恒流源 - 輸出電流保持恒定的電流源
恒流源、交流恒流源、直流恒流源、電流發(fā)生器、大電流發(fā)生器又叫電流源、穩(wěn)流源。恒流源，是一種寬頻譜、高精度交流穩(wěn)流電源，響應(yīng)速度快、精度高、工作時間長、工作穩(wěn)定，適合各種性質(zhì)負(fù)載。主要用于檢測熱繼電器、塑殼斷路器、小型短路器及需要設(shè)定額定電流、動作電流、短路保護(hù)電流等生產(chǎn)場合。恒流源是輸出電流保持恒定的電流源。
簡介
恒流源、交流恒流源、直流恒流源、電流發(fā)生器、大電流發(fā)生器又叫電流源、穩(wěn)流源，是一種寬頻譜、高精度交流穩(wěn)流電源，具有響應(yīng)速度快、恒流精度高、能長期穩(wěn)定工作，適合各種性質(zhì)負(fù)載（阻性、感性、容性）等優(yōu)點(diǎn)。
用于檢測熱繼電器、塑殼斷路器、小型短路器及需要設(shè)定額定電流、動作電流、短路保護(hù)電流等生產(chǎn)場合
結(jié)構(gòu)組件
恒流源恒流源是電路中廣泛使用的一個組件，這里我整理一下比較常見的恒流源的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。恒流源分為流出 - CurrentSource和流入 - Current Sink兩種形式
最簡單的恒流源
最簡單的恒流源就是用一只恒流二極管。實際上，恒流二極管的應(yīng)用是比較少的，除了因為恒流二極管的恒流特性并不是非常好之外，電流規(guī)格比較少，價格比較貴也是重要原因。最常用的簡易恒流源用兩只同型三極管，利用三極管相對穩(wěn)定的be電壓作為基準(zhǔn)，
電流數(shù)值為：I = Vbe/R1。
這種恒流源優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，而且電流的數(shù)值可以自由控制，也沒有使用特殊的元件，有利于降低產(chǎn)品的成本。缺點(diǎn)是不同型號的管子，其be電壓不是一個固定值，即使是相同型號，也有一定的個體差異。同時不同的工作電流下，這個電壓也會有一定的波動。因此不適合精密的恒流需求。
為了能夠精確輸出電流，通常使用一個運(yùn)放作為反饋，同時使用場效應(yīng)管避免三極管的be電流導(dǎo)致的誤差。如果電流不需要特別精確，其中的場效應(yīng)管也可以用三極管代替。
計算公式
I = Vin/R1
這個電路可以認(rèn)為是恒流源的標(biāo)準(zhǔn)電路，除了足夠的精度和可調(diào)性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和調(diào)試。只不過其中的Vin還需要用戶額外提供。
從以上兩個電路可以看出，恒流源有個定式，就是利用一個電壓基準(zhǔn)，在電阻上形成固定電流。有了這個定式，恒流源的搭建就可以擴(kuò)展到所有可以提供這個“電壓基準(zhǔn)”的器件上。
最簡單的電壓基準(zhǔn)
最簡單的電壓基準(zhǔn)，就是穩(wěn)壓二極管，利用穩(wěn)壓二極管和一只三極管，可以搭建一個更簡易的恒流源。
電流計算公式為：I = - Vd-Vbe/R1
TL431
TL431是另外一個常用的電壓基準(zhǔn)，利用TL431搭建的恒流源，其中的三極管替換為場效應(yīng)管可以得到更好的精度。
TL431的其他信息請參考《TL431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖》和《TL431的幾種基本用法》
電流計算公式為：I = 2.5/R1
三端穩(wěn)壓
事實上，所有的三端穩(wěn)壓，都是很不錯的電壓源，而且三端穩(wěn)壓的精度已經(jīng)很高，需要的維持電流也很小。利用三端穩(wěn)壓構(gòu)成恒流源，也有非常好的性價比。
這種結(jié)構(gòu)的恒流源，不適合太小的電流，因為這個時候，三端穩(wěn)壓自身的維持電流會導(dǎo)致較大的誤差。
電流計算公式為：I = V/R1，其中V是三端穩(wěn)壓的穩(wěn)壓數(shù)值。
實際的電路中，有一些特殊的結(jié)構(gòu)，也可以提供很好的恒流特性，最典型的就是一個很高的電壓通過一個電阻在一個低壓設(shè)備上形成電流，這個恒流源的精度，取決于高壓的精確度和低壓設(shè)備本身導(dǎo)致的電壓波動。在一些開關(guān)電源電路中，這個結(jié)構(gòu)用來給三極管提供偏置電流。
電流計算公式為： I = Vin/R1
值得一提的是，以上這些恒流源并不都適合安培以上級別的恒流應(yīng)用，因為電阻上面太大的電流會導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。
可以通過使用更小的電阻來降低這個熱量，不過在單電源供電模式下，多數(shù)運(yùn)放都不能有效檢測和輸出接近地或者Vcc的電壓，因此必須使用特殊的器件才能達(dá)到要求。有個簡單的辦法是通過一個穩(wěn)壓器件（穩(wěn)壓管，或者TL431等）偏置電阻上面的電壓，使得這個電壓進(jìn)入運(yùn)放的檢測范圍。
恒流源的實質(zhì)
恒流源的實質(zhì)是利用器件對電流進(jìn)行反饋，動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于恒定。只要能夠得到電流，就可以有效形成反饋，從而建立恒流源。
能夠進(jìn)行電流反饋的器件，還有電流互感器，或者利用霍爾元件對電流回路上某些器件的磁場進(jìn)行反饋，也可以利用回路上的發(fā)光器件（例如光電耦合器，發(fā)光管等）進(jìn)行反饋。這些方式都能夠構(gòu)成有效的恒流源，而且更適合大電流等特殊場合，不過因為這些實現(xiàn)形式的電路都比較復(fù)雜，這里就不一一介紹了。
電路特點(diǎn)
基本概念
恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：
a不因負(fù)載 - 輸出電壓變化而改變；
b不因環(huán)境溫度變化而改變；
c內(nèi)阻為無限大（以使其電流可以全部流出到外面）。
能夠提供恒定電流的電路即為恒流源電路，又稱為電流反射鏡電路。
基本原理
基本的恒流源電路主要是由輸入級和輸出級構(gòu)成，輸入級提供參考電流，輸出級輸出需要的恒定電流。
①構(gòu)成恒流源電路的基本原則：
恒流源電路就是要能夠提供一個穩(wěn)定的電流以保證其它電路穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。即要求恒流源電路輸出恒定電流，因此作為輸出級的器件應(yīng)該是具有飽和輸出電流的伏安特性。這可以采用工作于輸出電流飽和狀態(tài)的BJT 或者M(jìn)OSFET來實現(xiàn)。
為了保證輸出晶體管的電流穩(wěn)定，就必須要滿足兩個條件：a）其輸入電壓要穩(wěn)定——輸入級需要是恒壓源；b）輸出晶體管的輸出電阻盡量大（最好是無窮大）——輸出級需要是恒流源。
②對于輸入級器件的要求：
因為輸入級需要是恒壓源，所以可以采用具有電壓飽和伏安特性的器件來作為輸入級。一般的pn結(jié)二極管就具有這種特性——指數(shù)式上升的伏安特性；另外，把增強(qiáng)型MOSFET的源-漏極短接所構(gòu)成的二極管，也具有類似的伏安特性——拋物線式上升的伏安特性。
在IC中采用二極管作為輸入級器件時，一般都是利用三極管進(jìn)行適當(dāng)連接而成的集成二極管，因為這種二極管既能夠適應(yīng)IC工藝，又具有其特殊的優(yōu)點(diǎn)。對于這些三極管，要求它具有一定的放大性能，這才能使得其對應(yīng)的二極管具有較好的恒壓性能。
③對于輸出級器件的要求：
如果采用BJT，為了使其輸出電阻增大，就需要設(shè)法減小Evarly效應(yīng)（基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)），即要盡量提高Early電壓。
如果采用MOSFET，為了使其輸出電阻增大，就需要設(shè)法減小其溝道長度調(diào)制效應(yīng)和襯偏效應(yīng)。因此，這里一般是選用長溝道MOSFET，而不用短溝道器件。
電路示例
上左圖是用增強(qiáng)型n-MOSFET構(gòu)成的一種基本恒流源電路。為了保證輸出晶體管T2的柵-源電壓穩(wěn)定，其前面就應(yīng)當(dāng)設(shè)置一個恒壓源。實際上，T1二極管在此的作用也就是為了給T2提供一個穩(wěn)定的柵-源電壓，即起著一個恒壓源的作用。因此T1應(yīng)該具有很小的交流電導(dǎo)和較高的跨導(dǎo)，以保證其具有較好的恒壓性能。T2應(yīng)該具有很大的輸出交流電阻，為此就需要采用長溝道MOSFET，并且要減小溝道長度調(diào)制效應(yīng)等不良影響。
其中T2是輸出恒定電流的晶體管，晶體管T1就是一個給T2提供穩(wěn)定基極電壓的發(fā)射結(jié)二極管。當(dāng)然，T1的電流放大系數(shù)越大、跨導(dǎo)越高，則其恒壓性能也就越好。同時，為了輸出電流恒定（即提高輸出交流電阻），自然還需要盡量減小T2的基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)（即Early效應(yīng)）。另外，如果采用兩個基極相連接的p-n-p晶體管來構(gòu)成恒流源的話，那么在IC芯片中這兩個晶體管可以放置在同一個隔離區(qū)內(nèi)，這將有利于減小芯片面積，但是為了獲得較好的輸出電流恒定的性能，即需要特別注意增大橫向p-n-p晶體管的電流放大系數(shù)。
一種研究
恒流源電路如圖1所示。圖中A是高精度運(yùn)放，Q1、Q2是功率
MOSFET,負(fù)載為感性。由NE555P構(gòu)成脈位調(diào)制器，工作于無穩(wěn)態(tài)方式，其振蕩頻率受⑤腳輸入的信號調(diào)制。控制端⑤腳加入調(diào)制信號VΩ - 該端允許外加0~EC的電壓,使定時器的閾值電平Vth1和觸發(fā)電平Vth2均隨VΩ而變，即：因而定時器電容C2的充電時間和放電時間均受調(diào)制信號VΩ的控制;③腳輸出正脈沖的位置及脈沖寬度將隨調(diào)制信號VΩ的變化而變化，實現(xiàn)脈沖的位置及寬度的雙重調(diào)制。
工作原理
控制電壓Vi經(jīng)R1、R2分壓后加到運(yùn)放A的輸入端，運(yùn)放的輸出信號作為NE555P的調(diào)制信號。
NE555P③腳輸出的PWM信號控制Q1,驅(qū)動Q1、Q2交替工作在開關(guān)狀態(tài);Q1的工作頻率和占空比等于NE555P③腳輸出電壓信號的頻率和占空比。Q2導(dǎo)通時，D處于截止?fàn)顟B(tài)，直流電壓EC加在D的兩端，經(jīng)LC濾波后對負(fù)載供電;Q2截止時，輸入電壓為0,D在回路電感的作用下導(dǎo)通，構(gòu)成續(xù)流回路，D還可以削弱輸出信號電壓從高電平跳變到低電平時在感性負(fù)載兩端產(chǎn)生的反電動勢。RS為取樣電阻。所以，控制電壓經(jīng)運(yùn)放后，控制脈位調(diào)制器輸出脈沖信號的占空比，改變Q1、Q2的開關(guān)時間，從而控制輸出電流的大小。
由恒流源電路,根據(jù)運(yùn)放的特性知：
取RS=1Ω,R1=24k,R2=16k時，得I0=0.4Vi.當(dāng)輸入電壓Vi從0~5V變化時，輸出電流I0將在0~2A變化。由此可見，輸出電流主要由R1、R2和RS決定，與負(fù)載大小無關(guān)。
試驗結(jié)果
為了測試恒流源的性能，筆者對其進(jìn)行了實驗研究。電源選用直流12V2A的高精度穩(wěn)壓電源，在元件選擇上，A選用高精度運(yùn)放，電阻選用千分之一精度的精密電阻器，取樣電阻選用溫度穩(wěn)定性好的無感線繞電阻，實驗采用的負(fù)載為感性，其電感量為180mH、靜態(tài)電阻為4Ω,MOSFET的參數(shù)見MOSFET的參數(shù).
輸出電流與輸入電壓的關(guān)系：
當(dāng)RS=1Ω,R1=24k,R2=16k,輸入電壓Vi從0~5V變化時，
理論計算和實際測量的輸出電流I0隨輸入電壓Vi的變化關(guān)系如圖2 - 吻合,輸出電流與輸入電壓成線性關(guān)系。
取樣電阻與輸出電流的關(guān)系：
當(dāng)R1=24k,R2=16k,輸入電壓Vi為5V時，測得取樣電阻與輸出電流的關(guān)系如圖3.取樣電阻越小，輸出電流越大，電阻的功耗也相應(yīng)增大;反之亦然。與理論計算基本相吻合。
其他性能的測量測得恒流源輸出電流與PWM信號占空比成線性關(guān)系，占空比越大，輸出電流
越大;紋波電流<3mA;負(fù)載調(diào)整率<1%.
結(jié)論
選擇適當(dāng)元件參數(shù)，當(dāng)控制電壓從0~5V變化時，該恒流源電路的輸出電流I0將在0~+2A范圍內(nèi)連續(xù)變化;電源的效率高，線性度好，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全 - 輸出電壓<12V、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。此恒流源可作為磁流變阻尼器的驅(qū)動電源，也可應(yīng)用于其他領(lǐng)域。