7种直流恒流源电路分析

传感器及发光器件常需恒流源供电，精确测量微小电阻一般也要用到恒流源。 恒流源的本质是其具有调节负载两端电压的能力，凡具有电压调整能力的器件均可构成恒流源，包括运放、稳压芯片、三极管、MOS管等。 下面以运放和电压调节器为例来构成恒流源。

一. 图一所示的V/I转换电路中，对采样电阻Rs左侧电压Uo1执行负反馈，右侧电压Ua跟随到同相输入端，以维持Rs两端电压恒定。 对运放A1而言，是局部负反馈电路，仍满足虚短条件，属同相加法器电路，可进行如下推导运算。

Up1为Ui和Uo2在同相端P1处的叠加，即Up1=0.5Ui+0.5Uo2 ;

Uo1=2Up1=Ui+Uo2 ，

Uo1-Uo2=Ui，其中的Uo2=Ua,

即Uo1-Ua=Ui ，可见Rs两端的电压为Ui; 因Ip2=0 ,流过负载的电流IL=Io=Ui/Rs，负载上的电流与电压成正比例函数关系，转换系数是1/Rs ，当Rs=500欧时，IL=0.002Ui 例如，若Ui=0~10V,则lL=0~20mA。 如果Ui由精密的基准源Vref给定，Rs采用低温漂精密电阻，则负载将流过精确的恒定电流IL=Vref/Rs 。 下面将利用TL431B产生的基准电压，将图一电路改成恒流源。

对照图二右侧的TL431内部原理框图，调整端R连接至内部运放的同相输入端，是虚断的，IR=0 ,可知左图中的I1=I2 ; 当A点电压超过2.495V时，内部三极管T就会导通进行电压调节，多余电压加在R0上，使A点电压维持在2.495V,根据I1=I2方程，可得：（Vout-2.495)/R1=2.495/R2即Vout=(1+R1/R2)*2.495 ; 图示输出电压可以在2.495~5V之间调节，下面用此基准电压，结合图一原理，来构成一个可调恒流源，如图三所示。

由图一电路原理可知，负载电流IL=Vref/Rs ，由于Vref和Rs都是精确值，IL就是恒定值。 为减小对基准源的影响，同时提高运放A1的运算精度，增加电压跟随器A0作隔离缓冲; Vref=2.5V~7.5V，取Rs=360欧，电流可恒定在7mA至20mA之间的一个值上； 也可以保持Vref不变，将Rs用精密多圈电位器代替，通过改变Rs来调整恒流值。 运放的输出电流一般都比较小，需要输出较大的恒定电流时，可以用三极管、达林顿管和MOSFET进行扩流，可以在图三基础上进行扩流，也可用图四和图五所示电路进行扩流。

图四是由运放和三极管组成的V/I转换电路，输入信号Ui经R1加至A1的同相端，T1发射极接有负反馈电阻Rp和RL，负反馈信号经A2缓冲后，经由电阻R3加到A1反相端； 负载电阻RL为正反馈电阻，经A3缓冲后，经由电阻R4加至A1同相输入端；

R1=R2 ,R3=R4，整体电路属于电流串联负反馈电路，具有比较好的恒流特性，设R1=R2=m ,R3=R4=n .根据叠加：

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;

按图四参数，如取Rp=500欧，则Io=4Ui ； Ui=1~5V ，则Io=4~20mA 。 可以看出，输出电流Io与输入电压成正比例函数关系，改变Rp可以调整转换系数。

将Ui用基准源提供，Rp用采样电阻代替，选合适功率的三极管，即可得到需要的恒流源。 如图五所示，将R1~R4取相同的值，则有：

Io=Vref/Rs ，采样电阻Rs取不同的定值，即可得到不同大小的恒流源，但应注意Io(RL+Rs)应小于电源电压，并根据电流大小确定三极管和采样电阻Rs的功率参数。

二. 恒流源也可由稳压芯片构成，由可调稳压芯片LM317构成的恒流源如图六所示。

图六右侧为LM317构成电流源时的内部原理框图，内部运放A构成负反馈。

向上=1.25V+（Iadj+Is）RL ;

Un=IsRs+(Is+Iadj)RL ;

由Un=Up ，得Is=1.25/Rs ;

负载上电流：Io=Is+Iadj ，其中Iadj仅50微安左右，且很稳定，变化量只有0.2~5uA,可以认为输出电流Io是恒定的，近似计算时忽略Iadj,

Io=Is=1.25/Rs ；Rs为LM317输出端和调整端之间连接的取样电阻。

LM317内部电路需要足够的压差才能正常工作，要求最小输出电流应在5mA以上; 当需要10～100mA的恒流源时，选用TO-92封装的小功率LM317L，对应的电路图如图六左侧所示；当需要使用100mA~1A的恒流源时，可用TO-220封装的LM317 。最大恒流值除与LM317自身额定电流有关外，还与输入和输出的压差有很大关系，电流比较大时，输入电压不要选太高。

图七中的LM317LZ构成了15mA的恒流源，用于驱动双向可控硅型光耦，可以适应3.3V～24VDC的驱动电压，电压虽变，驱动效果不变。

　　审核编辑：汤梓红