一、什么是恒流二極管
理想的恒流源是一種內(nèi)阻為無(wú)窮大的器件,不論其兩端電壓為何值,其流經(jīng)的電流永遠(yuǎn)不變。當(dāng)然這種器件是不可能存在的。實(shí)際的恒流二極管相當(dāng)于一個(gè)在一定工作電壓范圍內(nèi)(例如25-100V),其電流恒定為某一值(例如20mA)。其等效電路如圖1所示。
其內(nèi)阻為Z,并聯(lián)的電容大約為4-10pF。其典型的伏安特性如圖2所示。
它在某一個(gè)電壓范圍內(nèi)有一段恒流區(qū)間,在這個(gè)區(qū)間,流經(jīng)的電流幾乎不變,VL為到達(dá)IL的電壓值,IL大約為0.8Ip,Vb為擊穿電壓值。但是實(shí)際的恒流二極管并不是那么理想。圖3是美國(guó)Supertex的CL1恒流二極管的特性。它的電流仍然會(huì)隨電壓而有所增加。
恒流二極管的另一個(gè)特性就是它的溫度特性,溫度特性通常用相對(duì)值%/°C或絕對(duì)值μA/°C來(lái)表示。這個(gè)溫度系數(shù)通常是負(fù)值。其值取決于恒流的值,恒流值 越大,溫度系數(shù)也越大,通常在-0.4%~-0.6%之間。為了達(dá)到恒流的目的當(dāng)然不希望電流隨溫度變動(dòng),所以通常需要采用溫度補(bǔ)償措施(圖4)。
采用溫度補(bǔ)償以后就可以把電流的溫度系數(shù)降低到很小的數(shù)字,例如Supertex公司的CL1的電流溫度系數(shù)只有-8.5μA/°C。
二、恒流二極管的構(gòu)成
最簡(jiǎn)單的恒流二極管就是采用一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(圖5)。
用兩個(gè)晶體三極管,也可以構(gòu)成一個(gè)恒流源(圖6a)。
其電流為:I = Vbe/R1,
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它雖然很簡(jiǎn)單,但是缺點(diǎn)是不同型號(hào)的管子,其be電壓不是一個(gè)固定值,即使是相同型號(hào),也有一定的個(gè)體差異。所以很難批量生產(chǎn)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),就采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)代替晶體管。同時(shí)在反饋回路里采用一個(gè)運(yùn)放。
其電流:I = Vin/R1,這個(gè)恒流源還需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓Vin,最簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)電壓就是齊納二極管,所以也可以利用一個(gè)齊納二極管和一個(gè)三極管或場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)構(gòu)成恒流源。
其所恒定的電流:I = (Vd-Vbe)/R1。
但是,所有以上結(jié)構(gòu)都是利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件來(lái)構(gòu)成恒流源。實(shí)際上現(xiàn)在已經(jīng)可以根據(jù)對(duì)恒流特性的要求,構(gòu)成專(zhuān)門(mén)的半導(dǎo)體器件而能具有所要求的恒流特性。其構(gòu)成如圖8所示。
當(dāng)一個(gè)反向偏壓加到PN結(jié)的陰極和陽(yáng)極時(shí),這個(gè)恒流二極管開(kāi)始導(dǎo)通,當(dāng)反向偏壓增加到VL時(shí)(見(jiàn)圖2),其電流由于N區(qū)的體電阻也跟著增加,當(dāng)電流增加到 曲線(xiàn)的拐點(diǎn)時(shí),在N區(qū)和P型柵之間形成一個(gè)耗盡層。這個(gè)耗盡層減小了N區(qū)中電流的路徑也就減慢了電流的增加速度。結(jié)果這個(gè)耗盡層遇到了P型柵于是就產(chǎn)生了 夾斷效應(yīng),這使得電流變成恒定而幾乎和所加電壓無(wú)關(guān),直到所加電壓達(dá)到一個(gè)擊穿點(diǎn)Vb。如果所加電壓反過(guò)來(lái),那么就相當(dāng)于一個(gè)正向電壓加到一個(gè)PN結(jié),其 特性就和一個(gè)普通二極管加上正向電壓時(shí)一樣。
實(shí)際所采用的恒流二極管可分為4條管腳,3條管腳,和2條管腳三種結(jié)構(gòu)和封裝(圖9)。
其中4條管腳的恒流二極管主要用于可調(diào)恒流電流。
三、 幾種恒流二極管的參數(shù)
下面列出幾種常用的恒流二極管的參數(shù)
四、恒流二極管的散熱
由于恒流二極管要吸收市電電壓的變化而有可能會(huì)承受很高的電壓,假如電流也很大的話(huà),它的功耗有可能會(huì)相當(dāng)大,也就必須要有很好的散熱,以免損壞內(nèi)部的芯 片。恒流二極管的散熱主要取決于它的管殼封裝。各種不同封裝的散熱能力主要表現(xiàn)在它的熱阻。下面就來(lái)看一下各種封裝的熱阻。
由表中可見(jiàn),On-semi公司的NSI50350ADT4G所采用的D-PAK具有最小的熱阻,其耗散功率高達(dá)11W。不過(guò)如果整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)于這樣高的耗散功率也說(shuō)明其效率不高,是需要避免的。
五、恒流二極管作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)源
我們知道LED必須采用恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng),否則由于它的負(fù)溫度系數(shù),而會(huì)使電流急劇上升導(dǎo)致結(jié)溫升高,壽命縮短。而恒流二極管的恒流作用恰恰可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。最簡(jiǎn)單的方法就是直接和LED串聯(lián)。但是我們?cè)诎押懔鞫O管用于LED驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意選擇恰當(dāng)?shù)碾娏骱湍蛪骸?br />
5.1 最低電壓
由于恒流二極管需要一定的電壓Vk才能夠進(jìn)入恒流,所以太低的電源電壓是無(wú)法工作的。通常這個(gè)Vk大約在5-10V左右,所以大多數(shù)采用電池供電的LED是無(wú)法工作的。
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5.2 最大電流
由于恒流二極管的功耗受到限制,所以過(guò)大的電流也是不合適的。例如1W的LED通常需要350mA,恒流二極管就很難提供。
5.3 采用恒流二極管作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電源
目前比較合適的使用場(chǎng)合就是交流市電供電的LED燈具,采用很多小功率LED串聯(lián),也就是高壓小電流的情況是最為合適。
圖10就是一種用于球泡燈的恒流二極管驅(qū)動(dòng)源。其負(fù)載是80顆3014,總功率為8W。所用的恒流二極管也是恒流在30mA。假如手頭的恒流二極管只有5mA的,就需要6個(gè)并聯(lián)。
在這里,恒流二極管的作用就是要在輸入市電電壓變化時(shí),保持輸出電流不變。但是由于恒流二極管的耐壓有一定的限制,所以它所能吸收的電源電壓變化也是有限 的。就拿100V耐壓的CRD來(lái)說(shuō),用在220V市電電源里,都還只能對(duì)付有限的電壓變化。220V經(jīng)過(guò)橋式整流以后它的輸出直流電壓大約為264V。如 果市電變化+10%,~-15%,就相當(dāng)于整流后為290~187V,電壓變化103V。已經(jīng)超過(guò)其耐壓了。假如所用的LED為80顆,那么總電壓為 264V,正好相當(dāng)于220V經(jīng)過(guò)橋式整流以后的值。這時(shí)候恒流二極管上沒(méi)有壓降,但是這時(shí)候它是不能工作的而至少需要10V壓降,也就是要求整流后電壓 為274V,市電電壓為228VAC。那時(shí)候恒流二極管壓降為最小,功耗也最小,只有0.03Ax10V=0.3W,整體效率為最高可達(dá)96%(當(dāng)然還要 考慮整流器的效率,實(shí)際上還會(huì)低一些)。如果市電增高至242VAC,那么恒流二極管電壓就增高為26.4V,其功耗也增加到0.79W,這時(shí)候效率就等 于91%。
如果市電電壓低于228V,是不是恒流二極管就不工作呢?并不是,但的確是不恒流了,這時(shí)候它和LED就會(huì)達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn),那就是二者的電壓和等于市 電電壓經(jīng)過(guò)整流后的電壓。因?yàn)長(zhǎng)ED伏安特性的非線(xiàn)性,所以很難用公式來(lái)表示??傊?,當(dāng)市電電壓降低時(shí),LED中的電流就會(huì)隨市電電壓的降低而降低。其亮 度也會(huì)跟著變暗。
下面舉一個(gè)實(shí)測(cè)的結(jié)果為例,這是一個(gè)80顆3014串聯(lián)的球泡燈,采用了5顆Semitek 的S-562T并聯(lián)。它在不同的輸入市電電壓時(shí),所測(cè)得的結(jié)果如下表所示。
由表中可知,當(dāng)市電電壓在200~225VAC的服務(wù)內(nèi)變化時(shí)基本上可以保持恒流在27.1~27.8mA的范圍內(nèi),而且效率在82.5%~95.79%范圍內(nèi),即使在輸入電壓過(guò)低而無(wú)法恒流時(shí),它的效率還能高達(dá)98-99%,這是采用恒流二極管的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。
它的唯一的缺點(diǎn)是功率因素比較低,只有0.535~0.543。
5.4 無(wú)源功率因素校正
如果需要提高功率因素可以采用無(wú)源功率因素校正(見(jiàn)圖11)。可以把功率因數(shù)提高到0.9左右,但是會(huì)增加兩個(gè)大電解電容(22uF,250V)和三個(gè)二極管,在球泡燈里會(huì)受到體積的限制,而且成本會(huì)提高、效率也會(huì)降低。
5.5有源功率因數(shù)校正
假如要求更高的功率因數(shù),就可以采用有源功率因數(shù)校正。
美國(guó)安森美公司加了一個(gè)功率因素校正芯片NCP1014的恒流二極管的電源,其電原理圖見(jiàn)圖12。
這個(gè)電源的基本指標(biāo)如下:
其實(shí)這個(gè)電源的核心就是一個(gè)恒流二極管NSI45025,以確保LED恒流在25mA。所以它只能用于小功率貼片式的LED。其中外加的集成電路 NCP1014實(shí)際上是一個(gè)有源式的功率因數(shù)校正(PFC),可以把它的功率因數(shù)提高到>0.9以滿(mǎn)足美國(guó)能源之星的要求。輸入端的 L1,C1,C2是一個(gè)防電磁干擾EMI的濾波器。它的缺點(diǎn)是非隔離,所以220V會(huì)直接加到負(fù)載LED上。但是歐盟IEC 61347-2-13 (5/2006)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在LED負(fù)載端電壓不可超過(guò)25VAC或35VDC。所以采用非隔離電源是無(wú)法出口歐盟的。
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六、使用恒流二極管時(shí)的性能擴(kuò)展
在選用現(xiàn)有的各種型號(hào)恒流二極管時(shí)經(jīng)常遇到所需要的電流或電壓不能滿(mǎn)足要求的情況。下面介紹幾種方法解決這些問(wèn)題。
6.1 加大恒流電流
為了加大電流,最簡(jiǎn)單的方法就是用幾個(gè)恒流二極管并聯(lián)(圖14)
但是這會(huì)增加成本,因?yàn)楹懔鞫O管比較貴。另一個(gè)簡(jiǎn)單的方法,就是用一個(gè)晶體三極管來(lái)加大電流。圖15表明了采用NPN和PNP三極管進(jìn)行電流放大的電原理圖。
它們實(shí)際上都是利用小電流恒流二極管提供三極管的基極電流,經(jīng)過(guò)三極管放大β倍以后再供給負(fù)載。圖16表明其輸出電流和R1的關(guān)系。
其實(shí)這種方法在批量生產(chǎn)中是行不通的,因?yàn)楦鱾€(gè)晶體三極管的β有所不同,輸出的恒流值也不同。除非對(duì)三極管的β值進(jìn)行挑選分檔,那也會(huì)增加成本。但可以用于對(duì)恒流值的精確度要求不高的場(chǎng)合。
6.2 增高耐壓
有不少現(xiàn)成的恒流二極管的耐壓往往不夠高,當(dāng)然最簡(jiǎn)單的方法就是用兩個(gè)或幾個(gè)恒流二極管串聯(lián)。同樣這樣成本就會(huì)增高。也可以用增加一些其它器件來(lái)提高。
1. 串聯(lián)齊納管
最簡(jiǎn)單的方法就是和恒流二極管串聯(lián)一個(gè)齊納二極管來(lái)提高耐壓(圖17)。
這種方法可將起始電壓提高到齊納二極管的電壓V2,但是在低于這個(gè)電壓時(shí),也就無(wú)法恒流。
2. 串聯(lián)一個(gè)MOS管來(lái)增加耐壓(圖18)
但是這時(shí)由于MOS管承擔(dān)了大部分耐壓,因而其功耗很大,效率降低。有一個(gè)實(shí)例采用了75個(gè)小功率LED串聯(lián)后,再兩串并聯(lián)。恒流于34mA。在最高輸入電壓時(shí),MOS管上壓降達(dá)70V,功耗2.38W,還需要很好的散熱器散熱。
下面是實(shí)測(cè)的結(jié)果。
在最高輸入電壓時(shí)的總效率只有67%,所以還是應(yīng)當(dāng)采用足夠耐壓的恒流二極管。
6.3 采用恒流二極管時(shí)的PWM調(diào)光(圖19)
采用PWM信號(hào)調(diào)光以后可以避免由于改變電流而引起的光譜偏移。但是不能采用只有兩條管腳的恒流二極管,而必須采用帶有控制開(kāi)斷管腳的至少3條管腳的恒流二極管。