恒流二极管与恒流三极管的原理及其应用
关键词：
恒流二极管 , 恒流三极管
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，而恒流三极管又是在恒流二极管的基础上发展而成的。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，因此目前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。
一、恒流二极管的性能特点
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i 不随vh i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。
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恒流二极管的主要参数有：恒定电流（i h），起始电压（v s），正向击穿电压（v（bo） ），动态阻抗（zh），电流温度系数（α t）。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i h较小时zh 可达数兆欧，i h较大时z h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△i h、△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i h＞0.6ma时，αt＜0。因此，i h＜0.6ma的恒流管具有正的电流温度系数，i h＞0.6ma的管子则具有负的电流温度系数。假如某些管子的i h值略低于0.6ma，那么其αt值伴随i 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，进人恒流区后降至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，动态阻抗就降低，导致恒流特性变差。
常用的国产恒流二极管有2dh系列，它分为2dh0、2dh00、2dh100、2dh000四个子系列。
二、恒流三极管的性能特点
恒流三极管是继恒流二极管之后开发出的三端半导体恒流器件。前已述及，恒流二极管只能提供固定值的恒定电流，外界无法改变；而恒流三极管增加了一个控制端，能在一定范围内对恒定电流进行连续调节，调节范围为0.08～7.00ma，视具体管子型号而定，这就给用户带来了方便。
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恒流三极管的电路符号、典型接法和如图二所示。与普通晶闸管（scr）相似，它也有三个电极：阳极（a ），阴极（k ），控制极（g）。在电路中a 极接正电压，k 极接可调电阻 rk ，g 极接 rk 的另一端。由图二（b）可见，当rk =0 时，g-k 极间短路，恒流三极管就变成了恒流二极管，此时输出电流为最大，有关系式：io =imax 接入rk 之后，ih 就减小，并且rk 越大，ih 越小。因此，调节rk 就能获得连续变化的恒定电流。
国产 3dh 系列恒流三极管包含 3dh1～3dh15（金属壳封装）15 种型号。
三、检测恒流二极管的方法
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vbo 时，ih 应保持恒定。电路中的rl 为负载电阻。
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实际测量一只2dh04c型恒流二极管，其标称恒定电流ih =0.4ma，正向击穿电压 vbo=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v ≥1.5v时管子进人恒流区，i =0.34～0.36ma，因此该管子的起始电压v =1.5v。当v=1.5～15v时，i 恒定不变；当v=1.5～30v时，i 最多只增加0.02ma，变化率小于5.9％。
然后将r 从零欧调至10k欧，重复上述试验。在v=1.5～30v的范围内，i =0.34±0.03ma，变化率△i /i ＜8.9％。由此证明被测恒流二极管的恒流特性良好，在满足r << z 之条件下，i随负载而变化。
测量时需注意以下事项：
（ 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。
四、恒流管的应用技巧
1、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人恒流状态。必要时可给i h值较小的管子并联一只分流电阻，使各管子同时进人恒流状态。
（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。
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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i h ；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：
i h ‘=（hfe +1）i h≈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） ＋v 1
2．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v be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。
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五、恒流管在测量仪表中的应用
恒流三极管在电子秤中的应用
恒流三极管在电子秤中的应用电路如图六所示。力敏传感器由4只接作桥路的电阻应变片ra-rd 构成。供桥电压采用了恒流、稳压供电。输人电压为24v 直流电压。调整电位器rp，可使恒流三极管3dh02b输出ih =40ma的恒定电流。其中，流过12v稳压管的电流iz =10ma，而流 过传感器的电流il =30ma。在称重时，应变片发生应变，传感器就产生相应的输出电压vo，送至二次仪表，最终显示出被测物体的重量。由于供桥电压 e是用恒流与稳压方式获得的，其稳定度达0.05％，因此可保证称重的准确性。
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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i 不随vh i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。
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恒流二极管的主要参数有：恒定电流（i h），起始电压（v s），正向击穿电压（v（bo） ），动态阻抗（zh），电流温度系数（α t）。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i h较小时zh 可达数兆欧，i h较大时z h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△i h、△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i h＞0.6ma时，αt＜0。因此，i h＜0.6ma的恒流管具有正的电流温度系数，i h＞0.6ma的管子则具有负的电流温度系数。假如某些管子的i h值略低于0.6ma，那么其αt值伴随i 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％／℃。
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然后将r 从零欧调至10k欧，重复上述试验。在v=1.5～30v的范围内，i =0.34±0.03ma，变化率△i /i ＜8.9％。由此证明被测恒流二极管的恒流特性良好，在满足r << z 之条件下，i随负载而变化。
测量时需注意以下事项：
（ 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。
四、恒流管的应用技巧
1、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。
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（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。
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i h ‘=（hfe +1）i h≈hfe ih
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2．同时进行扩流和升压
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