一.恒流源概述
恒流源是指在功率范圍內(nèi),對外輸出的電流基本是恒定的。
二.恒流源特點
不因負載(輸出電壓)變化而改變;
不因環(huán)境溫度變化而改變;
內(nèi)阻為無限大 (以使其電流可以全部流出到外面);
能夠提供恒定電流的驅(qū)動電路即為恒流源驅(qū)動電路。
三.恒流源應(yīng)用
在LED驅(qū)動電路中常見恒流源驅(qū)動。 由于在電路中給LED供電的電源電壓不同, 以及LED正向電壓的不同,為了確保LED最佳的性能和長久的工作壽命,就需要一個有效的恒流源驅(qū)動電路,而不是傳統(tǒng)DC/DC 的恒壓控制。通常可采用一個電流檢測電阻反饋LED電流來實現(xiàn)其恒流控制,從而使LED的正向電流保持一定。
有時電路中給LED供電的電源是電池,通常一節(jié)鋰電池的電壓是在4.2V到3V之間變化的,如果不用恒流源,只用一個三極管來驅(qū)動LED,那么隨著電池電壓慢慢地降低,流過LED的電流也慢慢地變小,亮度也就會越來越暗。但是如果電路中是用3.3V或者5V供電,即使不用恒流源供電,也不會出現(xiàn)這個問題。
四.恒流源設(shè)計
1.穩(wěn)壓管恒流電路
(1) 下圖利用穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性設(shè)計的一種穩(wěn)壓管恒流電路。
分析:穩(wěn)壓二極管的恒流電路中,三極管Q1的基級電壓被限定在穩(wěn)壓二極管工作的穩(wěn)定電壓Uzd下,因此R3電阻的電壓等于Uzd減去三極管基級與發(fā)射級的導(dǎo)通壓降0.7V,即U=Uzd-0.7保持恒定不變,所以流過R3電阻的電流在VCC電源即使可變的條件下也是固定不變,即流過R1負載的電流保持不變,達到恒流的效果。
注意:需要根據(jù)自己所需要電流大小,選擇合適的采樣電阻以及考慮三極管和穩(wěn)壓管的參數(shù)(需要考慮三極管的集電極電壓和穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值)。集電極電壓Ucmax 它是允許加在三極管集電結(jié)上的最大反向電壓。使用時不能超過這個最大值,否則集電結(jié)在過大的反向電壓作用下,形成很強的電場,使集電極反向電流急劇增加,嚴(yán)重時會導(dǎo)致三極管的損壞;
(2)下圖利用二極管的導(dǎo)通電壓為0.6~0.7V這個特性設(shè)計的一種二極管恒流電路。
分析:當(dāng)單片機的GPIO口給高電平時,三極管Q1導(dǎo)通,二極管D1和D2導(dǎo)通(D1和D2導(dǎo)通壓降為0.6~0.7V),因此R3電阻的電壓等于1.4V(D1和D2壓降之和)減去三極管基級與發(fā)射級的導(dǎo)通壓降0.7V,即U=0.7V保持恒定不變,所以流過R3電阻的電流在VCC電源即使可變的條件下也是固定不變,即流過R1負載的電流保持不變,達到恒流的效果。
注意:需要根據(jù)自己所需要電流大小,選擇合適的采樣電阻和二極管。一般二極管恒流電路相比穩(wěn)壓管恒流電路功耗要偏低。
2.三極管恒流電路
下圖利用Q2三極管的基級導(dǎo)通電壓為0.6~0.7V這個特性設(shè)計的三極管恒流源電路。
分析: 當(dāng)GPIO口給高電平時,三極管Q1是一個NPN管,就會導(dǎo)通,同時Q2就會導(dǎo)通。當(dāng)Q2三極管導(dǎo)通,Q1三極管基級電壓被拉低而截止,負載R1不工作,Q2沒有電流流過,Q2基極電壓下拉到地,Q2截止,Q1基極被釋放,Q1又重新導(dǎo)通。如此反復(fù)循環(huán)工作,最終電路中的電流穩(wěn)定在0.7/R3(忽略Q1與Q2三極管的基級電流),無論電源電壓VCC怎么變化,電流一直恒定不變。
注意:R3阻值根據(jù)自己需要電流的大小來選取合適的值。
3.運放恒流電路
下圖是由運放和三極管組成的恒流源電路,電流可調(diào)。用運放設(shè)計的恒流源電路引入了反饋,相比三極管式的恒流源,運放式的恒流源有足夠的精度和可調(diào)性。
分析:利用運放的“虛短”特性,同相電壓=反相電壓。同時電路中反相輸入端又接一電阻R4至地。當(dāng)在電阻R2輸入VIN穩(wěn)定電源電壓時,電阻R4兩端的電壓也為VIN不變,因此無論外界電路如何變化,流過R4電阻的電流是不變的;同三極管恒流電路原理分析一樣,R1負載的電流等于R4電阻的電流,所以即使R1負載的電源為可變電壓電源,R1負載的電流也是保持固定不變,達到恒流的效果。
注意:三極管Q1為NPN類型,使用時根據(jù)實際電壓、電流的要求選擇合適的三極管,若功率大需考慮散熱的要求,做好散熱措施。
雖然,三極管發(fā)射極電流與集電極電流近似相等,但實際上,發(fā)射極的電流還包含了基極電流??梢钥闯?,運放輸出級使用三極管時,輸出電流會產(chǎn)生基極電流分量這一誤差。如果此時不滿足電路精度要求,可將三極管改成MOSFET管。