恒流源电路可以用单个晶体管来构造。图2.4给出了两种单管恒流源驱动电路,它们的基本工作原理相似,图2.4(a)中电阻R1 与R2 组成分压电路,给三极管T的基极提供基极电压vb及基极电流ib,电阻R3 用于设定LED 的驱动电流ic。一般来说,环境温度变化会使三极管的直流放大倍数β 产生比较明显的变化,典型值为2% ℃-1,电阻R3 起着负反馈的作用,能有效地抑制温度导致的β 变化带来的驱动电流波动,只要β 足够大,LED 的驱动电流与之无关,同时适当选择电源电压Vcc,驱动电流也与LED 的正向导通电压无关,从而得到一个对于环境温度的变化及LED正向导通电压基本不敏感的驱动电路。

图2.4　两种单管恒流源驱动电路

下面来计算LED 驱动电流。假设晶体管的直流放大倍数β 足够大,基极电流ib将足够小,为简洁起见,假设它是可以忽略的。于是通过电阻分压可以得到晶体管的基极电压为

驱动电流近似等于流过采样电阻R3的电流,即

这里,假设使用的是硅晶体管,其基极-发射极电压vbe=0.6V。可见,LED 的驱动电流可以由电路中的三个电阻所决定。现给出一个具体的计算实例：电源电压取Vcc=5V,要求驱动电流ic=5mA。我们选取R1=3.9kΩ,R2=1.1kΩ,于是求出

vb=1.1V

进一步可以确定

观察式(2.1)不难发现,实际流过LED 的驱动电流不仅仅与所选的电阻数值相关,还与电源电压有关。这在应用中会带来不便。如果电源电压有波动,LED 驱动电流随之波动,或更换了一个电源,分压电阻就必须做出相应的改变。针对这种情形,可以把图2.4(a)所示电路中的R2替换成一个稳压管或一个参考基准电压源,从而得到如图2.4(b)所示的电路,LED 驱动电流将与电源电压无关。例如,若选取Z1为1.25V 的基准电压,即同样希望得到5mA 的LED 驱动电流,可以求出电流采样电阻R3的阻值为(www.daowen.com)

图2.4所示的恒流源电路中有两个问题需要做进一步的讨论：大电流驱动及晶体管PN 结电压vbe的温度特性。大电流驱动时,需要用到大功率的晶体管,而大功率晶体管的直流放大倍数通常较小,之前计算过程中关于直流放大倍数β 足够大的假设将不再成立,而vbe的温度特性则会使上面计算时所用的vbe=0.6V 不再正确。接下来给出一种能够解决这两个问题的恒流源电路。

一般来说,上述图示的单管电路并不适用于大电流驱动时,可以考虑使用图2.5所示的双管方案,增加一个大功率晶体管T2来提升能力。与小功率三极管具有大的电流放大倍数不同,大功率晶体管β 通常比较小,需要给它提供足够大的基极电流才能实现输出驱动。两级放大电路中T2的基极电流通过R4提供,可以根据驱动电流的要求及T2管β 值的大小确定该电阻的阻值。驱动电流的设定依然是通过电阻分压确定,晶体管T2的基极电压为

其中的0.6V 是晶体管T1的PN 结电压,若不计T2的基极电流,则可求得LED 驱动电流为

特别需要指出的是,图2.5所示的双管电路不仅可以提供更大的驱动电流,同时由式(2.5)可以看出,这种结构的电流源所设定的电流与晶体管的PN 结电压vbe无关,因此,随着温度的漂移不会对驱动电流产生影响,它具有很好的温度稳定性,这是因为两个晶体管的结电压vbe互相抵消了。显然,要想两个晶体管的结电压vbe完美抵消,两个管子的特性必须完全相同。如果特别强调恒流源的温度特性,应该使用半导体厂家生产的对管来实现上述电路,一般来说,对管具有非常好的双管对称性。

例如,假设β2=20,要求LED 的驱动电流为500mA,取Vcc=5V,则可以选择以下的参数来达到目的：R1=9.1kΩ,R2=1kΩ,R3=1Ω,R4=120Ω。

当然,如果依然希望上述电路能得到对电源电压不敏感的恒流源,同样可以把电路中的R2替换成一个稳压管或一个参考基准电压源。

图2.5　双管恒流源驱动电路