恒流電路的原理及應(yīng)用
恒流電路在硬件電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用十分廣泛，例如用于可變電阻的阻值檢測(cè)，LED恒流驅(qū)動(dòng)等。
恒流電路分為電流源和電流井，顧名思義就是根據(jù)電流的流向不同劃分的，實(shí)質(zhì)上也可以認(rèn)為是根據(jù)恒流電路與負(fù)載的共電位關(guān)系劃分。
根據(jù)大家的習(xí)慣，電流井電路是比較容易分析的，但是因?yàn)殡娏骶ǔ０巡蓸雍拖蘖麟娐贩旁诳拷氐囊粋?cè)，導(dǎo)致恒流電路與負(fù)載不能共地，從而限制了應(yīng)用范圍。
恒流電路的基本原理是將負(fù)載，調(diào)整電路，采樣電阻三個(gè)基本元件串聯(lián)在電壓源上，根據(jù)采樣電阻上的電壓或電流，改變調(diào)整電路的阻抗，從而改變整個(gè)串聯(lián)回路的電流，以實(shí)現(xiàn)恒流控制的目的。本文給出兩種簡(jiǎn)單的電流源電流，并分析恒流產(chǎn)生的原理及應(yīng)用場(chǎng)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(fù)載，Rs為采樣電阻，三極管作為調(diào)整電路。三極管基極到GND之間串聯(lián)了兩個(gè)二極管，用于產(chǎn)生參考電壓。
假設(shè)二極管正向壓降為Vf，那么電流從VCC通過Rc流過兩個(gè)二極管，在三極管基極產(chǎn)生了2*Vf的電壓，由于三極管放大倍數(shù)較大，忽略通過三極管基極流向發(fā)射極的電流。
假設(shè)三極管基射結(jié)壓降與二極管正向壓降相等，也是Vf，那么三極管發(fā)射極電壓應(yīng)該是一倍的Vf，1倍的Vf作用在采樣電阻Rs上，產(chǎn)生的電流為Vf/Rs，該表達(dá)式即為三極管恒流電路的恒流表達(dá)式。
應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)恒流值的需求設(shè)置Rs，即可得到相應(yīng)的恒定電流。當(dāng)然也可以通過將兩個(gè)二極管替換為一個(gè)反向的穩(wěn)壓二極管，同樣可以產(chǎn)生參考電壓。
考慮到大家都比較擅長(zhǎng)分析NPN三極管電路，上圖首先使用NPN三極管實(shí)現(xiàn)電流井。但電流井電路與負(fù)載的連接關(guān)系是共VCC而不是共地，因此限制了該電路的應(yīng)用。
我們可以把同樣的連接方法應(yīng)用于PNP三極管，即可實(shí)現(xiàn)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(fù)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(fā)射極的采樣電阻上產(chǎn)生固定的參考電壓，從而實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)向采樣電阻上施加參考電壓，從而產(chǎn)生恒定電流。
由于二極管的正向壓降與三極管的基射結(jié)壓降均不是理想的恒定壓降，壓降值存在一定的波動(dòng)范圍，而且會(huì)受到溫度的影響，因此該方法實(shí)現(xiàn)的電流源精度較低，電流會(huì)根據(jù)負(fù)載及溫度的變化產(chǎn)生一定的波動(dòng)。該電路通常應(yīng)用于LED或光耦的驅(qū)動(dòng)。
2. 基于穩(wěn)壓芯片的恒流電路
下圖僅需要兩個(gè)器件即可實(shí)現(xiàn)電流源。
基于穩(wěn)壓芯片的電流源電路
該電路搭建僅需要2個(gè)器件，算上負(fù)載正好是文章開頭提到的恒流電路三要素：調(diào)整電路，采樣電阻，負(fù)載。LM317是一個(gè)可變輸出的集成三端穩(wěn)壓器，配合一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出。
該芯片反饋端口ADJ與輸出端口之間有1.25V基準(zhǔn)壓差，當(dāng)壓差不足時(shí)穩(wěn)壓芯片會(huì)提高輸出電壓，從而增大負(fù)載回路的電流，直到Rs上產(chǎn)生足夠的1.25V壓差為止。
也可以認(rèn)為穩(wěn)壓芯片將這個(gè)壓差施加到采樣電阻Rs上就可以得到一個(gè)恒定電流。考慮到ADJ端流入的電流較小，可以忽略不計(jì)，因此Rs上的電流與Rload的電流基本相等。
如果需要可調(diào)電流源，那么可以將Rs換成電位器，通過調(diào)節(jié)電位器的阻值就可以調(diào)節(jié)電流值。該電路的電流表達(dá)式為Vref/Rs，其中Vref=1.25V。如果使用其他可調(diào)穩(wěn)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(dá)到1.5A輸出電流，這個(gè)電流基本可以滿足大部分應(yīng)用需求。
最小封裝為TO-92，配合一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)恒流，電路面積很小。這個(gè)電路可以用于照明LED的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然穩(wěn)壓芯片的散熱是需要仔細(xì)處理的，畢竟線性穩(wěn)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(chǎn)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(duì)與輸入?yún)?shù)呈現(xiàn)一次函數(shù)關(guān)系的電阻型傳感器應(yīng)用參考電流源，這樣得到而電壓就是與輸入?yún)?shù)呈現(xiàn)一次函數(shù)，便于后續(xù)的采樣處理。
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