驅(qū)動LED中恒流二極管的研究

很多國外的大公司都開發(fā)出恒流二極管以供驅(qū)動LED，這是因?yàn)?strong>LED必須采用恒流源作為驅(qū)動的原因。下面我們將要深入討論一下恒流二極管的性能和應(yīng)用。

一.什么是恒流二極管

理想的恒流源是一種內(nèi)阻為無窮大的器件，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。

圖1. 恒流二極管的等效電路

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。

圖2. 恒流二極管的典型伏安特性

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Supertex的CL1恒流二極管的特性。它的電流仍然會隨電壓而有所增加。

圖3. 實(shí)際的恒流二極管的伏安特性

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值%/°C或絕對值μA/°C來表示。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，所以通常需要采用溫度補(bǔ)償措施(圖4)。

圖4. 恒流二極管的溫度補(bǔ)償措施

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

最簡單的恒流二極管就是采用一個(gè)結(jié)型場效應(yīng)管(圖5)。

圖5. 用一個(gè)結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成恒流二極管

用兩個(gè)晶體三極管，也可以構(gòu)成一個(gè)恒流源(圖6)。

圖6. 用兩個(gè)三極管構(gòu)成一個(gè)恒流源

其電流為：I = Vbe/R1，它雖然很簡單，但是缺點(diǎn)是不同型號的管子，其be電壓不是一個(gè)固定值，即使是相同型號，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)型場效應(yīng)管來代替晶體管。同時(shí)在反饋回路里采用一個(gè)運(yùn)放

圖6. 采用結(jié)型場效應(yīng)管和運(yùn)放的恒流源

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)三極管或場效應(yīng)管來構(gòu)成恒流源。

圖7. 采用齊納二極管的恒流源

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)體器件來構(gòu)成恒流源。實(shí)際上現(xiàn)在已經(jīng)可以根據(jù)對恒流特性的要求，構(gòu)成專門的半導(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。

圖8. 專門的恒流二極管結(jié)構(gòu)

當(dāng)一個(gè)反向偏壓加到PN結(jié)的陰極和陽極時(shí)，這個(gè)恒流二極管開始導(dǎo)通，當(dāng)反向偏壓增加到VL時(shí)(見圖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。如果所加電壓反過來，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)。

圖9. 3種封裝的恒流二極管

其中4條管腳的恒流二極管主要用于可調(diào)恒流電流。