问题

恒流电路的另外一种设计方案是什么?

回答
好的,我来为你介绍一种常见的恒流电路设计方案,并尽量用通俗易懂的方式解释清楚,让你感觉就像是听一位经验丰富的老工程师在跟你分享。

咱们平时说到恒流电路,可能最先想到的就是用一个简单的三极管(比如NPN管)加一个限流电阻。这个方案确实很基础,而且在一些对精度要求不高的场合也够用了。但它有个不太令人满意的地方:当温度变化时,三极管的特性也会跟着变,导致输出电流有点不稳定。

今天咱们就来聊聊一种更稳定、更“聪明”的恒流电路设计——使用运算放大器(OpAmp)配合 MOSFET 或双极晶体管的恒流源。

为什么说它“聪明”呢?因为它引入了一个“反馈”的概念,有点像一个自动调节的系统。咱们一步一步来拆解它。

核心思想:负反馈控制

想象一下你要给一个灯泡恒定电流供电。如果电流太大了,灯泡会烧坏;如果太小了,灯泡就不够亮。最简单粗暴的办法就是用一个万用表时刻盯着电流表,发现不对就手动去调电源。这显然不现实。

负反馈控制就是模仿了这个“时刻盯着并手动调节”的过程,但它是电子电路自动完成的。它的基本原理是:

1. 检测目标量: 我们要控制的是电流,所以需要一个方法来“测量”这个电流。
2. 与设定值比较: 我们事先设定了一个想要的电流值,需要一个东西把实际电流和这个设定值进行对比。
3. 产生误差信号: 如果实际电流和设定值不一样,就会产生一个误差信号。
4. 修正输出: 这个误差信号会被用来调整输出,让实际电流越来越接近设定值。

电路组成部分与工作原理

这个智能的恒流电路,通常包含以下几个关键部分:

1. 参考电压源 (Reference Voltage Source):
这是整个电路的“大脑”,它提供了一个非常稳定、不受外部条件影响的电压,就像是我们要达到的那个“理想目标”。
常用的参考电压源有:稳压二极管 (Zener Diode),特别是高精度的那种(如TL431这类精密电压基准芯片更佳)。这些器件的设计就是为了在一个比较宽的电压范围内提供一个近乎恒定的输出电压。
比如,我们可以设定一个1V的参考电压。

2. 采样电阻 (Sensing Resistor) / 检流电阻 (Shunt Resistor):
这是用来“测量”电流的“尺子”。它是一个阻值非常小但精度很高、功率允许的电阻,串联在待恒流的负载(比如LED灯)的电路中。
根据欧姆定律(V = IR),通过这个小电阻的电流越大,它两端的电压降也就越大。
关键在于: 这个电阻的阻值选择要很讲究。如果选得太大,它自身就会消耗很多功率,也会对电路的整体性能造成影响;如果选得太小,它两端的电压降会很小,不利于后续的比较。所以通常会选择毫欧级别或者非常低欧姆值的电阻。

3. 运算放大器 (Operational Amplifier OpAmp):
这是电路的“比较器”和“控制器”。它的主要作用是比较两个输入的电压,并根据它们之间的差异,输出一个控制电压。
在这个恒流电路里,运算放大器的一个输入端(通常是反相输入端,“”)连接到采样电阻上,用于检测实际电流产生的电压。
另一个输入端(通常是同相输入端,“+”)则连接到参考电压源。
运算放大器会不断比较:采样电阻两端的电压(代表实际电流)是否等于参考电压(代表目标电流)。

4. 功率调整元件 (Power Control Element):
这是负责实际“输出”电流的“大力士”。它接收来自运算放大器的控制信号,然后控制进入负载的电流大小。
最常用的是 MOSFET(金属氧化物半导体场效应管),特别是N沟道MOSFET,它被用作“高边”开关或者“低边”开关来控制电流。
也可以使用双极晶体管(BJT),如NPN三极管,但MOSFET在驱动和效率方面通常更有优势。

电路如何工作(以高边恒流为例)

咱们来设想一个经典的“高边”(将功率调整元件放在负载的上游)恒流源设计。比如我们要为一组LED灯提供恒定的电流。

参考电压: 设一个精密参考电压源输出 `Vref` (例如 1V)。
采样电阻: 选一个 `Rs` (例如 0.1Ω) 的采样电阻,串联在LED灯的供电线上(靠近正电源)。
运算放大器:
将运放的同相输入端(+)连接到 `Vref` (1V)。
将运放的反相输入端()连接到采样电阻 `Rs` 的另一端(也就是串联在负载之前的那一端)。
MOSFET: 将MOSFET的栅极 (Gate) 连接到运算放大器的输出端。MOSFET的源极 (Source) 连接到采样电阻 `Rs` 的负极(也就是靠近地那一端)。漏极 (Drain) 连接到LED灯的负极。LED灯的正极接高电平(电源正极)。

工作流程解析:

1. 初始状态(电流很小):
当电路刚开始工作时,流过LED灯的电流很小,因此流过采样电阻 `Rs` 的电流也很小。
`Rs` 两端的电压降(`V_Rs = I_LED Rs`)也就很小。
假设 `Rs` 的负极连接到地,那么运放反相输入端的电压(``端)会非常低。
由于 `Vref` (1V) 远大于运放的 `` 端电压,运放的输出会变得很高。
高输出电压驱动MOSFET的栅极,使MOSFET导通程度增加,允许更大的电流流过它和LED灯。

2. 电流逐渐增大:
随着MOSFET导通程度增加,流过 `Rs` 和LED灯的电流也随之增大。
`Rs` 两端的电压降 `V_Rs` 也随之升高。
运放的反相输入端电压(``端)逐渐升高。

3. 达到目标电流点:
当 `Rs` 两端的电压 `V_Rs` 上升到等于参考电压 `Vref` (1V) 时,也就是 `I_LED Rs = Vref`,那么运放的同相输入端(+)和反相输入端()的电压就相等了。
此时,运放的输出电压会稳定在一个值,这个值正好能使MOSFET导通到恰好让流过 `Rs` 的电流产生1V电压降。
所以,此时的 `I_LED` 就是 `Vref / Rs`。如果我们设置 `Vref = 1V`,`Rs = 0.1Ω`,那么目标电流就是 `1V / 0.1Ω = 10A`。

4. 电流超过目标值:
如果由于某种原因(比如温度升高导致MOSFET性能改变,或者外部电压波动),流过 `Rs` 的电流稍微增大了一点点。
那么 `Rs` 两端的电压 `V_Rs` 就会略大于 `Vref` (1V)。
运放的反相输入端电压(``端)就比同相输入端(+)的电压高了。
运算放大器检测到这个“误差”,它会降低其输出电压。
MOSFET的栅极电压降低,MOSFET的导通程度减小。
流过LED灯的电流也随之减小,直到 `Rs` 两端的电压再次等于 `Vref`。

5. 电流低于目标值:
反之,如果电流稍微减小了一点点,`V_Rs` 就会略小于 `Vref`。
运放反相输入端电压(``端)就比同相输入端(+)的电压低了。
运算放大器会提高其输出电压。
MOSFET的栅极电压升高,MOSFET导通程度增加。
流过LED灯的电流也随之增大,直到 `Rs` 两端的电压再次等于 `Vref`。

这样,通过运放和MOSFET的协同工作,就形成了一个闭环的负反馈系统,能够持续不断地将流过LED灯的电流稳定在由 `Vref` 和 `Rs` 决定的那个数值上。

这种方案的优点:

精度高: 相比简单的三极管方案,它的电流稳定性大大提高,受温度、电源电压等因素影响小。精度主要取决于参考电压源和采样电阻的精度。
可调性好: 通过改变参考电压源的值或者采样电阻的阻值,可以很容易地调整输出的恒定电流大小。
效率高: 特别是使用MOSFET作为功率调整元件时,其导通压降小,尤其是在大电流应用中,效率远高于简单的电阻限流方式。
保护作用: 这种电路本身就具有一定的过流保护能力,当负载发生短路时,电流会被限制在一个安全范围内。

需要注意的几个方面:

运算放大器的选型: 需要根据实际工作电压、频率、以及电流控制的要求来选择合适的运放。有些运放具有轨到轨输出能力,或者专为恒流应用设计。
MOSFET的选型: 要根据最大工作电流、电压以及散热要求选择合适的MOSFET。同时,需要考虑MOSFET的栅极驱动特性,确保运放能够有效地控制它。
采样电阻的功耗和精度: 采样电阻的选择非常关键,它会影响精度、功耗和整体的温漂。
热稳定性: 虽然比三极管方案稳定,但在极端温度变化下,所有电子元件的参数都会有细微变化,需要进行充分的测试和优化。
高边 vs 低边: 上面介绍的是高边恒流,但也可以设计成低边恒流(将采样电阻放在负载和地之间)。低边恒流通常更容易驱动。

这种使用运算放大器和功率元件的恒流源设计,是许多现代电子设备中实现精确电流控制的核心技术,比如LED驱动器、电池充电器、电源供应器等。它就像是一位不知疲倦的“电子管家”,时刻关注着电流,并确保它始终在“恰到好处”的状态。

网友意见

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最简单而且频率性能好的莫过于 JFET 接成一个 “恒流二极管”。

当然 JFET 昂贵, 不是非常必要的话就不要用。


其他的看贴图就好了。












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