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对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑

发布时间:2012-12-25 上午2:00

作者: HuWh

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???? 前天不经意在本坛看到了一篇贴子,讨论得好热闹的。各路神仙,各抒高见。

??? 讨论的问题、各类说法、思路的对错都有一定的代表性,故推荐给大学生朋友看看。

??? 原帖“大侠们帮忙看看这个恒流源电路为什么不恒流?”(http://forum.eet-cn.com/FORUM_POST_1000039410_1200239730_0.HTM)。老编综合帖“恒流源电路为什么不恒流?”(http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_15056.HTM)。



??? 鉴于时下人们的浮燥,很多人喜欢不加消化地抄电路,而不真的做设计,更别说精细设计了。结果是导致产品极不稳定,极不可靠。斗胆评议几句,不怕拍砖。尽管罗里罗嗦,对初学者应该还有点益处。

?

??? 下面试分析几个错误的说法。

? (1)有人说,电路图完全不对,这不是恒流电路,而是限流电路。

??? 其实这是很典型的恒流电路。给运放的P3一个确定的电位V3,如果V2< V3,则V6>0且推动Q,使Ib增大,进而Ic、Ie增大,于是Ve=V2也增大,直至V2接近于V3,这时V6不再升了,Ic也就不再增了。反之亦反。

典型的电流负反馈。V3=Io R8。正常工作状态下,负载R6的变化不影响Ic,Ic=Ib*β。晶体管工作在线性区,晶体管相当于自动调节的可变分压电阻,使负载上的电压=恒流值*负载电阻。负载电流过大 --> R8上电压(V2)大 -->?V6略减 --> Vb略降 -->?负载电流减,反之亦反。

?

? (2)有人说,运放是当比较器,电路工作于开关状态。晶体管的质量不好,饱和压降太大(应小于2V)导致恒流不理想。

??? 单看运放,没有常见的负反馈电阻,的确象比较器。其实,考虑Q、R8是在反馈环里,就是典型的电流串联负反馈了。如果R8换成短路线才会成为比较器。运放不是做比较器,Q就不会是开关状态。R8很大的时候, 电路甚至成了扩流的电压跟随器.

??? 何况,Q的C电流直接是负载电流,没有任何滤波措施。如果是开关电路,何以恒流!

??? Q不是在开关状态,饱和压降不是那么重要。后文会提到,Vce实际需要大于3—4V。

?

??(3)有人说,运放推不动Q,该把Q换成MOS管

??? Q换成MOS管,运放的输出电流的确很小了,似乎更容易推动,但MOS并不是最佳方案。MOS管需要的推动电流极小,但需要的推动电压比达林顿时高得多。

??? 其实,Q是只复合管(达林顿),正常的β会过千,8A/β< 8mA,运放输出几mA不在话下。

?

? (4)有人说,R4太小,不能真的隔离运放和Q,V6基本是被钳在Vb了。

??? 其实,R4短路也没问题。V6完全等于Vb也行,Q处于放大区的时候,Vbe的变化范围是非常小的,Vbe的微小变化就引起Ic的很大变化。不过为了“隔离”还是用只几欧到几十欧的电阻。V6比Vb大几十、百来mV没事。

?

? (5)有人认为R8取大了、取小了,电源电压低了,电源功率不够。有人认为负载电阻不能太大,恒流不该定为8A,……。

??? 其实这些属于设计指标问题,都不是问题的本质。

?

??? 实际问题是在于:设计不严密,设计余量不足,本人曾在那帖中说过几句。

?

最基本的设计计算步骤

??? 定指标:能为2欧以下负载提供8A的恒定电流。恒流的波动幅度:???

?

?? (1)R8取多大?

??? R8是反馈取样电阻。R8越大,运放对电流波动的调节越灵敏(例如0.1Ω对应于0.01A的电流误差会得到0.001V=1mV的反馈电压)。但太大的R8会使Ve太高,且R8的功率太大(例如1Ω,8A对应于8W)。R8往往直接用电阻丝来做。

??? 原设计中取0.055Ω可说是合理的。在8A下,压降0.44V,功耗3.5W。0.01A的电流误差会得到0.55mV的反馈电压。

??? 实际R8还可取小一点,例如0.04Ω。

?

?? (2)电源+E取多大?

??? 8A时,Ve=8*0.055=0.44V,Vbe=1.3V(复合管一般不到0.7*2V)。于是Vb约1.74V。为了使晶体管工作在放大区,Vc至少要比Vb大一点,假如大2V。这样一来,Vc就到了3.7V。负载R8为2Ω,电流8A时,R6上的压降是16V,所以+E必须大于3.7+16=19.7V。

??? 保留一定的余量,+E可取电源电压系列值24V。

??? 24V*8A=192W。电源功率一般至少需取20%的余量,特别是对于开关电源。最终,电源用24V,不小于230W(例如250W)的电源。

?

?? (3)R2,R3 取值。

??? 前面已述,V2最大也只有0.44V。TL431的电压是2.5V, R3上的最大分压是2.5/5=0.5, R2,R3取值是合理的。

??? 实际40K电阻不多见,可调电阻的值也往往不那么准,所以,R2取36K更合适。

?

??? (4)Q的实际耗散功率。

??? 最大值出现在8A电流及小R6时!!!为稳妥计,按8A,22V(即24 – 1.74)来估计,功耗将达到170多瓦。据此来设计选用散热器。

??? 忘了这一条,事后想补加大散热片可没地盘了。

?

??? (5)另,本电路属于低频电路,退耦电容C14,C15仅仅用104并不稳妥。最好是再并联几十uF的电解电容。(104或许倒是可有可无)?

???标签: 恒流源 可靠性 设计
HuWh 编辑于 2012-12-27 下午7:55
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第16楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2012-12-27 下午8:00

作者: HuWh

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以下是引用stonedu8899在2012-12-27 上午9:28的发言

主题: 有道理,谢谢高手指点。但是运放的开环增益是无穷大的,如果二输入脚的电压差*开环增益=输出电压,那输出电压还是无穷大啊,还有啊,如果是电流串联负反馈放大,那这个电路是如何做到反馈的?

有道理,谢谢高手指点。但是运放的开环增益是无穷大的,如果二输入脚的电压差*开环增益=输出电压,那输出电压还是无穷大啊,还有啊,如果是电流串联负反馈放大,那这个电路是如何做到反馈的?


--------------------------------
二输入脚的电压差是个很小量,? 开环增益是个很大的量。如果一定要说是理想运放,开环增益是无穷大,那么输入压差就是无穷小。
电流反馈的实现,文中已述(就是有 --> 的那几句)。

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HuWh 编辑于 2012-12-27 下午8:02
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第17楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2012-12-28 上午1:33

作者: StoneForestWave

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第18楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2012-12-28 上午9:19

作者: 康乐天

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分析正确而全面,其实有时确实需要认真计算一下工作区域及各元部件的参数,才能取得正确的结果。谢谢楼主的看法。
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第19楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2012-12-30 下午5:27

作者: catch

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如果当时作为学生看这个,肯定会把各个元件隔离开来分析, 不会注意到Q在这里的影响,所以这可能就是为什么分析不出运放在这里的负反馈,而当做比较器。很多时候,老师在教学生的时候,是分析单元电路,没有系统分析过。而学生在分析时,单元分析发现不合理,但又没有做系统分析。电路在我们眼中还是一个个器件的累加,而不知道器件在系统中的作用。 感觉原因是,我们重于单元电路的分析,而忽视了系统电路的分析。 还有就是大家所说的,重理论轻实践。这些可能老师也没有注意。设计余量,课堂上可能不怎么说的。
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第20楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2012-12-31 上午10:31

作者: 半个好人

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第21楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2012-12-31 下午12:29

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那个stonedu8899,谁告诉你实际运放的开环增益是无穷大啊,你说出来我们大家一起讨伐他,误人子弟嘛。
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第22楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2013-1-4 下午12:03

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以下是引用stonedu8899在2012-12-25 下午3:25的发言

主题:如果象你说的运放不是做比较器,那请问下运放的6脚和2脚的关系是什么?是运放中的哪一类?当R8流过的电流为8A时,R8上的压降为0.44V,那此时运放2脚相对运放4脚的压降又是多少?

? 就是一个使用运放的负反馈电路,怎么扯到比较器上面了。运放的开环增益使得运放两个输入端电压相等,“-”端电压在R8上产生需要的电流,从而实现恒流源。很经典很常用的一个电路。
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第23楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2013-1-4 下午3:21

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第24楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2013-1-5 上午10:11

作者: xyclaoyu

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反馈电路有问题,请参照“运算放大器电路设计手册”【美】戴维德F.斯图特著 稳流器一节。
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第25楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2013-1-5 下午10:38

作者: william008

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楼主遗漏了很重要的一点:运放的输入电压范围,要求能达到负轨。当然,轨至轨就更好了。 8A恒流时,输入端的电压是440mV,有很多运放达不到这样低的电压,OP27就做不到。 刚看了datasheet,正负15V电源时,输入范围是正负12.3V。所以OP27用来做这个电路,不可能实现恒流。
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第26楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2013-1-6 上午0:00

作者: HuWh

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以下是引用xyclaoyu在2013-1-5 上午10:11的发言

主题:反馈电路有问题,请参照“运算放大器电路设计手册”【美】戴维德F.斯图特著 稳流器一节。=====================

能说清楚点吗?? 问题在何处??
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第27楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2013-1-6 上午0:05

作者: HuWh

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以下是引用william008在2013-1-5 下午10:38的发言

主题:楼主遗漏了很重要的一点:运放的输入电压范围,要求能达到负轨。当然,轨至轨就更好了。 8A恒流时,输入端的电压是440mV,有很多运放达不到这样低的电压,OP27就做不到。刚看了datasheet,正负15V电源时,输入范围是正负12.3V。所以OP27用来做这个电路,不可能实现恒流。

? ============================= 你把参考点弄错了吧,参考点是地,但不是用的单电源。 即使输入0V,也在运放的输入范围内,何况440mV。绝对值超过12V,才会超出运放的输入范围。??
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HuWh 编辑于 2014-5-19 上午1:44
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第28楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2013-3-6 上午10:07

作者: 断眉

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这个是有负反馈的。大家不要被运放的“无限放大”能力误导,认为V2、V3只要有电压差,运放输出就是高电平或者低电平两种状态之一。在这里可以这样理解运放的“无限放大”能力:它可以保证V2和V3值相等,只要V2、V3有"丝毫"压差,V6都会有动作,进而改变Ve,直至V2、V3相等。V6不是两种状态之一,它的值与V2、V3差值也不是完全的线性放大关系,但引入了这样的负反馈,V6可以是任何值!
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第29楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2013-8-5 上午9:38

作者: 一颗奔腾的心

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斗胆说一句,用模拟器仿真一下就可以很直观的看到结果了。
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第30楼 回复主题:对某"恒流源"帖子的讨论, 及设计方法考虑 发布时间:2013-8-8 下午1:27

作者: EETC功能帮助中心

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