恒流源調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317構(gòu)成的恒流源介紹
傳感器及發(fā)光器件常需恒流源供電,精確測量微小電阻一般也要用到恒流源。恒流源的本質(zhì)是其具有調(diào)節(jié)負(fù)載兩端電壓的能力,凡具有電壓調(diào)整能力的器件均可構(gòu)成恒流源,包括運(yùn)放、穩(wěn)壓芯片、三極管、MOS管等。下面以運(yùn)放和電壓調(diào)節(jié)器為例來構(gòu)成恒流源。
一. 圖一所示的V/I轉(zhuǎn)換電路中,對采樣電阻Rs左側(cè)電壓Uo1執(zhí)行負(fù)反饋,右側(cè)電壓Ua跟隨到同相輸入端,以維持Rs兩端電壓恒定。對運(yùn)放A1而言,是局部負(fù)反饋電路,仍滿足虛短條件,屬同相加法器電路,可進(jìn)行如下推導(dǎo)運(yùn)算。
Up1為Ui和Uo2在同相端P1處的疊加,即Up1=0.5Ui+0.5Uo2 ;
Uo1=2Up1=Ui+Uo2 ,
Uo1-Uo2=Ui,其中的Uo2=Ua,
即Uo1-Ua=Ui ,可見Rs兩端的電壓為Ui;因Ip2=0 ,流過負(fù)載的電流IL=Io=Ui/Rs,負(fù)載上的電流與電壓成正比例函數(shù)關(guān)系,轉(zhuǎn)換系數(shù)是1/Rs ,當(dāng)Rs=500歐時,IL=0.002Ui 例如,若Ui=0~10V,則lL=0~20mA。如果Ui由精密的基準(zhǔn)源Vref給定,Rs采用低溫漂精密電阻,則負(fù)載將流過精確的恒定電流IL=Vref/Rs 。下面將利用TL431B產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓,將圖一電路改成恒流源。
對照圖二右側(cè)的TL431內(nèi)部原理框圖,調(diào)整端R連接至內(nèi)部運(yùn)放的同相輸入端,是虛斷的,IR=0 ,可知左圖中的I1=I2 ;當(dāng)A點(diǎn)電壓超過2.495V時,內(nèi)部三極管T就會導(dǎo)通進(jìn)行電壓調(diào)節(jié),多余電壓加在R0上,使A點(diǎn)電壓維持在2.495V,根據(jù)I1=I2方程,可得:(Vout-2.495)/R1=2.495/R2即Vout=(1+R1/R2)*2.495 ;圖示輸出電壓可以在2.495~5V之間調(diào)節(jié),下面用此基準(zhǔn)電壓,結(jié)合圖一原理,來構(gòu)成一個可調(diào)恒流源,如圖三所示。
由圖一電路原理可知,負(fù)載電流IL=Vref/Rs ,由于Vref和Rs都是精確值,IL就是恒定值。為減小對基準(zhǔn)源的影響,同時提高運(yùn)放A1的運(yùn)算精度,增加電壓跟隨器A0作隔離緩沖; Vref=2.5V~7.5V,取Rs=360歐,電流可恒定在7mA至20mA之間的一個值上;也可以保持Vref不變,將Rs用精密多圈電位器代替,通過改變Rs來調(diào)整恒流值。運(yùn)放的輸出電流一般都比較小,需要輸出較大的恒定電流時,可以用三極管、達(dá)林頓管和MOSFET進(jìn)行擴(kuò)流,可以在圖三基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)流,也可用圖四和圖五所示電路進(jìn)行擴(kuò)流。
圖四是由運(yùn)放和三極管組成的V/I轉(zhuǎn)換電路,輸入信號Ui經(jīng)R1加至A1的同相端,T1發(fā)射極接有負(fù)反饋電阻Rp和RL,負(fù)反饋信號經(jīng)A2緩沖后,經(jīng)由電阻R3加到A1反相端;負(fù)載電阻RL為正反饋電阻,經(jīng)A3緩沖后,經(jīng)由電阻R4加至A1同相輸入端;
R1=R2 ,R3=R4,整體電路屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋電路,具有比較好的恒流特性,設(shè)R1=R2=m ,R3=R4=n .根據(jù)疊加:
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;
按圖四參數(shù),如取Rp=500歐,則Io=4Ui ;Ui=1~5V ,則Io=4~20mA ??梢钥闯觯敵鲭娏鱅o與輸入電壓成正比例函數(shù)關(guān)系,改變Rp可以調(diào)整轉(zhuǎn)換系數(shù)。
將Ui用基準(zhǔn)源提供,Rp用采樣電阻代替,選合適功率的三極管,即可得到需要的恒流源。如圖五所示,將R1~R4取相同的值,則有:
Io=Vref/Rs ,采樣電阻Rs取不同的定值,即可得到不同大小的恒流源,但應(yīng)注意Io(RL+Rs)應(yīng)小于電源電壓,并根據(jù)電流大小確定三極管和采樣電阻Rs的功率參數(shù)。
二. 恒流源也可由穩(wěn)壓芯片構(gòu)成,由可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317構(gòu)成的恒流源如圖六所示。
圖六右側(cè)為LM317構(gòu)成電流源時的內(nèi)部原理框圖,內(nèi)部運(yùn)放A構(gòu)成負(fù)反饋。
Up=1.25V+(Iadj+Is)RL ;
Un=IsRs+(Is+Iadj)RL ;
由Un=Up ,得Is=1.25/Rs ;
負(fù)載上電流:Io=Is+Iadj ,其中Iadj僅50微安左右,且很穩(wěn)定,變化量只有0.2~5uA,可以認(rèn)為輸出電流Io是恒定的,近似計(jì)算時忽略Iadj,
Io=Is=1.25/Rs ;Rs為LM317輸出端和調(diào)整端之間連接的取樣電阻。
LM317內(nèi)部電路需要足夠的壓差才能正常工作,要求最小輸出電流應(yīng)在5mA以上; 當(dāng)需要10~100mA的恒流源時,選用TO-92封裝的小功率LM317L,對應(yīng)的電路圖如圖六左側(cè)所示;當(dāng)需要使用100mA~1A的恒流源時,可用TO-220封裝的LM317 。最大恒流值除與LM317自身額定電流有關(guān)外,還與輸入和輸出的壓差有很大關(guān)系,電流比較大時,輸入電壓不要選太高。
圖七中的LM317LZ構(gòu)成了15mA的恒流源,用于驅(qū)動雙向可控硅型光耦,可以適應(yīng)3.3V~24VDC的驅(qū)動電壓,電壓雖變,驅(qū)動效果不變。