关于恒流源电路的研究与几种设计方案 - 图文(2)

到

ｒｉｎｔ=100× 1+ 100× 5/（10+ 2. 6+ 5） =3ＭΩ

可见 ,只需几伏的工作电压 ,采用一个晶体管 ,其等效内阻是非常巨大的 .

为了减小温度变化对晶体管参数的影响进而影响输出电流的恒定性 ,可采用图2.1.3.2所示改进型电路 .图2.1.3.2(ａ)中 ,二极

管Ｄ作温度补偿 ,抵销温度变化对晶体管Ｔ参数Ｖｂｅ的影响 .为了更好地解决管子温度特性一致的问题 ,图2.1.3.2(ｂ)中 ,三极

管Ｔ1接成二极管的形式 .有时 ,为了减小电源电压波动对输出电流之影响 ,图2.1.3.2(ｃ)中采用了稳压管Ｄｚ进行稳压 .图2.1.3.2(ｂ)

中 ,流过基准电阻Ｒ的电流ＩＲ 与输出电流Ｉ0的关系[1]为 :Ｉ0/ＩＲ =Ｒ2/Ｒ1,故又称为比例电流源 .若令Ｒ1=Ｒ2或都为零 ,则Ｉ0=ＩＲ,称为镜像电流源 .若令Ｒ1=0,则可得到微安量级的输出电流 ,称之为微电流源 ,主要应用于需要提供微小偏流的场

合 .有时 ,要实现输出电流可控 ,且极性可正

可负的恒流源 ,可采用图2.1.3.3所示电路图

Ｖｉ为输入控制电压 ,三极管Ｔ1、Ｔ2参数一致 . 当Ｖｉ=0时 ,Ｉ1=Ｉ2,Ｉ0=0; Ｖｉ>0时 ,Ｉ1<Ｉ2,Ｉ0<0; Ｖｉ<0时 ,Ｉ1>Ｉ2,Ｉ0>0;

且由图2.1.3.3可得

V+Vi - VBE2

V-Vi -Vbe1 图2.1.3.3 双极性恒流源

I。= 4 I2 = 4

Re Re .

因而Ｉ0 =Ｉ1-Ｉ2= -Vi /2Rc.可见 ,输入控制电压Ｖｉ 实现了对输出电流Ｉ0极性与大小 的控制 .

2.1.3.2 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2.1.3.4所示 .

图2.1.3.4(ａ)中 ,Ｒ1、Ｒ2分压稳定Ｂ点电位 ,ＶＢ=Ｒ2·Ｖｃｃ\\(Ｒ1+Ｒ2) ,而 ＶＧＳ=ＶＢ-ＩＤＲＳ, ,根 据公式[5]:

ＩＤ=ＩＤＳＳ( 1- ＶＧＳＶｐ)*2 （2）

可解得

ＲＳ=[Ｖｂ+|Ｖｐ| ( 1-IＤ/ＩＤＳＳ)] /ＩＤ

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2.1.3.4(ｂ)所示 , 由图可得

ＶＧＳ=-ＩＤＲＳ

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对于场效应管恒流源的等效内阻 ,我们也不难导出

图2.1.3.4 场效应管恒流源 图2.1.3.5 改进型

ｒｉｎｔ=ｒＤＳ( 1+ＳＲＳ) ( 3)

式中ｒＤＳ为场效应管漏源极间电阻 ,Ｓ为其跨导 .若设ｒＤＳ=100ｋΩ ,Ｓ =2ｍＡ/Ｖ ,Ｒｓ=5ｋΩ ,则ｒｉｎｔ=1.1ＭΩ .可见 ,其等效内阻也

是非常巨大的 .另外 ,从 ( 1)式与 ( 3)式还可以看到 ,将电阻Ｒｅ 或Ｒｓ 增大 ,晶体管恒流源内阻则趋于最大值 βｒｃｅ,而场效应管恒流源内阻会趋近于无穷大 .由此 ,采用较大负反馈电阻 ,场效应管恒流源会取得更好的等效内阻指标 .若将场效应管与晶体管配合使用 ,组成如图2.1.3.5所示电路 ,并辅之以温度补偿和稳压措施 ,则恒流效果会更佳 .图2.1.3.5中 ,设晶体管Ｔ2级等效内阻为ＲＳ,则

Ｒｓ=ｒｃｅ[1+βＲｅ(Ｒｂ+ｒｂｅ+Ｒｅ))代入公式 ( 3) ,可求得该恒流电路等效内阻 ｒｉｎｔ=ｒＤＳ{1+ｓ·ｒｃｅ[1+βＲｅ(Ｒｂ+ｒｂｅ+Ｒｅ) ]} ≈ｓ·ｒＤＳ·ｒｃｅ( 1+βＲｅ(Ｒｂ+ｒｂｅ+Ｒｅ)) 可见 ,其等效内阻进一步增大 .

2.1.3.3 集成运放恒流源

若要扩大输出电流的取值范围 ,采用如图2.1.3.6所示的集成运放恒流源 .图2.1.3.6(ａ)中 ,稳压管Ｄｚ 进行稳压 ,Ｔ1栅流极小 ,输出恒流Ｉ0=Ｖｚ/Ｒ1,只要Ｔ2的参数允许 ,这种电路可输出几百ｍＡ以上的稳定电流 .有时 ,需要负载一端按地的场合 ,电路

如图2.1.3.6(ｂ)所示 ,输出恒流Ｉ0=Ｖ2/Ｒ2.假定运算放大器能供给 5ｍＡ以上的基流 ,晶体管 β >100,则Ｉ0可以超过 500ｍＡ .为防止运算放大器和晶体管进入饱和状态影响电路的正常工作 ,负载ＲＬ 取值不能过大 ,该电路适应于小负载大电流的场合 .

图2.1.3.6集成运放恒流源

在某种特殊情况下 ,需要实现两个电压的差值来控制输出电流 ,电路如图2.1.3.7所示 .很显然

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图2.1.3.7差动恒流源

2.2 总结各种恒流源特点

①由晶体管构成的恒流源 ,广泛地用作差动放大器的射极公共电阻 ,或作为放大 电路的有源负载 ,或作为偏流使用 ,也可以作为脉冲产生电路的充放电电流 ,由于晶 体管参数受温度变化影响 ,大多采用了温度补偿及稳压措施 ,或增强电流负反馈的深 度以进一步稳定输出电流 .

②场效应管恒流源较之晶体管恒流源 ,其等效内阻较小 ,但增大电流负反馈电

阻 ,场效应管恒流源会取得更好的效果 .且无需辅助电源 ,是一个纯两端网络 ,这种工作方式十分有用 ,可以用来代替任

意一个欧姆电阻 .通常 ,将场效应和晶体管配合使用 ,其恒流效果会更佳 .

③由于温度对集成运放参数影响不如对晶体管或场效应管参数影响之显著 ,由集成运放构成的恒流源具有稳定性

更好 ,恒流性能更高之优点 .尤其在负载一端需接地 ,要求大电流的场合 ,获得了广泛应用 .

④恒流源电路 ,既可以实现双极性控制 ,又可以实现差动控制 ,增强了其使用灵活性 .

2.3恒流源电路在实践中的应用

恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源 ,因此恒流源的应用范围非常广泛 ,并且在许多情况下是必不可少的。例如在用通常的充电器对蓄电池充电时 ,随着蓄电池端电压的逐渐升高 ,充电电流就会相应减少。为了保证恒流充电 ,必须随时提高充电器的输出电压 ,但采用恒流源充电后就可以不必调整其输出电压 ,从而使劳动强度降低 ,生产效率得到了提高。恒流源还被广泛用于测量电路中 ,例如电阻器阻值的测量和分级 ,电缆电阻的测量等 ,且电流越稳定 ,测量就越准确。恒流源的设计方法有多种 ,最简单的恒流电路是 FET或恒流二极管 ,但其电流值有限且稳定度也较差。分别论述线性恒流源、开关恒流源和集成稳压器恒流源电路的结构原理及特点。

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2.3.1采用集成运放构成的线性恒流源

电路构成如图2.3.1所示 ,两个运放 (一片 324)构成比较放大环节 , BG1、BG2三极管构成调整环节 , RL 为负载电阻 , RS为取样电阻 , RW为电路提供基准电压。工作原理 :如果由于电源波动使 Uin降低 ,从而使负载电流减小时 ,则取样电压 US必然减小 ,从而使取样电压与基准电压的差值 (US- Uref)必然减小。由于 UIA为反相放大器 ,因此其输出电压

Ub=(R5/R4)×Ua 必然升高 ,从而通过调整环节使 US升高恢复到原来的稳定值 ,保证了 US的电压稳定 ,从而使电流稳定。当 Uin升高时 ,原理与前类同 ,电路通过闭环反馈系统使 US下降到原来的稳定值 ,从而使电流恒定。调整 RW,则改变 Uref,可使电流值在 0～ 4A

之间连续可调。

IL=R2×Uref/[(R2+R3)×RS]

图2.3.1 采用集成运放的线性恒流源

2.3.2采用开关电源的开关恒流源 电路构成如图2.3.2所示。 BG1为开关管 ,BG2为驱动管 , RL 为负载电阻 , RS为取样电

阻 , SG35 24为脉宽调制控制器 , L1、E2、E3、E4为储能元件 , RW提供基准电压 Uref。

图2.3.2采用开关电源的开关恒流源工作原理 :减小开关器件的导通损耗和开关损耗是提高电路效率的关键。为此 ,器件选择饱和压降小、频率特性好的开关三极管和肖特基续流二极管。

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图 2.3.2 采用开关电源的开关恒流源

扼流圈 L1的磁芯上再绕一个附加线圈 ,利用电磁反馈降低开关三极管的饱和压降 ,并采用合理的结构设计 ,使电路的分布参数得到有效的控制。

当电源电压降低或负载电阻 RL 降低时 ,则取样电阻 RS 上的电压也将减少 ,则SG3524的 12、13管脚输出方波的占空比增大 ,从而使 BG1导通时间变长 ,使电压 U0回升到原来的稳定值。 BG1关断后 ,储能元件L1、E2、E3、E4保证负载上的电压不变。当输入电源电压增大或负载电阻值增大引起 U0增大时 ,原理与前类同 ,电路通过闭环反馈系统使

U0下降到原来的稳定值 ,从而达到稳定负载电流 IL 的目的。 2.3.3采用集成稳压器构成的开关恒流源

电路构成如图2.3.3所示。MC7805为三端固定式集成稳压器 ,RL 为负载电阻 ,RW为可调电阻器。

工作原理 :固定式集成稳压器工作在悬浮状态 ,在输出端 2和公共端 3之间接入一电位器 RW,从而形成一固定恒流源。调节RW,可以改变电流的大小 ,其输出电流为 :IL=( Uout/RW) +Iq式中 Iq 为 MC7805的静态电流 ,小于 10m A。当 RW较小即输出电流较大时 ,可以忽略 Iq。当负载电阻 RL 变化时 ,MC7 8 05用改变自身压差来维持通过负载的电流不变。

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