幾種恒流電路的分析和應用

恒流電路在硬件電路設計中應用十分廣泛，例如用于可變電阻的阻值檢測，LED恒流驅動等。恒流電路分為電流源和電流井，顧名思義就是根據電流的流向不同劃分的，實質上也可以認為是根據恒流電路與負載的共電位關系劃分。根據大家的習慣，電流井電路是比較容易分析的，但是因為電流井通常把采樣和限流電路放在靠近地的一側，導致恒流電路與負載不能共地，從而限制了應用范圍。恒流電路的基本原理是將負載，調整電路，采樣電阻三個基本元件串聯在電壓源上，根據采樣電阻上的電壓或電流，改變調整電路的阻抗，從而改變整個串聯回路的電流，以實現恒流控制的目的。本文給出兩種簡單的電流源電流，并分析恒流產生的原理及應用場景。

1.基于三極管的恒流電路。

三極管電流井電路

圖中Rload為負載，Rs為采樣電阻，三極管作為調整電路。三極管基極到GND之間串聯了兩個二極管，用于產生參考電壓。假設二極管正向壓降為Vf，那么電流從VCC通過Rc流過兩個二極管，在三極管基極產生了2*Vf的電壓，由于三極管放大倍數較大，忽略通過三極管基極流向發射極的電流。

假設三極管基射結壓降與二極管正向壓降相等，也是Vf，那么三極管發射極電壓應該是一倍的Vf，1倍的Vf作用在采樣電阻Rs上，產生的電流為Vf/Rs，該表達式即為三極管恒流電路的恒流表達式。應用時可以根據恒流值的需求設置Rs，即可得到相應的恒定電流。當然也可以通過將兩個二極管替換為一個反向的穩壓二極管，同樣可以產生參考電壓。

考慮到大家都比較擅長分析NPN三極管電路，上圖首先使用NPN三極管實現電流井。但電流井電路與負載的連接關系是共VCC而不是共地，因此限制了該電路的應用。我們可以把同樣的連接方法應用于PNP三極管，即可實現電流源恒流電路。

三極管電流源電路

三極管電流源電路與負載共地，分析方法與電流井電路類似，都是使用三極管的電壓跟隨器接法，在發射極的采樣電阻上產生固定的參考電壓，從而實現恒流。

該系列電路利用二極管三極管的壓降非線性特性，通過電壓跟隨器的結構向采樣電阻上施加參考電壓，從而產生恒定電流。由于二極管的正向壓降與三極管的基射結壓降均不是理想的恒定壓降，壓降值存在一定的波動范圍，而且會受到溫度的影響，因此該方法實現的電流源精度較低，電流會根據負載及溫度的變化產生一定的波動。該電路通常應用于LED或光耦的驅動。

2. 基于穩壓芯片的恒流電路

如果你覺得三極管恒流電路需要的器件太多了，那么接下來的電路應該是你想要的了。這個圖我第一次是在電子設計大賽的一個指導書里看到的。僅需要兩個器件即可實現電流源。

基于穩壓芯片的電流源電路

該電路搭建僅需要2個器件，算上負載正好是文章開頭提到的恒流電路三要素：調整電路，采樣電阻，負載。LM317是一個可變輸出的集成三端穩壓器，配合一個電阻就可以實現恒流輸出。該芯片反饋端口ADJ與輸出端口之間有1.25V基準壓差，當壓差不足時穩壓芯片會提高輸出電壓，從而增大負載回路的電流，直到Rs上產生足夠的1.25V壓差為止。也可以認為穩壓芯片將這個壓差施加到采樣電阻Rs上就可以得到一個恒定電流。考慮到ADJ端流入的電流較小，可以忽略不計，因此Rs上的電流與Rload的電流基本相等。如果需要可調電流源，那么可以將Rs換成電位器，通過調節電位器的阻值就可以調節電流值。該電路的電流表達式為Vref/Rs，其中Vref=1.25V。如果使用其他可調穩壓芯片，只需要將替代芯片的Vref替換到公式中即可。

LM317最大的封裝是TO-220在滿足散熱的條件下可以達到1.5A輸出電流，這個電流基本可以滿足大部分應用需求。最小封裝為TO-92，配合一個電阻就可以實現恒流，電路面積很小。這個電路可以用于照明LED的驅動，當然穩壓芯片的散熱是需要仔細處理的，畢竟線性穩壓器是將多余的功率全部耗散在自己身上的。LM317的輸出誤差典型值為0.5%，在滿足精度需求的前提下也可以用于產生參考電流源輸入到變電阻的傳感器元件中，例如旋鈕電位器，NTC熱敏電阻。通常建議對與輸入參數呈現一次函數關系的電阻型傳感器應用參考電流源，這樣得到而電壓就是與輸入參數呈現一次函數，便于后續的采樣處理。

如果需要相似結構的電流井，可以使用負壓的可調三端穩壓芯片LM337。不過據我觀察，有電流源的時候很少有人再去尋求電流井，大家比較習慣與負載共地的電路分析。

接下來還有一些基于運放的電流源設計方法以及大功率開關模式電流源的設計與分析，將會在接下來的文章中發出。

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