两种恒流电路的原理及应用分析-KIA MOS管

恒流电路的原理及应用

恒流电(dian)(dian)路在硬件电(dian)(dian)路设计中应(ying)用十分广泛，例如用于可变(bian)电(dian)(dian)阻(zu)的阻(zu)值检测，LED恒流驱动等。

恒(heng)流电(dian)路分(fen)为(wei)电(dian)流源和电(dian)流井，顾名思义(yi)就是(shi)(shi)根(gen)据(ju)电(dian)流的(de)(de)流向不同划(hua)分(fen)的(de)(de)，实质上也可以认为(wei)是(shi)(shi)根(gen)据(ju)恒(heng)流电(dian)路与(yu)负载的(de)(de)共电(dian)位关系划(hua)分(fen)。

根据大家的(de)(de)习惯，电(dian)流(liu)井电(dian)路是比(bi)较容易分析的(de)(de)，但是因为电(dian)流(liu)井通常把采样和限(xian)流(liu)电(dian)路放在靠近地的(de)(de)一侧(ce)，导致(zhi)恒流(liu)电(dian)路与负载(zai)不能共地，从而(er)限(xian)制了应用范围。

恒(heng)(heng)流(liu)电(dian)(dian)(dian)路的基(ji)(ji)本(ben)原理是将负载，调整电(dian)(dian)(dian)路，采样(yang)电(dian)(dian)(dian)阻(zu)三个基(ji)(ji)本(ben)元件串联在电(dian)(dian)(dian)压源(yuan)上，根据采样(yang)电(dian)(dian)(dian)阻(zu)上的电(dian)(dian)(dian)压或电(dian)(dian)(dian)流(liu)，改变调整电(dian)(dian)(dian)路的阻(zu)抗，从(cong)而改变整个串联回路的电(dian)(dian)(dian)流(liu)，以实现恒(heng)(heng)流(liu)控制(zhi)的目的。本(ben)文给出两种简单的电(dian)(dian)(dian)流(liu)源(yuan)电(dian)(dian)(dian)流(liu)，并(bing)分(fen)析恒(heng)(heng)流(liu)产生的原理及应用场景。

1. 基于(yu)三极管的(de)恒流电路。

三(san)极管电流井电路

图中Rload为负载，Rs为采样电(dian)阻，三(san)极管(guan)(guan)作为调(diao)整电(dian)路(lu)。三(san)极管(guan)(guan)基(ji)极到GND之间串(chuan)联了两(liang)个二极管(guan)(guan)，用于产生参考电(dian)压。

假(jia)设二极(ji)(ji)管(guan)(guan)正向(xiang)压降为Vf，那么电流(liu)从VCC通(tong)过Rc流(liu)过两个(ge)二极(ji)(ji)管(guan)(guan)，在三(san)极(ji)(ji)管(guan)(guan)基极(ji)(ji)产生了2*Vf的电压，由于三(san)极(ji)(ji)管(guan)(guan)放大(da)倍数较(jiao)大(da)，忽略通(tong)过三(san)极(ji)(ji)管(guan)(guan)基极(ji)(ji)流(liu)向(xiang)发射极(ji)(ji)的电流(liu)。

假设三(san)极管(guan)基(ji)射结压(ya)降与二极管(guan)正向压(ya)降相等，也是Vf，那么三(san)极管(guan)发(fa)射极电(dian)压(ya)应该是一倍(bei)的Vf，1倍(bei)的Vf作用(yong)在(zai)采样电(dian)阻Rs上，产生(sheng)的电(dian)流(liu)为Vf/Rs，该表达式(shi)即为三(san)极管(guan)恒流(liu)电(dian)路的恒流(liu)表达式(shi)。

应用时可以(yi)根据恒流值的需求设(she)置Rs，即可得到相应的恒定(ding)电(dian)流。当然(ran)也可以(yi)通过(guo)将两个(ge)二极管(guan)(guan)替换为一个(ge)反向的稳压二极管(guan)(guan)，同样可以(yi)产生参考电(dian)压。

考虑到大家都比较擅长(zhang)分析NPN三极管电(dian)路(lu)，上图首先使用NPN三极管实现电(dian)流井(jing)。但电(dian)流井(jing)电(dian)路(lu)与负载的连接关(guan)系是共VCC而不是共地，因此限制了该电(dian)路(lu)的应用。

我们可以把同样的连接方法应用于PNP三极(ji)管(guan)，即可实现电流源恒(heng)流电路。

三极管(guan)电(dian)流(liu)源电(dian)路(lu)

三极管(guan)电(dian)(dian)流(liu)(liu)源(yuan)电(dian)(dian)路与负载共地，分析(xi)方法(fa)与电(dian)(dian)流(liu)(liu)井电(dian)(dian)路类(lei)似，都是使(shi)用三极管(guan)的(de)电(dian)(dian)压(ya)跟随器接法(fa)，在发射极的(de)采样电(dian)(dian)阻(zu)上产(chan)生固(gu)定的(de)参考(kao)电(dian)(dian)压(ya)，从而实现(xian)恒流(liu)(liu)。

该系(xi)列电(dian)路利用二极管(guan)三极管(guan)的(de)压降(jiang)非线性(xing)特性(xing)，通过电(dian)压跟随器的(de)结构向采样电(dian)阻上施加(jia)参考电(dian)压，从而产生(sheng)恒定电(dian)流。

由于二极管的(de)(de)(de)正向(xiang)压(ya)降与三极管的(de)(de)(de)基射结压(ya)降均不是(shi)理想的(de)(de)(de)恒定压(ya)降，压(ya)降值存在一定的(de)(de)(de)波动范(fan)围，而且(qie)会受到温(wen)度(du)的(de)(de)(de)影响，因此(ci)该方法实现的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)源精(jing)度(du)较低，电(dian)(dian)流(liu)会根据负(fu)载及(ji)温(wen)度(du)的(de)(de)(de)变化产生一定的(de)(de)(de)波动。该电(dian)(dian)路通常应(ying)用(yong)于LED或光(guang)耦的(de)(de)(de)驱动。

2. 基于稳压芯片的恒流(liu)电路(lu)

下图(tu)仅需要两个(ge)器件即可实现电流源。

基于稳压芯片的电(dian)流(liu)源电(dian)路(lu)

该电路(lu)搭建仅需要2个(ge)器(qi)件(jian)，算上负载(zai)正好是文章开头提(ti)到(dao)的恒(heng)流电路(lu)三(san)(san)要素：调(diao)整(zheng)电路(lu)，采(cai)样电阻，负载(zai)。LM317是一个(ge)可(ke)变(bian)输出(chu)的集成三(san)(san)端稳压器(qi)，配合一个(ge)电阻就可(ke)以实现恒(heng)流输出(chu)。

该芯片反馈端口ADJ与输出端口之间(jian)有1.25V基(ji)准(zhun)压(ya)差(cha)，当压(ya)差(cha)不足(zu)时稳压(ya)芯片会提高输出电(dian)压(ya)，从而增大负载回路的电(dian)流，直到Rs上产生足(zu)够(gou)的1.25V压(ya)差(cha)为止(zhi)。

也可以(yi)认为(wei)稳压(ya)(ya)芯片(pian)将这个(ge)压(ya)(ya)差(cha)施加(jia)到采样电阻Rs上就(jiu)可以(yi)得到一个(ge)恒定电流(liu)。考虑到ADJ端流(liu)入的(de)电流(liu)较小，可以(yi)忽略不计，因此Rs上的(de)电流(liu)与Rload的(de)电流(liu)基本相(xiang)等。

如果需(xu)要(yao)可(ke)调(diao)电(dian)流(liu)(liu)源，那么可(ke)以(yi)(yi)将Rs换(huan)成电(dian)位器，通过调(diao)节电(dian)位器的阻值(zhi)就可(ke)以(yi)(yi)调(diao)节电(dian)流(liu)(liu)值(zhi)。该电(dian)路的电(dian)流(liu)(liu)表达式为Vref/Rs，其中Vref=1.25V。如果使用其他(ta)可(ke)调(diao)稳压芯片，只需(xu)要(yao)将替(ti)代芯片的Vref替(ti)换(huan)到公式中即可(ke)。

LM317最大(da)的封装是(shi)TO-220在满(man)足散热的条件下可以(yi)达到(dao)1.5A输出电流，这个电流基本可以(yi)满(man)足大(da)部(bu)分(fen)应(ying)用需求。

最小封(feng)装为TO-92，配合一个电(dian)阻(zu)就(jiu)可以实现恒流，电(dian)路(lu)面(mian)积很小。这个电(dian)路(lu)可以用于照明LED的(de)驱动，当然稳压(ya)芯片(pian)的(de)散热是(shi)需要仔(zi)细处理的(de)，毕竟线性稳压(ya)器是(shi)将多余的(de)功率全(quan)部(bu)耗散在自己身上(shang)的(de)。

LM317的(de)(de)输(shu)出(chu)误(wu)差典(dian)型值为0.5%，在满(man)足精度需求(qiu)的(de)(de)前(qian)提下也可以(yi)用(yong)于产生参考电流(liu)源输(shu)入(ru)到变(bian)电阻的(de)(de)传(chuan)感(gan)器元件中，例如旋钮电位器，NTC热敏电阻。

通(tong)常建议对与(yu)输入参数(shu)呈(cheng)现一次(ci)函数(shu)关系(xi)的(de)(de)电(dian)阻(zu)型传(chuan)感器应用(yong)参考电(dian)流源，这样(yang)(yang)得到而电(dian)压(ya)就是与(yu)输入参数(shu)呈(cheng)现一次(ci)函数(shu)，便于后续的(de)(de)采样(yang)(yang)处理。

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