电源技术：恒流源电路

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1、恒流源电路恒流源电路概述n 恒流源是能够向负载提供恒定电流的电恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源源,因此恒流源的应用范围非常广泛因此恒流源的应用范围非常广泛,并且并且在许多情况下是必不可少的。例如在用通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常的充电器对蓄电池充电时,随着蓄电池端随着蓄电池端电压的逐渐升高电压的逐渐升高,充电电流就会相应减少。充电电流就会相应减少。为了保证恒流充电为了保证恒流充电,必须随时提高充电器的必须随时提高充电器的输出电压输出电压,但采用恒流源充电后就可以不必但采用恒流源充电后就可以不必调整其输出电压调整其输出电压,从而使劳动强度降低从而使劳动强度降

2、低,生生产效率得到了提高。恒流源还被广泛用于产效率得到了提高。恒流源还被广泛用于测量电路中测量电路中,例如电阻器阻值的测量和分级例如电阻器阻值的测量和分级,电缆电阻的测量等电缆电阻的测量等,且电流越稳定且电流越稳定,测量就测量就越准确。越准确。恒流源分为流出恒流源分为流出(Current Source)和流入和流入(Current Sink)两种形式两种形式。n 恒流源是输出电流保持不变的电流源，而恒流源是输出电流保持不变的电流源，而理想的理想的恒流源恒流源为：为：a)a)不因负载不因负载(输出电压输出电压)变化而改变。变化而改变。b)b)不因环境温度变化而改变。不因环境温度变化而改变。c)c

3、)内阻为无限大。内阻为无限大。n 理想恒流源理想恒流源 实际恒流源实际恒流源n理想的恒流源，其内阻为无限大，使其电流可以全部流出理想的恒流源，其内阻为无限大，使其电流可以全部流出外面。实际的恒流源皆有内阻外面。实际的恒流源皆有内阻R R。恒流源电路恒流源电路恒流源的特点：恒流源的特点：动态等效电阻很大，理想时可达动态等效电阻很大，理想时可达。直流压降较低，理想时可为直流压降较低，理想时可为0。u基本恒流源电路基本恒流源电路-UEETReRb1Rb2负载负载IOrO由于由于Re的负反馈作用，集电极电流的负反馈作用，集电极电流IO可基本保持恒定。可基本保持恒定。+Rb2beibrbecibic-r

4、orceRb1ReU UI I微变等微变等效电路效电路利用恒流源电路的微变等效电路可计算其动态电阻利用恒流源电路的微变等效电路可计算其动态电阻ro。)/1(21bbebeeceoRRRrRrr 若：若：=50，rce=200k，rbe=1k ，Rb1=Rb2=5k ，则：，则：r0=6M 若若rce开路开路，则，则，ro=?在实际电路中，为在实际电路中，为进一步提高进一步提高ro，可用稳，可用稳压管压管DW代替代替Rb1。DWeBEBEoRUUII恒流源电路恒流源电路u镜像恒流源电路镜像恒流源电路 在集成电路中，为了便于集成化与减少温度对晶体管参数在集成电路中，为了便于集成化与减少温度对晶体管

5、参数的影响，常采用镜像恒流源电路。的影响，常采用镜像恒流源电路。+UCCT2RIB2IOT1IB1IRIC12IB特点特点：（1）T1管接成二极管形式，与电阻管接成二极管形式，与电阻R一起为电路提供一起为电路提供基准电流基准电流IR。（2）T2的集电极产生的集电极产生恒定电流恒定电流IO。（3）T1与与T2参数对称参数对称。根据镜像恒流源的电路结构，有：根据镜像恒流源的电路结构，有：IR=IC1+2IB=IC1（1+2/）所以：所以：又，又，IR=（UCC-UBE1）/R所以当所以当2，UCCUBE1时，有：时，有：IOIRUCC/R结论结论：输出电流不受温度影响，：输出电流不受温度影响，可作

6、基准电流使用。可作基准电流使用。物电物电流流像电像电流流为什么称为什么称镜像电流镜像电流源源？恒流源电路恒流源电路u微电流恒流源电路微电流恒流源电路 为了尽可能降低放大电路的功耗、提高对电源电为了尽可能降低放大电路的功耗、提高对电源电压及温度变化的稳定性，在集成电路中常采用压及温度变化的稳定性，在集成电路中常采用微电流微电流恒流源恒流源电路作为放大电路的直流偏置电路。电路作为放大电路的直流偏置电路。IO+UCCT2RT1IRIC1Re结构特点结构特点：（1）电阻电阻Re引入电流负反馈，使输出电流引入电流负反馈，使输出电流进一步稳定进一步稳定。（2）由于由于UBE2UBE1，所以，所以IOIR。

7、恒流源电路恒流源电路u有源负载电路有源负载电路 为了提高放大电路的性能及便于集成化，在集成电路中常为了提高放大电路的性能及便于集成化，在集成电路中常用恒流源代替放大电路的负载电阻，称其为用恒流源代替放大电路的负载电阻，称其为有源负载有源负载。+UCCT2RIc2T1IRuiu0-UEE代替电阻代替电阻RC+UCCT2RIc2T1uiu0-UEE代替电阻代替电阻RE+UCCT2Ic2T1uiu0-UEEIc1代替电阻代替电阻RC代替电阻代替电阻RE三极管的恒流特性三极管的恒流特性：n从三极管特性曲线可见，工作区内的从三极管特性曲线可见，工作区内的IC受受IB影响，而影响，而VCE对对IC的影响很

8、微。的影响很微。因此，只要因此，只要IB值固定，值固定，IC亦都可以固定。亦都可以固定。输出电流输出电流IO即是流经负载的即是流经负载的IC。从左边看起从左边看起:基极偏压基极偏压 V VE E=V=VB B-0.6=1.0V0.6=1.0V又因为射极电阻是又因为射极电阻是1K,1K,流经射极电阻的电流是流经射极电阻的电流是 所以流经负载的电流就就是稳定的所以流经负载的电流就就是稳定的1 1mA 利用稳压二极管提供基极偏压利用稳压二极管提供基极偏压5.6V5.6V V VE E=V=VB B-0.6=0.5V0.6=0.5V 流经负载流经负载loadload的电流的电流n用两只同型三极管，利用

9、三极管相对稳定的用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的be电压作为基电压作为基准，电流数值为：准，电流数值为：I=Vbe/R1。缺点缺点是不同型号的管子，其是不同型号的管子，其be电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。波动。因此不适合精密的恒流需求。电压电压电流转换电路电流转换电路由于电路引入负反馈，由于电路引入负反馈，u uN N=u uP P=0,=0,负载电流负载电流i iL L=i iI I=u u

10、i i/R/R，i iL L与与u ui i 成线性关系成线性关系由于电路中负载电阻由于电路中负载电阻没有接地点，因而不没有接地点，因而不适应于某些应用场合。适应于某些应用场合。实用的电路实用的电路nA1构成同相求和运算电构成同相求和运算电路，路，A2A2构成电压跟随器，构成电压跟随器，其中其中R1=R2=R3=R4=Rnu02=up2 up1=R4*uI/(R3+R4)+R3*up2/(R3+R4)=0.5uI+0.5up2-(a)u01=(1+R2/R1)up1=2up1uo1=up2+uI,R0 uR0=u01-up2=uI i0=uI/R0 n电流计算公式为电流计算公式为：I=Vin/

11、R1nTL431是一个常用的电压基准，利用是一个常用的电压基准，利用TL431TL431搭建的恒流源如下图所示，其中的三极管搭建的恒流源如下图所示，其中的三极管替换为场效应管可以得到更好的精度。替换为场效应管可以得到更好的精度。利用三端稳压构成恒流源，也有非常好的性价比，利用三端稳压构成恒流源，也有非常好的性价比，如下图所示。这种结构的恒流源，如下图所示。这种结构的恒流源，不适合太小的电流不适合太小的电流，因，因为这个时候，三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。为这个时候，三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。电流计算公式为：电流计算公式为：I=VI=V*/R/RW W +I +Id d，

12、其中，其中V V*是三端稳是三端稳压的稳压数值压的稳压数值,I,Id d 是稳压器的静态电流（约是稳压器的静态电流（约3-8mA3-8mA）。）。（Rw=Rw=固定值固定值+可调值）可调值）测温器件测温器件AD590AD590测温范围测温范围 -50-+150 工作电压工作电压 +4V-+30V额定温度系数额定温度系数 1.0uA/K额定电流额定电流 298.2 uA（+25 ）激光微调到激光微调到0.5C校准精度校准精度(AD590M)良好的线性：良好的线性：0.3C覆盖全量程覆盖全量程(AD590M)nAD590AD590的输出电流值说明如下：的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零

13、度其输出电流是以绝对温度零度（-273-273）为基准，每增加）为基准，每增加11，它，它会增加会增加1A1A输出电流，因此在室温输出电流，因此在室温2525时，其输出电流时，其输出电流IoutIout=（273+25273+25）=298A=298A。VoVo的值为的值为IoIo乘上乘上10K,10K,以室以室温温2525而言而言,输出值为输出值为 Vo=2.98V(10KVo=2.98V(10K298A)298A)。n测量测量输出信号输出信号VoVo时时,不可分出任何电不可分出任何电流流,否则量测值会不准。否则量测值会不准。AD590的的基本接法基本接法n电路分析电路分析1）AD590AD

14、590的输出电流的输出电流I=(273+T)A(TI=(273+T)A(T为摄氏温度为摄氏温度),),因此量测的电压因此量测的电压V V为为(273+T)A(273+T)A 10K =10K =(2.73+T/100)V(2.73+T/100)V。为了将电压。为了将电压量测出来又须使输出电流量测出来又须使输出电流I I不不分流分流,使用电压追随器其输出使用电压追随器其输出电压电压V V2 2等于输入电压等于输入电压V V。2 2）由于一般电源供应经过较多由于一般电源供应经过较多元件之后元件之后,电源是带噪声的电源是带噪声的,因因此我们使用齐纳二极管作为稳此我们使用齐纳二极管作为稳压器件压器件,

15、再利用可变电阻分压再利用可变电阻分压,其输出电压其输出电压V1V1需调整至需调整至2.73V2.73V。3 3）使用差动放大器其输出使用差动放大器其输出VoVo为为 (100K/10K)(100K/10K)(V2-V1)=T/10 V(V2-V1)=T/10 V，如果现在为摄氏如果现在为摄氏2828度度,输出电输出电压为压为2.80V2.80V。摄氏温度检测电路摄氏温度检测电路利用利用AD590和差分电路实现摄氏温度测量和差分电路实现摄氏温度测量LM334LM334REF200 REF200 电流源电流源镜像电流源镜像电流源nT1、T2特性完全相同特性完全相同 Ube1=Uce1-T1 处于放

16、大状态处于放大状态 IC1=Ib IR=(Ucc-Ube1)/R=Ic1+2Ib =Ic1+2Ic1/所以所以 Ic1=IR/(+2)当当 2 时时 I0=Ic2 IR=(Ucc-Ube1)/R50uA50uA200uA/300uA/400uA200uA/300uA/400uA恒流二极管恒流二极管 恒流二极管是近年来问世的半导恒流二极管是近年来问世的半导体恒流器件，在很宽的电压范围内输体恒流器件，在很宽的电压范围内输出恒定的电流，并具有很高的动态阻出恒定的电流，并具有很高的动态阻抗。由于它的恒流性能好、价格较低、抗。由于它的恒流性能好、价格较低、使用简便，因此目前已被广泛用于恒使用简便，因此目

17、前已被广泛用于恒流源、稳压源、放大器以及电子仪器流源、稳压源、放大器以及电子仪器的保护电路中。的保护电路中。恒流二极管的性能特点恒流二极管的性能特点n 恒流二极管（恒流二极管（CRDCRD）属于两端结型场效应恒流器件。）属于两端结型场效应恒流器件。其电路符号和伏安特性如图所示。恒流二极管在正向工作其电路符号和伏安特性如图所示。恒流二极管在正向工作时存在一个恒流区，在此区域内时存在一个恒流区，在此区域内I IH H不随不随V VI I而变化；其反向而变化；其反向工作特性则与普通二极管的正向特性有相似之处。恒流二工作特性则与普通二极管的正向特性有相似之处。恒流二极管的外形与极管的外形与3DG63D

18、G6型晶体管相似，但它只有两个引线，近型晶体管相似，但它只有两个引线，近管壳突起的引线为正极。管壳突起的引线为正极。n恒流二极管的主要参数有恒流二极管的主要参数有：恒定电流（恒定电流（I IH H），起始电压（饱和电压，），起始电压（饱和电压，V VS S），），正向击穿电压（正向击穿电压（V V(BO(BO)），动态阻抗（），动态阻抗（Z Z H H），电流温），电流温度系数（度系数（T T，单位温度变化引起恒定电流相对变化，单位温度变化引起恒定电流相对变化的百分比）。的百分比）。恒定电流一般为恒定电流一般为 0.20.26mA6mA；起始电压表示管子；起始电压表示管子进入恒流区所需要的最小

19、电压；恒流二极管的正向进入恒流区所需要的最小电压；恒流二极管的正向击穿电压通常为击穿电压通常为3030100V100V；动态阻抗的定义是工作；动态阻抗的定义是工作电压变化量与恒定电流值变化量之比，对恒流管的电压变化量与恒定电流值变化量之比，对恒流管的要求是要求是Z ZH H 愈大愈好，当愈大愈好，当I IH H较小时较小时Z ZH H 可达数兆欧，可达数兆欧，I I H H较大时较大时Z Z H H降至数百千欧。电流温度系数由下式确定：降至数百千欧。电流温度系数由下式确定：T T=(=(I IH H/I/IH H)/)/TT*100%100%式中的式中的I I H H、T T分别代表恒定电流的

20、变化量分别代表恒定电流的变化量与温度变化量。与温度变化量。n 需要指出，恒流二极管的需要指出，恒流二极管的T T可以为正值，也可以可以为正值，也可以是负值，视是负值，视I IH H 值而定。一般讲，当值而定。一般讲，当I IH H 0.6mA0.6mA 时，时，T T 0 0；当；当I IH H0.6mA0.6mA时，时，T T0 0。因此，。因此，I I H H0.6mA0.6mA的恒流管具有的恒流管具有正的正的电流温度系数，电流温度系数，I I H H0.6mA0.6mA的管子的管子则具有则具有负的负的电流温度系数。假如某些管子的电流温度系数。假如某些管子的I IH H值略低值略低于于0.

21、6mA0.6mA，那么其，那么其T T值伴随值伴随I I的变化既可为正，又可的变化既可为正，又可为负，通常就用绝对值表示。为负，通常就用绝对值表示。T T的单位是的单位是。n 恒流二极管在零偏置下的结电容近似为恒流二极管在零偏置下的结电容近似为10pF10pF，进人恒流区后降至进人恒流区后降至3 35pF5pF，其频率响应大致为，其频率响应大致为0 0500kHz500kHz。当工作频率过高时，由于结电容的容抗迅。当工作频率过高时，由于结电容的容抗迅速减小，动态阻抗就降低，导致恒流特性变差。速减小，动态阻抗就降低，导致恒流特性变差。n 常用的国产恒流二极管有常用的国产恒流二极管有2DH2DH系

22、列，它分为系列，它分为2DH02DH0、2DH002DH00、2DH1002DH100、2DH0002DH000四个子系列。四个子系列。测量时需注意以下事项：（1 1）测量恒流二极管时）测量恒流二极管时极性不得接反极性不得接反，否则起不，否则起不到恒流作用，并且还容易烧毁管子。到恒流作用，并且还容易烧毁管子。（2 2）由恒流二极管组成电路时，必须使）由恒流二极管组成电路时，必须使R RL L ZZH H，否则恒流特性无法保证。否则恒流特性无法保证。（3 3）恒流二极管的正向击穿电压）恒流二极管的正向击穿电压V V(BO)(BO)一般为一般为3030100V100V。利用兆欧表与直流电压表能够测

23、量。利用兆欧表与直流电压表能够测量V V(BO)(BO)值。具体方法是将恒流二极管的正、负极分别接兆值。具体方法是将恒流二极管的正、负极分别接兆欧表的欧表的E E、L L 接线柱。然后按额定转速摇动兆欧表的接线柱。然后按额定转速摇动兆欧表的手柄，使恒流二极管处于正向软击穿状态，借助于手柄，使恒流二极管处于正向软击穿状态，借助于直流电压表即可读出直流电压表即可读出V V(BO)(BO)值。兆欧表的输出电压虽值。兆欧表的输出电压虽然可达几百至几千伏，但其内阻很高，因此输出电然可达几百至几千伏，但其内阻很高，因此输出电流很小，不会损坏管子。一旦被测管子正向击穿，流很小，不会损坏管子。一旦被测管子正向

24、击穿，兆欧表的输出电压就被钳位于击穿电压上。测量时兆欧表的输出电压就被钳位于击穿电压上。测量时管子极性亦不得接反。管子极性亦不得接反。恒流管的应用恒流管的应用 扩展电流或电压的方法扩展电流或电压的方法（1 1）利用并联法扩流、串联法升压）利用并联法扩流、串联法升压 n使用一只恒流二极管只能提供几毫安的恒定电流，若将几使用一只恒流二极管只能提供几毫安的恒定电流，若将几只只恒流管并联使用恒流管并联使用，则可以扩大输出电流。例如，则可以扩大输出电流。例如2DH5C2DH5C型恒流管的型恒流管的I IH H=5mA=5mA，两只管子并联后为，两只管子并联后为10mA10mA，电流扩展，电流扩展了一倍。

25、需要指出，将几只恒流二极管并联使用时，恒流了一倍。需要指出，将几只恒流二极管并联使用时，恒流源的源的起始电压起始电压等于这些管子中的等于这些管子中的最大值最大值，而，而正向击穿电压正向击穿电压则等于这些管子中的则等于这些管子中的最小值最小值。此外，在扩展电流的同时，。此外，在扩展电流的同时，恒流源的动态阻抗将变小。恒流源的动态阻抗将变小。n利用利用串联法可以提升电压串联法可以提升电压 例如，将几只性能相同的恒流二极管串联使用，可将耐例如，将几只性能相同的恒流二极管串联使用，可将耐压值提高到压值提高到100V100V以上。假如每只管子的恒流值不等，那么恒以上。假如每只管子的恒流值不等，那么恒流值

26、较小的管子将首先进人恒流状态。必要时可给流值较小的管子将首先进人恒流状态。必要时可给I IH H值较小值较小的管子并联一只分流电阻，使各管子同时进入恒流状态。的管子并联一只分流电阻，使各管子同时进入恒流状态。n（2 2）扩流及升压电路分别如下图扩流及升压电路分别如下图 （a）（）（b）所示。所示。图图(a)(a)是由晶体管是由晶体管90139013和恒流二极管构成的扩流电路。设恒和恒流二极管构成的扩流电路。设恒流管的恒定电流为流管的恒定电流为I IH H；90139013的共发射极电流放大系数为的共发射极电流放大系数为h hFEFE，扩展后的恒流值由下式确定：扩展后的恒流值由下式确定：I IH

27、 H=(h=(hFEFE+1)+1)I IH HhhFEFEI IH H 图图(b)(b)是由结型场效应管是由结型场效应管3DJ63DJ6与恒流二极管组成的升压电路。与恒流二极管组成的升压电路。R1R1、R2R2 均为偏置电阻，阻值应取几十兆欧。如果恒流二极管均为偏置电阻，阻值应取几十兆欧。如果恒流二极管的正向击穿电压为的正向击穿电压为V V(BO)(BO)，结型场效应管的漏，结型场效应管的漏-源极击穿电压源极击穿电压为为V V1 1，则恒流源的耐压值，则恒流源的耐压值V V2 2=V=V(BO)(BO)V V1 1恒流三极管恒流三极管n恒流三极管是三端半导体恒流器件。定范围内对恒定电流恒流三

28、极管是三端半导体恒流器件。定范围内对恒定电流进行连续调节，调节范围为进行连续调节，调节范围为0.080.0880.0mA80.0mA，视具体管子型，视具体管子型号而定，这就给用户带来了方便。号而定，这就给用户带来了方便。n恒流三极管的电路符号、典型接法和如图所示。与普通晶恒流三极管的电路符号、典型接法和如图所示。与普通晶闸管（闸管（SCRSCR）相似，它也有三个电极：阳极（）相似，它也有三个电极：阳极（A A），阴极），阴极（K K），控制极（），控制极（G G）。在电路中）。在电路中A A极接正电压，极接正电压，K K极接可调极接可调电阻电阻R RK K，G G极接极接RKRK的另一端。由下

29、图可见，当的另一端。由下图可见，当R RK K=0=0时，时，G-KG-K极间短路，恒流三极管就变成了恒流二极管，此时输出电极间短路，恒流三极管就变成了恒流二极管，此时输出电流为最大，有关系式：流为最大，有关系式：I IO O=I=IHmaxHmax ，接入，接入R RK K之后，之后，I IH H就减小，就减小，并且并且R RK K越大，越大，I IH H越小。因此，调节越小。因此，调节R RK K就能获得连续变化的就能获得连续变化的恒定电流。恒定电流。n国产国产3DH3DH系列恒流三极管包含系列恒流三极管包含3DH13DH13DH153DH15（金属壳封装）（金属壳封装）1515种型号。种

30、型号。伏安特性伏安特性反向电压反向电压V VR R，起始恒流电压，起始恒流电压V Vk k，恒流电压范围恒流电压范围Vs-VVs-VE E典型应用电路典型应用电路nD1D1、D2D2为普通整流二极管，为普通整流二极管，由图可见，当由图可见，当RK=0RK=0时，或不时，或不使用控制端，恒流三极管就使用控制端，恒流三极管就变成了恒流二极管，此时输变成了恒流二极管，此时输出电流为最大，有关系式：出电流为最大，有关系式：IoIo=I=IH Hmaxmax。I IH H=(Vbo-=(Vbo-0.7v)/RK,0.7v)/RK,Io=IIo=IH H+I+IboboIIH H,I Ibobo I IH H,接入接入RKRK之后，之后，I IH H 就就减小，并且减小，并且RKRK越大，越大，I IH H 越小越小。调节。调节RKRK就能获得连续变化就能获得连续变化的恒定电流。的恒定电流。脉冲调制脉冲调制驱动驱动LEDLED