恒流源是一種能向負載提供恒定電流的電源裝置，它具有響應速度快，恒流精度高、能長期穩(wěn)定工作，適合各種性質負載（阻性、感性、容性）等優(yōu)點。主要用于檢測熱繼電器、塑殼斷路器、小型短路器及需要設定額定電流、動作電流、短路保護電流等生產(chǎn)場合。常用的穩(wěn)流電源通常利用一個電壓基準，在電阻上形成固定電流。本項目用LD1117D12實現(xiàn)了一個簡單的固定式穩(wěn)流電源，且輸出值不隨負載的變化而變化。

用LD1117D12設計一個固定式恒流源電路，使其輸出1A左右的恒定電流。

* 能夠提供穩(wěn)定的1A恒流輸出。

*恒流精度≤±0.2%。

*負載變化范圍在0~10Ω內電流輸出穩(wěn)定。

恒流源的實質是利用器件對電流進行反饋，動態(tài)調節(jié)設備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于恒定。本項目中的電壓基準由LD1117D12產(chǎn)生。其設計思路主要是令電路產(chǎn)生一個基準電壓輸入到運算放大器的輸入端，通過負反饋作用，保持輸出電流恒定。

固定式恒流源電路整個系統(tǒng)主要分為以下兩個部分：

• 基準電壓輸出電路：產(chǎn)生恒流源需要利用一個電壓基準，在電阻上形成固定電流，這里利用LD1117D12產(chǎn)生基準電壓。
• 恒流源產(chǎn)生電路：利用電壓跟隨器，產(chǎn)生恒定輸出電壓，恒定電壓除以固定電阻產(chǎn)生恒定電流。
  

系統(tǒng)模塊框圖如圖2-1所示。

圖2-1 系統(tǒng)模塊框圖

• 基準電壓輸出電路
  

基準電壓VREF（1.2V）由LD1117D12產(chǎn)生， LD1117D50屬于低壓差線性穩(wěn)壓器，輸出電壓為+1.2V，最大輸出電流為800mA，穩(wěn)壓器的最小標準值壓差達為1V，即輸入端電壓應該在2.2V以上。

在穩(wěn)壓器輸入端接入電容C1=100nF用于改善負載的瞬態(tài)響應，在輸出端接入電容C2=10uF用于減小電壓紋波。這個基準電壓由R1和R2分壓后輸出設置out1點電位，來調節(jié)恒流源所需輸出電流。

基準電壓輸出電路仿真圖如圖2-2所示。基準電壓輸出端out1用圖表顯示，輸出波形如圖2-3所示。

圖2-2 基準電壓輸出電路仿真圖

圖2-3 基準電壓輸出仿真

如圖2-3所示，可以在基準電壓輸出電路輸出端out1處，得到穩(wěn)定的直流電壓Vout1，大小約為1.0A。

• 恒流源產(chǎn)生電路
  

基準電壓輸出電路的輸出端out1處輸出穩(wěn)定的1.0V基準電壓至運算放大器的輸入端。根據(jù)虛短關系，LM_in+端的電壓與FB端電壓相等，電壓值為1.0V。則當場效應管導通時，電流Iout根據(jù)（2-1）式計算。

                        Iout=Vout1/R4                          （2-1）

則輸出電流可計算，大小為1.00A。

當運算放大器同相輸入端電壓不變時，其輸出電壓亦保持恒定，顯然，流過負載的電流即場效應管Q1的漏源電流Ids亦保持恒定，當某種原因導致負載電流增大時，Ids在R4上的壓降也增大，由于電壓負反饋的作用，使得運算放大器的輸出電壓降低Ids減小，反之亦然，這就是該電路恒流的基本原理。

電路中場效應管應選擇IRF840，IRF840屬于第三代Power MOSFETs，特點是噪聲低、輸入阻抗高、開關時間短。典型應用為：電子整流器、電子變壓器、開關源等。IRF840是絕緣柵場效應管中的N溝道增強型。N溝道增強型的工作條件是：只有當柵極電位低于漏極電位時，才趨于導通。

恒流源產(chǎn)生電路空載仿真圖如圖2-4所示。

圖2-4 恒流源產(chǎn)生電路空載仿真圖

由圖2-4可知，實際電流輸出為1.00167A，經(jīng)計算，恒流精度為0.16%，滿足設計要求。

恒流源產(chǎn)生電路空載輸出波形如圖2-5所示。

    圖2-5 恒流源產(chǎn)生電路空載輸出波形

在電路輸出端加入2Ω負載進行測試，其仿真圖如圖2-6所示，測試此時的輸出電流為1.00167A，經(jīng)計算，恒流精度為0.16%，滿足設計要求。加入負載后，恒流源產(chǎn)生電路輸出波形如圖2-7所示，圖中可見恒流源電路輸出值一直穩(wěn)定在1.00A，即電源此時具有較好的穩(wěn)定性。

圖2-6 恒流源產(chǎn)生電路加負載圖（一）

圖2-7 恒流源產(chǎn)生電路加負載輸出（一）

之后，調整負載大小，將負載調整為9Ω，其輸出結果如圖2-8所示，測試此時的輸出電流為1.00166A，經(jīng)計算，恒流精度為0.16%，滿足設計要求。圖2-9為輸出波形仿真圖，圖中可見恒流源電路輸出值一直穩(wěn)定在1.00A，即電源此時具有較好的穩(wěn)定性。

圖2-8 恒流源產(chǎn)生電路加負載仿真圖（二）

圖2-9 恒流源產(chǎn)生電路加負載輸出（二）

注意：

設計中，場效應管的導通條件為柵極電位低于漏極電位時，才趨于導通。所以當負載過大時，由于流過的電流為恒流，會導致柵極電位與漏極電位逐漸相等，最終導致場效應管截至。此時則不會輸出穩(wěn)定恒流。

為了測得輸出電流穩(wěn)定時可承受負載的范圍，在電路輸出端接一最大阻值為100Ω的滑動變阻器作為負載進行測試，如圖2-10所示。

圖2-10 測試恒流源電路可承受負載范圍（一）

經(jīng)測試，當負載在0~10Ω范圍內，恒流源電路輸出為1A（±0.2%）電流，滿足設計要求。

當負載大于10Ω時，由于柵極電位與漏極電位逐漸相等，導致場效應管截至，此時則不會輸出穩(wěn)定恒流。如圖2-11所示，此時負載為11Ω，輸出電流為0.963656A，經(jīng)計算，恒流精度為3.6%，不滿足恒流電路輸出要求。

圖2-11 測試恒流源電路可承受負載范圍（二）

固定式恒流源電路的整體電路原理圖如圖2-12所示。

圖2-12 整體電路原理圖

本項目任務是設計一個基于LD1117D12的恒流源電路，使其輸出1A左右的恒定電流。恒流源是一種寬頻譜，高精度交流穩(wěn)流電源，具有響應速度快，恒流精度高、能長期穩(wěn)定工作，適合各種性質負載（阻性、感性、容性）等優(yōu)點。主要用于檢測熱繼電器、塑殼斷路器、小型短路器及需要設定額定電流、動作電流、短路保護電流等生產(chǎn)場合。設計電路首先利用LD1117D12產(chǎn)生一個基準電壓輸入到運算放大器的輸入端，通過負反饋作用，保持輸出電流的恒定。

（1）如何驗證電路是否為恒流源電路？

答：在電路輸出端串聯(lián)不同阻值電阻或可變電阻器來實現(xiàn)。觀察當負載變化時，輸出電流（即負載兩端電流）是否變化，若保持不變，則說明該電路為恒流源電路。

（2）如何測定恒流源電路可承受的負載變化范圍？

答：在恒流源電路輸出端串聯(lián)一個可變電阻器，通過改變電阻器阻值，觀察電路輸出電流（即負載兩端電流）是否改變。當阻值超出某個范圍電流開始變化而不能保持恒流輸出時，得到恒流源電路可承受的負載變化范圍。

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