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R1、三极管Q1和采样电阻R2会形成一条通路,从而使三极管Q1导通;配置电阻R1会限定IbQ1IR2的大小;

  2. IR2R2<Vbeth(VbethQ2的死区电压),则Q2截止;

  3. 随着负载逐渐减小,IRL会逐渐增加,IR2=IRL+IbQ1也会逐渐增加;直到IR2R2>VbethQ2开始导通;

  4. VbeQ2趋于稳定后,Q2的基极、发射极电流均趋于稳定,IR1IR2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R1过大,导致IbQ1过小(因为IRLmax=β1IbQ1),可能会在整个负载变化过程中,Q2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Q2导通,R1需满足:

(1)V2IbQ1R1VbeQ1>Vbeth

(2)Vbeth=βQ1IbQ1R2

即:

(3)R1<V2VbeQ1VbethVbethβQ1R2

使用该电路时需要特别注意R1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Vc>Vb:

(4)V2ILRL>VbeQ2+VbeQ1=(IeQ1IbQ2)R2+VbeQ1

假设IbQ2IeQ1;同时IeIL;所以式(4)可简化为:

(5)RL<V2VbeQ1VbeQ2VbeQ2R2

最后还有一个关键参数,就是恒流电流为:

(6)I=VbeQ2R2+IbQ2

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Vbe的变化而变化;而三极管的Vbe的温度特性一般较差,对于锗管来说,其Vbe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Vbe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Vbe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Q1的功耗较高

当采样电阻R2=2Ω时,Q1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(Q1),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. R1的取值,取值不合适会导致Q2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Q1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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