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                      由運放和電壓調節器構成的恒流源電路

                      發布時間:2022-10-09 責任編輯:lina

                      【導讀】傳感器及發光器件常需恒流源供電,精確測量微小電阻一般也要用到恒流源。恒流源的本質是其具有調節負載兩端電壓的能力,凡具有電壓調整能力的器件均可構成恒流源,包括運放、穩壓芯片、三極管、MOS管等。下面以運放和電壓調節器為例來構成恒流源。


                      傳感器及發光器件常需恒流源供電,精確測量微小電阻一般也要用到恒流源。恒流源的本質是其具有調節負載兩端電壓的能力,凡具有電壓調整能力的器件均可構成恒流源,包括運放、穩壓芯片、三極管、MOS管等。下面以運放和電壓調節器為例來構成恒流源。


                      由運放和電壓調節器構成的恒流源電路

                      一. 圖一所示的V/I轉換電路中,對采樣電阻Rs左側電壓Uo1執行負反饋,右側電壓Ua跟隨到同相輸入端,以維持Rs兩端電壓恒定。對運放A1而言,是局部負反饋電路,仍滿足虛短條件,屬同相加法器電路,可進行如下推導運算。


                      Up1為Ui和Uo2在同相端P1處的疊加,即Up1=0.5Ui+0.5Uo2 ;

                      Uo1=2Up1=Ui+Uo2 ,

                      Uo1-Uo2=Ui,其中的Uo2=Ua,

                      即Uo1-Ua=Ui ,可見Rs兩端的電壓為Ui;因Ip2=0 ,流過負載的電流IL=Io=Ui/Rs,負載上的電流與電壓成正比例函數關系,轉換系數是1/Rs ,當Rs=500歐時,IL=0.002Ui 例如,若Ui=0~10V,則lL=0~20mA。如果Ui由精密的基準源Vref給定,Rs采用低溫漂精密電阻,則負載將流過精確的恒定電流IL=Vref/Rs 。下面將利用TL431B產生的基準電壓,將圖一電路改成恒流源。


                      由運放和電壓調節器構成的恒流源電路


                      對照圖二右側的TL431內部原理框圖,調整端R連接至內部運放的同相輸入端,是虛斷的,IR=0 ,可知左圖中的I1=I2 ;當A點電壓超過2.495V時,內部三極管T就會導通進行電壓調節,多余電壓加在R0上,使A點電壓維持在2.495V,根據I1=I2方程,可得:(Vout-2.495)/R1=2.495/R2即Vout=(1+R1/R2)*2.495 ;圖示輸出電壓可以在2.495~5V之間調節,下面用此基準電壓,結合圖一原理,來構成一個可調恒流源,如圖三所示。


                      由運放和電壓調節器構成的恒流源電路


                      由圖一電路原理可知,負載電流IL=Vref/Rs ,由于Vref和Rs都是精確值,IL就是恒定值。為減小對基準源的影響,同時提高運放A1的運算精度,增加電壓跟隨器A0作隔離緩沖; Vref=2.5V~7.5V,取Rs=360歐,電流可恒定在7mA至20mA之間的一個值上;也可以保持Vref不變,將Rs用精密多圈電位器代替,通過改變Rs來調整恒流值。運放的輸出電流一般都比較小,需要輸出較大的恒定電流時,可以用三極管、達林頓管和MOSFET進行擴流,可以在圖三基礎上進行擴流,也可用圖四和圖五所示電路進行擴流。


                      由運放和電壓調節器構成的恒流源電路


                      圖四是由運放和三極管組成的V/I轉換電路,輸入信號Ui經R1加至A1的同相端,T1發射極接有負反饋電阻Rp和RL,負反饋信號經A2緩沖后,經由電阻R3加到A1反相端;負載電阻RL為正反饋電阻,經A3緩沖后,經由電阻R4加至A1同相輸入端;


                      R1=R2 ,R3=R4,整體電路屬于電流串聯負反饋電路,具有比較好的恒流特性,設R1=R2=m ,R3=R4=n .根據疊加:

                      Up=n/(m+n)*Ui+m/(m+n)*Ub ;

                      Un=m/(m+n)*Ua

                      由Up=Un,得Ua-Ub=n/m*Ui

                      而Ua-Ub=Io*Rp,得Io=n/(mRp)*Ui;

                      按圖四參數,如取Rp=500歐,則Io=4Ui ;Ui=1~5V ,則Io=4~20mA ??梢钥闯?,輸出電流Io與輸入電壓成正比例函數關系,改變Rp可以調整轉換系數。


                      將Ui用基準源提供,Rp用采樣電阻代替,選合適功率的三極管,即可得到需要的恒流源。如圖五所示,將R1~R4取相同的值,則有:


                      Io=Vref/Rs ,采樣電阻Rs取不同的定值,即可得到不同大小的恒流源,但應注意Io(RL+Rs)應小于電源電壓,并根據電流大小確定三極管和采樣電阻Rs的功率參數。


                      由運放和電壓調節器構成的恒流源電路


                      二. 恒流源也可由穩壓芯片構成,由可調穩壓芯片LM317構成的恒流源如圖六所示。


                      由運放和電壓調節器構成的恒流源電路


                      圖六右側為LM317構成電流源時的內部原理框圖,內部運放A構成負反饋。


                      Up=1.25V+(Iadj+Is)RL ;

                      Un=IsRs+(Is+Iadj)RL ;

                      由Un=Up ,得Is=1.25/Rs ;

                      負載上電流:Io=Is+Iadj ,其中Iadj僅50微安左右,且很穩定,變化量只有0.2~5uA,可以認為輸出電流Io是恒定的,近似計算時忽略Iadj,

                      Io=Is=1.25/Rs ;Rs為LM317輸出端和調整端之間連接的取樣電阻。


                      LM317內部電路需要足夠的壓差才能正常工作,要求最小輸出電流應在5mA以上; 當需要10~100mA的恒流源時,選用TO-92封裝的小功率LM317L,對應的電路圖如圖六左側所示;當需要使用100mA~1A的恒流源時,可用TO-220封裝的LM317 。最大恒流值除與LM317自身額定電流有關外,還與輸入和輸出的壓差有很大關系,電流比較大時,輸入電壓不要選太高。


                      圖七中的LM317LZ構成了15mA的恒流源,用于驅動雙向可控硅型光耦,可以適應3.3V~24VDC的驅動電壓,電壓雖變,驅動效果不變。


                      由運放和電壓調節器構成的恒流源電路


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