几种恒流电路的分析和应用

恒流电路在硬件电路设计中应用十分广泛，例如用于可变电阻的阻值检测，LED恒流驱动等。恒流电路分为电流源和电流井，顾名思义就是根据电流的流向不同划分的，实质上也可以认为是根据恒流电路与负载的共电位关系划分。根据大家的习惯，电流井电路是比较容易分析的，但是因为电流井通常把采样和限流电路放在靠近地的一侧，导致恒流电路与负载不能共地，从而限制了应用范围。恒流电路的基本原理是将负载，调整电路，采样电阻三个基本元件串联在电压源上，根据采样电阻上的电压或电流，改变调整电路的阻抗，从而改变整个串联回路的电流，以实现恒流控制的目的。本文给出两种简单的电流源电流，并分析恒流产生的原理及应用场景。

1.基于三极管的恒流电路。

三极管电流井电路

图中Rload为负载，Rs为采样电阻，三极管作为调整电路。三极管基极到GND之间串联了两个二极管，用于产生参考电压。假设二极管正向压降为Vf，那么电流从VCC通过Rc流过两个二极管，在三极管基极产生了2*Vf的电压，由于三极管放大倍数较大，忽略通过三极管基极流向发射极的电流。

假设三极管基射结压降与二极管正向压降相等，也是Vf，那么三极管发射极电压应该是一倍的Vf，1倍的Vf作用在采样电阻Rs上，产生的电流为Vf/Rs，该表达式即为三极管恒流电路的恒流表达式。应用时可以根据恒流值的需求设置Rs，即可得到相应的恒定电流。当然也可以通过将两个二极管替换为一个反向的稳压二极管，同样可以产生参考电压。

考虑到大家都比较擅长分析NPN三极管电路，上图首先使用NPN三极管实现电流井。但电流井电路与负载的连接关系是共VCC而不是共地，因此限制了该电路的应用。我们可以把同样的连接方法应用于PNP三极管，即可实现电流源恒流电路。

三极管电流源电路

三极管电流源电路与负载共地，分析方法与电流井电路类似，都是使用三极管的电压跟随器接法，在发射极的采样电阻上产生固定的参考电压，从而实现恒流。

该系列电路利用二极管三极管的压降非线性特性，通过电压跟随器的结构向采样电阻上施加参考电压，从而产生恒定电流。由于二极管的正向压降与三极管的基射结压降均不是理想的恒定压降，压降值存在一定的波动范围，而且会受到温度的影响，因此该方法实现的电流源精度较低，电流会根据负载及温度的变化产生一定的波动。该电路通常应用于LED或光耦的驱动。

2. 基于稳压芯片的恒流电路

如果你觉得三极管恒流电路需要的器件太多了，那么接下来的电路应该是你想要的了。这个图我第一次是在电子设计大赛的一个指导书里看到的。仅需要两个器件即可实现电流源。

基于稳压芯片的电流源电路

该电路搭建仅需要2个器件，算上负载正好是文章开头提到的恒流电路三要素：调整电路，采样电阻，负载。LM317是一个可变输出的集成三端稳压器，配合一个电阻就可以实现恒流输出。该芯片反馈端口ADJ与输出端口之间有1.25V基准压差，当压差不足时稳压芯片会提高输出电压，从而增大负载回路的电流，直到Rs上产生足够的1.25V压差为止。也可以认为稳压芯片将这个压差施加到采样电阻Rs上就可以得到一个恒定电流。考虑到ADJ端流入的电流较小，可以忽略不计，因此Rs上的电流与Rload的电流基本相等。如果需要可调电流源，那么可以将Rs换成电位器，通过调节电位器的阻值就可以调节电流值。该电路的电流表达式为Vref/Rs，其中Vref=1.25V。如果使用其他可调稳压芯片，只需要将替代芯片的Vref替换到公式中即可。

LM317最大的封装是TO-220在满足散热的条件下可以达到1.5A输出电流，这个电流基本可以满足大部分应用需求。最小封装为TO-92，配合一个电阻就可以实现恒流，电路面积很小。这个电路可以用于照明LED的驱动，当然稳压芯片的散热是需要仔细处理的，毕竟线性稳压器是将多余的功率全部耗散在自己身上的。LM317的输出误差典型值为0.5%，在满足精度需求的前提下也可以用于产生参考电流源输入到变电阻的传感器元件中，例如旋钮电位器，NTC热敏电阻。通常建议对与输入参数呈现一次函数关系的电阻型传感器应用参考电流源，这样得到而电压就是与输入参数呈现一次函数，便于后续的采样处理。

如果需要相似结构的电流井，可以使用负压的可调三端稳压芯片LM337。不过据我观察，有电流源的时候很少有人再去寻求电流井，大家比较习惯与负载共地的电路分析。

接下来还有一些基于运放的电流源设计方法以及大功率开关模式电流源的设计与分析，将会在接下来的文章中发出。

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