В этой статье мы разберём работу диодов, которые используют основное свойство p-n переходов, а именно - одностороннюю проводимость. И да, забегая наперёд скажу - есть масса диодов использующих в своей работе не основные, часто "паразитные" свойства того самого pn перехода.
А как образуется pn переход, что такое и какие бывают полупроводники можно узнать из предыдущей статьи серии статей о диодах:
Итак к выпрямительным диодам относятся:
- Выпрямительные НЧ диоды
- Импульсные диоды
- Диоды Шотки
Выпрямительные НЧ диоды
– это полупроводниковые приборы предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Так же применяются в умножителях, преобразователях напряжения и прочих применениях не предъявляющих требований по частоте. При этом ключевыми являются параметры величины прямого тока, обратного напряжения и рассеиваемой мощности. Для отвода большого количества тепла, площадь p-n перехода делается относительно большой.
Конструктивно данный вид диодов может быть представлен как в виде дискретных элементов в керамических, пластмассовых или железных корпусах. Так и в виде сборок, таких как диодный мост или диодный полумост.
Виды пробоев возникающие в диодах.
Основным типом выхода из строя диодов является пробой. Пробой бывает нескольких типов:
- Лавинный пробой – пробой в следствии ударной ионизации, образованной неосновными носителями выбивающими новые не основные носители разгоняемыми полем барьера и т.д., с последующим их лавинным наращиванием. Происходит на обратной ветви ВАХ из-за превышения предельного значения величины обратного напряжения. Если ограничить обратный ток, то такой пробой не приводит к повреждению прибора.
- Туннельный пробой – возможен в очень узких p-n переходах, когда большое обратное напряжение приводит к туннелированною основных носителей с сохранением энергии. При условии не превышения величины допустимых токов, данный вид пробоя обратим и может быть воспроизведён многократно.
- Тепловой пробой – пробой в следствии перегрева кристалла полупроводника из-за недостаточного теплоотвода, в результате чего лавинно нарастает количество свободных носителей, а дальнейшее увеличение температуры приводит к увеличению сопротивления материала и как следствие ещё большему нагреву. Тепловой пробой ведёт к разрушению структуры кристаллической решётки и не обратим.
- Поверхностный пробой – пробой происходящий в поверхностном слое p-n перехода, обусловлен зачастую дефектами поверхности кристалла или изолятора окружающего его, что приводит к уменьшению, относительно закрытого перехода, сопротивлению и пробою по поверхности кристалла с разрушением структуры. Поверхностный пробой не обратим, и приводит к полному выходу из строя прибора.
Основные характеристики выпрямительных диодов
Основные характеристики выпрямительных диодов, можно определить по таблицам либо по вольт-амперной характеристике, рис. 8.
Разберём основные из них:
- Iобр. ном – номинальный обратный ток диода, при приложенном к нему Uобр. ном.
- Uобр. ном – номинальное обратное напряжение, рабочее обратное напряжение на диоде, для отечественных диодов составляет 0,5*Uпроб.
- Uпроб. – напряжение пробоя, соответствует напряжению на обратной ветви ВАХ, с которого начинается участок резкого увеличения обратного тока диода.
- Uпр. ср. ном – среднее значение прямого падения напряжения на диоде, при протекании через него тока средней номинальной величины.
- Iпр. ср. ном – среднее значение прямого тока через открытый диод, и обеспечивающего номинальный его нагрев при заданных условиях охлаждения.
- U0 – напряжение отсечки, определяется точкой пересечения с осью напряжений продолжения линии линейного участка ВАХ диода.
- Rстат – статическое сопротивление диода, указывает величину сопротивления диода постоянному току номинального значения.
- Rдин – динамическое сопротивление диода, указывает величину сопротивления диода приращению постоянного тока.
- tвос.обр. – время необходимое на рассасывание неосновных носителей и разряда барьерной ёмкости, и определяющее как быстро диод переходит из проводящего в закрытое состояние.
На практике при подборе аналогов учитываю следующие справочные данные: Uобр. ном, Iобр. ном, Uпр. ср. ном, Iпр. ср. ном, tвос.обр. и тип корпуса.
Рассмотрим образцы выпрямительных диодов:
1. Один из самых популярных выпрямительных диодов 1n4007
Этот диод выпускается на обратное напряжение от 50 до 2000в, прямой ток составляет до 1А при этом прямое падение напряжения составляет менее 1,1В. Обратный ток диода при температуре 25°С не превышает 5мкА, а при 100°С не более 50мкА.
К стати, следует обращать внимание на рабочую температуру, в которой будет трудится диод. Слева в низу рисунка есть график коэффициента нагрузки по току в зависимости от температуры окружающей среды, так например, при температуре до 75°С диод можно нагружать током на 100%, т.е. 1А, а при 100°С уже только на 80%, т.е. 0,8А. Иначе кристалл перегреется и диод выйдет из строя.
Подробней можно узнать из вот этого видео
2 Ещё один популярный, быстродействующий диод FR107:
3. Ультрабыстрый выпрямительный диод HER107
Все эти диоды рассчитаны на один и тот же ток и то же самое напряжение, но HER107 нельзя заменить на 1N4007, так время восстановления у первого составляет 75 нс, а у второго аж 1500нс, он будет жутко греться и в ВЧ импульсных цепях работать не будет.
Но и обратная замена не всегда будет приемлемой, т.к. прямое падение напряжения у 1N4007 не превышает 1,1В а у HER107 оно достигает 1,7В, что при одном и том же токе приведёт к значительно большему нагреву диода и большим потерям мощности.
Импульсные диоды
Импульсные диоды – это полупроводниковый диод имеющий малую длительность переходных процессов, и предназначенный для применения в импульсных режимах работы, когда диоды переключаются с прямого напряжение на обратное через короткие промежутки времени, порядка долей микросекунд.
На рисунке 10, рассмотрен процесс переключения импульсного диода, и переходные процессы сопровождающие его. Основным параметром, характеризующим импульсные свойства диода, является время обратного восстановления tвос.обр. – время необходимое на рассасывание неосновных носителей и разряда барьерной ёмкости Cбар. – так же важный параметр для импульсных диодов. С развитием техники помимо слаботочных цепей, импульсные диоды перешли и в импульсные источники питания, частота работы которых давно перешагнула 1 МГц.
Диоды Шоттки
Диоды Шоттки – диоды потенциальны барьер которых образован не p-n переходом, а переходом металл-полупроводник, ещё называется барьер шоттки, по фамилии физика его открывшего.
Различают большое количество переходов металл-полупроводник, но наибольшее применение получил переход металл-n_полупроводник, с работой выхода электронов большей у металла. При этом электроны из n-полупроводника переходят в металл, оставляя не скомпенсированный заряд положительных ионов акцепторной примеси, а в металле появляется избыточный отрицательный заряд. В зоне перехода появляется поле потенциального барьера, и со стороны полупроводника, зона без основных носителей заряда, рис.11
В таком диоде не происходит накопление не основных носителей в базе из-за отсутствия их инжекции, что в сочетании с малой барьерной ёмкость делает их оптимальными для применения в импульсных и высокочастотных задачах.
У диодов Шоттки есть три положительных качества:
- высокая скорость переключения
- весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) на переходе
- сопротивление перехода в прямом смещении увеличивается с ростом температуры благодаря снижению подвижности электронов при повышенных температурах. При токе через диод 10 А падение напряжения составляет 1,5 В при температуре 25°С. При увеличении температуры ток уменьшается при том же значении прямого напряжения. Отрицательный температурный коэффициент прямого тока позволяет соединять диоды параллельно, неравномерного распределения токов при этом не возникает.
Недостатки диодов Шоттки:
- Во-первых, кратковременное превышение критического напряжения мгновенно выведет диод из строя.
- Во-вторых, температура сильно влияет на максимальный обратный ток. При очень высокой температуре перехода диод просто пробьет даже при работе под номинальным напряжением.
Рассмотрим справочные характеристики диодов серии SR120…SR160, на ток 1А и напряжение от 20 до 60 В:
Есть диоды Шоттки и отечественного производства:
На этом пока будем итожить, в следующей статье разберём подробно схемы применения выпрямительных диодов, подписывайтесь, будет интересно!