掌握四种恒流源电路原理,硬件工程师必读,简洁解析吸引你!

2024-06-13

01.前言

恒流源是一种保持特定输出电流不变的电源,它不像电压源那样保持恒定的电压输出。其基本电路主要由输入级和输出级组成。输入级提供参考电流,输出级输出所需的恒定电流。恒流源与恒压源相比,其输出电流稳定性更高,常见的恒流源有压控电流源、反馈电流源、场效应晶体管恒流源等。

恒流源具有以下特点:

1) 输出电流受负载(输出电压)的影响小。

2) 输出电流受环境温度影响小。

3)内阻无穷大(这样电流就能全部流到外面)。

4)能够提供恒流驱动。

5)输出精度高。

接下来就介绍四种常用的恒流源电路设计方案:

02.稳压恒流电路

下图是利用齐纳二极管的稳压特性设计的电路:

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电路原理:三极管Q1的基极电压受限于稳压二极管的稳定电压Uzd,因此电阻R3的电压等于Uzd减去Q1基极与发射极之间的导通压降0.7V,即,U=Uzd-0.7 保持不变。所以即使VCC电源变化,流过R3的电流也是固定的,即流过R1负载的电流保持不变,达到恒流效果。

这里需要注意的是,根据需要的电流,选择合适的采样电阻,并考虑三极管和稳压二极管的参数。而集电极电压Ucmax是允许施加到集电极结的最大反向电压。使用时不要超过这个最大值,否则集电极结在过大的反向电压作用下会形成强电场,导致集电极反向电流急剧增大,可能造成元件损坏。

下图是利用二极管导通电压为0.6~0.7V的特性设计的二极管恒流电路:

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当单片机的GPIO口给高电平时,三极管Q1导通,二极管D1、D2导通(D1、D2的导通压降为0.6~0.7V),因此电阻R3的电压等于1.4V(D1和D2的压降之和)减去晶体管基极和发射极之间的导通压降0.7V,即U=0.7V保持恒定,因此流过晶体管的电流即使VCC电源变化,R3也是固定的,即流过R1的电流保持不变,达到恒流的效果。

03.晶体管恒流电路

下图是利用Q2基极导通电压为0.6~0.7V的特点设计的晶体管恒流源电路:

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当GPIO口给高电平时,三极管Q1为NPN管,会导通,同时Q2也会导通。当Q2导通时,Q1的基极电压被拉低并截止。负载R1不工作,Q2无电流流过。Q2基极电压被下拉至地并截止,而Q1基极被释放并再次导通。如此循环往复,电路中的电流最终稳定在0.7/R3(忽略Q1和Q2的基极电流),无论电源电压VCC如何变化,电流都保持恒定。另外,R3的阻值应根据所需电流来选择。

04.使用运放的恒流电路

下图是采用运放的恒流源电路,电流可调。该电路采用运算放大器设计,引入了反馈。与晶体管恒流源相比,具有足够的精度和可调性。

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注意运算放大器的“虚短”特性。同时,电路的反相输入端连接电阻R4接地。当VIN输入到R2以稳定电源电压时,R4两端的电压也为VIN。因此,无论外部电路如何变化,流过R4的电流保持不变。而负载R1的电流与R4的电流相等,因此即使R1的电源是变压电源,其电流也保持固定,达到恒流的效果。

这里晶体管Q1是NPN型的。使用时根据实际电压、电流要求选择合适的。如果功率较大,必须考虑散热要求。另外,它的发射极电流约等于集电极电流,但实际上发射极电流还包括基极电流。可见,当运放输出级采用晶体管时,输出电流会产生基极电流分量的误差。如果此时不能满足电路精度要求,则使用MOSFET更好。

分析与上面相同。MOSFET管是压控器件,栅极所需电流很小。由于Iout和Is非常接近,与晶体管相比,电流精度得到提高。另外,使用运放的恒流源电路虽然有明显的优点,但也有缺点。例如运放的VIN电源需要用户额外提供。

05.LDO电路

下图是利用LDO输入电流等于输出电流的特性设计的恒流源电路。

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通过LDO输入电流等于输出电流的特性,流过负载R1的电流等于流过电阻R2的电流,电流大小为Iout=V/R2,其中V(3.3V )是LDO的稳压值。此外,可变电源必须满足LDO的输入电压范围。

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