CN105388950A - 基于电流镜的耐高温恒流启动电路 - Google Patents
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Abstract
基于电流镜的耐高温恒流启动电路，属于石油参数控制领域，本发明为解决采用电流调节二极管作为启动电路在温度高于100℃时无法完成启动任务的问题。本发明包括NPN三极管Q1、Q2、NMOS晶体管M、电阻R1、R2和恒流二极管D1；Q1、Q2和R1构成电流镜结构；流过Q1的电流I2和流过Q2集电极的电流I1保持相等；启动电路的总电流I＝I1+I2+I3，式中I3为M中流过的电流；当温度低于100℃时，由D1负责调节电路电流，以保证I恒定；当温度高于100℃时，随着温度升高，D1的电流调节能力下降，I1减小，I2随之减小，I3增加，I3的增加量补偿了I1、I2的减小量，总电流I保持恒定。
Description
技术领域
本发明涉及一种提供启动电流的电路结构，属于石油参数控制领域。
背景技术
为了实时掌握井下油藏信息，根据油藏信息对潜油电泵的工作状态及时进行调整，需要为潜油电泵配备井下多参数测量装置。井下多参数测量装置供电及传输原理如图1所示，当地面供电***对井下多参数测量装置供电时，井下多参数测量装置中的启动电路首先工作，为***的电源回路提供一个初始电流，该电流为电源变换器提供了初始功率，电源变换器工作输出稳定的直流电压为温度传感器、压力传感器、信号调理电路等供电。测量信号经过调理放大后由电压转换成信号电流分时注入到电源回路，则稳态下的电源回路中的电流由初始电流和信号电流叠加组成，而稳态下的电源变换器的功率由这两部分电流共同提供。
由井下多参数测量装置供电及传输原理图可以看出，初始情况下，如果没有启动电路提供初始电流，电源变换器不能为传感器以及其它部分电路供电，则电源回路中不会有信号电流，即电源回路中没有电流存在，电源变换器也没有输入功率，因此井下多参数测量装置无法工作。综上所述，能为电源回路提供一个初始电流的启动电路是保证井下传感器能够工作的关键。
工作温度低于100℃的井下多参数测量装置一般采用电流调节二极管作为启动电路的主要部分，电流调节二极管可以保证初始状态下电源回路中流过一个固定的初始电流，该初始电流的幅值低于多参数测量装置工作时供电回路中流过的最小电流，同时又高于电源变换电路能够工作所需要的最小电流，因此该初始电流既能保证电源变换电路能够启动，又不会影响幅值较低信号的传输。但是，温度因素严重影响电流调节二极管的特性，随着温度升高，电流调节二极管能够提供的电流值明显下降，当温度高于100℃时，电流调节二极管提供的电流已经低于电源变换器工作所需的最小电流，此时井下多参数测量装置已经无法启动。所以急需一种井下多参数测量装置的启动电路，该启动电路能在较宽温度范围内(25℃—200℃)输出一个初始电流来保证电源变换器能够启动。
发明内容
本发明目的是为了解决采用电流调节二极管作为启动电路在温度高于100℃时无法完成启动任务的问题，提供了一种基于电流镜的耐高温恒流启动电路。该电路是基于电流镜的耐高温恒流启动电路，以耐高温200℃的NPN三极管2N2222、电流调节二极管1N5297、N沟道MOSFETSCT30N120为基础，设计出一个井下多参数测量装置启动电路，该电路在井下多参数测量装置启动阶段提供一个初始电流驱动电源变换电路，并且在较宽的温度范围内(25℃-200℃)，该初始电流都能够保证井下多参数测量装置的电源变换电路可以工作，从而保证井下多参数测量装置能够正常启动。
本发明所述基于电流镜的耐高温恒流启动电路，它包括NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NMOS晶体管M、电阻R1、电阻R2和恒流二极管D1；
电源正极Vin同时连接NMOS晶体管M的漏极、电阻R2的一端和恒流二极管D1的阳极；
NMOS晶体管M的栅极同时连接电阻R2的另一端、NPN三极管Q1的集电极和电阻R1的一端；
NPN三极管Q1的基极同时连接电阻R1的另一端和NPN三极管Q2的基极；
NPN三极管Q2的集电极连接恒流二极管D1的阴极；
NMOS晶体管M的源极、NPN三极管Q1的发射极和NPN三极管Q2的发射极同时接地；
其中：NPN三极管Q1、NPN三极管Q2和电阻R1构成电流镜结构；流过NPN三极管Q1的电流I2和流过NPN三极管Q2集电极的电流I1保持相等；启动电路的总电流I＝I1+I2+I3，式中I3为NMOS晶体管M中流过的电流；
当温度低于100℃时，由恒流二极管D1负责调节电路电流，以保证总电流I恒定；
当温度高于100℃时，随着温度升高，恒流二极管D1的电流调节能力下降，流过恒流二极管D1的电流I1减小，I2随之减小，电阻R2两端的电压减小，则Q1的集电极-发射极电压升高，即NMOS晶体管M的栅-源极电压VGS升高，则I3增加，I3的增加量补偿了I1、I2的减小量，总电流I保持恒定。
本发明的优点：本发明利用电流镜的原理调节MOSFET的栅极电压，进而调解MOSFET的漏极电流对高温环境下电流调节二极管衰减的电流调节能力进行补偿，电流调节二极管中流过的电流越低，电流镜中流过的电流也越低，但是受电流镜调节的MOSFET栅极电压却升的越高，MOSFET中流过的电流便越大，其补偿的能力便越强。
采用本发明在20℃-200℃范围的电流输出特性曲线如附图3所示，附图3中另一条线是采用无补偿的电流调节二极管的启动电路在20℃-200℃范围的电流输出特性曲线。采用无补偿的电流调节二极管的启动电路的输出电流在20℃-200℃范围内由10.3mA降低到5.2mA，其下降幅度百分比为49.5％。而采用本发明的启动电路的输出电流在20℃-200℃范围内由9.57mA降低到8.8mA，其下降幅度百分比为8.04％。可以看到采用本发明是可以解决高温环境下由于电流调节二极管的电流调节能力下降而导致启动电路输出电流能力大幅衰减的问题的。
附图说明
图1是井下多参数测量原理框图；
图2是本发明所述基于电流镜的耐高温恒流启动电路的具体电路图；
图3是采用本发明启动电路输出电流的温度特征与传统采用恒流二极管输出电流的温度特性对比曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述基于电流镜的耐高温恒流启动电路，它包括NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NMOS晶体管M、电阻R1、电阻R2和恒流二极管D1；
电源正极Vin同时连接NMOS晶体管M的漏极、电阻R2的一端和恒流二极管D1的阳极；
NMOS晶体管M的栅极同时连接电阻R2的另一端、NPN三极管Q1的集电极和电阻R1的一端；
NPN三极管Q1的基极同时连接电阻R1的另一端和NPN三极管Q2的基极；
NPN三极管Q2的集电极连接恒流二极管D1的阴极；
NMOS晶体管M的源极、NPN三极管Q1的发射极和NPN三极管Q2的发射极同时接地；
其中：NPN三极管Q1、NPN三极管Q2和电阻R1构成电流镜结构；流过NPN三极管Q1的电流I2和流过NPN三极管Q2集电极的电流I1保持相等；启动电路的总电流I＝I1+I2+I3，式中I3为NMOS晶体管M中流过的电流；
当温度低于100℃时，由恒流二极管D1负责调节电路电流，以保证总电流I恒定；
当温度高于100℃时，随着温度升高，恒流二极管D1的电流调节能力下降，流过恒流二极管D1的电流I1减小，I2随之减小，电阻R2两端的电压减小，则Q1的集电极-发射极电压升高，即NMOS晶体管M的栅-源极电压VGs升高，则I3增加，I3的增加量补偿了I1、I2的减小量，总电流I保持恒定。
NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NMOS晶体管M、电阻R1、电阻R2和恒流二极管D1均采用耐200℃以上高温的电气元件。
NPN三极管Q1和NPN三极管Q2采用型号为2N2222的三极管。
NMOS晶体管M采用型号为SCT30N120的N沟道MOSFET。
恒流二极管D1采用型号为1N5297的二极管。
工作原理：
Q1、Q2、R1组成一个电流镜电路，由于Q1和Q2共基极、共射极，则为电流镜施加外部电源时，两者集电极中流过的电流是相等的，即I1与I2相等。
恒流二极管D1中流过的电流I1主要流过Q2的集电极，极其微小的一部分作为触发电流流入Q1和Q2的基极。根据上述电流镜原理，Q1的集电极也流过相等的电流I2。
Q1中流过的电流I2同时也流过电阻R2，MOSFET栅极电压受电阻R2两端的电压影响，而改变栅极电压则可以调节MOSFET的漏极电流，调节电阻R2的大小可以控制MOSFET栅、源极电压的高低，进而控制整个启动电路初始电流的大小，MOSFET的栅-源极电压VGS＝Vin-I2*R2，I3＝VGS*g，g为MOSFET的跨导。整个启动电路中流过的所有电流I是Q1、Q2以及MOSFET中流过电流的总和。
当温度升高至100℃以上时，恒流二极管D1的电流调节能力下降，流过恒流二极管D1的电流I1减少，则Q1和Q2中流过的电流也会减少，使得接在Q1集电极的电阻R2两端的电压减小，Q1集电极电压也即MOSFET的栅-源极电压VGS升高，MOSFET中流过的电流I3增加，补偿Q1和Q2中减少的电流，保持启动电路总电流I恒定。
Claims (5)
1.基于电流镜的耐高温恒流启动电路，其特征在于，它包括NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NMOS晶体管M、电阻R1、电阻R2和恒流二极管D1；
电源正极Vin同时连接NMOS晶体管M的漏极、电阻R2的一端和恒流二极管D1的阳极；
NMOS晶体管M的栅极同时连接电阻R2的另一端、NPN三极管Q1的集电极和电阻R1的一端；
NPN三极管Q1的基极同时连接电阻R1的另一端和NPN三极管Q2的基极；
NPN三极管Q2的集电极连接恒流二极管D1的阴极；
NMOS晶体管M的源极、NPN三极管Q1的发射极和NPN三极管Q2的发射极同时接地；
其中：NPN三极管Q1、NPN三极管Q2和电阻R1构成电流镜结构；流过NPN三极管Q1的电流I2和流过NPN三极管Q2集电极的电流I1保持相等；启动电路的总电流I＝I1+I2+I3，式中I3为NMOS晶体管M中流过的电流；
当温度低于100℃时，由恒流二极管D1负责调节电路电流，以保证总电流I恒定；
当温度高于100℃时，随着温度升高，恒流二极管D1的电流调节能力下降，流过恒流二极管D1的电流I1减小，I2随之减小，电阻R2两端的电压减小，则Q1的集电极-发射极电压升高，即NMOS晶体管M的栅-源极电压VGS升高，则I3增加，I3的增加量补偿了I1、I2的减小量，总电流I保持恒定。
2.根据权利要求1所述基于电流镜的耐高温恒流启动电路，其特征在于，NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NMOS晶体管M、电阻R1、电阻R2和恒流二极管D1均采用耐200℃以上高温的电气元件。
3.根据权利要求1所述基于电流镜的耐高温恒流启动电路，其特征在于，NPN三极管Q1和NPN三极管Q2采用型号为2N2222的三极管。
4.根据权利要求1所述基于电流镜的耐高温恒流启动电路，其特征在于，NMOS晶体管M采用型号为SCT30N120的N沟道MOSFET。
5.根据权利要求1所述基于电流镜的耐高温恒流启动电路，其特征在于，恒流二极管D1采用型号为1N5297的二极管。
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