12. 电流源模块
模块描述
电流源模块提供恒定电流输出,负载变化时保持电流稳定。采用运放+功率MOS构成压控电流源,或专用恒流芯片(如LM334、LT3092)。输出电流可调,范围从mA到A级,精度高、稳定性好。广泛应用于LED驱动、电池充电、传感器激励、电化学测试等场合。在电赛中用于恒流负载、精密测量、特性曲线测试等题目,是精密电源的重要组成部分。
工作原理
[输入电压] → [电流调节电路] → [恒流输出] → [负载]
↓ ↓
[电流采样] [电流Iout]
(采样电阻Rs) ↓
↓ [负载电压变化]
[运放比较器] ↓
↑ [电流保持恒定]
[基准电压Vref]
基本原理:
Iout = Vref / Rs
调节Vref → 调节Iout
反馈环路保持Rs两端电压=Vref
典型电路(运放+MOS):
Vref → [运放+] → [MOS栅极] → [MOS漏极] → Iout
↑ ↓
└──── [Rs采样] ←────────┘
技术指标
- 电路方案: 运放+MOS / LM317改恒流 / LT3092恒流源 - 输出电流: 1mA-5A可调 - 电流精度: ±0.5% (运放方案), ±5% (LM317) - 电流稳定度: <0.01%/V (负载调整率) - 输入电压: 5-36V (取决于方案) - 输出电压范围: 0 至 (Vin-3V) - 最大功率: 取决于散热,通常10-50W - 温度系数: <50ppm/°C - 纹波: <0.1% (高精度方案) - 响应时间: <1ms
接口管脚定义(运放方案)
| 接口 | 名称 | 功能 | 说明 |
| —— | —— | —— | —— |
| VIN+/- | 输入 | 电源输入 | 12-36V |
| IOUT+/- | 输出 | 恒流输出 | 可调电流 |
| ISET | 电流设定 | 电位器 | 调节输出电流 |
| Rs | 采样电阻 | 电流采样 | 0.1-1Ω精密电阻 |
| Vref | 基准电压 | 参考 | 2.5V或可调 |
| EN | 使能 | 开关控制 | 高电平输出 |
板上设置和信号指示
- 调节电位器: 10圈精密电位器,细调电流 - 电流表: 数字电流表显示输出电流 - 电压表: 显示负载两端电压 - 功率MOS: IRF540N或同等,加散热片 - 采样电阻: 0.1Ω/5W精密取样电阻(温漂<50ppm) - 基准源: TL431或LM4040提供稳定Vref - 运放: OP07低失调运放 - 保护: 过压、过流、过温保护
电气指标
- 输入电压: 12-36V DC - 输出电流: 10mA-5A连续可调 - 电流设定: 电位器或DAC设定 - 电流精度: ±0.5% ±2mA - 负载调整率: ΔI/I < 0.01%/V - 线性调整率: ΔI/I < 0.05%/V - 输出电压: 0 至 (Vin-Vdropout), Vdropout≈3V - 最大功耗: Pdiss = (Vin-Vload) × Iout - 温度系数: <50ppm/°C - 纹波电流: <0.1% rms - 稳定时间: <100μs
使用说明
1. 电流设定: 计算Rs值或调节电位器,Iout=Vref/Rs 2. 输入电压选择: Vin > Vload + 3V,保证调节余量 3. 负载连接: 串联在负载回路中 4. 功耗计算: P=(Vin-Vload)×Iout,选择散热器 5. 精度校准: 用精密电流表校准,调节Vref 6. 动态测试: 阶跃负载,示波器观察电流稳定性 7. 温漂测试: 加热电路,测量电流变化 8. 保护测试: 短路、开路测试保护功能
全国大学生电子设计竞赛相关赛题
- 2019年C题: 线路负载及故障检测装置(恒流源负载) - 2021年E题: 简易电路特性测试仪(恒流输出) - 2017年E题: 远程幅频特性测试装置(恒流驱动) - 2015年: 直流电子负载(恒流模式) - 2007年C题: 电动车跷跷板(LED恒流驱动)
应用技术要点总结
1. 高精度设计: 使用低温漂基准+精密运放+低温漂采样电阻 2. 散热设计: 大功率时必须加散热器,计算热阻 3. 宽范围调节: 多档切换Rs,实现mA到A级宽范围 4. 负载匹配: 确保Vload < Vin-3V,避免饱和 5. 稳定性: 补偿电容防止振荡,输出并联电容 6. 保护电路: 过压保护防止负载开路,过流保护防止短路 7. 镜像扩展: 威尔逊电流镜提高输出阻抗 8. 数字控制: DAC替代电位器,MCU精确控制电流