lymex 发表于 2014-2-1 18:50:48

DIY高精度四双120A恒流源(更新中)

题目解释

首先,高精度,这是个不太准确的大众化的说法。我这里的高精度,意味着以下几点(初步目标):
低噪声,ppm级别或更小
低温漂,ppm/K级别
好短稳,10分钟之内变化10ppm级别
优良的长期稳定性,每月1ppm到5ppm
不错的设置偏差,即设置输出100A就应该出100A,偏差暂定在50ppm之内。


所谓四双
一是双电源,交流220V供电,以及电池供电
二是双检测,RUG-Z检流电阻作为Rs,以及IT 600-S ULTRASTAB作为检流
三是双输入,手工面板设定输出电流,或者外部程控输入
四是双信号输出,面板显示电压电流,也同时输出代表输出电流的电压。



有关高精度大电流
大电流和高精度天生就是一对矛盾;纵观大电流产品,最好的指标也就是0.01%了,而且电流越大精度越低;
是有ppm级别的大电流源或表,一般是采用所谓DCC技术的,价格就很高了;
也有采用DCC技术的但精度也就0.01%附近的源或表,价格也不低,不是普通人能玩起的;
绝大部分大电流设备仍然采用检流电阻,这是造成性能下降的主要原因;
大电流的检流电阻很难做好,原因之一是功率大、发热大、温漂就大,再就是温度和功率会改变阻值;
检流电阻的额定电压也很有讲究,普通分流器只有75mV,这样功率会小,但热电动势相对就很就大了,而且对后面放大器的噪声等指标也要求也高;
因此Fluke年稳18ppm、温漂4.5ppm/K的的高精度分流器A40B的端电压就比较高,达到0.8V,这样功耗就很大,体积也非常大。
高联的直流分流器9230A系列,100A的体积也比较大,端电压达到1V,年稳10ppm,温漂4ppm/K;
高连还有一个交流分流器7340A系列,电压降低到0.4V,年稳定性也是18ppm,温漂4.5ppm/K.;
以上三个分流器等于成为了标杆了,当然价格很高;
当然也有更低电压的,比如20mV甚至10mV,功耗会大降,这种方式我以前推崇,但精度更难保证了,比如兰斯汀有一款1000A的表7551(http://www.raysting.com.cn/?p=3&a=view&c=9&r=68),采用低压分流器,但精度只有0.5%。这里不是说这个产品没做好,换谁都一样。


本次DIY,通过采用两种方式,试图克服这个矛盾
一个是采用RUG-Z分流器电阻,具有大功率、低温漂的特点。大功率意味着同样电流下温漂小,加上自身温度系数低,渴望达到高水准。普通分流器的温漂能达到几十ppm就很不错了,但RUG-Z常见的拆机的就有3ppm的,甚至有1ppm的。
另一个是采用LEM IT 600-S传感器,采用磁通门技术(与DCC的其实是一样的),
这两个东西价格也都不便宜,不过在二手市场上已经存在很长一段时间了,可以用不到1/10的原价得到,当然由于供求关系最近貌似有涨价的趋势。
本次DIY就是想制作一个常规的装置,来验证这两个传感器的表现能否达到厂家声称的指标。




有关安全
很多人不玩大电流,怕不安全;
实际上,只要是低压,功率也不大,其自然安全程度与其它220V供电的电源差不多;
大电流,只要电压不高,不会对人身有直接安全威胁,因为人体的电阻比较高,100A必须超低电阻才能消费得起;
当然,大电流的话的确发热大,弄不好容易烧东西甚至起火,所以制作中要考虑各种保护措施,使用中也不能离开人。


lymex 发表于 2014-2-1 18:50:58

做这个东西的目的及指导思想

目的:
1、各种针对于大电流恒流源自己的试验,因此会不断折腾,电路会不断的改,甚至结构,所以本帖也会不断的改。
2、也作为高精度大电流测量器的源,互相验证。这个大电流测量装置,有600A、120A和30A三档,也在同时DIY中,将另帖说明。
3、当然,也作为小电阻、分流器、mR级别标准电阻的测试之用。


指导思想:
1、利用现有资源
2、性能为首位
3、使用方便性
4、可改、可维护
5、实现100A大电流


为什么是120A,而不是别的?
100A为大电流的门槛,必须达到;
但既然到了100A,不如再大一些,Fluke 52120A就是120A的,分流器也有120A这一档;
不过,再大就受不了,受限于:----我手里的电源模块AIF120F300是120A的
----能找到的最大的TO-3P塑封管SOA也差不多是120A(4V下)
----120A输出时3.3V×120A=400W,再加其它的有450W,接近普通机箱可以承受的功率极限了。


什么是源?什么是表?
源就是可以输出的、提供电量或信号的仪器,比如电压源、电源、标准源、校准源、电流源、恒流源;
电流源其实就是恒流源,就像电压源也是恒压源一样;
只不过恒流没有绝对的恒流,输出电压是有限的,就像任何一个恒压源也有最大电流一样;
很多所谓维修电源、万能电源、恒压恒流电源,都有恒流功能,就是性能差一些;
表就是测量用的,电压表测量电压、电流表测量电流、万用表电压电流都可以测量;
万用表,一般情况下测量电压的精度总要好于测量电流的,尤其是大电流精度低,不信找个说明书看看;
至于交流大电流,万用表的测量精度更低了,甚至现在几乎找不到一款万用表,测量30A时的精度可以超过指针表;
源和表可以放在一起,就形成所谓源表,当然不是简单的组合就都叫源表,里面有关系的;
本次DIY也是一个“源表”,除了120A恒流源外,还有0-30A、0-120A、0-600A三档高精度电流表,属于简单组合。


lymex 发表于 2014-2-1 18:51:05

功能设计

1、输出最大120A大电流恒流功能
2、快速电流设定功能(10A和1A分别旋钮调节)
3、电流连续可调功能
4、输出电流显示功能
5、输出电压显示功能(加是否恒流指示)
6、程控输入及输入转换功能
7、超高精度电流测量及测量信号输出功能(表)
8、超高精度电流反馈控制功能
9、使用电池作为输入电源功能
10、其它功能

附加:MOS管主动均流技术(先放于此)
大电流采样MOS管具有压降低的特点,可以低到0.5V以下,这对于提高效率非常有益,比如600A的如果能节约1V就是减少600W的耗散;其它方法管压降都比较大,比如用IGBT。
MOS管工作在放大区必须均流(但工作在开关状态可以不均流----有自均流特性)。
MOS管均流最常用的方法就是被动均流,在源极串联均流电阻,来平衡Vgs,这样做的问题还是增加压降。
主动均流就是发现电流不平衡,用有源器件加以改正。
主动均流工作在慢速,对快速的动态的还是要靠器件本身的一致性。
主动均流不能工作在大范围调节,也是需要器件本身有一定的一致性。
主动均流需要探测各管的电流,但只要很小的电压即可,可以利用源极引线压降,当然有各自的源极电阻最好。
主动均流需要得到总电流,这可以是各自的引线电压用电阻在两端平均。
电流探测用差动运放进行。
当发现某管的电流小于1/N总电流时(N为并联管子数量),该放大器输出增大,从而成为调节对应栅极的信号。


lymex 发表于 2014-2-1 18:51:10

界面设计

恒流源必须有个外壳。
考虑再三,也因为Redtony无私援助,采用了原来HP3455A万用表作为外壳,好处是标准机箱,里面电源和结构都在,省去很多麻烦;问题是这个表比较矮(高度低),用做大电流机箱有点局促。


界面当然就按照3455A的面板做基础,本打算重新用铝合金做一个面板,但节日期间找不到加工的,况且我的思路还没有梳理好,制作过程尤其是投入使用后肯定会有别的想法,不如就利用3455A的原来的面板,好处是已经有了很多孔洞,可以直接用,剩余的孔作为气流入口。


这个3455A要同时作为600A高精度测量装置的外壳,还包括120A、30A另外两个档,因此可以认为是一个大电流源表,因此,恒流部分只占面板的左边,右边是给大电流测量器用的,不会再这里多说。





左上角是保留的原3455A电源开关;10A、1A是快速电流设定波段开关,前者10A-110A 11档,后者0-10A也是11档;Output是输出BNC插座;充电电流不言而喻,但只是一个很粗略的模拟小表头。
中间有输出电流显示和输出电压显示,右边要加一个非恒流指示,就是当输出电流没有达到设定电流时要亮起红灯。
下面为程控输入(BNC)、内控外控转换开关、输出接线柱、内部检流方法转换开关。


表的后面比较简单,保留了原来的220V电源输入插座、电源转换开关和风扇,增加电池输入端子,开口增加功率管等风扇。


lymex 发表于 2014-2-1 18:51:16

电路设计及元件选择



12V电源由变压器独立绕组经整流、7812稳压而来。

基准采用金封的LT1021B-7,这个几乎直接输出深埋管电压,具有噪声低、长期稳定性好的特点;
基准也可以采用10V的LM369BH,这个老化和噪声指标更好一些,但我还是对内部升压稍微有点怀疑;
当然另一个选择是LM399,具有温漂非常小的特点,就是长期稳定性和噪声指标不如上述2个;
我暂时不会考虑采用LTZ1000或263/LTFLU作为基准,感觉没到那个程度。

基准电压直接进入KVD分压,这样由于电压高,少受热电和接触电阻影响。如果先降压再KVD,那对开关要求太高了;
开关选用台湾产的4刀11掷,两刀并联,电阻选用经过长期存放、筛选的塑料块,阻值可选1k到7k;
KVD的前两级是一样的,只不过后一级要求降低,还有第三级没有画:一个连续的电位器,靠自身的开关切换;
KVD难于画电路,我用别的方法示意一下。

U3是跟随,因为KVD的输出电阻比较高,而且在变。运放采用自稳零的RR运放。

然后就是分压,分压器分两路,分别与传统检流电阻Rs和传感器输出做对比,分压电阻采用筛选的塑料块。

控制运放采用低噪声自稳零的ADA4528-1,因为对比的电压小,噪声就占有较大的比例;
控制运放也可以采用LMP2021,噪声稍微大一些,但压摆率较高,控制起来为优势。
控制部分采用防振荡措施。

输出驱动用互补射随,这个图上没画出,主要因为运放不能带电容负载。

输出调整管采用2只TO247塑封的IRFP4368,参数是75V、520W、195A、1.5mR,尽管用一只就可以工作在SOA曲线之下,但一个是为了安全余量,再就是也想采用2个检流电阻,因此采用了两套并联。此管最大的特点就是功率大、电流大、管压低,4V下可以段时间耐受120A电流,用在这里是最合适不过的。但要注意,尽管该管耐压75V,但漏源电压超过5V后电流急剧减少,10V下只能耐受4A电流,所以不适合别的用途(此类大功率用途建议选IRFP90N20D,10V下可以60A、20V有27A、40V有11A)。另外,这个管子的输入电容偏大,接近20nF,二管并联后会达到40nF,因此需要加强驱动。起控电压2-4V,因此用5V的运放很可能不够,用一个2mA的恒流二极管提升电压2V。输出管负载的接到正电源和漏极之间,也就是电流漏而不是电流源,这没关系,反正供电部分是独立悬空的。这样接法有二个好处,一个是具有天然恒流特性,具有响应快、对干扰和电源纹波不敏感的特点;另一个是输出管可以直接接到接地的散热片上,不用绝缘片,这样散热良好,要知道管壳到散热片的标准热阻是0.24K/W,耗散150W的时候会有36度的温差,因此还是不用绝缘好。这部分曾经加到接近管子的极限结温用热像仪测试过,直接装在铝散热片上热热阻会比用绝缘片小很多:

由于选用二只管子并联,因此必须配对,需要在较大电流的实际工作点附近挑选Vgs尽可能一致的。

检流电阻采用业界知名的RUG-Z-R005-TK3,5mR的,温漂3ppm/K。这是一款德国Isotek/Isabell生产的高等级大电流检流电阻,不仅功率大(250W),而且温漂超低。尽管单只5mR的可以承受120A(72W),但考虑到高精度应用,使用功率应为最大功率的1/10以下为好,因此采用二个并联,每只只有60A、18W,为最大功率的1/14。并联时电压输出线应串联电阻(图中只画了上面)。假设这个电阻温漂不理想,或者想得到比标称值更低的温漂,可以进行温度补偿。负温漂的RUG-Z补偿很简单,利用内部正温漂的铜引线即可:

其中6R96用来补偿温度系数(不同阻值的或不同负温漂的RUG-Z,补偿电阻不同),这样补偿后电阻稍微增大,因此引入30R22让阻值恢复到10mR,如果对阻值偏差没有要求的话(像这里),可以不要这个电阻。
如果是正温漂,补偿就麻烦一些,要利用测量用或补偿专用的NTC。

主电流同时流过超高精度传感器IT 600-S,原边绕5圈,放在源级下面,一方面因为易于控制,另一方面其穿绕绕组也起到均流电阻的作用(Rs也作同时为均流电阻),使得两个管子的动态电流比较平均。顺便说一下,由于位置原因,IT 600-S的穿线故意做成2个管子不同,这样把电流偏小的一个用接在线路长的,进一步“无损”均流。检流电阻采用装有散热片的VHP-4 2R5,由于是金封金属箔,因此老化参数很好,不过原来温漂有-2ppm/K偏大,通过引线补偿调整到0.5ppm/K之内。这个VHP4采取放到IT 600-S附近的方法,可以简化线路并提高受干扰的可能性。

供电采用市电直接整流滤波,然后用高压DC-DC模块,采用ASTEC的AIF120F300,输入250V-420VDC,输出120A、3.3V,最大132A、3.63V,最小输出电压1.65V,可以根据调整管的管压控制其输出,达到减少损耗并保持稳压管维持理想电压。


电池自然是用单节锂电,但可以多个并联。我做了一个28节全并联的三洋动力锂电池组,可以120A放电25分钟。



lymex 发表于 2014-2-1 18:51:28

内部结构设计
由于受限于3455A的外壳,很多元件也为非标准,根据空间找来,有可能多选一,平衡取舍,因此很难先在纸上谈兵。

采用实物安排法,把所有要安装的大体积的东西都请出来,经过几个回合的摆放,得到的一个结果如下:



1:EMF滤波、整流、滤波。这个是大电流的,常规开关电源打法;
2:120A DC-DC 模块,上面安装了散热片,还需加装一个小风扇,以便有效耗散40W功率;
3:调整管及散热片,散热片采用127mm见方、21翅、高度112mm的大型散热片,重量1482克,但由于机箱高度的限制,锯掉了一截成为72mm,重量减少到1169克;
3A、3B:为风扇位置,采用61×61×25mm 12V风扇2只,外部正好对应原3455的扩展板槽,经过增加孔洞即可;
4:RUG-Z检流电阻R005×2,散热片尺寸为127×76×64,重量为785壳,有34个齿。本来高度合适,但由于RUG-Z比较占空间,因此还需锯掉16mm。我曾经用另外一个相同的散热片装过大功率并联MOS管(这里第8贴:https://bbs.38hot.net/thread-10230-1-1.html);
以上两个散热片要气流方向对齐,但留有一定的空间,使得气流可以重新分配,同时不让较热的调整管散热片把热量传递到温度低的RUG-Z的散热片;散热片缝隙要用耐热胶带遮盖,提高效率;
5:IT 600-S 检流传感器,这个还没有绕线,但空间足够了。5的右边为控制板,立式安装。
6:输出接线柱,120A的,感觉有点单薄,不过看照片貌似兰斯汀的RT200A直流大电流源也用这种(http://www.raysting.com.cn/?p=49&a=view&r=9)。


A-G为600A电流表相关的,不再这里赘述。



曾经在纸上画过一张草图,但比例失调,不好用,作废。不妨贴出来让大家见笑一下:


lymex 发表于 2014-2-1 18:51:38

制作过程1
我制作的第一步,是大型元件安装就位;小元件、电路板只要留出位置,后安装;
这一步其实最麻烦,最费时,也要在耗费脑力的同时消耗大量体力的。

由于3455A是表,大型元件不多,耗电也不很大,因此采用的是扁平机箱,几块大PCB板左右分放,内部重量轻,靠几个隔板承重即可。
但120A电源需要重型的东西,其实更需要空间高的外壳,3455A外壳的采用造成大型元件固定困难,这个表上下盖子是活动的,取下盖子内部没有底板,缺少上下支撑。好在3455A结构坚固,边框用料扎实,尤其是中间有一根钢制肋骨,成为侧面固定的主力。3455A继续两侧都有很多预留的孔,同时有原来安装电路板的L型连接片,可以方便的加装任何物件,就是要付出体力了。

电源部分加装2块万能板
这个好办,裁减一下,利用原来几个L型固定片即可。两个板子用铝条和螺丝也连接一下。

风扇固定
加装在原来选件槽的位置,已有一些孔洞,部分螺丝位置悬空,只能对角固定(绿色),也算稳固。红色部分原本就没有,不是挖错:



调整管散热器固定
侧面二颗M5螺丝固定在钢肋上,同时在后部的加一个螺丝,作为第三条腿固定。
先大体定位,钢肋钻孔,然后精确定位,用笔通过孔在散热器上做标记,再在散热器钻孔攻丝,这样保证定位精确。


检流电阻散热器固定
类似,也用侧面二颗M4螺丝固定在钢肋上。同时,另一侧也增加一个支撑。

蓝色箭头处留有缝隙,减少紊流、让气流平均气流平均;
绿色箭头处留有缝隙,减少二块不同温度散热片的耦合,也让气流重新分配(齿对不上);
将来这些缝隙要用耐热胶带在外部密封,保持良好的气流通道。

600A检流之IT 600-S固定
这个要加底板了。IT 600-S有两个固定孔,必须固定在地板上,否则侧面固定空间不够。
底板采用2mm环氧板,在钢肋侧利用了原来的沿边,增加2个螺丝就可以卡住;另一面要增加2个L连接件,固定在侧面。L连接件是从铝型材上据下来的,锯前要量好位置和大小、钻孔、攻丝,否则锯下来再钻孔攻丝的话,因为体积小不好夹持了。

检流之IT 600-S固定
这次用钢板,了,因为留有现成的L连接件,位置不平,加上钢板也可以作为磁屏蔽用。
这一步很费劲,用了1个多小时,人肉敲出一个外壳兼固定器兼磁屏蔽:



固定好以后的样子(底部看):




费力气的工作告一段落,第一阶段基本完成图:




lymex 发表于 2014-2-1 18:51:49

制作过程2

制作的第二步是各种插头插座安装、引线到位。


这部分也是脑细胞和体力一起耗费。
引线插座需要定位、钻孔、焊接;
外部插座需要钻孔;
大电流引线需要特别制作接头、线鼻子;
比较粗的走线要先走;
走线要按照就近、少干扰发热不影响、便于拆装维护、美观等几个方面综合考虑。


先上一个布线草图:




粗绿线从管子的漏极分别引出,一起接到输出负,这个需要4平方的双线(60A)。由于打算负接地,因此管子可以不用绝缘片直接固定在散热片上(散热片接外壳)。
粗红线从电源正引出,直接接到输出正,这个要用16平方的。
电源部分,内部增加了LC滤波,在PCB上分别有焊片。
粗灰线,从电源负引出,经过6线5圈传感器穿绕后,分别接到检流电阻上(每电阻3根线)-------此线相对粗一些,单线3平方总共18平方,主要是因为在传感器上绕线比较长,损耗不应太大。
检流电阻然后通过各自的一根短线分别接到对应管子的源级,这个比较短,可以细一些,但也需要用6平方的线。管子原来带的线只有1.2平方太小。
12V红线,为控制用12V电源。如果只用锂电,考虑用DCDC提供12V(并同时向3个风扇供电)。
检流电阻的4根电压引线,直接焊上4个平均电阻,电阻合焊后可飞线拔插,然后绞合去控制板。
图上没有画电池相关的,这个其实也比较复杂,涉及充电、并用、保护、互锁等。
控制板与面板之间连线较多,但由于距离近,与其它没有干扰,因此也没有画。


附加1:有关大电流导线的选取选取原则主要是安全/发热,再就是压降
同一根线,发热功率是与电流的平方成正比的,因此电流加倍发热会变成4倍,而且铜的电阻率还随温度升高而上升很快,100度下比0度高了42.8%,因此发热会加大电阻,从而引起更大的发热,引起恶性循环。
通常4到6平方的裸露线缆可以按截面积10倍来计算载流量(A);
粗线载流系数要更小,因为内部导体的热难于发散出来;
密集排布的导线载流要更加降低,比如三芯电缆,尤其是密封式的,热量难以散发出去,甚至选每平方2.5A到4A。
从压降的角度看,这是低压大电流所特有的要求,有时发热即便满足,但压降也嫌高,所以还应增大截面积。
针对120A,选16平方的硅胶线,自身发热不是问题,每米电阻有1.1mR,压降有0.13V,发热有16W。

附加2:有关电流传感器的鼻子和绕线
类似IT 600-S这种传感器的中心孔都有一个突起,类似大鼻子


主要目的防止电流引线距离金属背板太近,提供安全距离。因为被测试的导体很可能带有高压,甚至可能是裸导体。没有这个鼻子就存在安全隐患。
另一方面,这种传感器厂家并没有提及多绕圈以便向下扩展测试范围。本来因为穿线孔相对较细,还有突起的鼻子,设计就是按照一根直线穿过。多绕圈的话,由于鼻子的边缘受压容易损坏,测试头边缘也比较锐利,与金属底板也太近,因此厂家是不会建议的。多绕圈其实是电流互感器的应急做法,互感器由于浑身圆滑,不会有太大安全问题,不宜推广到这里。


我之所以采用绕多圈,是因为自身测试,电压很低,只要绝缘即可。LEM传感器要测试到5kV,因此用在220V/380V上就很安全。真要绕线时要处理好边缘,我是降低高度,或干脆把电路分离,当然,一定要用于低压。

lymex 发表于 2014-2-1 18:51:56

制作过程3
第三步是所有元件固定,小型元件焊接。

这一步完成后,所有的电器部分就完成了。

lymex 发表于 2014-2-1 18:52:09

制作过程4
这是制作过程的最后一步,主要工作是收尾,包括:
引线大体固定;
元件进一步固定(比如封胶);
屏蔽(静电屏蔽、磁屏蔽);
面板调整;
把手;
装、拆机并进行冲突排查。

lymex 发表于 2014-2-1 18:52:15

单元测试
这一步很重要,千万不要待整机安装完毕,一下子一起通电。
DIY的东西个性比较强,很多地方都没有经过应用或考验,存在各种问题是难免的。小电流的东西还好说,出了问题不会很大,但大电流的东西如果出问题就是大问题,而且大电流的东西价值都比较高,烧坏更换也很麻烦。

其实,单元测试应该很早就开始,不要等待最后一起测试,这样问题就太集中了。
最好就是在单元安装完毕后马上进行测试,记忆也是最新的,有问题可以及时更改。

我一般是先装电源,而装电源的第一阶段是EMF滤波,这部分装好后就可以通电试验,测量电压,看并联电容是否工作(通过功率表可以观察电流、无功功率、相位角);然后整流滤波,别小看一个桥和一个电容,弄不好会存在短路、错接、反接、耐压不够,造成烧保险故障。另外,这部分一定要加装PTC热敏电阻,防止开机冲击电流太大。

然后就是电压模块相关电路,这就可以利用已经测好的整流滤波部分了。而电压模块测试完毕,又可以为下一个单元提供测试基础。
这个模块说简单也容易,接上输入,就应该有输出;
说复杂也不简单,因为这个模块内部是很复杂的,外部引线也很多,包括温度输出、使能、电流输出监视、输出控制电压,甚至有I2C总线全套控制;
不过,单元测试还是从最简单的开始,先功能后性能。
比如输出电压是否3.3V?带负载是否有下降?纹波/噪声是否大?
电压控制端是否好用?短路到地是否输出降低到50%?给2V输出是否能达到3.65V?
更重要的,最好能带上额定负载,持续烧一段时间,看散热是否合格、温升是否太高。

+-15V电源和+12V电源也要类似测试一下,主要考察带负载后是否电压下降、稳压IC发热严重。

功率管子因为在安装前就已挑选、配对,检流电阻一般也不会有问题,这部分就测试是否连接有效即可。

IT 600-S相关部分很关键,当然本身也比较独立,测试应集中在功能是否正常,主要看静态电流是否分别为200mA和35mA附近,没有电流时输出应该很接近0(最多20uV,一般10uV左右),有电流则输出应有变化,而且正负方向也对。

控制板及面板相关部分最复杂,但也不难。可以先用外部限流供电,这样万一内部有短路等故障,不会烧元件。尽管有些元件便宜,但烧了重换总是麻烦,而且会有挫折感。
首先看基准,电流是否正常、输出电压是否对;
然后就是KVD,这个用电压表各档测试一下就能判断是否有问题;
随后的跟随也一样测试,重点看带载能力,还有两个极端电压附近是否表现正常;
分压部分要随KVD而变化,最大分别是0.3V和1V(根据检测类型开关);
运放及输出尽管没有带载也没有回馈信号,那不要紧,可以把KVD设定到最大,回馈信号给个0.3V(或1V)附近,看输出是否从0变到最大。

控制部分测试完成后,其它辅助部分可以加电来测试(3.3V主电源下不加),主要看面板控制和显示是否与期待的一样,可以探测内部电压来判断各关键部位的电压,这就是很多PCB有TP(测试点)的原因。


lymex 发表于 2014-2-1 18:52:22

初样试验
初样其实就是批量生产前的prototype,一般DIY都是初样机,因此才这么叫,实际上就是第一次加电测试。

尽管单元测试都没有问题,但系统放在一起仍然有可能出问题。可能的问题包括:
1、极端响应,比如没有输出,或者输出过流,无论KVD设置在什么地方。这一般是控制线没到位,或者接反所致。
2、输出漂的比较厉害,这其实属于小问题,一般是接线错误或元件故障,当然也可能是设计就不合理。恒流源出现漂移无外乎包括:电源供电不足、基准漂、分压电阻漂、输出管控制端有电流、控制运放工作点不正确、检流电阻漂或接法问题。
3、输出振荡,看一下输出电流波形,或者是控制信号就能知道,体现在输出变动、输出有交流成分存在,可能幅度很大,也可能幅度不大,振荡频率几k到几十k比较常见,而且频率会随负载和控制而变化。输出振荡是比较麻烦的,不过可以通过改进电路来消除。输出振荡的原因尽管多样,但根本原因无外乎相位余量不够。恒流源都是负反馈的,本就有180度相移,如果在某个频率下,某个元件组合又产生了180度相移,那就成正反馈了,若此时环路增益仍然大于1,那就振荡了。
消除振荡一般有两类方法,一类是做Bode图(波德图,即相位和开环增益在对数坐标频率上表现),进行极点、零点分析。单个延时电路很容易做Bode图,而多个Bode图也非常方便叠加。如果附加相移在开环增益为1之前就达到180度,那必然振荡。Bode图分析是很老的技术,便于手工处理,但很多实际的电路模型不清楚,需要测试开环增益曲线,此种情况就比较麻烦。
消除振荡还有一类方法,就是引入PID控制,通过参数整定达到消除振荡的目的。这类方法需要事先在控制运放上增加PID参数/元件,才能在需要的时候通过调整元件来达到消除振荡的目的。此种方法不需奥高深的理论知识,可以凭经验调节PID参数,最好达到消振的目的,可能需要较长的时间、较好的经验,最后的控制特性也肯呢个不是最理想。
Bode图法消振,可以参考Shichen的“一步步做个恒流源”一文。PID消振文章很多,这个主要靠经验,查百度有口诀。

当然,有一些常见的因素会引起振荡,可以尽量避免,比如:
1、用了MOS管。MOS管输入电容大,需要控制电压高,就容易引起振荡。相反,传统达林顿输出就不容易振荡,尽管电压利用率偏低。
2、感性负载
3、容性负载
4、用了具有较大延时的检流器,比如各种电流传感器。

lymex 发表于 2014-2-1 18:52:29

改进1

lymex 发表于 2014-2-1 18:52:36

改进2

lymex 发表于 2014-2-1 18:52:42

改进3

lymex 发表于 2014-2-1 18:53:04

结合测试

lymex 发表于 2014-2-1 18:53:13

结束语

lymex 发表于 2014-2-1 18:53:19

参考资料

HP3455A服务维修手册,http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/03455-90003.pdf
一步一步做个电流源,shichen717,http://www.amobbs.com/thread-3656814-1-1.html
Feshbach Coils,http://www.physics.utoronto.ca/~ ... shbach%20Coils.html
ASTEC AIF 120F300,120A高压DC-DC手册,http://www.emersonnetworkpower.c ... _300v_trn_rev05.pdf
RUG-Z检流电阻DS:http://www.isotekcorp.com/sites/ ... iles/pdfs/RUG-Z.pdf
大功率MOS管IRFP4368:http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irfp4368pbf.pdf
低噪声自稳零运放ADA4528-1:http://www.analog.com/static/imp ... heets/ADA4528-1.pdf
VHP-4大功率金封金属箔电阻 http://www.vishaypg.com/docs/63005/vhp3vhp4.pdf
LT1021B深埋式电压基准 http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1021fc.pdf
有关最高等级的精密分压器 https://bbs.38hot.net/thread-137-1-1.html
DIY 标准电阻之温度系数补偿 https://bbs.38hot.net/thread-4928-1-1.html
LEM高精度大电流传感器,https://bbs.38hot.net/thread-67990-1-1.html

lymex 发表于 2014-2-1 18:53:26

鸣谢

cdm210888组织团购LEM IT 600-S,使得大电流超高精度检测成为可能;Redtony无私提供了3455A外壳及配件,使得本DIY得以实施,在此表示衷心感谢。


lymex 发表于 2014-2-1 18:53:32

【全文完】

hzmsn 发表于 2014-2-1 19:06:37

前排就座,学习

zca123 发表于 2014-2-1 19:08:04

mark一下,等张老师写完再看

qq64608588 发表于 2014-2-1 19:23:46

搬沙发学习。

zsxlh 发表于 2014-2-1 20:06:53

谢谢老大!进来好好学习。

〆﹏熋訷悪鎩 发表于 2014-2-1 20:30:23

具体 还没看 估计是应该是类似 迪特朗4600 和 福禄克5725那样跨导放大吧 精密电压转精密电流

yuan 发表于 2014-2-1 21:03:32

学习,学习.

轩尼诗 发表于 2014-2-1 21:10:59

占位学习~

lflyy 发表于 2014-2-1 21:22:08

进来学习。{:140_315:}

leoxeon 发表于 2014-2-1 21:56:29

进来学习一下

lizhijun 发表于 2014-2-1 22:16:23

这个要记号一下
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查看完整版本: DIY高精度四双120A恒流源(更新中)