恒流电路设计之三极管恒流电路

上次我们讲了恒流电路设计之稳压二极管恒流电路，这次我们接着讲三极管恒流电路

仿真与电路分析

首先还是用LTspice进行仿真

同样，该电路也不是对所有的负载都能实现"恒流"。

根据仿真结果，可分析出该电路的工作原理：

1. 配置电阻$R_1$、三极管$Q_1$和采样电阻$R_2$会形成一条通路，从而使三极管$Q_1$导通；配置电阻$R_1$会限定$I_{b_}$和$I_$的大小；

2. 若$I_*R_2<V_{{be}}$($V{{be}_}$是$Q_2$的死区电压)，则$Q_2$截止；

3. 随着负载逐渐减小，$I_$会逐渐增加，$I_=I_+I_{b_}$也会逐渐增加；直到$I_*R_2>V_{{be}_}$，$Q_2$开始导通；

4. 当$V_{{be}}$趋于稳定后，$Q_2$的基极、发射极电流均趋于稳定，\(I_{R_1}\)、$I$亦趋于稳定，电路进入恒流模式；

需要注意的是，如果配置电阻$R_1$过大，导致$I_{b_}$过小(因为$I_{{R_L}}=\beta {1}*I{b}$)，可能会在整个负载变化过程中，$Q_2$都无法导通；此时的电路结构会类似于稳压二极管恒流电路；

换句话说，要保证$Q_2$导通，$R_1$需满足：

\(V_2-I_{b_{Q_1}}R_1-V_{{be}_{Q_1}}>V_{{be}_{th}}\tag{1}\)

\(V_{{be}_{th}}=\beta _{Q_1}I_{b_{Q_1}}R_2\tag{2}\)

即：

\(R_1<\frac{V_2-V_{be_{Q_1}}-V_{be_{th}}}{V_{be_{th}}}\beta _{Q_1}R_2\tag{3}\)

使用该电路时需要特别注意$R_1$的取值。

上面已经提到该电路是要在特定的负载范围内才能实现恒流，接下来我们研究下负载的取值范围。

该电路进入恒流模式时，三极管同样工作在放大区，即$V_c>V_b$:

\(V_2-I_L*R_L>V_{be_{Q_2}}+V_{be_{Q_1}}=(I_{e_{Q_1}}-I_{b_{Q_2}})*R_2+V_{be_{Q_1}}\tag{4}\)

假设$I_{b_}\ll I_{e_}$；同时$I_e\approx I_L$；所以式(4)可简化为：

\(R_L<\frac{V_2-V_{be_{Q_1}}-V_{be_{Q_2}}}{V_{be_{Q_2}}}R_2\tag{5}\)

最后还有一个关键参数，就是恒流电流为：

\(I=\frac{V_{be_{Q_2}}}{R_2}+I_{b_{Q_2}}\tag{6}\)

特点

缺点

1、恒流精度差

根据式(6)，该电路的恒定电流会随三极管的$V_$的变化而变化；而三极管的$V_$的温度特性一般较差，对于锗管来说，其$V_$在-20℃~55℃范围内波动将达到30%以上。

另外在常温(25℃)场景下，三极管的$V_$也会受基极电流影响，而基极电流会受外围偏置电路影响。基极电流与$V_$的关系(输入特性曲线)通常在三极管的datasheet中有说明。

2、三极管$Q_1$的功耗较高

当采样电阻$R_2=2 \Omega$时，$Q_1$的功耗最高将达到0.9W。

优点

1. 三极管恒流电路没有用到特殊器件，仅由两个三极管和几个电阻组成，成本低，输出电流可调。

2. 三极管恒流电路的工作原理本质上还是与稳压二极管恒流电路相似，但其恒流区的负载范围会比稳压二极管恒流电路更大，所以三极管恒流电路适用性更强。

3. 三极管恒流电路只有一个高功率器件(\(Q_1\))，在相同的恒定电流状态下，其功耗会比稳压二极管恒流电路更小。

总结

该电路设计时需要特别注意：

1. $R_1$的取值，取值不合适会导致$Q_2$无法导通，从而得不到理论的恒定电流。

2. 该电路仅适用于对恒流精度要求不高的场景。

3. 该电路仅在一定负载范围内才能实现恒流，使用时，需要考虑负载适用范围。

4. 三极管$Q_1$需要做好散热。

#如何下载：三极管恒流电路仿真模型

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