电路设计-恒流电路

一、电路作用

恒流电路是一种能够在一定条件下，使输出电流保持恒定不变的电路。不管负载电阻如何变化或者输入电压如何波动，其输出电流都能维持在一个设定的值。常用于LED驱动和电池充电

二、典型电路

1.三极管恒流电路

图1 图2

图1是16.75V电压时的仿真电路此时电流为75.1mA，将电压升到图2中的26.75V时电流为77.4mA没有太大的变化，所以这个恒流电路基本稳定。

工作原理：电路上电后，给Q2一个高电平，Q2 随即导通。电流流过LED 和调节电阻 R4，从而调节电阻 R4 产生了电压降，Q3 的基极就变成了高电平，从而 Q3 导通，由于 Q3 的集电极连接 Q2 的基极，Q3 导通后就把 Q2 的基极拉低，从而 Q2 断开。Q2 断开后，Q3 的基极变为低电平，Q3 也断开，这时 Q2 的基极恢复为高电平，Q2再次处于导通状态、Q3 也再次处于导通状态。如此往复。在忽略两个三极管基极电流的情况下，电路中的电流等于Q3三极管导通电压 0.7V 除以 R4 的电阻阻值。由于这两项均为固定值，所以整个电路处于恒流状态，且仅与 R4 的阻值有关。R4 的阻值可依据所需的恒流电流大小来确定。

2.稳压管恒流电路

图3 图4

图3是电压为30V时的图，此时电路电流为77.8mA，当上升到图4中的40V电压时电流为78.2mA，基本无变化，所以此恒流电路成立。

工作原理：当电源接通后，电流通过限流电阻 R1 流向三极管 Q1 的基极。由于稳压二极管 D1 的存在，其两端电压保持稳定在特定的稳压值 $U_{ZD}$ ，使得三极管 Q1 的基极电压被限定在 $U_{ZD}$ 。此时，电阻 R1 两端的电压为 $U_{R}$ = $U_{ZD}$ - $U_{BE}$ ，其中 $U_{BE}$ 是三极管 Q 的基极 - 发射极导通压降，一般硅三极管的约为 0.7V。由于 $U_{ZD}$ 和 $U_{BE}$ 基本固定，所以 $U_{R}$ 也保持恒定。根据欧姆定律的I=U/R得出，电路电流只与U和R有关，此时 $U_{R}$ 和R1都固定所以电流也是固定的，以达到恒流效果。R1 的阻值可依据所需的恒流电流大小来确定。

3.二极管恒流电路

图5 图6

图5是电压为25V时的图，此时电路电流为74.2mA，当上升到图4中的35V电压时电流为77.8mA，变化在可控范围内，所以此恒流电路成立。

工作原理：当电源电压施加到电路上时，二极管开始导通，电流通过二极管和三极管。由于二极管的正向特性，当电压增加时，电流也会增加。但是，由于压降是固定的所以当电流增加到一定程度时，二极管的电阻会随之增加，从而限制电流的进一步增加，使得电流保持在一个恒定的值。

4.运放恒流电路

图7 图8

图7是电压为26.75V时的图，此时电路电流为63mA，当上升到图8中的46.75V电压时电流为63.7mA，变化在可控范围内，所以此恒流电路成立。

工作原理：运算放大器有两个输入端（同相输入端和反相输入端）和一个输出端，在理想情况下，运放的两个输入端电压相等，即同相输入端电压等于反相输入端电压，此为 “虚短” 特性；同时，运放的输入电阻极高，可视为开路，流入运放输入端的电流几乎为零，这是 “虚断” 特性。运放恒流源正是利用这些特性以及负反馈机制，通过调节运放的输出电压来保持负载电流恒定。电路接通后，运放开始工作，其同相输入端接收参考电压，反相输入端通过采样电阻接收负载电流的采样电压。运放对同相输入端和反相输入端的电压进行比较，产生误差信号，并对误差信号进行放大，产生控制信号。控制信号通过驱动电路调节输出电压或电流，以减小误差信号。在调节过程中，运放会不断比较、放大和调节，直到误差信号趋近于零，此时负载电流达到恒定值。当负载电流达到恒定值时，电路进入稳定状态。即使负载阻抗发生变化，由于负反馈机制的作用，运放也会通过调节输出电压来保持负载电流的恒定。