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、能長期穩定工作，適合各種性質負載（阻性、感性、容性）等優點。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場合。常用的穩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實現了一個簡單的固定式穩流電源，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內電流輸出穩定。

恒流源的實質是利用器件對電流進行反饋，動態調節設備的供電狀態，從而使得電流趨于恒定。本項目中的電壓基準由LD1117D12產生。其設計思路主要是令電路產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主要分為以下兩個部分：

• 基準電壓輸出電路：產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產生基準電壓。
• 恒流源產生電路：利用電壓跟隨器，產生恒定輸出電壓，恒定電壓除以固定電阻產生恒定電流。
  

系統模塊框圖如圖2-1所示。

圖2-1 系統模塊框圖

• 基準電壓輸出電路
  

基準電壓VREF（1.2V）由LD1117D12產生， LD1117D50屬于低壓差線性穩壓器，輸出電壓為+1.2V，最大輸出電流為800mA，穩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。

在穩壓器輸入端接入電容C1=100nF用于改善負載的瞬態響應，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，得到穩定的直流電壓Vout1，大小約為1.0A。

• 恒流源產生電路
  

基準電壓輸出電路的輸出端out1處輸出穩定的1.0V基準電壓至運算放大器的輸入端。根據虛短關系，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（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。

恒流源產生電路空載仿真圖如圖2-4所示。

圖2-4 恒流源產生電路空載仿真圖

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

恒流源產生電路空載輸出波形如圖2-5所示。

    圖2-5 恒流源產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，經計算，恒流精度為0.16%，滿足設計要求。加入負載后，恒流源產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定在1.00A，即電源此時具有較好的穩定性。

圖2-6 恒流源產生電路加負載圖（一）

圖2-7 恒流源產生電路加負載輸出（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定在1.00A，即電源此時具有較好的穩定性。

圖2-8 恒流源產生電路加負載仿真圖（二）

圖2-9 恒流源產生電路加負載輸出（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。此時則不會輸出穩定恒流。

為了測得輸出電流穩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，此時則不會輸出穩定恒流。如圖2-11所示，此時負載為11Ω，輸出電流為0.963656A，經計算，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，高精度交流穩流電源，具有響應速度快，恒流精度高、能長期穩定工作，適合各種性質負載（阻性、感性、容性）等優點。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場合。設計電路首先利用LD1117D12產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：在電路輸出端串聯不同阻值電阻或可變電阻器來實現。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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