恒流二極管與恒流三極管的原理及其應(yīng)用 - 全文

關(guān)鍵詞：恒流二極管 , 恒流三極管

　恒流二極管和恒流三極管是近年來(lái)問世的半導(dǎo)體恒流器件，而恒流三極管又是在恒流二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。它們都能在很寬的電壓范圍內(nèi)輸出恒定的電流，并具有很高的動(dòng)態(tài)阻抗。由于它們的恒流性能好、價(jià)格較低、使用簡(jiǎn)便，因此目前已被廣泛用于恒流源、穩(wěn)壓源、放大器以及電子儀器的保護(hù)電路中。
　　一、恒流二極管的性能特點(diǎn)

　　恒流二極管（CRD）屬于兩端結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)恒流器件。其電路符號(hào)和伏安特性如圖一所示。恒流二極管在正向工作時(shí)存在一個(gè)恒流區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)I 不隨VH I而變化；其反向工作特性則與普通二極管的正向特性有相似之處。恒流二極管的外形與3DG6型晶體管相似，但它只有兩個(gè)引線，靠近管殼突起的引線為正極。

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　　恒流二極管的主要參數(shù)有：恒定電流（I H），起始電壓（V S），正向擊穿電壓（V（BO）），動(dòng)態(tài)阻抗（ZH），電流溫度系數(shù)（α T）。其恒定電流一般為 0.2～6mA。起始電壓表示管子進(jìn)入恒流區(qū)所需要的最小電壓。恒流二極管的正向擊穿電壓通常為30～100V。動(dòng)態(tài)阻抗的定義是工作電壓變化量與恒定電流值變化量之比，對(duì)恒流管的要求是ZH 愈大愈好，當(dāng)I H較小時(shí)ZH 可達(dá)數(shù)兆歐，I H較大時(shí)Z H降至數(shù)百千歐。電流溫度系數(shù)由下式確定：
　　αT=［（△IH /IH ）/△T］*100%
　　式中的△I H、△T分別代表恒定電流的變化量與溫度變化量。需要指出，恒流二極管的αT可以為正值，也可以是負(fù)值，視IH 值而定。一般講，當(dāng)IH ＜0.6mA 時(shí)，αT ＞0；當(dāng)I H＞0.6mA時(shí)，αT＜0。因此，I H＜0.6mA的恒流管具有正的電流溫度系數(shù)，I H＞0.6mA的管子則具有負(fù)的電流溫度系數(shù)。假如某些管子的I H值略低于0.6mA，那么其αT值伴隨I 的變化既可為正，又可為負(fù)，通常就用絕對(duì)值表示。αT的單位是％／℃。
　　恒流二極管在零偏置下的結(jié)電容近似為10pF，進(jìn)人恒流區(qū)后降至3～5pF，其頻率響應(yīng)大致為0～500kHz。當(dāng)工作頻率過高時(shí)，由于結(jié)電容的容抗迅速減小，動(dòng)態(tài)阻抗就降低，導(dǎo)致恒流特性變差。
　　常用的國(guó)產(chǎn)恒流二極管有2DH系列，它分為2DH0、2DH00、2DH100、2DH000四個(gè)子系列。

　　二、恒流三極管的性能特點(diǎn)

　　恒流三極管是繼恒流二極管之后開發(fā)出的三端半導(dǎo)體恒流器件。前已述及，恒流二極管只能提供固定值的恒定電流，外界無(wú)法改變；而恒流三極管增加了一個(gè)控制端，能在一定范圍內(nèi)對(duì)恒定電流進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0.08～7.00mA，視具體管子型號(hào)而定，這就給用戶帶來(lái)了方便。

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　　恒流三極管的電路符號(hào)、典型接法和如圖二所示。與普通晶閘管（SCR）相似，它也有三個(gè)電極：陽(yáng)極（A ），陰極（K ），控制極（G）。在電路中A 極接正電壓，K 極接可調(diào)電阻 RK ，G 極接 RK 的另一端。由圖二（b）可見，當(dāng)RK =0 時(shí)，G-K 極間短路，恒流三極管就變成了恒流二極管，此時(shí)輸出電流為最大，有關(guān)系式：IO =IMAX 接入RK 之后，IH 就減小，并且RK 越大，IH 越小。因此，調(diào)節(jié)RK 就能獲得連續(xù)變化的恒定電流。
　　國(guó)產(chǎn) 3DH 系列恒流三極管包含 3DH1～3DH15（金屬殼封裝）15 種型號(hào)。

　　三、檢測(cè)恒流二極管的方法

　　檢測(cè)恒流二極管的電路如圖三所示。E是可調(diào)直流電源，向恒流二極管提供工作電壓VI 。用直流毫安表測(cè)量恒定電流IH ，同時(shí)用一塊直流電壓表監(jiān)測(cè)工作電壓VI。當(dāng)VI 從VS 一直上升到VBO 時(shí)，IH 應(yīng)保持恒定。電路中的RL 為負(fù)載電阻。

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　　實(shí)際測(cè)量一只2DH04C型恒流二極管，其標(biāo)稱恒定電流IH =0.4mA，正向擊穿電壓 VBO=70V。采用如圖三所示電路，由HT-1714C型直流穩(wěn)壓電源代替 E，提供0～30V 的工作電壓。將兩塊500型萬(wàn)用表分別撥到直流1mA擋和2.5V（或10V、50V 擋），測(cè)量IH 與VI 值。RL 選用10k 歐電位器。首先把RL 調(diào)至零歐，然后改變 E 值，可測(cè)得其特性參數(shù)。
　　從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)V ≥1.5V時(shí)管子進(jìn)人恒流區(qū)，I =0.34～0.36mA，因此該管子的起始電壓V =1.5V。當(dāng)V=1.5～15V時(shí)，I 恒定不變；當(dāng)V=1.5～30V時(shí)，I 最多只增加0.02mA，變化率小于5.9％。
　　然后將R 從零歐調(diào)至10k歐，重復(fù)上述試驗(yàn)。在V=1.5～30V的范圍內(nèi)，I =0.34±0.03mA，變化率△I /I ＜8.9％。由此證明被測(cè)恒流二極管的恒流特性良好，在滿足R << Z 之條件下，I隨負(fù)載而變化。
　　測(cè)量時(shí)需注意以下事項(xiàng)：
　?。?1 ）測(cè)量恒流二極管時(shí)極性不得接反，否則起不到恒流作用，并且還容易燒毀管子。
　　（ 2 ）由恒流二極管組成電路時(shí)，必須使RL << ZH ，否則恒流特性無(wú)法保證。
　?。?3 ）恒流二極管的正向擊穿電壓V （BO）一般為30～100V。利用兆歐表與直流電壓表能夠測(cè)量V （BO）值。具體方法是將恒流二極管的正、負(fù)極分別接兆歐表的E、L 接線柱。然后按額定轉(zhuǎn)速搖動(dòng)兆歐表的手柄，使恒流二極管處于正向軟擊穿狀態(tài)，借助于直流電壓表即可讀出V（BO）
　　值。兆歐表的輸出電壓雖然可達(dá)幾百至幾千伏，但其內(nèi)阻很高，因此輸出電流很小，不會(huì)損壞管子。一旦被測(cè)管子正向擊穿，兆歐表的輸出電壓就被鉗位于擊穿電壓上。用此法實(shí)測(cè)上例中的ZDH04C，V（BO） =72V，比規(guī)定值（70V）略高一點(diǎn)。測(cè)量時(shí)管子極性亦不得接反。
　　四、恒流管的應(yīng)用技巧

　　1、擴(kuò)展電流或電壓的方法
　?。?）利用并聯(lián)法擴(kuò)流、串聯(lián)法升壓
　　使用一只恒流二極管只能提供幾毫安的恒定電流，若將幾只恒流管并聯(lián)使用，則可以擴(kuò)大輸出電流。例如2DH5C型恒流管的IH =5mA，兩只管子并聯(lián)后為10mA，電流擴(kuò)展了一倍。需要指出，將幾只恒流二極管并聯(lián)使用時(shí)，恒流源的起始電壓等于這些管子中的最大值，而正向擊穿電壓則等于這些管子中的最小值。此外，在擴(kuò)展電流的同時(shí)，恒流源的動(dòng)態(tài)阻抗將變小。
　　利用串聯(lián)法可以提升電壓。例如，將幾只性能相同的恒流二極管串聯(lián)使用，可將耐壓值提高到100V以上。假如每只管子的恒流值不等，那末恒流值較小的管子將首先進(jìn)人恒流狀態(tài)。必要時(shí)可給I H值較小的管子并聯(lián)一只分流電阻，使各管子同時(shí)進(jìn)人恒流狀態(tài)。
　?。?）利用晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行擴(kuò)流及升壓
　　擴(kuò)流及升壓電路分別如圖四（ a ）、（ b ）所示。

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　　圖四是由晶體管JE9013和恒流二極管構(gòu)成的擴(kuò)流電路。設(shè)恒流管的恒定電流為I H ；JE9013的共發(fā)射極電流放大系數(shù)為hFE ，擴(kuò)展后的恒流值由下式確定：
　　I H ‘=（hFE +1）I H≈hFE IH
　　由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6與恒流二極管組成的升壓電路如圖四（b）所示。R1、R2 均為偏置電阻，阻值應(yīng)取幾十兆歐。令恒流二極管的正向擊穿電壓為V（BO），結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏--源極擊穿電壓為V1 ，則恒流源的耐壓值V2=V（BO）＋V 1
　　2．同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)流和升壓
　　某些情況下要求對(duì)恒流二極管同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)流與升壓，這時(shí)可采用如圖五所示的電路。現(xiàn)由NPN型高反壓管 VT （3DG407 ）、恒流二極管
　　2DH560、輔助電源EB 構(gòu)成擴(kuò)流電路。2DH560的IH =5.60mA，起始電壓VS =4.0V，設(shè)VT的發(fā)射結(jié)壓降VBE＝0.65V，EB 應(yīng)大于VS 與V BE之和（4.65V）。VD1 和VD2 為溫度補(bǔ)償二極管。輸出級(jí)采用VMOS管，其柵極電壓由穩(wěn)壓管VDz1、VDz2和電位器RP所決定。VMOS管屬于高效場(chǎng)效應(yīng)功率管，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于雙極型功率管。它具有輸人阻抗高、驅(qū)動(dòng)電流小、耐壓高（最高可承受1200V 的高壓）、工作電流大（1.5～100A）、輸出功率高（1～250W）等優(yōu)點(diǎn)。該恒流源電路能同時(shí)達(dá)到擴(kuò)展恒定電流與提高工作電壓之雙重目的。在業(yè)余條件下，亦可用3只3DD15型大功率晶體管并聯(lián)后代替VMOS管，但是要求這些管子的hFE 值必須一致，并且要給每只管子加裝合適的散熱器。

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　　五、恒流管在測(cè)量?jī)x表中的應(yīng)用

　　恒流三極管在電子秤中的應(yīng)用
　　恒流三極管在電子秤中的應(yīng)用電路如圖六所示。力敏傳感器由4只接作橋路的電阻應(yīng)變片Ra-Rd 構(gòu)成。供橋電壓采用了恒流、穩(wěn)壓供電。輸人電壓為24V 直流電壓。調(diào)整電位器RP，可使恒流三極管3DH02B輸出IH =40mA的恒定電流。其中，流過12V穩(wěn)壓管的電流Iz =10mA，而流過傳感器的電流IL =30mA。在稱重時(shí)，應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變，傳感器就產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓Vo，送至二次儀表，最終顯示出被測(cè)物體的重量。由于供橋電壓 E是用恒流與穩(wěn)壓方式獲得的，其穩(wěn)定度達(dá)0.05％，因此可保證稱重的準(zhǔn)確性。