詳細(xì)講解一下硬件工程師需要掌握的四種常用的恒流源電路工作原理

01.前言

恒流源是一種保持特定輸出電流不變的電源，它不像電壓源那樣保持恒定的電壓輸出。其基本電路主要由輸入級(jí)和輸出級(jí)組成。輸入級(jí)提供參考電流，輸出級(jí)輸出所需的恒定電流。恒流源與恒壓源相比，其輸出電流穩(wěn)定性更高，常見(jiàn)的恒流源有壓控電流源、反饋電流源、場(chǎng)效應(yīng)晶體管恒流源等。

恒流源具有以下特點(diǎn)：

1) 輸出電流受負(fù)載（輸出電壓）的影響小。

2) 輸出電流受環(huán)境溫度影響小。

3）內(nèi)阻無(wú)窮大（這樣電流就能全部流到外面）。

4）能夠提供恒流驅(qū)動(dòng)。

5）輸出精度高。

接下來(lái)就介紹四種常用的恒流源電路設(shè)計(jì)方案：

02.穩(wěn)壓恒流電路

下圖是利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性設(shè)計(jì)的電路：

電路原理：三極管Q1的基極電壓受限于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓Uzd，因此電阻R3的電壓等于Uzd減去Q1基極與發(fā)射極之間的導(dǎo)通壓降0.7V，即，U=Uzd-0.7 保持不變。所以即使VCC電源變化，流過(guò)R3的電流也是固定的，即流過(guò)R1負(fù)載的電流保持不變，達(dá)到恒流效果。

這里需要注意的是，根據(jù)需要的電流，選擇合適的采樣電阻，并考慮三極管和穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。而集電極電壓Ucmax是允許施加到集電極結(jié)的最大反向電壓。使用時(shí)不要超過(guò)這個(gè)最大值，否則集電極結(jié)在過(guò)大的反向電壓作用下會(huì)形成強(qiáng)電場(chǎng)，導(dǎo)致集電極反向電流急劇增大，可能造成元件損壞。

下圖是利用二極管導(dǎo)通電壓為0.6~0.7V的特性設(shè)計(jì)的二極管恒流電路：

當(dāng)單片機(jī)的GPIO口給高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，二極管D1、D2導(dǎo)通（D1、D2的導(dǎo)通壓降為0.6~0.7V），因此電阻R3的電壓等于1.4V（D1和D2的壓降之和）減去晶體管基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通壓降0.7V，即U=0.7V保持恒定，因此流過(guò)晶體管的電流即使VCC電源變化，R3也是固定的，即流過(guò)R1的電流保持不變，達(dá)到恒流的效果。

03.晶體管恒流電路

下圖是利用Q2基極導(dǎo)通電壓為0.6~0.7V的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的晶體管恒流源電路：

當(dāng)GPIO口給高電平時(shí)，三極管Q1為NPN管，會(huì)導(dǎo)通，同時(shí)Q2也會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，Q1的基極電壓被拉低并截止。負(fù)載R1不工作，Q2無(wú)電流流過(guò)。Q2基極電壓被下拉至地并截止，而Q1基極被釋放并再次導(dǎo)通。如此循環(huán)往復(fù)，電路中的電流最終穩(wěn)定在0.7/R3（忽略Q1和Q2的基極電流），無(wú)論電源電壓VCC如何變化，電流都保持恒定。另外，R3的阻值應(yīng)根據(jù)所需電流來(lái)選擇。

04.使用運(yùn)放的恒流電路

下圖是采用運(yùn)放的恒流源電路，電流可調(diào)。該電路采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)，引入了反饋。與晶體管恒流源相比，具有足夠的精度和可調(diào)性。

注意運(yùn)算放大器的“虛短”特性。同時(shí)，電路的反相輸入端連接電阻R4接地。當(dāng)VIN輸入到R2以穩(wěn)定電源電壓時(shí)，R4兩端的電壓也為VIN。因此，無(wú)論外部電路如何變化，流過(guò)R4的電流保持不變。而負(fù)載R1的電流與R4的電流相等，因此即使R1的電源是變壓電源，其電流也保持固定，達(dá)到恒流的效果。

這里晶體管Q1是NPN型的。使用時(shí)根據(jù)實(shí)際電壓、電流要求選擇合適的。如果功率較大，必須考慮散熱要求。另外，它的發(fā)射極電流約等于集電極電流，但實(shí)際上發(fā)射極電流還包括基極電流?？梢?jiàn)，當(dāng)運(yùn)放輸出級(jí)采用晶體管時(shí)，輸出電流會(huì)產(chǎn)生基極電流分量的誤差。如果此時(shí)不能滿足電路精度要求，則使用MOSFET更好。

分析與上面相同。MOSFET管是壓控器件，柵極所需電流很小。由于Iout和Is非常接近，與晶體管相比，電流精度得到提高。另外，使用運(yùn)放的恒流源電路雖然有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但也有缺點(diǎn)。例如運(yùn)放的VIN電源需要用戶額外提供。

05.LDO電路

下圖是利用LDO輸入電流等于輸出電流的特性設(shè)計(jì)的恒流源電路。

通過(guò)LDO輸入電流等于輸出電流的特性，流過(guò)負(fù)載R1的電流等于流過(guò)電阻R2的電流，電流大小為Iout=V/R2，其中V(3.3V ）是LDO的穩(wěn)壓值。此外，可變電源必須滿足LDO的輸入電壓范圍。

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