恒流电路设计之三极管恒流电路

5WBelk · 2025-2-17 19:31:51

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：

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\(I_{b_{Q_1}}\)和\(I_{R_2}\)的大小；
若\(I_{R_2}*R_2<V_{{be}_{th}}\)(\(V_{{be}_{th}}\)是\(Q_2\)的死区电压)，则\(Q_2\)截止；
随着负载逐渐减小，\(I_{R_L}\)会逐渐增加，\(I_{R_2}=I_{R_L}+I_{b_{Q_1}}\)也会逐渐增加；直到\(I_{R_2}*R_2>V_{{be}_{th}}\)，\(Q_2\)开始导通；
当\(V_{{be}_{Q_2}}\)趋于稳定后，\(Q_2\)的基极、发射极电流均趋于稳定，\(I_{R_1}\)、\(I_{R_2}\)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\(I_{b_{Q_1}}\)过小(因为\(I_{{R_L}_{max}}=\beta _{1}*I_{b_{Q_1}}\))，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\(I_{b_{Q_2}}\ll I_{e_{Q_1}}\)；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\(V_{be}\)的变化而变化；而三极管的\(V_{be}\)的温度特性一般较差，对于锗管来说，其\(V_{be}\)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\(V_{be}\)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\(V_{be}\)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

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。
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。
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：

\(R_1\)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。
该电路仅适用于对恒流精度要求不高的场景。
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。
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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