恒流二极管电路详解

恒流二极管是一种硅材料制造的基础电子器件。正向恒电流导通，反向截止，输出恒流。器件按极性接入电路回路中，回路即可达到恒流的效果，应用简单，实现了电路理论和电路设计中的二端恒流源。采用恒流二极管作为LED的恒流驱动具有结构简单、成本低廉的优点。尤其适合于小功率市电LED灯具，如球泡灯、日光灯和吸顶灯。但是由于受到功耗的限制，它只能用于高压小电流的情况，负载只能是多个小功率LED的串联或是采用集成的高压LED。

目前小功率的LED照明主要集中在LED工作电流为18～30mA的LED照明应用，针对小功率LED的驱动特点，小功率LED照明采用交流市电220V供电时，须经过转换将高电压的交流电转换为低压直流电，目前降压电路主要有工频变压器线性降压、高频开关电路、基于IC的降压电路、阻容降压电路等几类。由于恒流二极管的工作特性，其受电压波动影响小的特点，结合驱动电源的体积与成本等因素，采用阻容式降压电路变得可行。图为采用恒流二极管的阻容降压电路。

图2-7　恒流二极管阻容降压LED驱动电路

驱动电路中C1为降压电容，电容降压电路输出电流主要与降压电容容量和输出电压有关，输出电压越高电流越小。降压电容C1向负载提供的电流IO实际上就是流过C1的充放电电流IC。为保证降压电容安全工作，其耐压值应大于两倍市电电压，所以降压电容宜选用耐压值630V以上的无极电容。虽然电容容值越大驱动电路输出电流越大，但降压电容值太大会降低整个驱动电路的安全性与稳定性，因此建议降压电容的容值不要超过3.3μF。

在表2-1给出了采用0.68～3.3μF不同大小降压电容，驱动电路在不同电压下提供的电流以及能够驱动的LED负载数量。

表2-1　电容与输出电流关系

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R1为512kΩ放电电阻，当电路断电C1通过R1快速放电。4颗IN4007二极管组成全波整流桥。电容C2为滤波电容，为了获得较好的滤波效果，选择的滤波电容的容量应满足RLC=（3～5）t/2（RL为负载电阻，t为0.02s），耐压值应大于1.5U（U为电容降压电路输出电压）。电容值取得越大，00输出电压越平滑其纹波值越小。但是随着电容容量的增大，一般其体积也随之增大。同时，驱动电路的功率因数也会随滤波电容取值增大而下降。所以电路设计中应综合考虑滤波效果和功率因数的平衡。经实验分析，当滤波电容C2取4.7μF以上时可以保证电路滤波效果，同时也可以保证电路功率因数在50%以上。电容的电压可根据负载LED阵列的具体情况选择50V，100V或者更高的耐压。R2为512kΩ滤波电阻。D1为瞬态二极管，其导通电压比负载电压略高，对电路中LED负载出现短路时进行保护，防止LED烧毁。

电路中D2为恒流二极管（CRD）器件，为负载电路提供恒定的电流，采用2DHL系列二端恒流二极管，它具有如下特性：①输出恒定电流 1～300mA；②恒定电流的起始电压低（2.8～3.5V）；③恒流电压范围大（25～100 V）；④在恒流电压范围内，电流相对变化 10%；⑤动态电阻 4～160kΩ；⑥响应时间快（tr＜50ns，tf＜70ns）；⑦极限使用电压 20～100V。由于该系列恒流二极管的工作电压范围较宽（25～100V），当市电波动时，恒流二极管在耐压范围内一直是工作于恒流区域，对于负载电路的电流不会产生影响，保证了LED灯具有良好的工作环境，同时当负载LED出现短路断路情况时，电路中也有保护措施保证LED的安全。

图2-8　全波整流驱动方案

除了利用阻容降压电路驱动小功率LED的设计，还可以采用直接全波整流电路驱动数量较多的LED照明应用方案，如采用小功率（20mA）LED灯珠进行串并联的LED日光灯。图2-8给出基于恒流二极管驱动的全波整流驱动电路设计。

电路中由220V市电供电，通过整流桥进行全波整流，负载端直接带串联有恒流二极管的负载LED串联灯珠，串联的LED数量可以根据全波整流后的有效电压值进行计算。根据灯型需要，可以并联多组LED负载。电路中的恒流二极管对负载电路起到恒定电流及保护作用。由于恒流二极管的工作电压范围较宽，当市电在合理范围内波动时（±30%），电路电流处于恒流二极管的恒流区域，不会出现负载电路电流过高烧毁LED的情况，对电路进行了有效保护，当市电供应电压过低时会产生LED亮度不够的现象，但是不会对电路造成危险。驱动电路中的每一组负载都用了一个恒流二极管进行驱动，成本略高于单个恒流二极管驱动，但当某支路LED出现短路或者断路时，不会对其他支路造成影响，保护了电路的安全，同时方便电路检修。

使用恒流二极管时，不仅要考虑其电流和工作电压范围，还要考虑其功耗，只有在电源电压与LED工作电压相差不太大（当然也不能太小，小于恒流二极管的起始工作电压也是不行的）时，恒流二极管压降最小，功耗也最小，电源的整体效率最高，因此在电源电压较为稳定的情况下，通过LED的串并联组合和选用合适电流和耐压的恒流二极管使恒流二极管上的压降降到最低，这样电源的效率容易达到90%以上。另外，恒流二极管可以并联使用，以提高总的电流输出，驱动更大功率的LED。该方案简化了设计复杂度，成本大大低于采用开关电源的设计方案。