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简单说一下分立元件恒流电路的前半部分 [复制链接]

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离线mrjingf
 

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— 本帖被 香瑶 设置为精华,作者+3000M币+5专家(2017-03-16) —
本来没想写这个贴,但是前几天没忍住吐槽了个精华贴(http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=2013139&page=10 这个贴的90楼),那个楼主毫不客气的怼回来了,让我再去琢磨一下。于是我就发帖跟大家一起琢磨一下。

先贴个链接:http://wenku.baidu.com/view/32a0df1cb7360b4c2e3f645d.html
上面的链接里的内容还不错,如果肯去认真读一下的话,我的贴就不用看了。




上面是我画的简易恒流电路的示意图。原帖楼主的电路是做给LED的,上面的图中LED(也就是负载)由一个稳压管代替。

第一个图很简单,给一个三极管提供一个固定的基极电流,三极管的放大特性控制流过负载的电流。假设供电电压为U,电阻为R,三极管BE结电压为Vbe,直流放大倍数为β,那么流过负载的电路近似为β*(U-Vbe)*R。显然,负载电流与三极管直流增益β、供电电压U、三极管BE结压降Vbe都有关。所以,这个电路表现并不好。

第二个图基本上就是原帖楼主的图了,将基极供电由不稳定的U改为稳定的Vs,那么负载电流近似值β*(Vs-Vbe)*R不再受供电电压影响,比第一张图性能好了一点。但是,三极管直流增益β是非常不稳定的参数,受温度和器件一致性影响很大,所以电路的恒流表现仍然很差。原帖楼主给出的说明是可以通过调试来解决器件一致性的问题,小功率时器件发热不明显,所以电路性能不错。我想说的是:高兴的有点早了。

现在我们来假设一组参数:电池电压3.9V,LED正向压降3.2V,恒流电流0.3A。那么三极管的功耗是(3.9V - 3.1V)*0.3A=0.24W。假设使用了一个TO-92封装的三极管,随便查一个同封装的三极管(比如OnSemi厂家的2N5551)的管芯到环境的热阻Rja是200degC/W,那么三极管管芯温升是0.24W*200degC/W=48degC,温升有48度。我找了手头的一个ST厂家的8050三极管用万用表测了一下,环境温度20度时直流放大倍数170左右,加热到50度时放大倍数200左右,温度只升高了30度放大倍数就变化了18%。考虑我们前面的计算三极管结温温升48度,再考虑不同季节环境温度20度的温差,上面第二个电路的误差很容易就超过30%了。

第三张图的恒流性能又好了一点,因为把电阻改到了发射极,同时将阻值减小β倍,三极管有了负反馈,负载电流近似为(Vs-Vbe)/R,只受三极管BE结压降的影响。这个电路的问题是负反馈电阻上的压降需要电源来提供,电路的最低工作电压变高。如果Vs是2.5V的431提供的话,单节锂电池是难以点亮一个LED的。




换个思路,负反馈由另外一个三极管(也可以是431)完成,于是又有了两张图。

上面第一张,功率调整管的基极电流由电阻提供,负载电流采样电阻的电压过高时,下面的三极管的基极电压升高、电流增大,集电极电流也随之升高,控制功率管的基极电流下降,从而降低其集电极电路,完成负反馈。下面的三极管换成431时,原理类似。负载电流为Vbe/R或2.5V/R。这个图的缺点是负载电流采样电阻上需要较高的电压(三极管时0.7V左右,431需要2.5V),也不适用低电压供电的场景。

于是有了第二张图,通过一组分压电阻抬升采样电阻上的电压后再送到三极管基极或者431的采样端,需要的采样电阻上的电压可以显著下降。负载电路的表达式有点复杂,假设负载是正向压降为Vd的LED,按上面图中的电阻位号,负载电流为(Vbe - Vd*R6/(R5+R6)) / R3;如果改为2.5V参考电压的431反馈,则负载电流为(2.5V - Vd*R6/(R5+R6)) / R3,考虑到LED的正向压降波动范围较小,估计不超过10%,所以这个电路的精度还是不错的。但是缺点仍然是需要较高的供电电压,能保持恒流功能的供电电压估计不低于Vd+1V。如果是5V的适配器供电的随身灯,这个电路表现是不错的;但是如果是锂电池供电的手电筒,这个电路仍然不理想。

实际上,原帖里面gongwen坛友给出了一个非常不错的图,在原帖92楼,我也截图在下面了。这个图使用相对稳定的LED的正向压降来提供参考,使用了两个三极管组成电流镜,控制一个MOSFET来恒流。负载电流近似值为(VLED-Vbe)/R5*(R4/R3)。考虑LED正向压降3.2V,三极管BE结压降0.65V,按截图中的参数,恒流值约为360mA,与实测值365mA~377mA还是非常接近的,精度表现预计是不错的。

另一方面,这个电路的最低工作电压主要受MOSFET驱动电压的限制,最低电源电压估计不能低于需要的栅极驱动电压再加0.8V~0.95V。选用Vgsth为1.8V的MOSFET,这个电路的最低工作电压轻松达到3V。必须点个赞。

如果原帖的楼主质疑,找元件实际做一个就好了。注意选MOSFET时注意一个Vgsth这个参数就可以了。



水平有限,这个话题就不写太多了,所以,这个贴叫做“分立元件恒流电路的前半部分”。




1. 简单说一下分立元件恒流电路的前半部分(http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=2023293
2. 系列之一 如何计算半导体元件的温度(http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=2024689
3. 系列之二 开关应该放哪里(http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=2024781
4. 系列之三 从电流镜到简易恒流源(http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=2025934
5. 系列之四 再谈阻容降压(http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=2027317
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udcs M币 +15 謝謝分享 03-22
wuren M币 +5 谢谢分享,对恒流电路很感兴趣,希望发布最终理想电路,供坛友研究学习。 03-21
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离线liyongke

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只看该作者 1楼 发表于: 03-12
楼主,你的3,4,5图,放到电源电压相对较高的电路里,肯定是个不错的选择,但用到单锂电驱动白光LED里,却行不通,因为不来就不高的电源电压给消耗到了多加的那个电阻上了,而白光LED 工作条件已经把电压给限死了,别处稍多消耗点,白光LED肯定会罢工。再一个说三极管的直流放大倍数β受温度影响的问题,在我曾经的贴子和你讨论的原楼主的贴子里,都提到了三极管在工作过程中,温度没有明显升高,http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=485600。有些东西,没有经过实践,仅凭理论分析是不恰当的。本来仅是一个单锂电通过一个三极管简易恒流驱动一个白光LED电路,三极管、LED都是确定原件了,还有什么12V电压了,三极管的β不一致了,温度变化影响电路稳定性了,选一个参数合适的三极管,在300多毫安的电流下,管子温度有多高,你们实测过吗?没有实践,就没有发言权。你假设的那些参数里面,三极管的选择就有问题,电路里LED 驱动电流300多毫安,你选择集电极电流为500ma和600ma的9013和2n551,根本就不是合适的,8050 是没问题,至于温升,再次强调,没有那么管高!实测实际使用中,一节锂电供电,LED电流300mA,基本稳定,用工作中的烙铁头直接放到三极管表面加热,电流上升到400mA就不再上升了,温飘没有想象的那么大。
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lemontreenm M币 +22 实测确实没有什么温升。选择合适的三极管很重要,300ma电流用TO-92封装三极管本来就不合适 03-13
离线huchuan987

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只看该作者 2楼 发表于: 03-12
LZ你说对了!不过不用太纠结!
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离线mrjingf

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只看该作者 3楼 发表于: 03-12
回 liyongke 的帖子
liyongke:楼主,你的3,4,5图,放到电源电压相对较高的电路里,肯定是个不错的选择,但用到单锂电驱动白光LED里,却行不通,因为不来就不高的电源电压给消耗到了多加的那个电阻上了,而白光LED 工作条件已经把电压给限死了,别处稍多消耗点,白光LED肯定会罢工。再一个说三极管的直流放大 .. (2017-03-12 20:09) 回 liyongke 的帖子

就只拿三极管温度来说,我倒觉得,只是实测过却不知道怎么算,才是不恰当的,这样甚至都不知道测出来的结果对不对。

前面我已经给出了TO92的三极管耗散功率0.24W时的温升是48度。但是你去实测肯定没有这么高的温度。为什么?因为我们只能测元件的壳温,也就是表面温度,结温是测不到的。测到表面温度,再用损耗和热阻Rjc计算表面与内部的温差,才能知道半导体元件真实的工作温度。

同样都是TO92封装的三极管,8050也好,2n5551或者9013也好,热阻参数是一样的,那么同样损耗时的温升也是一样的,你可以找资料去验证。

另外,工作电流300mA的话,用集电极电流600mA的三极管是不合适的,这个观点我也不能认同。
离线mrjingf

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huchuan987:LZ你说对了!不过不用太纠结! (2017-03-12 20:13) 回 huchuan987 的帖子

我不纠结,是原帖楼主让我再琢磨琢磨,哈哈哈
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离线mrjingf

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liyongke:楼主,你的3,4,5图,放到电源电压相对较高的电路里,肯定是个不错的选择,但用到单锂电驱动白光LED里,却行不通,因为不来就不高的电源电压给消耗到了多加的那个电阻上了,而白光LED 工作条件已经把电压给限死了,别处稍多消耗点,白光LED肯定会罢工。再一个说三极管的直流放大 .. (2017-03-12 20:09) 回 liyongke 的帖子

除了技术上的分歧之外,我也十分不赞同一些猜测性的语句。

比如“管子温度有多高,你们实测过吗?没有实践,就没有发言权。”

在匿名网络上,你根本不知道一段文字背后的那个人有什么样的知识背景、经历,是什么职业,凭空猜测是毫无意义的。讨论还是要基于广泛认同的理论、合理测试的数据,而不是凭空猜测。
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星业2012 M币 +30 精彩回帖 03-18
离线yit

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只看该作者 6楼 发表于: 03-13
哈哈,在这个综合性的论坛里没有必要十分精准,大家图个乐呵就行了。
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离线603599910

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回 mrjingf 的帖子 ---- 本楼作废----因为回复错误楼主了.
mrjingf:除了技术上的分歧之外,我也十分不赞同一些猜测性的语句。
比如“管子温度有多高,你们实测过吗?没有实践,就没有发言权。”
....... (2017-03-12 20:42) 回 mrjingf 的帖子 ---- 本楼作废----因为回复错误楼主了.


---- 本楼作废----因为回复错误楼主了.

你上贴的电路我也有关注,但不敢苟同.在我的设计和实操中纠结出:没有取样的恒流都是耍流氓!三极管的基极恒压近似基极恒流,那这个三极管可算作一个恒阻负载,类似于你拿一个大功率负载电阻串联在LED上,其他不多说,才疏学浅我不敢再妄言了..

[ 此帖被603599910在2017-03-13 13:03重新编辑 ]
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离线mrjingf

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只看该作者 8楼 发表于: 03-13
回 yit 的帖子
yit:哈哈,在这个综合性的论坛里没有必要十分精准,大家图个乐呵就行了。 (2017-03-13 07:58) 回 yit 的帖子

其实我在原帖里的回复,主要也是针对评精华这件事的。搞个电路自娱自乐挺好,但是误导别人就不太好。
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lemontreenm M币 +1 我哪里误导人了?你告诉我。反倒我觉得你故意搞个错误的选型来误导人。 03-13
离线mrjingf

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只看该作者 9楼 发表于: 03-13
回 603599910 的帖子
603599910:你上贴的电路我也有关注,但不敢苟同.在我的设计和实操中纠结出:没有取样的恒流都是耍流氓!三极管的基极恒压近似基极恒流,那这个三极管可算作一个恒阻负载,类似于你拿一个大功率负载电阻串联在LED上,其他不多说,才疏学浅我不敢再妄言了..
 (2017-03-13 08:11) 回 603599910 的帖子

但愿你能明白我上面第一张图里2号和3号的差别。
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