驅動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動LED，這是因為LED必須采用恒流源作為驅動的原因。下面我們將要深入討論一下恒流二極管的性能和應用。

一.什么是恒流二極管

理想的恒流源是一種內阻為無窮大的器件，不論其兩端電壓為何值，其流經的電流永遠不變。當然這種器件是不可能存在的。實際的恒流二極管相當于一個在一定工作電壓范圍內(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

它在某一個電壓范圍內有一段恒流區(qū)間，在這個區(qū)間，流經的電流幾乎不變，VL為到達IL的電壓值，IL大約為0.8Ip，Vb為擊穿電壓值。但是實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. 實際的恒流二極管的伏安特性

恒流二極管的另一個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。這個溫度系數通常是負值。其值取決于恒流的值，恒流值越大，溫度系數也越大，通常在-0.4%~-0.6%之間。為了達到恒流的目的當然不希望電流隨溫度變動，所以通常需要采用溫度補償措施(圖4)。

圖4. 恒流二極管的溫度補償措施

采用溫度補償以后就可以把電流的溫度系數降低到很小的數字，例如Supertex公司的CL1的電流溫度系數只有-8.5μA/°C。

二.恒流二極管的構成

最簡單的恒流二極管就是采用一個結型場效應管(圖5)。

圖5. 用一個結型場效應管構成恒流二極管

用兩個晶體三極管，也可以構成一個恒流源(圖6)。

圖6. 用兩個三極管構成一個恒流源

其電流為：I = Vbe/R1，它雖然很簡單，但是缺點是不同型號的管子，其be電壓不是一個固定值，即使是相同型號，也有一定的個體差異。所以很難批量生產。為了克服這個缺點，就采用結型場效應管來代替晶體管。同時在反饋回路里采用一個運放

圖6. 采用結型場效應管和運放的恒流源

其電流：I = Vin/R1，這個恒流源還需要一個基準電壓Vin，最簡單的基準電壓就是齊納二極管，所以也可以利用一個齊納二極管和一個三極管或場效應管來構成恒流源。

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，所有以上結構都是利用現有的半導體器件來構成恒流源。實際上現在已經可以根據對恒流特性的要求，構成專門的半導體器件而能具有所要求的恒流特性。其構成如圖8所示。

圖8. 專門的恒流二極管結構

當一個反向偏壓加到PN結的陰極和陽極時，這個恒流二極管開始導通，當反向偏壓增加到VL時(見圖2)，其電流由于N區(qū)的體電阻也跟著增加，當電流增加到曲線的拐點時，在N區(qū)和P型柵之間形成一個耗盡層。這個耗盡層減小了N區(qū)中電流的路徑也就減慢了電流的增加速度。結果這個耗盡層遇到了P型柵于是就產生了夾斷效應，這使得電流變成恒定而幾乎和所加電壓無關，直到所加電壓達到一個擊穿點Vb。如果所加電壓反過來，那么就相當于一個正向電壓加到一個PN結，其特性就和一個普通二極管加上正向電壓時一樣。

實際所采用的恒流二極管可分為4條管腳，3條管腳，和2條管腳三種結構和封裝(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恒流電流。