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用于檢測(cè)熱繼電器、塑殼斷路器、小型短路器及需要設(shè)定額定電流、動(dòng)作電流、短路保護(hù)電流等生產(chǎn)場(chǎng)合。

最簡(jiǎn)單的恒流源

最簡(jiǎn)單的恒流源就是用一只恒流二極管。實(shí)際上,恒流二極管的應(yīng)用是比較少的,除了因?yàn)楹懔鞫�極管的恒流特性并不是非常好之外,電流規(guī)格比較少,價(jià)格比較貴也是重要原因。 最常用的簡(jiǎn)易恒流源用兩只同型三極管,利用三極管相對(duì)穩(wěn)定的be電壓作為基準(zhǔn),

電流數(shù)值為:I = Vbe/R1。

這種恒流源優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行,而且電流的數(shù)值可以自由控制,也沒(méi)有使用特殊的元件,有利于降低產(chǎn)品的成本。缺點(diǎn)是不同型號(hào)的管子,其be電壓不是一個(gè)固定值,即使是相同型號(hào),也有一定的個(gè)體差異。同時(shí)不同的工作電流下,這個(gè)電壓也會(huì)有一定的波動(dòng)。因此不適合精密的恒流需求。

為了能夠精確輸出電流,通常使用一個(gè)運(yùn)放作為反饋,同時(shí)使用場(chǎng)效應(yīng)管避免三極管的be電流導(dǎo)致的誤差。如果電流不需要特別精確,其中的場(chǎng)效應(yīng)管也可以用三極管代替。

這個(gè)電路可以認(rèn)為是恒流源的標(biāo)準(zhǔn)電路,除了足夠的精度和可調(diào)性之外,使用的元件也都是很普遍的,易于搭建和調(diào)試。只不過(guò)其中的Vin還需要用戶額外提供。

從以上兩個(gè)電路可以看出,恒流源有個(gè)定式,就是利用一個(gè)電壓基準(zhǔn),在電阻上形成固定電流。有了這個(gè)定式,恒流源的搭建就可以擴(kuò)展到所有可以提供這個(gè)"電壓基準(zhǔn)"的器件上。

最簡(jiǎn)單的電壓基準(zhǔn)

最簡(jiǎn)單的電壓基準(zhǔn),就是穩(wěn)壓二極管,利用穩(wěn)壓二極管和一只三極管,可以搭建一個(gè)更簡(jiǎn)易的恒流源。

電流計(jì)算公式為:I = (Vd-Vbe)/R1

TL431

TL431是另外一個(gè)常用的電壓基準(zhǔn),利用TL431搭建的恒流源,其中的三極管替換為場(chǎng)效應(yīng)管可以得到更好的精度。

TL431的其他信息請(qǐng)參考《TL431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖》和《TL431的幾種基本用法》

電流計(jì)算公式為:I = 2.5/R1

三端穩(wěn)壓

事實(shí)上,所有的三端穩(wěn)壓,都是很不錯(cuò)的電壓源,而且三端穩(wěn)壓的精度已經(jīng)很高,需要的維持電流也很小。利用三端穩(wěn)壓構(gòu)成恒流源,也有非常好的性價(jià)比。

這種結(jié)構(gòu)的恒流源,不適合太小的電流,因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候,三端穩(wěn)壓自身的維持電流會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。

電流計(jì)算公式為:I = V/R1,其中V是三端穩(wěn)壓的穩(wěn)壓數(shù)值。

實(shí)際的電路中,有一些特殊的結(jié)構(gòu),也可以提供很好的恒流特性,最典型的就是一個(gè)很高的電壓通過(guò)一個(gè)電阻在一個(gè)低壓設(shè)備上形成電流,這個(gè)恒流源的精度,取決于高壓的精確度和低壓設(shè)備本身導(dǎo)致的電壓波動(dòng)。在一些開(kāi)關(guān)電源電路中,這個(gè)結(jié)構(gòu)用來(lái)給三極管提供偏置電流。

電流計(jì)算公式為: I = Vin/R1

值得一提的是,以上這些恒流源并不都適合安培以上級(jí)別的恒流應(yīng)用,因?yàn)殡娮枭厦嫣�大的電流�?huì)導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。

可以通過(guò)使用更小的電阻來(lái)降低這個(gè)熱量,不過(guò)在單電源供電模式下,多數(shù)運(yùn)放都不能有效檢測(cè)和輸出接近地或者Vcc的電壓,因此必須使用特殊的器件才能達(dá)到要求。有個(gè)簡(jiǎn)單的辦法是通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓器件(穩(wěn)壓管,或者TL431等)偏置電阻上面的電壓,使得這個(gè)電壓進(jìn)入運(yùn)放的檢測(cè)范圍。

恒流源的實(shí)質(zhì)

恒流源的實(shí)質(zhì)是利用器件對(duì)電流進(jìn)行反饋,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài),從而使得電流趨于恒定。只要能夠得到電流,就可以有效形成反饋,從而建立恒流源。

能夠進(jìn)行電流反饋的器件,還有電流互感器,或者利用霍爾元件對(duì)電流回路上某些器件的磁場(chǎng)進(jìn)行反饋,也可以利用回路上的發(fā)光器件(例如光電耦合器,發(fā)光管等)進(jìn)行反饋。這些方式都能夠構(gòu)成有效的恒流源,而且更適合大電流等特殊場(chǎng)合,不過(guò)因?yàn)檫@些實(shí)現(xiàn)形式的電路都比較復(fù)雜,這里就不一一介紹了。

恒流源是輸出電流保持恒定的電流源,而理想的恒流源應(yīng)該具有以下特點(diǎn):

a、不因負(fù)載(輸出電壓)變化而改變;

b、不因環(huán)境溫度變化而改變;

c、內(nèi)阻為無(wú)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電路即為恒流源電路,又稱為電流反射鏡電路。

基本原理

基本的恒流源電路主要是由輸入級(jí)和輸出級(jí)構(gòu)成,輸入級(jí)提供參考電流,輸出級(jí)輸出需要的恒定電流。

①構(gòu)成恒流源電路的基本原則:

恒流源電路就是要能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的電流以保證其它電路穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。即要求恒流源電路輸出恒定電流,因此作為輸出級(jí)的器件應(yīng)該是具有飽和輸出電流的伏安特性。這可以采用工作于輸出電流飽和狀態(tài)的BJT 或者mosfet來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了保證輸出晶體管的電流穩(wěn)定,就必須要滿足兩個(gè)條件:a)其輸入電壓要穩(wěn)定——輸入級(jí)需要是恒壓源;b)輸出晶體管的輸出電阻盡量大(最好是無(wú)窮大)——輸出級(jí)需要是恒流源。

②對(duì)于輸入級(jí)器件的要求:

因?yàn)檩斎爰?jí)需要是恒壓源,所以可以采用具有電壓飽和伏安特性的器件來(lái)作為輸入級(jí)。一般的pn結(jié)二極管就具有這種特性——指數(shù)式上升的伏安特性;另外,把增強(qiáng)型MOSFET的源-漏極短接所構(gòu)成的二極管,也具有類似的伏安特性——拋物線式上升的伏安特性。

在IC中采用二極管作為輸入級(jí)器件時(shí),一般都是利用三極管進(jìn)行適當(dāng)連接而成的集成二極管,因?yàn)檫@種二極管既能夠適應(yīng)IC工藝,又具有其特殊的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于這些三極管,要求它具有一定的放大性能,這才能使得其對(duì)應(yīng)的二極管具有較好的恒壓性能。

③對(duì)于輸出級(jí)器件的要求:

如果采用BJT,為了使其輸出電阻增大,就需要設(shè)法減小Evarly效應(yīng)(基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)),即要盡量提高Early電壓。

如果采用MOSFET,為了使其輸出電阻增大,就需要設(shè)法減小其溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)和襯偏效應(yīng)。因此,這里一般是選用長(zhǎng)溝道MOSFET ,而不用短溝道器件。

上右圖是用BJT構(gòu)成的一種基本恒流源電路。其中T2是輸出恒定電流的晶體管,晶體管T1就是一個(gè)給T2提供穩(wěn)定基極電壓的發(fā)射結(jié)二極管。當(dāng)然,T1的電流放大系數(shù)越大、跨導(dǎo)越高,則其恒壓性能也就越好。同時(shí),為了輸出電流恒定(即提高輸出交流電阻),自然還需要盡量減小T2的基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)(即Early效應(yīng))。另外,如果采用兩個(gè)基極相連接的p-n-p晶體管來(lái)構(gòu)成恒流源的話,那么在ic芯片中這兩個(gè)晶體管可以放置在同一個(gè)隔離區(qū)內(nèi),這將有利于減小芯片面積,但是為了獲得較好的輸出電流恒定的性能,即需要特別注意增大橫向p-n-p晶體管的電流放大系數(shù)。

一方面,在二極管恒壓源(T1)的作用下,它的后面可以連接多個(gè)輸出支路(與T2并聯(lián)的多個(gè)晶體管),從而能夠獲得多個(gè)穩(wěn)定的輸出電流。

另一方面,在T1和T2的源極(發(fā)射極)上還可以分別串聯(lián)一個(gè)電阻(設(shè)分別為R1和R2),這就能夠得到不同大小的恒定輸出電流。因?yàn)檫@時(shí)可有I(輸出)/I(參考)=R1/R2,則在這種恒流源電路中,輸出的恒定電流基本上是決定于電阻以及晶體管放大系數(shù)的比值,而與電阻和放大系數(shù)的絕對(duì)大小關(guān)系不大。這種性質(zhì)正好適應(yīng)了集成電路制造工藝的特點(diǎn),所以這種恒流源電路是模擬IC中的一種基本電路。

恒流源電路如圖1所示。圖中A是高精度運(yùn)放,Q1、Q2是功率MOSFET,負(fù)載為感性。由NE555P構(gòu)成脈位調(diào)制器,工作于無(wú)穩(wěn)態(tài)方式,其振蕩頻率受⑤腳輸入的信號(hào)調(diào)制�？刂贫刷菽_加入調(diào)制信號(hào)VΩ(該端允許外加0~EC的電壓),使定時(shí)器的閾值電平Vth1和觸發(fā)電平Vth2均隨VΩ而變,即:

因而定時(shí)器電容C2的充電時(shí)間和放電時(shí)間均受調(diào)制信號(hào)VΩ的控制;③腳輸出正脈沖的位置及脈沖寬度將隨調(diào)制信號(hào)VΩ的變化而變化,實(shí)現(xiàn)脈沖的位置及寬度的雙重調(diào)制。

工作原理

控制電壓Vi經(jīng)R1、R2分壓后加到運(yùn)放A的輸入端,運(yùn)放的輸出信號(hào)作為NE555P的調(diào)制信號(hào)。

NE555P③腳輸出的PWM信號(hào)控制Q1,驅(qū)動(dòng)Q1、Q2交替工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài);Q1的工作頻率和占空比等于NE555P③腳輸出電壓信號(hào)的頻率和占空比。Q2導(dǎo)通時(shí),D處于截止?fàn)顟B(tài),直流電壓EC加在D的兩端,經(jīng)LC濾波后對(duì)負(fù)載供電;Q2截止時(shí),輸入電壓為0,D在回路電感的作用下導(dǎo)通,構(gòu)成續(xù)流回路,D還可以削弱輸出信號(hào)電壓從高電平跳變到低電平時(shí)在感性負(fù)載兩端產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。RS為取樣電阻。所以,控制電壓經(jīng)運(yùn)放后,控制脈位調(diào)制器輸出脈沖信號(hào)的占空比,改變Q1、Q2的開(kāi)關(guān)時(shí)間,從而控制輸出電流的大小。

由恒流源電路,根據(jù)運(yùn)放的特性知:

取RS=1Ω,R1=24k,R2=16k時(shí),得I0=0.4Vi.當(dāng)輸入電壓Vi從0~5V變化時(shí),輸出電流I0將在0~2A變化。由此可見(jiàn),輸出電流主要由R1、R2和RS決定,與負(fù)載大小無(wú)關(guān)。

試驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試恒流源的性能,筆者對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。電源選用直流12V2A的高精度穩(wěn)壓電源,在元件選擇上,A選用高精度運(yùn)放,電阻選用千分之一精度的精密電阻器,取樣電阻選用溫度穩(wěn)定性好的無(wú)感線繞電阻,實(shí)驗(yàn)采用的負(fù)載為感性,其電感量為180mH、靜態(tài)電阻為4Ω,MOSFET的參數(shù)見(jiàn)MOSFET的參數(shù).

輸出電流與輸入電壓的關(guān)系

當(dāng)RS=1Ω,R1=24k,R2=16k,輸入電壓Vi從0~5V變化時(shí),理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量的輸出電流I0隨輸入電壓Vi的變化關(guān)系如圖2(吻合),輸出電流與輸入電壓成線性關(guān)系。

取樣電阻與輸出電流的關(guān)系

當(dāng)R1=24k,R2=16k,輸入電壓Vi為5V時(shí),測(cè)得取樣電阻與輸出電流的關(guān)系如圖3.取樣電阻越小,輸出電流越大,電阻的功耗也相應(yīng)增大;反之亦然。與理論計(jì)算基本相吻合。

其他性能的測(cè)量

測(cè)得恒流源輸出電流與PWM信號(hào)占空比成線性關(guān)系,占空比越大,輸出電流越大;紋波電流<3mA;負(fù)載調(diào)整率<1%.

結(jié)論
選擇適當(dāng)元件參數(shù),當(dāng)控制電壓從0~5V變化時(shí),該恒流源電路的輸出電流I0將在0~+2A范圍內(nèi)連續(xù)變化;電源的效率高,線性度好,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全(輸出電壓<12V)、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。此恒流源可作為磁流變阻尼器的驅(qū)動(dòng)電源,也可應(yīng)用于其他領(lǐng)域。