一、恒流二极管（CRD）的直流特性与交流限制

1. 核心矛盾：单向导电性与交流双向性

• 单向导电性：
  CRD本质为单向PN结器件（类似二极管），仅在正向偏置（阳极电压>阴极电压）时导通并恒流，反向偏置时截止（反向电流<1μA）。

• 交流信号阻断：
  若直接接入交流信号（如市电220V/50Hz），CRD仅在正半周导通，负半周完全截止，输出电流为半波脉动直流（非正弦交流），且存在50Hz周期性断流。

2. 动态响应缺陷

• 交流频率限制：
  CRD的结电容（典型值0.5~2pF）与反向恢复时间（>100ns）导致其无法响应高频交流信号（如>10kHz）。

• 对比示例：

• 直流场景：驱动LED（电流纹波<5%，频率0Hz，完全适用）。

• 交流场景：驱动电磁阀（需50Hz正弦电流，CRD输出为半波直流，无法满足）。

二、CRD构建交流恒流源的3种失败方案与原理

方案1：全波整流+CRD（伪交流恒流）

• 电路：交流输入→全波整流桥→CRD→负载。

• 失效原因：

• 输出电流为馒头波直流（脉动频率100Hz），非正弦交流。

• 负载两端存在直流偏置（如100Ω电阻负载，压降含>2V直流分量），可能损坏纯交流负载（如变压器、电容滤波电路）。

方案2：双CRD反并联（理论可行但工程灾难）

• 电路：两只CRD阳极对阳极串联，反向并联于交流电源。

• 失效原因：

• 电流一致性失控：正负半周电流由不同CRD提供，但器件间存在±5%离散性，导致正负半周电流不对称（如正半周560μA，负半周590μA）。

• 温漂叠加：正负半周电流随温度反向漂移（如+0.4%/℃），加剧不对称性。

• 散热难题：两只CRD需独立散热，否则温升差异导致电流进一步失配。

方案3：CRD+运算放大器（复杂且不稳定）

• 电路：交流信号→运放→CRD→负载，通过运放反馈控制电流。

• 失效原因：

• 带宽不足：通用运放带宽<1MHz，无法跟踪市电（50Hz）基波和谐波（如3次谐波150Hz）。

• 相位失真：运放相位延迟导致电流滞后电压，功率因数<0.5。

• 成本失控：需±15V双电源、高精度采样电阻（0.1%精度），BOM成本>10元（CRD仅0.2元）。

三、交流恒流源的正确实现路径（替代方案）

方案1：电流互感器+恒流控制环（工业级首选）

• 电路：
  交流输入→电流互感器（采样负载电流）→误差放大器→PWM控制器→MOSFET→负载。

• 优势：

• 双向恒流：通过互感器采样电流，PWM闭环控制实现正负半周电流对称。

• 宽频响应：带宽可达100kHz，适应50Hz~400Hz交流负载。

• 高精度：电流精度<±0.5%，温漂<±50ppm/℃。

• 典型应用：
  电磁加热、电镀电源、LED调光（需正弦电流）。

方案2：专用恒流IC（消费级高集成方案）

• 器件推荐：

• TI UCC28950：PFC+恒流二合一控制器，支持100W交流恒流输出。

• Infineon ICE3PCS01G：内置电流环，驱动电磁阀等感性负载。

• 优势：

• 单芯片方案：集成采样、运算、驱动，PCB面积<1cm²。

• 保护完备：含过流、过压、短路保护。

• 成本对比：

• 方案BOM成本约3~5元（含IC、电感、采样电阻），较CRD方案增加10倍，但性能提升50倍。

方案3：线性交流恒流电路（低成本替代）

• 电路：
  交流输入→桥式整流→电解电容滤波→高精度运放（如OPA277）→JFET恒流镜→负载。

• 关键设计：

• JFET恒流镜：用两只JFET（如2N5457）组成电流镜，正负半周对称性>99%。

• 运放补偿：通过运放调整JFET栅极电压，补偿电源电压波动。

• 局限性：

• 仅适用于小功率（<1W）、低频（<1kHz）场景。

• 需大容量电解电容（>1000μF）滤波，体积较大。

四、CRD在交流场景中的妥协性应用

场景1：交流负载的直流偏置控制

• 案例：
  驱动电磁阀时需在交流信号上叠加直流分量（如100mA DC + 50mA 50Hz AC），可用CRD提供直流分量，交流分量由其他电路叠加。

• 电路：
  交流输入→变压器→CRD（提供直流偏置）→耦合电容（隔离直流）→负载。

场景2：交流信号的限流保护

• 案例：
  保护示波器探头免受高压交流信号损坏，可用CRD限制探头电流（如500μA）。

• 电路：
  交流信号→CRD→示波器输入端，CRD反向并联TVS二极管吸收瞬态高压。

五、终极结论：CRD与交流恒流源的不可调和矛盾

核心建议：

1. 放弃CRD直接用于交流恒流源：其单向性、动态响应和电流对称性缺陷无法通过简单电路克服。

2. 选择专用方案：

• 工业场景：电流互感器+PWM控制器（如UCC28950）。

• 消费场景：专用恒流IC（如ICE3PCS01G）。

• 低成本实验：线性交流恒流电路（JFET+运放）。

3. 保留CRD在交流场景的边缘价值：如直流偏置控制、限流保护等非核心功能。

工程化原则：“以应用场景定义技术路线，避免因器件特性误用导致设计返工”，CRD的正确归宿是直流恒流，而非强求其适应交流。