恒流二极管

恒流二极管和恒流三极管是近年来问世的半导体恒流器件,是与稳压二极管相对偶的基础电子元器件。在恒流二极管的基础上增加控制脚端,进而发展成为恒流三极管。它们都能在很宽的电压范围内输出恒定的电流,并具有很高的动态阻抗。由于它们的恒流性能好、价格较低、使用简便,因此已被广泛用于恒流源、稳压源、放大器以及电子仪器的保护电路中。

恒流二极管(CRD)属于两端结型场效应恒流器件。其电路符号和伏安特性如图一所示。恒流二极管在正向工作时存在一个恒流区,在此区域内IH不随VI而变化;其反向工作特性则与普通二极管的正向特性有相似之处。恒流二极管的外形与3DG6型晶体管相似,但它只有两个引线,靠近管壳突起的引线为正极。

恒流二极管的主要参数有:恒定电流(IH),起始电压(VS),正向击穿电压(V(BO)),动态阻抗(ZH),电流温度系数(αT)。其恒定电流一般为0.2~6mA。起始电压表示管子进入恒流区所需要的最小电压。恒流二极管的正向击穿电压通常为30~100V。动态阻抗的定义是工作电压变化量与恒定电流值变化量之比,对恒流管的要求是ZH愈大愈好,当IH较小时ZH可达数兆欧,IH较大时ZH降至数百千欧。电流温度系数由下式确定:

αT=[(△IH/IH)/△T]*100%

式中的△IH、△T分别代表恒定电流的变化量与温度变化量。需要指出,恒流二极管的αT可以为正值,也可以是负值,视IH值而定。一般讲,当IH<0.6mA时,αT>0;当IH〉0.6mA时,αT<0。因此,IH<0.6mA的恒流管具有正的电流温度系数,IH〉0.6mA的管子则具有负的电流温度系数。假如某些管子的IH值略低于0.6mA,那么其αT值伴随IH的变化既可为正,又可为负,通常就用绝对值表示。αT的单位是%/℃。

恒流二极管在零偏置下的结电容近似为10pF,进入恒流区后降至3~5pF,其频率响应大致为0~500kHz。当工作频率过高时,由于结电容的容抗迅速减小,动态阻抗就升高,导致恒流特性变差。

常用的进口恒流二极管,主要以日本跟韩国为代表,日本做为全球第一家恒流二极管生产国,市场占有率为最高,主要用于仪器仪表,机器设备及LED应用照明领域,恒流区间可提供(0.01MA-18MA);韩国公司做为后起之秀他们提供更高电流,更高耐压的恒流二极管,主要应用于照明市场,可提供18-60MA,耐压100V恒流二极管,对于LED照明应用厂商来说是降低成本跟简化电路的一个比较理想的选择。

检测恒流二极管的电路如图三所示。E是可调直流电源,向恒流二极管提供工作电压VI。用直流毫安表测量恒定电流IH,同时用一块直流电压表监测工作电压VI。当VI从Vs一直上升到V(BO)时,IH应保持恒定。电路中的RL为负载电阻。

实际测量一只2DH04C型恒流二极管,其标称恒定电流IH0.4mA,正向击穿电压V(BO)=70V。采用如图三所示电路,由HT-1714C型直流稳压电源代替E,提供0~30V的工作电压。将两块500型万用表分别拨到直流1mA挡和2.5V(或10V、50V挡),测量IH与VI值。RL选用10k欧电位器。首先把RL调至零欧,然后改变E值,可测得其特性参数。

从实测数据可以得到,当VI≥1.5V时管子进入恒流区,IH=0.34~0.36mA,因此该管子的起始电压VS=1.5V。当VI=1.5~15V时,IH恒定不变;当VI=1.5~30V时,IH最多只增加0.02mA,变化率小于5.9%。

然后将RL从零欧调至10k欧,重复上述试验。在VI=1.5~30V的范围内,IH=0.34±0.03mA,变化率△IH/IH<8.9%。由此证明被测恒流二极管的恒流特性良好,在满足RL 〈〈ZH之条件下,IH基本不随负载而变化。

需注意以下事项

1、测量恒流二极管时极性不得接反,否则起不到恒流作用,并且还容易烧毁管子。

2、由恒流二极管组成电路时,必须使RL ZH,否则恒流特性无法保证。

3、恒流二极管的正向击穿电压V(BO)一般为30~100V。利用兆欧表与直流电压表能够测量V(BO)值。具体方法是将恒流二极管的正、负极分别接兆欧表的E、L接线柱。然后按额定转速摇动兆欧表的手柄,使恒流二极管处于正向软击穿状态,借助于直流电压表即可读出V(BO)值。兆欧表的输出电压虽然可达几百至几千伏,但其内阻很高,因此输出电流很小,不会损坏管子。一旦被测管子正向击穿,兆欧表的输出电压就被钳位于击穿电压上。用此法实测上例中的ZDH04C,V(BO)=72V,比规定值(70V)略高一点。测量时管子极性亦不得接反。

扩展电流或电压的方法

1、利用并联法扩流、串联法升压

使用一只恒流二极管只能提供几毫安的恒定电流,若将几只恒流管并联使用,则可以扩大输出电流。例如2DH5C型恒流管的IH=5mA,两只管子并联后为10mA,电流扩展了一倍。需要指出,将几只恒流二极管并联使用时,恒流源的起始电压等于这些管子中的最大值,而正向击穿电压则等于这些管子中的最小值。此外,在扩展电流的同时,恒流源的动态阻抗将变小。

利用串联法可以提升电压。例如,将几只性能相同的恒流二极管串联使用,可将耐压值提高到100V以上。假如每只管子的恒流值不等,那末恒流值较小的管子将首先进入恒流状态。必要时可给IH值较小的管子并联一只分流电阻,使各管子同时进入恒流状态。

2、利用晶体管、场效应管进行扩流及升压

扩流及升压电路分别如图四(a)、(b)所示。

图四是由晶体管JE9013和恒流二极管构成的扩流电路。设恒流管的恒定电流为IH ;JE9013的共发射极电流放大系数为hFE,扩展后的恒流值由下式确定:

IH '=(hFE +1)IH≈hFE IH

由结型场效应管3DJ6与恒流二极管组成的升压电路如图四(b)所示。R1、R2均为偏置电阻,阻值应取几十兆欧。令恒流二极管的正向击穿电压为V(BO),结型场效应管的漏-源极击穿电压为V1,则恒流源的耐压值V2=V(BO)+V1

同时进行扩流和升压

某些情况下要求对恒流二极管同时进行扩流与升压,这时可采用如图五所示的电路。现由NPN型高反压管VT(3DG407)、恒流二极管2DH560、辅助电源EB构成扩流电路。2DH560的IH=5.60mA,起始电压VS=4.0V,设VT的发射结压降VBE=0.65V,EB应大于VS与VBE之和(4.65V)。VD1和VD2为温度补偿二极管。输出级采用Vmos管,其栅极电压由稳压管VDz1、VDz2和电位器RP所决定。VMOS管属于高效场效应功率管,其性能远优于双极型功率管。它具有输人阻抗高、驱动电流小、耐压高(最高可承受1200V的高压)、工作电流大(1.5~100A)、输出功率高(1~250W)等优点。该恒流源电路能同时达到扩展恒定电流与提高工作电压之双重目的。在业余条件下,亦可用3只3DD15型大功率晶体管并联后代替VMOS管,但是要求这些管子的hFE值必须一致,并且要给每只管子加装合适的散热器。提供保护。