教你从容进行恒流源电源电路设计

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基本的恒流源电路主要是由输入级和输出级构成,输入级提供参考电流,输出级输出需要的恒定电流。

 

恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础。即要求恒流源电路输出恒定电流,因此作为输出级的器件应该是具有饱和输出电流的伏安特性。这可以采用工作于输出电流饱和状态的BJT或者MOSFET来实现。

 

为了保证输出晶体管的电流稳定,就必须要满足两个条件:

a)其输入电压要稳定——输入级需要是恒压源;

b)输出晶体管的输出电阻尽量大(最好是无穷大)——输出级需要是恒流源。

 

基本的恒流源电路,这里依据主要组成器件的不同,可分为三类:晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源等。

 

一、晶体管恒流源

这类恒流源以晶体三极管为主要组成器件,利用晶体三极管集电极电压变化对电流影响小,并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流之恒定性,通常,还采用一定的温度补偿和稳压措施。其基本型电路如图1的A,B两种类型。

 

图1 晶体管恒流源的两种基本类型

 

如图1中的A图, R1、R2分压稳定b点电位为Vb,Re形成电流负反馈 ,输出电流IO=(Vb-Vbe)/Re≈Vb / Re (Vb >>Vbe)。B图的计算参考A图。

 

提示1:图1中的电路的不足就是晶体管的集射极间电阻一般为几十千欧以上,当只需几伏的工作电压,采用这种恒流源电路 ,其等效内阻是非常大,功耗大,且精度不高。

 

实际电路中,最常用的简易恒流源如图2所示,用两只同型三极管,利用三极管相对稳定的be电压作为基准,电流数值为:I=Vbe/R1。

 

图2 晶体管恒流源的改进型

 

提示2:图2的这种恒流源优点是简单易行,而且电流的数值可以自由控制,也没有使用特殊的元件,有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子,其be电压不是一个固定值,即使是相同型号,也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下,这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。

 

二、场效应管恒流源

由场效应晶体管作为主要组成器件的恒流电路如图3所示 。

 

图3 场效应管恒流源

 

图3A ,R1,R2分压稳定b点电位 , Vb =R2*VCC\(R1+R2),而 Vgs=Vb-Id*RS

Id=Idss( 1- Vgs*Vp)*2

式中Vp表示为夹断电压 ,Idss为饱和漏极电流。也可以去掉电源辅助回路 ,变成一纯两端网络 ,电路如图3 B所示 ,由图可得Vgs =- Id*RS

提示3:这种恒流源电路的场效应管为JEFT,超低噪声,输出电流有JEFT决定,检测电压与JEFT有关。

 

三、集成运放恒流源

为了能够精确输出电流,通常使用一个运放作为反馈,同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。典型的运放恒流源如图4所示,如果电流不需要特别精确,其中的场效应管也可以用三极管代替如图4B。

 

如图4B中,工作时,输入电压Vref与输出电流成比例的检测电压,Vs(Vs=Rs*Iout)相等,

Is=Ib+Iout=Iout(1+1/Hfe)其中1/Hfe为误差。

 

 

提示4:这个电路可以认为是恒流源的标准电路,除了足够的精度和可调性之外,使用的元件也都是很普遍的,易于搭建和调试。只不过其中的Vin还需要用户额外提供。

 

从以上两个电路可以看出,恒流源有个定式,就是利用一个电压基准,在电阻上形成固定电流。有了这个定式,恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个“电压基准”的器件上,最典型的就是利用TL431组成的恒流源电路。

 

TL431是另外一个常用的电压基准,利用TL431搭建的恒流源如图5所示,其中的三极管替换为场效应管可以得到更好的精度。

 

图4 利用TL431搭建的恒流源

 

电流计算公式为:Iout=Vref/Rs,检测电压根据Vref不同,即1.25V或者是2.5V不同而已。

 

提示5:这种恒流源电路,使用并联稳压器TL431,简单实用且精度高。

 

有经验的模拟电路工程师经常会用三端稳压IC做恒流源,使用这些三端稳压电源IC,本身精度已经很高,需要的维持电流也很小。利用三端稳压构成恒流源,也有非常好的性价比,如图5所示的LM317的两种类型。

 

图5 LM317组成的恒流源电路

 

电流计算公式为:I=V/R1,其中V是三端稳压的稳压数值。

 

提示6:这种结构的恒流源,不适合太小的电流,因为这个时候,三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。

 

总结

恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈,动态调节设备的供电状态,从而使得电流趋于恒定。只要能够得到电流,就可以有效形成反馈,从而建立恒流源。

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