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交流恒流源细解

日期:2020-07-04 15:45
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摘要:
恒流源是电路中广泛使用的一个组件,这里我整理一下比较常见的恒流源的结构和特点。
恒流源分为流出(CurrentSource)和流入(CurrentSink)两种形式及交流恒流源和交流恒流源、直流恒流源又被称为大电流发生器。
*简单的恒流源,就是用一只恒流二极管。实际上,恒流二极管的应用是比较少的,除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外,电流规格比较少,价格比较贵也是重要原因。
*常用的简易恒流源,交流恒流源,直流恒流源如图(1)所示,用两只同型三极管,利用三极管相对稳定的be电压作为基准,
电流数值为:I=Vbe/R1。
这种恒流源,交流恒流源,直流恒流源优点是简单易行,而且电流的数值可以自由控制,也没有使用特殊的元件,有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子,其be电压不是一个固定值,即使是相同型号,也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下,这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。
为了能够**输出电流,通常使用一个运放作为反馈,同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。典型的运放恒流源如图(2)所示,如果电流不需要特别**,其中的场效应管也可以用三极管代替。
电流计算公式为:I=Vin/R1
这个电路可以认为是恒流源的标准电路,除了足够的精度和可调性之外,使用的元件也都是很普遍的,易于搭建和调试。只不过其中的Vin还需要用户额外提供。从以上两个电路可以看出,恒流源有个定式(寒,“定式”好像是围棋术语XD),就是利用一个电压基准,在电阻上形成固定电流。有了这个定式,恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个“电压基准”的器件上。*简单的电压基准,就是稳压二极管,利用稳压二极管和一只三极管,可以搭建一个更简易的恒流源。如图(3)所示:
电流计算公式为:I=(Vd-Vbe)/R1TL431是另外一个常用的电压基准,利用TL431搭建的恒流源如图(4)所示,其中的三极管替换为场效应管可以得到更好的精度。TL431组成流出源的电路,暂时我还没想到:)TL431的其他信息请参考《TL431的内部结构图》和《TL431的几种基本用法》
电流计算公式为:I=2.5/R1
事实上,所有的三端稳压,都是很不错的电压源,而且三端稳压的精度已经很高,需要的维持电流也很小。利用三端稳压构成恒流源,也有非常好的性价比,如图(5)所示。这种结构的恒流源,不适合太小的电流,因为这个时候,三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。电流计算公式为:I=V/R1,其中V是三端稳压的稳压数值。
实际的电路中,有一些特殊的结构,也可以提供很好的恒流特性,*典型的就是一个很高的电压通过一个电阻在一个低压设备上形成电流,如图(6),这个恒流源的精度,取决于高压的**度和低压设备本身导致的电压波动。在一些开关电源电路中,这个结构用来给三极管提供偏置电流。
电流计算公式为: I=Vin/R1
值得一提的是,以上这些恒流源并不都适合安培以上级别的恒流应用,因为电阻上面太大的电流会导致发热严重。
图(2)可以通过使用更小的电阻来降低这个热量,不过在单电源供电模式下,多数运放都不能有效检测和输出接近地或者Vcc的电压,因此必须使用特殊的器件才能达到要求。有个简单的办法是通过一个稳压器件(稳压管,或者TL431等)偏置电阻上面的电压,使得这个电压进入运放的检测范围。
恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈,动态调节设备的供电状态,从而使得电流趋于恒定。只要能够得到电流,就可以有效形成反馈,从而建立恒流源。能够进行电流反馈的器件,还有电流互感器,或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈,也可以利用回路上的发光器件(例如光电耦合器,发光管等)进行反馈。这些方式都能够构成有效的恒流源,而且更适合大电流等特殊场合,恒流亦可叫稳流,意思相近,一般可以不加区别。与恒压的概念相比,恒流的概念就难于理解一些了,因为日常生活中恒压源是多见的,蓄电池、干电池是直流恒压电源,而220V交流电,则可认为是一种交流恒压电源,因为它们的输出电压是基本不变的,是不随输出电流的大小而大幅变化的。
   首先举例说明:一个恒定电流值调至 1A 的,*高输出电压可达100V的一个恒流电源,当你打开这个恒流源的电源开关时,你会看到电源的电压表和电流表显示什么数值呢?可以肯定的说:输出电压为100V,输出电流为 0A 。
有人曾经这样问,你不是100V1A 的恒流源吗?怎么输出不是 100V 1A 呢?这里仍然要用欧姆定律来解释,理论上可以这样来计算,电源的输出电压 U=IR,式中U 为输出电压, I 为输出电流, R 为负载电阻。
以下分5种情况来说明:
如果电源为空载,R可以用无穷大来表示, U=I* ∞,由于电源能输 1A 的电流,如果电源电流为 1A ,那么 U=1A* ∞=∞,而电源电压*多只能输出 100V ,无疑电源只能输出其*大电压100V,由于电源不能输出无穷大的电压,因而电流只能是很小很小的值,即电流输出为 0A ,即 I=U/R=100V/ ∞=0A。
如果负载电阻R=200欧,那么又因电源只能输出 100V ,因此电流只能为 0.5A ,即 I=U/R=100V/200R=0.5A如果负载电阻R=100 欧,由于电源能输出 100V ,就使得电流能达到 1A ,即I=U/R=100V/100R=1A此时输出电流正好达到电源的恒流值。
如果负载电阻继续减小,改为50欧,如果根据公式 I=U/R=100V/50R=2A. 但这里的关键是我们的电源是个恒流值为1A的电源,因此此时的输出电流只能被强迫限制在 1A 而不能为 2A 因而输出电压只能被迫降到 50V 而不能为100V。这里仍然要符合欧姆定律,即 U=IR=1A*50R=50V 如果负载电阻变为 0 欧(即短路),那么由于输出电流只能为1A,输出电压就只能为 0V ,即 U=I*R=1A*0R=0V 从以上5个例子可以看出,如果负载电阻太大,使电源输出电流不能达到恒流值,那么恒流源的输出电压就会自动升到电源的*大输出电压,只有当负载电阻小到一定的程度,使电源输出电流达到恒流值,电源才真正处于恒流工作状态,随着负载电阻值的逐步减小,输出电压也按规律下降,以保持输出电流的恒定不变。这就是恒流的概念。
 总之,实际上无论是恒压电源,还是恒流源,它们本质上都是一致的,它们的输出都是电压和电流,两个量中,电源只能控制其中的一个量,要么稳住电压,要么稳住电流,另一个量是一定要由负载电阻来决定的,而负载电阻是由使用者来决定的,因而电源的两个输出量中,必然有一个由使用者来决定的,这才能符合逻辑,符合欧姆定律,才能为使用者所用,决无所谓既能给定输出电压,又能同时给定输出电流的电源。
交流恒流源实物图