应用·交流 ———恒流电源设计 机床电器 2005 4 恒流电源设计 周海强 　(航天工业总公司第三研究院 ,100039) 摘要 :本文介绍了几种恒流电源电路 ,比较了它们的特点 ,分析了它们的原理 。 关键词 :恒流源 ;电路设计 ;原理 中图分类号 : TM901 　　　文献标识码 :B 　　　文章编号 :1004 - 0420 (2005) 04 - 0049 - 05 Designs of constant current source ZHO U Hai - qiang ( The 3 Research Instit ute of National Space Indust ry Corporation ,100039) Abstract :This text has int roduced several kinds of constant circuit power sources , compared t heir characteristics and analyzed t heir p rinciples. Key words :constant circuit source ; design circuit ;p rinciple 　　在工业控制中 ,在电子设备 、仪器仪表及高新 科技领域中 ,人们经常使用稳压电源 ,因而稳压电 源品种多 、资料多 ,人们比较熟悉 。而恒流电源相 对于稳压电源来说用的地方不多 ,因而介绍的资 料较少 ,但实际上恒流电源涉足的范围越来越宽 , 许多新兴科技领域如通信 、超导 、传感技术等电子 设备用恒流源要比稳压电源更好 。所谓恒流源 , 即对应于一定的电压变化所产生的电流变化趋于 零 ,电流是一个恒定值 ,有很高的动态输出电阻 , 具有这种特性的器件称之为恒流源 。例如 : 霍尔 式压力传感器的电源就使用恒流源 。霍尔压力传 感器是根据半导体的霍尔效应原理制成的 。其公 式 : E H = K H × I × B , 式 中 : E H 为 霍 尔 电 势 (mV) ; I 为通过半导体的电流 ( mA) ; B 为磁感应 强度 ( T) ; K H 为霍尔元件灵敏度系数 ( mV/ mA · T) 。在实际应用中 I 和 B 两个量之一保持常数的 话 ,则另一个作为输入变量 ,引起输出电压 E H 与 输入量成比例 。所以为使所产生的霍尔电势与待 测量成单一的线性关系 ,必须保证给霍尔元件提 供恒定的直流电流 I ,故要配备恒流源 。又如 :工 业测温的测温传感器中测量电阻最好的方法是采 用恒流源电路 。在集成电路中 ,广泛地应用于晶 体管的偏置电路 、差动放大电路的射极电路 、直流 电平移动电路 、放大电路的负载等 。 1 　基本恒流源电路 1 1 　基本原理 图 1 　基本电路 图 1 中利用半导体三极管输出特性 ,如果认 为 V B 不受温度变化的影响 ,而 V B E虽然受温度的 影响 ,但它的变化值( - 2 mV/ ℃) 又远小于 V B 的 话 ,则 V E 也基本上不受温度变化的影响 ,这个关 系也同样适用于 I E 和 I C 。从另一个角度来看 ,一 旦 EC 、R b2 、R b1和 R e 确定之后 , I C 就被基本确 定 ;而在一定范围之内与负载电阻 R L 的大小无 关 ,只要使管子 V CE工作在特性曲线的平坦部分 即可 。 1. 2 　模拟恒流源电路 模拟恒流源电路如图 2 所示 。在模拟电路 中 , T1 、T2 是相邻的晶体管 ,因此它们的性能参数 基本相同 。 R 与 T1 管串联作 T2 管的偏置电路 , —94— 

机床电器 2005. 4 应用·交流 ———恒流电源设计 并提供基准电流 I R 。T1 管的集电极与基极连接 在一起 , U CB = 0 ,它工作在临界饱和状态 , I C1 = βIB1仍成立 ,因此 ,可以认为 T1 、T2 均工作在线性 区 。因为 U B E1 = U B E2 ,故有 IB1 = IB2 , I C1 = I C2 , 由图可知 : 图 2 　模拟电路 I R = I C2 + 2 IB1 = I C1 (1 + 从而得到 : 2 β) = I C2 (1 + 2 β) (1) 产生波动时 ,输出电压保持相对稳定 ,即具有较好 的电压调整特性 ;当负载电流波动时 ,输出电压保 持相对稳定性 ,即具有较好的负载调整特性 ;当工 作温度发生变化时 ,输出电压保持相对稳定性 ,即 具有较好的温度稳定性 。具有过热 、过电流 、安全 工作区自动保护功能 ,使元件不易损坏 。 三端固定正电压集成稳压器采用串联调整电 路结构 。内部集成了完善的稳压电路 ,而其外部 仅有输入 ( V i) 、输出 ( V o) 和公共地 ( GND) 三个端 子 ,应用十分简便 。 2 ) (2) β+ 2 　　　　I C2 = I R (1 - 若β> 2 ,则 : 　　　　I C2≈ I R≈ E - U B E (3) 它表明 T1 、T2 管具有电流“镜像”关系 。这种 恒流源电路也常称为“镜像”恒流源电路 。由于 U B E与温度有关 ,所以这种恒流源受温度影响较 大 ;此外 ,当 β值不高时 , I C2与 I R 之间误差较大 , 电路的镜像特性变差 。因此 ,在此电路的基础上 出现了多种改进型镜像恒流源电路 。 R 2 　集成电路恒流源 2. 1 　场效应管电路 该电路简单 ,当输出阻抗在几兆欧到几十兆 欧内 ,电路都具有恒流特性 ,作为小容量电流的恒 流源电路 ,实用性很强 。它的缺点是电流变化达 ±5 %。 图 3 　场效应管电路 2. 2 　由 7800 系列集成稳压器组成大的恒流源电路 集成稳压器一般指把经过整流的不稳定电压 转换成稳定的输出电压的集成电路 。当输入电压 —05— 图 4 　7805 恒流源电路 7800 系列三端固定正电压集成稳压器可以组 成正压恒流源 ,此时集成稳压器是工作在悬浮状 态 ;在其输出端和公共端间接一个固定电阻 ,形成 固定恒流 ,此时电流流过负载 R L 后 ,再返回至集 成稳压器 ,当外部负载 R L 发生变化时 ,集成稳压 器通过改变自身压差的形式 ,维持通过负载使恒 流电流不变 。为提高稳压器的工作效率 ,最好选 择 7805 系列 ,即输出低电压的稳压器 。利用 CW 7805 三端固定正电压集成稳压器的公共端可以浮 地的特点 ,用其组成恒流源电路 ,如图 4 所示 。通 过设定恒流电阻 R 的值 ,就可以得到所需的恒流 电流 。公共端输出电流 I D = 1. 5 mA ,此电流就是 恒流源最小起始电流 。当 R 较小时即恒流电流较 大时 ,可以忽略 I D 的影响 ,当 I D 较小时 ,输出电 流 Io 的变化可能会影响恒流精度 。因此恒流电阻 R 应尽量小一些 ,以提高电路恒流精度 。 其输出电流计算公式 : U R + I D 　　　　　　I = 其中 , U = V o = 5 V , I D = 1 (4) 5 mA ( U —集成 稳压器标称输出电压 ; V o —输出电压 ; R —恒流电 阻 ; I D —静态电流) 。 C1 、C2 是输入和输出旁路电容。因为集成稳 压器内部电路比较复杂 ,放大级多 ,开环增益高 。 

应用·交流 ———恒流电源设计 机床电器 2005 4 虽然电路工作在闭环负反馈状态下 ,但若不在外 部采取适当补偿移相措施 ,电路可能会产生高频 振荡 ,从而影响元器件的工作 ,甚至损坏无器件 。 具体来讲 :在输入端加接 C1 = 0. 33 μF ,是为了改 善纹波特性 ;在输出端加接 C2 = 0. 1 μF ,目的是 为了改善负载瞬态响应 。 2. 3 　由 L M 317 组成恒流源电路 图 5 　L M 317 恒流源电路 L M 317 是美国国家半导体公司的三端可调 稳压器集成电路 ,输出电压稳压精度高 ,输出纹波 小 。这种集成稳压器有三个输出端 ,即电压输入 端 V i ,电压输出端 V o 和调节端 ADJ 。它没有公 共接地端 ,公共接地端往往通过串接电阻 ,再接到 地 。L M 317 输出电压为 1. 2 V～35 V ,输出电流 为 0. 1 A ,负载稳定度 5 ×10 - 3 ,纹波电压 ≤5 mV , 电压稳定度 1 ×10 - 3 。 它的使用非常简单 ,仅需两个外接电阻来设 置输出电压 。可调整输出电压低到 1. 2 V ,保证 1. 5 A 输出电流 。 如图 5 所示 ,输出电流 Io = U xx/ R + Iq。一般 I q ,以避免或减小 Iq 变化时 在选择 R 时 ,应使 Io 影响恒流特性 ,此电路可以给各种充电电池充电。 实际使用时 ,可以将不同的电阻 R 接入 ,并用开关 进行转换 ,可调整不同的充电电流。因为稳定的基 准电压 U xx在电阻 R 上产生 I = U xx/ R 电流 ,这个 电流全部流过负载 ,调节端本身的电流很小 ,也就 是大约 50μA 左右 ,可以认为流过负载的是恒定电 流。由于这种集成稳压器有很好的电压调整率 ,负 载上的电压的变化由 L M 317 输入输出的差值作补 偿。所以只要输入电压足够高 ,即使负载变化大 ,也 能提供理想的恒定电流。如果将电阻 R 改为电位 器 ,图 5 就是可调恒流源电路图。 3 　恒流管电路 恒流二极管和恒流三极管是近年来问世的半 导体恒流器件 ,而恒流三极管又是在恒流二极管 的基础上发展而成的 。它是以低温度系数 、高电 流稳定度和产品一致性好为特征的精密集成电路 恒流器件 。起始电压低 , 可靠性高 , 恒定电流可 调 ,实际使用呈二端式 , 串入电路中提供恒定电 流 ,使用十分方便灵活 。它们都能在很宽的电压 范围内输出恒定的电流 ,并具有很高的动态阻抗 。 由于它们的恒流性能好 、价格较低 、使用简便 ,因 此目前已被广泛用于恒流源 、稳压源 、放大器以及 电子仪器的保护电路中 。恒流二极管(CRD) 属于 两端结型场效应恒流器件 。其电路符号和伏安特 性如图 6 所示 。恒流二极管在正向工作时存在一 个恒流区 ,在此区域内 I H 不随 V i 而变化 ;其反向 工作特性则与普通二极管的正向特性有相似之 处 。恒流二极管的外形与 3D G6 型晶体管相似 , 但它只有两个引线 ,靠近管壳突起的引线为正极 。 图 6 　电路符号及伏安特性 恒流三极管是继恒流二极管之后开发出的三 端半导体恒流器件 。前已述及 ,恒流二极管只能 提供固定值的恒定电流 ,外界无法改变 ;而恒流三 极管增加了一个控制端 ,能在一定范围内对恒定 电流进行连续调节 ,利用其可控端可在一定范围 内对 I H 进行连续调节 ,调节范围为 0. 08～7. 00 mA ,视具体管子型号而定 ,这就给用户带来方便 。 恒流三极管的电路符号 、典型接法如图 7 所 示 。与普通晶闸管 ( SCR) 相似 ,它也有三个电极 : 阳极 (A) ,阴极 ( K) ,控制极 ( G) 。在电路中 ,A 极 接正电压 , K 极接可调电阻 R K , G 极接 R K 的另 一端 。由图 7 (b) 可见 ,当 R K = 0 时 , G - K 极间短 路 ,恒流三极管就变成了恒流二极管 ,此时输出电 流为最大 ,有关系式 : Io = I Hmax ,接入 R K 之后 , I H 就减小 ,并且 R K 越大 , I H 越小 。因此 ,调节 R K 就能获得连续变化的恒定电流 。 国产 3D H 系 列 恒 流 三 极 管 包 含 3D H1 ～ 3D H15 (金属壳封装) 15 种型号 。4D H 型和 3CR 型恒流管是以低温度系数、高电流稳定度和产品 —15— 

机床电器 2005. 4 应用·交流 ———恒流电源设计 图 7 　恒流三极管的电路符号 、典型接法 一致性好为特征的精密集成电路恒流器件 ,由于 全新设计 、一流工艺和优良管理 ,使这新一代系列 化产品从电性能指标到内在质量均达到国际先进 水平 ,是恒流器件中的精品 。该产品的突出优点 是 :电流稳定度高 ,温度特性优良 ,起始电压低 ,可 靠性高 ,恒定电流可调和温度系数可调(4D H 型) 。 实际使用呈二端式 ,串入电路中提供恒定电流 ,使 用十分方便灵活 。主要应用于各类传感器变送 器 、直流放大器 、光电转换电路 、基准电压源 、光电 源 、稳压电源和充电器等电路中的精密恒流供电 或限流保护 ,已成为各种光电设备 、程控机和仪器 仪表的常用器件 。 4D H 系列采用 B - 3 四引线金属管壳封装 , 3CR 系列采用 B - 1 和 B - 3 三引线金属壳封装或 T092L 塑料封装 。 3 1 　4D H 型 、3CR 型电路符号及外形尺寸如下 。 图 8 　4D H 型恒流管电路符号 图 9 　3CR 型恒流管电路符号 2 　图 10～图 13 分别给出各种型号恒流管的连 3 接方式 。 图 10 　4D H1 连接方式 —25— 图 11 　4D H2 连接方式 图 12 　4D H7 连接方式 图 13 　3CR 连接方式 3 　根据所选恒流管型号 ,参照图 10～图 13 所 3 示连接方式接妥外接电阻 R 、Rc (对 4D H 型) 或外 接电阻 R (对 3CR 型) ,其中 Rc 、R 的阻值按所选 恒流管型号由以下方法决定 : 4D H1 型 :恒流值 I H 与 R 、Rc 关系为 : I H = 330 mV R 4D H7 型和 3CR 系列 : 恒流值 I H 与 R 关系 均由下式确定 I H = 1 240 mV R 。 4 　以 D H 900 恒流源器件组成恒流源 电路 　　D H 900 为新型超精密恒流源器件 ,恒流源在 现代电子技术中应用广泛 ,但原有恒流源器件恒 流范围小且性能不佳 ,只能适用于要求不高的场 合 ,原因在于传统器件的温度稳定性这一关键问 题一直未获解决 。新型恒流源器件突破传统技 术 ,在低温漂 、低噪声问题上取得重大进展 ,优化 了器件设计 ,成功地将电流温度系数降低了一 、二 个数量级 ,并完成了器件系列化 ,恒流范围扩展到 1μA～20 A ,各项指标远优于国外同类器件 。 

应用·交流 ———恒流电源设计 机床电器 2005 4 D H 904 - K 型恒流管 ,是以低温度系数 、高电 流稳定度和产品一致性好为特征的精密集成电路 恒流器件 。当其正负二端间电压从零增加时 ,其 输出电流变化如图 6 所示 。其中 , V S 为起始电 压 , V M 为最高工作电压 , I H 为恒定电流值 。 R W —电位器最大限度 1 kΩ R —电流调整电阻 220 Ω R L —负载 　　从这几个数据看出 ,D H 904 - K 恒流管组成 恒流源电路确实恒流 。方案精炼 ,结构简单 ,安装 方便 。 5 　结束语 本文介绍的几种恒流源电路 , 设计简单 、实 用 ,恒流值稳定 。 参考文献 : 1 　赵家贵 ,付小美 ,董 　平. 新编传感器电路设计手册 M . 北京 :中国计量出版社 ,2002 2 　任致程. 经典集成电路 400 例 M . 北京 :机械工业出版 社 ,2002 图 14 　恒流管组成恒流源电路 3 　赵继文. 传感器与应用电路设计 M . 北京 :科学出版 社 ,2002 4 　清华大学电子学教研室 模拟电子技术基础简明教程 M 北京 : 高等教育出版社 ,1994 图 15 　数据图 5 　张国峰 ,张 　维编 实用稳定电源 150 例 M 北京 : 以输出 1. 5 mA 为例 ,对其电路进行实验 , 数 据如表 1 。 人民邮电出版社 ,1989 6 　标准集成电路数据手册 ———集成稳压器 Z 7 　康华光 电子技术基础 M 北京 :高等教育出版社 , 表 1 　数据表 1992 输入电压 (V) R W 电位器 (Ω) 输出电流量 I mA (mA) 10 17 24 607 607 607 1. 51 1. 51 1. 51 8 　英豪电子公司网站 9 　何希采 新型集成电路及其应用实例 M 北京 :科学 技术出版社 ,2002 收稿日期 :2004 - 12 - 14 (上接 48 页) 分 ,使各环节依靠输入与输出形成一 条动作支路 ,当动作支路数较多或有分支时 ,应适 当扩充有关环节输出触头的数量 ,或在有关环节 的输入部分进行触头的串 、并联接法 ; c. 各基本环节应根据其功能确定继电器或接 触器型号 。例如 ,前面所举例子中 ,如果延时环节 控制的不是电动机的停止而是另一台电动机的起 动 ,则可将中间继电器 KM 2 换成接触器 ,直接控 制另一台电动机的起动与停止 ; d. 各基本环节在简化过程中 ,如果简化不合 理 ,可能容易形成寄生线路 。所谓寄生线路 ,是指 在正常回路之外还存在着其它的通路 ,一旦这一 通路接通 ,就会产生误动作 。寄生线路的分析和 查找比较困难 ,特别在一些复杂的线路中 ,线路可 能的状态很多 ,不同状态下的不同操作对应的情 况较多 ,因此就会隐藏一些不易察觉的电流通路 , 在设计时应特别注意防止上述情况的出现 ; e . 对线路进行改进 ,或组合基本线路之后 ,在 分析线路功能时 ,可能出现一些事先没有考虑到 的细节问题 ,或功能实现上的问题 。例如 ,上述的 按钮不松开时的延时问题 ,如果可能出现故障 ,则 一定要采取措施进行预防 。如果是功能实现上的 细节问题 ,如触头的数量 、并联线圈的匹配等 ,则 应根据具体要求 ,改进线路 。 6 　结论 机床电气控制线路无论是在设计还是在分析 具体线路时 ,我们都可以将复杂的线路划分为基本 控制环节。各基本环节在组合时 ,要灵活运用 ,不能 拘泥现成线路一成不变。 收稿日期 :2004 - 11 - 03 —35—