一种常见精密恒流源的改进与应用
一种常见精密恒流源的改进与应用
刘艳，汪毅，贾雯杰，孙长江
（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116）
摘要：常见的TL431与晶体管搭建的恒流源电路有着温度系数小、电流精密等优点。但这种恒流源的电源电压
的变化会影响到输出电流大小，且负载的变化对恒流源的影响也比较大。本文巧妙地利用常见的7805和2N7000对TL431恒流源进行改进，分别从仿真与实验的角度验证了改进后恒流源的优越性能，并利用改进后的恒流源电路进行了实际应用。关键词：恒流源；TL431；改进；应用中图分类号：TM933
文献标识码：B
文章编号：1001－1390（2011）04－0093－04
Improvement and Application of a Common Precision Constant Current Source
LIU Yan ，WANG Yi ，JIA Wen －jie ，SUN Chang －jiang
（Information and Electrical Engineering School ，China University of Mining and
Technology ，Xuzhou 221116，Jiangsu ，China ）
Abstract ：The common constant current source circuit structured by TL431and transistor has many advantages such as tiny temperature coefficient ，precisie current and so on．But the supply voltage of this constant current source change will affect the size of the output current ，and the load change will affect the size of the output current too．This article clever uses 7805and 2N7000to improve the TL431－constant current source．The superior performance of the im-proved current source has been verifed from the perspective of simulation and experiments．The improved constant cur-rent source circuit has applied practically．
Key words ：constant current source ，TL431，improvement ，application 0
引
言
1
［1］
近年来恒流源的研究逐步向大功率、数字［2］
化发展，传统的微小电流的精密恒流源研究已不多
常见TL431恒流源电路分析
常见的TL431恒流源一般和NPN 三极管共同组
见。但传统的恒流源电路设计简单、精密度高，在很多场合起着关键的作用，例如万用表的校正，精密电阻测量等等，因此将传统恒流源进行改进使其满足现在的应用需求是很有价值的。
TL431与晶体管搭建的恒流源就是很常见的一种恒流源电路，它的原理简单、精密度高、温漂小，但这种恒流源的电源电压的变化会影响到输出电流大小，且负载的变化对恒流源的影响也比较大，大大的影响了其应用范［3］
围。本文通过分析其原理，采用常用的7805和2N7000巧妙地解决了这些问题，分别通过仿真和实验对比分析改进前后恒流源的性能，验证了改进方案优越性，并且给出了改进后恒流源的应用实例。
成，电路原理图如图1所示，图中R S 为基准电阻，电
流从V +流向I sink ，恒流源的大小理论上为I sink =V +/
［4］R S （A ），恒流源的负载要接在V +与I sink 中间。
通过分析TL431与NPN 的恒流源电路可得：
TL431在电路中起到电压基准的作用，电压基准不变那么上的电压就不变，也就是说流过R S 的电流保持恒定。然后利用NPN 的集电极电流与发射极电流近似相等使I sink 保持恒定。由于NPN 的集电极电流与发射极电流只是近似相等，使得恒流源的负载的变化对恒流源的影响也比较大。另外电源电压的变化会造成TL431的供电电压以及NPN 的V be 的变化，从而导致了恒流源电流的变化。
—9
3—
图1TL431与三极管组成的常见恒流源
Fig．1A common constant current
composed by TL431and the triode
2恒流源的改进方案及改进前后性能对比2．1
恒流源的改进方案
鉴于上文分析做出如下改进：（1）用N 沟道增强型场效应管代替NPN 的三极管，
因为场效应管的漏极电流与源极电流绝对相等，这就大大的减小了负载对恒流源
的影响；（2）在TL431的输入端加上一个稳压的芯片，这样就保证了在电源电压变化的情况下，
TL431的输入电压与场效应管的V GS 不变。下面分别通过仿真与实物实验分析，对比改进前后的恒流源的性能。2．2
改进前后恒流源性能对比的仿真分析
采用Multisim 软件搭建仿真电路，仿真电路如图
2所示。
图2改进前后恒流源的仿真电路
Fig．2Constant current artificial circuit —9
4—
图2中R 1为限流电阻，作用是使TL431达到其正常的工作电流；XMM1为Agilent 的34401A 型6位半高精密度数字万用表，检测恒流源的电流；XMM2是普通的数字万用表，检测TL431的输出电压。TL431在仿真中的输出电压达不到理论上的2．5V ，为了使改进前后恒流源的电流都能达到1mA ，R S 做出了相应的调整。对比改进前后的恒流源仿真电路，仅仅只是用2N7000代替了NPN 的S9013，增加了7805的稳压电路。
保持电源电压为12V ，负载为空载，调节基准电
阻R S ，使恒流源电流为1mA 。然后保持恒流源空载，改变恒流源的电源电压，观察恒流源电流的变化，测得数据如表1所示。
表1改进前后电源电压影响对比
Tab．1Comparison of the impact of supply voltage before
and after improved
（a ）改进前电源电压变化的影响电源电压
恒流源电流
电源电压
恒流源电流
/V/mA/V/mA6．000．99963114．001．0001598．00
0．999776
16．00
1．000272
10．000．99991218．001．00038012．00
1．000039
20．00
1．000482
（b ）改进后电源电压变化的影响
电源电压
恒流源电流
电源电压
恒流源电流
/V/mA/V/mA6．000．94269914．001．0000398．001．00003916．001．00003910．001．00003918．001．00003912．00
1．000039
20．00
1．000039
由表1可得，在电源电压满足电路要求的条件下（改进后电源电压为6V 时电流过小，是因为7805的最低工作电压为7V ），可以很清楚的看到改进后的恒流源电路，在电压的变化时恒流源的电流不再变化，这就消除了电源电压变化对恒流源的影响。
保持电源电压为12V ，负载为空载，调节基准电
阻R S ，使恒流源电流为1mA 。然后保持电源电压12V 不变，改变负载的大小，观察恒流源的电流，测得如表2所示。
表2改进前后负载影响对比
Tab．2Comparison of the impact of load changed before
and after improved
（a ）改进前负载变化的影响
负载R 恒流源电流
负载R 恒流源电流
/kΩ/mA/kΩ/mA空载1．0000396．00．9996481．50．9999477．50．9995403．00．9998529．00．9994274．5
0．999752
10．5
0．903739
（b ）改进后负载变化的影响
负载R 恒流源电负载R /kΩ/mA/kΩ恒流源电流/mA空载1．0000396．01．0000391．51．0000397．51．0000393．01．0000399．01．0000394．5
1．000039
10．5
0．922605
由表2可得在电路的负载能力范围内（12V 电源
电压最大负载9．5k Ω，
10．5k Ω超过了电路的承受范围），负载大小的改变对恒流源的影响也不存在了，
当然这都是在仿真的理想状态下。
通过详细的仿真分析，得到如下结论：在仿真的理想情况下，改进后的恒流源电路很好的克服了改进前的缺点，
性能得到了提升。2．3改进前后恒流源性能对比的实验分析
实验电路按照图2的仿真电路搭建，器件与型号保持一致；实验条件也与仿真分析中一致。采用固纬8055（5位半）万用表检测恒流源电流大小，注意在测量时的环境温度保持恒定。
首先分析电源电压对恒流源的影响，数据如表3所示。
表3改进前后电源电压影响对比Tab．3Comparison of the impact of supply voltage before
and after improved
（a ）改进前电源电压变化的影响
电源电压
恒流源电流
电源电压
恒流源电流
/V/mA/V/mA6．000．9956614．001．000728．000．9963616．001．0014610．000．9972218．001．0021712．00
1．00000
20．00
1．00301
（b ）改进后电源电压变化的影响
电源电压
恒流源电流
电源电压
恒流源电流
/V/mA/V/mA6．000．9995814．001．000008．000．9999916．001．0000010．001．0000018．001．0000012．00
1．00000
20．00
1．00001
接着实验分析改进前后负载变化对恒流源的影响，测得数据如表4所示。
表4改进前后负载影响对比
Tab．4Comparison of the impact of load changed before
and after improved
（a ）改进前负载变化的影响
负载R 恒流源电流
负载R 恒流源电流
/kΩ/mA/kΩ/mA空载1．000006．00．992121．50．998857．50．990223．0
0．996649．00．988794．5
0．99425
10．5
2．21323
（b ）改进后负载变化的影响
负载R 恒流源电流
负载R 恒流源电流
/kΩ/mA/kΩ/mA空载1．000006．01．000011．51．000007．51．000013．01．000009．01．000024．5
1．00000
10．5
2．21023
分析表3与表4，仍然可以得到这样的结论：在
实际实验的情况下，
改进后的恒流源电路很好的解决了电源电压以及负载变化对恒流源的影响，提升了恒
流源的性能。3
改进后的恒流源应用实例
在电路分析中常常要用到万用表，特别是精密电路的测量中表的精度会严重的影响到测量的结果，故检测和校准万用表也是一项很重要的工作。由于电压基准容易找，因此表的电压档的校准相对容易，而电流档的校准就相对麻烦些了，必须要高精密度的电流源才能完成这个工作。
利用改进后的恒流源就可以很好进行表的电流档的检测及校准工作，通过以上的实验的结果证实，这一恒流源用来测试4位半表是完全没有问题的，对于5位半表，也是可以参考的。
检测的过程如下：
（1）先用被测表的电流档标定一个稳定的1mA 电流；
（2）然后再用此电流通过一个已知电阻后，用被测表上被校准过的电压档测电阻上的电压降。对于1mA 电流而言，这个电压降的数值就应该等于电阻的阻值（k Ω）；
（3）最后用恒流源标定的标准1mA 电流通过被测电阻，对比两次测得的电压，如果测得的压降在综合计算得出的误差范围之内，就可以说明表的电流档
—9
5—
是不超差的，是准确的。需要注意的是为了测试的准确性，要保持整个测试过程在同一环境下进行，保持环境温度的恒定。4结论
本文通过对常见TL431恒流源电路的详细分析，针对其现有问题提出了改进的方案，并分别在仿真和实物实验中肯定了改进后恒流源的优越性能，最后给出了其应用的实例，很好的说明了改进后的TL431恒流源具有更广泛的实用价值。
参考文献
1］常铁原，朱桂峰，胡重九．一种高稳定数控恒流源的设计［J ］
．电测与仪表，
2010（3）：59－61．CHANG Tie －yuan ，ZHU Gui －feng ，HU Chong －jiu．The Design of a High Stable Digitally Controlled Constant －current Source ［J ］．Elec-trical Measurement ＆Instrumentation ，
2010（3）：59－61．2］贾宏志，姜博实，李倩倩．一种双极性输出大功率压控恒流源的设
计［J ］．电测与仪表，
2008（9）：62－64．JIA Hong －zhi ，JIANG Bo －shi ，LI Qian －qian．Design of a High －power Bipolar Output Voltage －controlled Current Source ［J ］．Electri-cal Measurement ＆Instrumentation ，
2008（9）：62－64．3］雷开卓，侯建平，黄建国，等．TL431的原理及应用研究［J ］
．电源技术应用，
2001（4）：34－36．LEI Kai －zhuo ，HOU Jian －ping ，HUANG Jian －guo ，et al．Study on the Principle and Application of TL431［J ］．Power Supply Technolo-gies and Applications ，
2001（4）：34－36．—9
6—
［4］Motorola Inc．TL431－Programmable Precision References ［Z ］．Amer-ica ：Motorola ，2008．作者简介
：
刘艳（1960－），女，汉族，湖北武汉人，学士学位，实验师，现从事实验教学工作和信息自动化研究。Email ：ly[1**********]@126．
com
汪毅（1988－），男，汉族，陕西安康人，硕士研究生在读，研究方向为电力电子及其应用。Email ：cumt_wangyi@126．
com
孙长江（1989－），男，汉族，江苏邳州人，本科在读，从事电力系统自动化的学习与研究
。
贾雯杰（1989－），女，汉族，河北保定人，本科在读，从事电力系统自动化的学习与研究。
收稿日期：2011－02－02
（杨长江编发）
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