【技术专辑】需要电流调节器吗?使用电压调节器!

本文是AAC模拟电路系列的一部分,向您展示了线性稳压器如何在恒流应用中使用。

 

线性稳压器(也有些不准确)称为LDO,是最常见的电子元件之一。该LM7805,例如,已经获得了近乎传奇的地位,并肯定会被列入成名的集成电路大厅,如果这样的事情存在。德州仪器的这个应用笔记说得很好:线性稳压器IC“非常易于使用”,它们实际上是“万无一失”和“如此便宜”,以至于它们通常是设计中最便宜的元件之一。

 

实际上,线性稳压器是用户友好的,有效的和通用的。事实上,它们可能比你想象的更加多样化。线性稳压器拓扑结构围绕负反馈构建,如下图所示,该图取自相同的应用笔记:

 

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从此TI应用笔记中获取的图表。

 

负反馈是非常有用的,特别是当它与固定电流源结合时,就像凌力尔特公司的LT3085电压调节器那样。下图显示了该设备的内部功能。

 

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图来自LT3085 数据表。

 

在之前的文章(  关于设计色彩传感器  和  探索电压 - 电流转换器的项目)中,我们探讨了在电压 - 电流转换器中使用负反馈,可以精确控制LED的亮度。如果您熟悉这些技术,那么了解我们实际上可以使用像LT3085这样的电压调节器来产生恒定电流也不足为奇。

 

在本文中,我们将介绍一种基于LT3085的简单LED驱动器。

 

线性稳压器与运算放大器

 

在我们分析电路本身之前,我们应该讨论线性稳压器方法对恒流产生的优势。先前文章中提出的运算放大器方法无疑是有效的,为什么还要使用新技术呢?

 

以下是一些需要考虑的要点:

 

•大多数运算放大器不是为高输出电流而设计的,因此基于线性稳压器的电路可以避免典型运算放大器的输出电流限制。

 

•稳压器IC具有高温保护功能。

 

•线性稳压器可提供更大的输入电压容差和高功耗。

 

•您可能能够找到适合几乎所有电压调节和电流生成要求的单个部件。我最不喜欢的原理图/ PCB设计方面是创建新的库组件,所以我尝试使用可能会为将来的设计派上用场的部件。

 

LT3085作为电压调节器

 

让我们简要介绍一下LT3085 的电压调节功能。此信息将帮助我们了解当前的源实现。

 

这是典型的电压调节器配置:

 

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图来自LT3085 数据表。

 

电流源(10μA)在R SET上产生电压。该电压出现在放大器的非反相输入端。负反馈动作确保反相端的电压等于非反相端的电压; 换句话说,输出电压等于R SET两端的电压。需要输出电容来确保稳定性,如果您已经阅读了有关如何缓冲运算放大器输出以获得更高电流的文章,那么连接到放大器输出端的晶体管将非常熟悉  。

 

从电压到电流

 

电压调节器的目的是提供恒定的输出电压,而不管负载电阻如何。换句话说,当连接到100kΩ负载时,理想的稳压器会产生(例如)精确的3.3 V电压,当连接到5Ω负载时,精确到3.3 V的电压。当然,负载电流会发生什么变化,负载电流完全由负载电阻决定(因为负载两端的电压不会改变)。

 

那么,如果我们给理想的电压调节器一个固定的负载电阻会怎样?如果负载电压没有改变且负载电阻没有改变,并且如果欧姆定律仍然有效,则电流也不会改变。

 

Voilà:现在的来源。

 

下图显示了如何将LT3085用于LED驱动目标。

 

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图来自LT3085 数据表。

 

以下是它的工作原理:

 

•内部电流源通过R1发送10μA电流,产生的电压等于输出电压(即R2两端的电压)。

 

•该输出电压是恒定的(因为R1的电阻和内部电流源的值是恒定的)。

 

•这个恒定的输出电压将通过R2产生恒定电流,因为R2的电阻是恒定的。

 

•放大器的反相输入端不提供电流,因此几乎所有R2电流都来自通过连接到放大器输出端的晶体管的正电源。(我说“差不多”,因为BJT的发射极电流是基极电流和集电极电流之和,但基极电流远小于集电极电流。)

 

•LED与BJT的集电极串联,因此通过LED的电流是固定的,并且(几乎)等于流过R2的电流。

 

可以通过改变R1或R2的值来修改通过LED的电流; 如下式所示,LED电流只是内部电流源的值乘以R1与R2的比值。

 

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我称之为一个非常方便的电路:设计过程非常简单,只需要少量组件。如果用电位器替换其中一个电阻器,结果是高精度,宽输入电压范围,高温保护,可变电流LED驱动器,可提供高达500 mA的电流。

 

当然,它不仅限于LED; 您可以像使用电阻加热元件一样轻松地使用它。这样即使电源电压发生变化,也可以产生恒定的热量(因为P = I 2 R)。

 

结论

 

我们讨论了一种基于凌力尔特公司电压调节器IC的简单而高性能的电流源。我假设其他制造商提供类似的稳压器拓扑结构。

 

我喜欢在模拟电路收集文章中总是包含SPICE模拟,但在这种情况下,它似乎真的没必要。但是,在我写这篇文章之前,我确认LTspice确实包含了一个LT3085组件(在“[PowerProducts]”文件夹中)。因此,虽然我没有提供模拟,但我确实使用了一个可以轻松模拟的部件,如果你想进一步探索这个电路的话。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计