恒流源设计参考方案

一.恒流源概述

恒流源是指在功率范围内,对外输出的电流基本是恒定的。

二.恒流源特点

  • 不因负载(输出电压)变化而改变;
  • 不因环境温度变化而改变;
  • 内阻为无限大 (以使其电流可以全部流出到外面);
  • 能够提供恒定电流的驱动电路即为恒流源驱动电路。

三.恒流源应用

在LED驱动电路中常见恒流源驱动。 由于在电路中给LED供电的电源电压不同, 以及LED正向电压的不同,为了确保LED最佳的性能和长久的工作寿命,就需要一个有效的恒流源驱动电路,而不是传统DC/DC 的恒压控制。通常可采用一个电流检测电阻反馈LED电流来实现其恒流控制,从而使LED的正向电流保持一定。
有时电路中给LED供电的电源是电池,通常一节锂电池的电压是在4.2V到3V之间变化的,如果不用恒流源,只用一个三极管来驱动LED,那么随着电池电压慢慢地降低,流过LED的电流也慢慢地变小,亮度也就会越来越暗。但是如果电路中是用3.3V或者5V供电,即使不用恒流源供电,也不会出现这个问题。

四.恒流源设计

1.稳压管恒流电路

(1) 下图利用稳压二极管的稳压特性设计的一种稳压管恒流电路。
分析:稳压二极管的恒流电路中,三极管Q1的基级电压被限定在稳压二极管工作的稳定电压Uzd下,因此R3电阻的电压等于Uzd减去三极管基级与发射级的导通压降0.7V,即U=Uzd-0.7保持恒定不变,所以流过R3电阻的电流在VCC电源即使可变的条件下也是固定不变,即流过R1负载的电流保持不变,达到恒流的效果。
注意:需要根据自己所需要电流大小,选择合适的采样电阻以及考虑三极管和稳压管的参数(需要考虑三极管的集电极电压和稳压管的稳压值)。集电极电压Ucmax 它是允许加在三极管集电结上的最大反向电压。使用时不能超过这个最大值,否则集电结在过大的反向电压作用下,形成很强的电场,使集电极反向电流急剧增加,严重时会导致三极管的损坏;
(2)下图利用二极管的导通电压为0.6~0.7V这个特性设计的一种二极管恒流电路。
分析:当单片机的GPIO口给高电平时,三极管Q1导通,二极管D1和D2导通(D1和D2导通压降为0.6~0.7V),因此R3电阻的电压等于1.4V(D1和D2压降之和)减去三极管基级与发射级的导通压降0.7V,即U=0.7V保持恒定不变,所以流过R3电阻的电流在VCC电源即使可变的条件下也是固定不变,即流过R1负载的电流保持不变,达到恒流的效果。
注意:需要根据自己所需要电流大小,选择合适的采样电阻和二极管。一般二极管恒流电路相比稳压管恒流电路功耗要偏低。

2.三极管恒流电路

下图利用Q2三极管的基级导通电压为0.6~0.7V这个特性设计的三极管恒流源电路。
分析: 当GPIO口给高电平时,三极管Q1是一个NPN管,就会导通,同时Q2就会导通。当Q2三极管导通,Q1三极管基级电压被拉低而截止,负载R1不工作,Q2没有电流流过,Q2基极电压下拉到地,Q2截止,Q1基极被释放,Q1又重新导通。如此反复循环工作,最终电路中的电流稳定在0.7/R3(忽略Q1与Q2三极管的基级电流),无论电源电压VCC怎么变化,电流一直恒定不变。
注意:R3阻值根据自己需要电流的大小来选取合适的值。

3.运放恒流电路

下图是由运放和三极管组成的恒流源电路,电流可调。用运放设计的恒流源电路引入了反馈,相比三极管式的恒流源,运放式的恒流源有足够的精度和可调性。
分析:利用运放的“虚短”特性,同相电压=反相电压。同时电路中反相输入端又接一电阻R4至地。当在电阻R2输入VIN稳定电源电压时,电阻R4两端的电压也为VIN不变,因此无论外界电路如何变化,流过R4电阻的电流是不变的;同三极管恒流电路原理分析一样,R1负载的电流等于R4电阻的电流,所以即使R1负载的电源为可变电压电源,R1负载的电流也是保持固定不变,达到恒流的效果。
注意:三极管Q1为NPN类型,使用时根据实际电压、电流的要求选择合适的三极管,若功率大需考虑散热的要求,做好散热措施。
虽然,三极管发射极电流与集电极电流近似相等,但实际上,发射极的电流还包含了基极电流。可以看出,运放输出级使用三极管时,输出电流会产生基极电流分量这一误差。如果此时不满足电路精度要求,可将三极管改成MOSFET管。
分析:分析同上,MOSFET管属于压控器件,栅极需要的电流很小。Iout和Is可以非常的接近,相比三极管而言,电流的精度提升了。
注意:运放式的恒流源虽然优点明显,缺点也明显。运放的VIN电源需要用户额外提供。同时需要根据自己的需要选择合适的运放。

4.LDO恒流电路

下图利用LDO输入电流等于输出电流的特性设计的一款恒流源电路。
分析:通过LD0输入电流等于输出电流的特性,使流过负载R1的电流等于流过电阻R2的电流,电流大小为:Iout=V/R2。其中V是稳压芯片的稳压值。(本例中V为3.3V)
注意:可变电源要满足稳压芯片的输入电压范围,否则稳压芯片无法工作。

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