7種直流恒流源電路分析

傳感器及發(fā)光器件常需恒流源供電，精確測(cè)量微小電阻一般也要用到恒流源。 恒流源的本質(zhì)是其具有調(diào)節(jié)負(fù)載兩端電壓的能力，凡具有電壓調(diào)整能力的器件均可構(gòu)成恒流源，包括運(yùn)放、穩(wěn)壓芯片、三極管、MOS管等。 下面以運(yùn)放和電壓調(diào)節(jié)器為例來構(gòu)成恒流源。

一. 圖一所示的V/I轉(zhuǎn)換電路中，對(duì)采樣電阻Rs左側(cè)電壓Uo1執(zhí)行負(fù)反饋，右側(cè)電壓Ua跟隨到同相輸入端，以維持Rs兩端電壓恒定。 對(duì)運(yùn)放A1而言，是局部負(fù)反饋電路，仍滿足虛短條件，屬同相加法器電路，可進(jìn)行如下推導(dǎo)運(yùn)算。

Up1為Ui和Uo2在同相端P1處的疊加，即Up1=0.5Ui+0.5Uo2 ;

Uo1=2Up1=Ui+Uo2 ，

Uo1-Uo2=Ui，其中的Uo2=Ua,

即Uo1-Ua=Ui ，可見Rs兩端的電壓為Ui; 因Ip2=0 ,流過負(fù)載的電流IL=Io=Ui/Rs，負(fù)載上的電流與電壓成正比例函數(shù)關(guān)系，轉(zhuǎn)換系數(shù)是1/Rs ，當(dāng)Rs=500歐時(shí)，IL=0.002Ui 例如，若Ui=0~10V,則lL=0~20mA。 如果Ui由精密的基準(zhǔn)源Vref給定，Rs采用低溫漂精密電阻，則負(fù)載將流過精確的恒定電流IL=Vref/Rs 。 下面將利用TL431B產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，將圖一電路改成恒流源。

對(duì)照?qǐng)D二右側(cè)的TL431內(nèi)部原理框圖，調(diào)整端R連接至內(nèi)部運(yùn)放的同相輸入端，是虛斷的，IR=0 ,可知左圖中的I1=I2 ; 當(dāng)A點(diǎn)電壓超過2.495V時(shí)，內(nèi)部三極管T就會(huì)導(dǎo)通進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，多余電壓加在R0上，使A點(diǎn)電壓維持在2.495V,根據(jù)I1=I2方程，可得：（Vout-2.495)/R1=2.495/R2即Vout=(1+R1/R2)*2.495 ; 圖示輸出電壓可以在2.495~5V之間調(diào)節(jié)，下面用此基準(zhǔn)電壓，結(jié)合圖一原理，來構(gòu)成一個(gè)可調(diào)恒流源，如圖三所示。

由圖一電路原理可知，負(fù)載電流IL=Vref/Rs ，由于Vref和Rs都是精確值，IL就是恒定值。 為減小對(duì)基準(zhǔn)源的影響，同時(shí)提高運(yùn)放A1的運(yùn)算精度，增加電壓跟隨器A0作隔離緩沖; Vref=2.5V~7.5V，取Rs=360歐，電流可恒定在7mA至20mA之間的一個(gè)值上； 也可以保持Vref不變，將Rs用精密多圈電位器代替，通過改變Rs來調(diào)整恒流值。 運(yùn)放的輸出電流一般都比較小，需要輸出較大的恒定電流時(shí)，可以用三極管、達(dá)林頓管和MOSFET進(jìn)行擴(kuò)流，可以在圖三基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)流，也可用圖四和圖五所示電路進(jìn)行擴(kuò)流。

圖四是由運(yùn)放和三極管組成的V/I轉(zhuǎn)換電路，輸入信號(hào)Ui經(jīng)R1加至A1的同相端，T1發(fā)射極接有負(fù)反饋電阻Rp和RL，負(fù)反饋信號(hào)經(jīng)A2緩沖后，經(jīng)由電阻R3加到A1反相端； 負(fù)載電阻RL為正反饋電阻，經(jīng)A3緩沖后，經(jīng)由電阻R4加至A1同相輸入端；

R1=R2 ,R3=R4，整體電路屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，具有比較好的恒流特性，設(shè)R1=R2=m ,R3=R4=n .根據(jù)疊加：

Up=n/（m+n）*Ui+m/（m+n）*Ub;

Un=m/（m+n）*Ua

由Up=Un，得Ua-Ub=n/m*Ui

而Ua-Ub=Io*Rp，得Io=n/（mRp）*Ui;

按圖四參數(shù)，如取Rp=500歐，則Io=4Ui ； Ui=1~5V ，則Io=4~20mA 。 可以看出，輸出電流Io與輸入電壓成正比例函數(shù)關(guān)系，改變Rp可以調(diào)整轉(zhuǎn)換系數(shù)。

將Ui用基準(zhǔn)源提供，Rp用采樣電阻代替，選合適功率的三極管，即可得到需要的恒流源。 如圖五所示，將R1~R4取相同的值，則有：

Io=Vref/Rs ，采樣電阻Rs取不同的定值，即可得到不同大小的恒流源，但應(yīng)注意Io(RL+Rs)應(yīng)小于電源電壓，并根據(jù)電流大小確定三極管和采樣電阻Rs的功率參數(shù)。

二. 恒流源也可由穩(wěn)壓芯片構(gòu)成，由可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317構(gòu)成的恒流源如圖六所示。

圖六右側(cè)為L(zhǎng)M317構(gòu)成電流源時(shí)的內(nèi)部原理框圖，內(nèi)部運(yùn)放A構(gòu)成負(fù)反饋。

向上=1.25V+（Iadj+Is）RL ;

Un=IsRs+(Is+Iadj)RL ;

由Un=Up ，得Is=1.25/Rs ;

負(fù)載上電流：Io=Is+Iadj ，其中Iadj僅50微安左右，且很穩(wěn)定，變化量只有0.2~5uA,可以認(rèn)為輸出電流Io是恒定的，近似計(jì)算時(shí)忽略Iadj,

Io=Is=1.25/Rs ；Rs為L(zhǎng)M317輸出端和調(diào)整端之間連接的取樣電阻。

LM317內(nèi)部電路需要足夠的壓差才能正常工作，要求最小輸出電流應(yīng)在5mA以上; 當(dāng)需要10～100mA的恒流源時(shí)，選用TO-92封裝的小功率LM317L，對(duì)應(yīng)的電路圖如圖六左側(cè)所示；當(dāng)需要使用100mA~1A的恒流源時(shí)，可用TO-220封裝的LM317 。最大恒流值除與LM317自身額定電流有關(guān)外，還與輸入和輸出的壓差有很大關(guān)系，電流比較大時(shí)，輸入電壓不要選太高。

圖七中的LM317LZ構(gòu)成了15mA的恒流源，用于驅(qū)動(dòng)雙向可控硅型光耦，可以適應(yīng)3.3V～24VDC的驅(qū)動(dòng)電壓，電壓雖變，驅(qū)動(dòng)效果不變。

　　審核編輯：湯梓紅