在科学研究领域，很多实验研究用的仪器需要按照自身研究特点来改造，特别是在磁性材料的研究中，电磁铁电源的设计与制作关系到实验研究是否能够进行，为此很多研究人员因为找不到合适的电磁铁电流源而影响研究进度。综上，本课题的研究目的，是为5000Gs左右磁性材料实验研究用电磁铁设计和制作电流源，使电磁铁能够实现手动和自动控制（包括输入差分控制电压）、磁场可连续平稳变向、小零点磁场，磁场定标功能。它的意义在于为众多磁性材料研究实验用的电磁铁电流源提供一种功能强大的优质模版，提高磁性材料研究实验设备改造效率。2.国内外研究现状：（1）国内研究现状2008年10月，一种双极性可控电源已获得专利（公开号：CN101295187A），如图1所示。可控电源由运算放大器与压控电流源及二极管组成，而压控电流源由正负电压变换单元、正负电流驱动单元等组成，电压变换单元与电流驱动单元均为差动电压控制的单极性电流源。可控电源是一种受控电源，通过增加外部辅助电路的方法可方便地实现四种常用受控电源：电压控制电流源、电流控制电流源、电压控制电压源、电流控制电压源，也可以附加一些简单的环节组成其它形式应用电路。其原理图如下：图1 种双极性可控电源电路图（来自CN101295187A公开说明书）但是，从设计理论上分析，输出电流是有两个大的输入电流差构成的，容易受电源电压变化的影响，此图1电路的零点稳定性较差。可能出现零电压信号输入时，输出电流在零点有很大的波动，这种设计是不符合科学研究用电磁铁的电流源的。一些国内公司也生产了数控电磁铁电源，典型代表为北京亿良科技有限公司生产的可用于5000Gs左右电磁铁的电流源，如产品YL2401-4，这种电流源将控制功能集成到了电流源的箱体中，实际上是限制了电流源控制部分的开发，而更重要的一点是它并不具备真正意义上的双极性，它是使用的继电器换向功能，不能做到连续平稳换向。可参加北京亿良科技有限公司产品网址/yl2401-4.htm。另外，一些压控电流源的设计都不是争对电磁铁用的，如文献（韩静霖等，一种电压控制电流源的设计与应用术，电子技术应用，2008年第3卷，64-65）。另有一些成熟稳定的电磁铁电流源设计文献，但不是双极性，如文献（A.H.Alani and E. Chohen,A stabilized electromagnet DC current supply,J.Phs.E:Sci.Instrum 20 (1987) 338-339）,此文献已被国外测量杂志翻译。（2）国外研究现状目前，国外的电磁铁电源，无论在设计上或是产品制造上都已经很完美，我国有些公司也代理了国外公司产品销售，价格都高出国产电磁铁电源很多倍，比如美国lakeshore公司提供的电源665-DUAL，是真正的双极直流电源，电源利用二极管整流器将AC转换成DC，通过晶体管来调节电源的输出。可以通过调节电流或电压进行控制，既可以手动调节也可以遥控调节10伏的输入。用户可以根据需要设定电流和电压的界限，这些双极电源可以提供平稳的零磁场过渡，不需要电流反转所需的继电器。图2为产品实物。图2 美国lakeshore公司的电源665-DUAL但是，市场价达10万左右，非常昂贵，对于一般非重点实验室可能不能承受。由于价格原因，往往此类产品一般不再改造，这样可能会影响其它配套设备功能的增加或改变。3研究内容、方法、特色和创新：（1）研究内容本课题将在以下方面进行研究： 在理论上，比较一般双极性压控电流源与运放电源电流相关的AB类推挽型双极性压控电流源。挑选合适电磁铁的电流源原理设计。（图3为运放电源电流相关的AB类推挽型双极性压控电流源原理图，我们已经争对此原理图做了仔细研究，并做好了元器件的选型）； 根据电磁铁特点，优化设计出电路图，选择合适元器件，实现电流源核心模块； 设计及实现操作友好、功能丰富的外围电路； 在电磁铁上进行调试，及电流源的组装成形。图3 运放电源电流相关的AB类推挽型双极性压控电流源原理图（原始图来自U.Tietze, Ch. Schenk, Halbletiter-Schaltungstechnik,Springer-Verlag, 1980；重新绘制）（2）研究方法和方案电压控制的电流源的实现通常都采用三种方案： 功率集成运放； 运放和晶体三极管放大； 可调集成稳压模块。方案：直接使用功率集成运放，是集成的简易推挽型电路。特点：使用容易、性能稳定可靠。常用的功率集成运放一般能够输出40V，1015A的功率，性能指标也较高，完全能够满足本课题要求。功率集成运放还可以实现双极性输出。方案：采用“运放功率三极管”的结构构成恒流源。特点：性能满足本题要求，同时可以通过选用功率三极管的不同容量来满足不同的应用要求。方案：利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。特点：直接利用稳压片提供所需功率，只需要添加相应外围电路即可实现本题的要求。由于这三种方案可轻易实现双极性，及AB类推挽型，精度高等特点，方案三由于已经复杂地模块化，不便于对个别参数进行调节。我们选方案和进行实践，最后再从方案和的成品中选出效果好的作为最终设计和实现结果。在外围电路的设计上，我们将设计手动控制和自动控制切换；设计电流表显示输出电流；设计磁场定标，基本方案是通过计算机和高斯计组成的闭环系统对磁场扫描，计算斜率，在电源处手动设定磁场和输出电流的比例系数，以用于液晶显示磁场数值；设计电源的保护电路。在调试中，我们在采用数据采集卡、高斯计和计算机组成的系统中能很方便的掌握调试数据。（以上提到的系统几经在大学物理演示实验室实现。）（3）本研究的特色和创新本研究的电流源特点一：争对5000Gs电磁铁，由于这种电磁铁产生磁场小，对零点磁场要求高，则电流源的静态电流小；特点二：由于采用运放电源电流相关推挽型电路，其零点稳定性好；特点三：双极性输入输出，连续平稳的电流方向变换；特点四：具有信号差分输入。最大创新之处就是使用和将实现运放电源电流相关推挽型电路。 4预计突破的难题：（1）场效应管和运算放大器的选择；（2）对所设计的电源静态电流的有效控制。5研究结果预期成果（如是否发表论文、是否申请专利）、形式（包括是否有实物）及应用前景： 发表论文1篇； 试申报实用新型专利一项； 提供产品实物和实物使用说明。本研究产品，具有很大的商品化潜力，较同类产品而言成本相对低廉，稳定性好，将具有很高的性价比。6研究进度及安排：2010年3月-2010年5月：完成核心电路对比，电路设计、绘制和元器件选型；2010年6月-2010年8月：完成两个方案的核心电路制作和基本调试，对比选优；2010年9月-2010年11月：完成外围电路的设计和制作、调试；2010年12月-2010年2月：完成最终电源的调试和组织成形。7经费使用计划：本课题拟申报经费3800元，分别支出在元器件 2000元变压器 800元外壳 400元外壳帖层 200元其它工具 100元资料文本打印复印 300元8学校专家意见：编号：_南昌航空大学大学生创新创业园项目申报书项目名称电磁铁用双极性压控电流源项目负责人姓名性别所在学院、班级专业宿舍楼栋、房号身份证号码联系电话项目合作者基本信息姓名性别所在学院专业学号联系电话二、项目的资金来源及筹划情况:三、项目运作主要方式:四、指导老师意见： 签名: 年 月 日五、学院意见： 单位盖章: 年 月 日六、学校审批意见： 单位盖章: 年 月 日“三小”活动立项项目任务书项目名称：项目负责人：项目组成员：指导老师：审批金额：结题时间：2011年3月15日前结题成果：实 物 申请专利 发表论文 调查报告 其他形式(请在横线上注明) 指导老师签字： 项目负责人签字：学院团委签章 校团委签章 时间： 时间：教师指导学生“三小”项目过程登记表序号时 间地 点指导内容解决的问题经费使用情况学 生签 名教 师签 名南昌航空大