Объяснить прямые и обратные вах диодов. Принцип работы, характеристика и разновидности выпрямительных диодов

Диоды малой мощности не требуют дополнительного теплоотвода (тепло отводится с помощью корпуса диода)

Для диодов средней и большой мощности, которые не эффективно отводят тепло своими корпусами, требуется дополнительны теплоотвод (радиатор – кубик металла, в котором с помощью литья или фрезерования делают шипы, в результате чего возрастает поверхность теплоотвода. Материал - медь, бронза, алюминий, силумин)

2. Постоянное прямое напряжение (U пр.)

Постоянное прямое напряжение – это падение напряжения между анодом и катодом при протекании максимально допустимого прямого постоянного тока.

Проявляется особенно при малом напряжении питания.

Постоянное прямое напряжение зависит от материала диодов (германий - Ge, кремний - Si)

U пр. Ge ≈ 0.3÷0.5 В (Германиевые) U пр. Si ≈ 0.5÷1 В (Кремниевые)

Германиевые диоды обозначают – ГД (1Д) Кремниевые диоды обозначают – КД (2Д)

3. Повторяющееся импульсное обратное максимальное напряжение (U обр. max)

Электрический пробой идет по амплитудному значению (импульсу) U обр. max ≈ 0.7U Эл. пробоя (10÷100 В)

Для мощных диодов U обр. max = 1200 В.

Этот параметр иногда называют классом диода (12 класс -U обр. max = 1200 В)

4. Максимальный обратный ток диода (I max ..обр.)

Соответствует максимальному обратному напряжению (составляет единицы mA).

Для кремниевых диодов максимальный обратный ток в два раза меньше, чем для германиевых.

5. Дифференциальное (динамическое) сопротивление.

1. I пр max ≤30 А

2. U пр max ↓ ≤1.2 В

3. U обр max ≤1600

4. I обр max <100мА

Падение напряжения на отдельном диоде зависит от величины прямого тока и температуры и применяется в диапазоне для германиевых диодов, и для кремниевых.

Обратный ток, протекающий через диод, сильно зависит от температуры, и при некотором значении приближается к некоторому постоянному значению (с увеличением температуры происходит увеличение обратного тока).

Предельное значение температуры для германиевых диодов составляет; кремниевых диодов.

В электрических схемах диоды включаются в цепь в прямом направлении. Е – напряжение источника питания. В практических схемах в цепь диода всегда включается какая-либо нагрузка, например, резистор. Такой режим работы диода называется рабочим . Его расчет производится по известным значениям и ВАХ диода. Расчет производится по формуле.

В формуле две неизвестных. Решение производится графически. На ВАХ диода накладывается прямая нагрузка, которая строится по 2-м точкам на осях координат при:

Т. А на рисунке.

Что соответствует т. Б.

Через эти точки проводим прямую, которая и является линией нагрузки. Координаты т. Т определяют рабочий режим диода.

Рабочий режим характеризуется следующими параметрами: - максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом; температурные параметры.

Рассмотрим группу полупроводниковых диодов, особенность работы которых связана с использованием нелинейных свойств p-n -перехода.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения низкой частоты () в постоянное. Они подразделяются на диоды

• малой,
• средней
• большой мощности.

Основными параметрами , характеризующими выпрямительные диоды, являются:

• Обратный ток при некотором значении обратного напряжения;
• Максимальным током в прямом направлении;
• Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод;
• Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;
• Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;
• Рабочий диапазон температур.

В рабочем режиме через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, вследствие чего температура перехода повышается. В установившемся режиме подводимая к переходу мощность и отводимая от него должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности, рассеиваемой диодом, т.е. . В противном случае наступает тепловой пробой диода.

РЕЗИСТОРЫ, КОНДЕНСАТОРЫ

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Резисторы

Резисторы относятся к наиболее распространенным деталям радиоэлектронной аппаратуры. На их долю приходится от 20 до 50%, т. е. до половины общего количества радиодеталей в устройстве. Принцип работы резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему току. Резисторы характеризуются следующими основными параметрами:

Номинальное значение сопротивления . Измеряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегаомах (МОм). ,

Номинальные значения сопротивлений указывают на корпусе резистора. Номинальное значение сопротивления соответствует значению из стандартных рядов сопротивлений, приведенных в приложении 1.

Допустимое отклонение действительного сопротивления резистора от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности. Наиболее широко используются три класса точности: I – допускающий отклонение сопротивления от номинального значения на ± 5%, II – на ±10%, III – на ±20%. В современной РЭА часто применяют резисторы с повышенной точностью сопротивления, они выпускаются с допусками (%): ±2; ±1; ±0,5; ±0,2; ±0,1; ±0,05; ±0,02; ±0,01 и т. д.

Номинальное значение мощности рассеивания резистора Rном. Этот параметр измеряется в ваттах (Вт). Это наибольшая мощность постоянного или переменного тока, при протекании которого через резистор он может работать длительное время без повреждений. Мощность Рном, ток I, протекающий через резистор, падение напряжения U на резисторе и его сопротивление R связаны зависимостью: P=UI U=IR. В большинстве устройств РЭА применяют резисторы с номинальной мощностью рассеивания от 0,125 до 2 Вт.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора. Характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1°С и выражается в процентах. В резисторах ТКС незначительный и составляет в среднем десятые доли – единицы процента.

Электродвижущая сила (ЭДС) собственных шумов. Собственные шумы резистора возникают за счет неупорядоченного движения части электронов при приложенном к нему напряжении. ЭДС собственных шумов (Еш) измеряется в микровольтах на вольт приложенного напряжения (мкВ/В). Эта величина для резисторов также незначительная и составляет единицы микровольт на вольт.

Собственная индуктивность и емкость резисторов. Определяются габаритными размерами, конструкцией и влияют на частотный диапазон применения резисторов.

Резисторы используют для ограничения силы тока в цепях, для создания на отдельных участках схем необходимых падений напряжений, для различных регулировок (громкости, тембров и т. д.) и еще во многих случаях.

Условно-графическое обозначение резисторов и схемы соединения

Согласно ГОСТ2.728-74, УГО постоянного проволочного резистора имеет следующий вид:

Рис. 1. УГО проволочного резистора

Существуют два основных вида схем включения резисторов – последовательное включение резисторов и параллельное.

При последовательном включении резисторов их эквивалентное сопротивление будет равно сумме всех отдельных сопротивлений

При параллельном включении резисторов их эквивалентное сопротивление можно рассчитать по формуле

.

Конденсаторы

Электрическим конденсатором называют устройства, предназначенные для накопления электрического заряда.

Принцип действия конденсатора основан на накоплении электрического заряда между двумя близко расположенными проводниками. Такие проводники так же называются обкладками. В зависимости от типа диэлектрика, который разделяет обкладки различают виды конденсаторов.

К основным параметрам конденсатора относят:

Электрическая номинальная емкость – способность конденсатора накапливать на обкладках электрические заряды под воздействием электрического поля. Номинальная емкость указывается на конденсаторе или в сопроводительной документации, выбирается в соответствии с установленным рядом. Измеряется в фарадах [Ф], однако 1Ф достаточно крупная величина, поэтому значение обычных конденсаторов употребляется с приставками нано- (10 –9), микро- (10 –6), мили- (10 –3).

Допустимое отклонение действительного емкости конденсатора от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – относительное изменение емкости конденсатора под действием температуры. Под действием температуры обкладки конденсатора меняют свои геометрические размеры, изменяется расстояние между ними и значение диэлектрической проницаемости диэлектрика, поэтому изменяется и значение емкости конденсатора. Для всех конденсаторов данная зависимость нелинейная, однако, в зависимости от типа диэлектрика, для некоторых она приближается к линейной.

Номинальное напряжение U – максимально допустимое значение постоянного напряжения (или суммы постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей) при котором конденсатор может работать в течении всего гарантированного срока службы при нормальной температуре.

Условно-графическое обозначение конденсаторов и схемы соединения

Согласно ГОСТ2.728-74на принципиально-электрических схемах конденсаторы обозначаются:

Рис. 2. УГО конденсатора

Существуют два основных вида схем включения конденсаторов – последовательное и параллельное.

При параллельном включении конденсаторов их емкость складывается по формуле

.

При последовательном включении конденсаторов их эквивалентную емкость можно рассчитать по формуле

.

Маркировка резисторов и конденсаторов

Маркировка резисторов

Согласно ГОСТ 28883-90 – промышленно выпускаемых резисторах применяется следующие системы маркировок:

Буквенная полная

Параметры и характеристики, входящие в полное условное обозначение резистора, указываются в следующей последовательности: номинальная мощность рассеяния, номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения, допускаемое отклонение сопротивления в процентах (%), функциональная характеристика, обозначение конца вала и длинны выступающей части вала.

Пример полного условного обозначения постоянного непроволочного резистора с регистрационным номером 4, номинальной мощностью рассеяния 0,5 Вт, номинальным сопротивлением 10 кОм, с допуском ±1%, группой по уровню шумов А, группы ТКС – Б, все климатического исполнения В.

Р1-4‑0,5‑10кОм±1% А-Б-В ОЖО.467.157 ТУ

Буквенные сокращения

Ввиду того что полное условное обозначение занимает значительное место на корпусе резистора, то его применение не всегда возможно и удобно, поэтому было введено сокращенное буквенное обозначение в состав которого входит обозначение номинального сопротивления и допускаемого отклонения. Номинальное сопротивление обозначается в виде кода. Кодированное обозначение номинального сопротивления состоит из трех или четырех знаков, включающих в себя две или три цифры и букву латинского алфавита. Буква кода из русского или латинского алфавита обозначает множитель, составляющий сопротивление, и определяет положение запятой десятичного знака. Буквы R, K, M, G, T обозначают соответственно множители 1, 10 3 , 10 6 , 10 9 , 10 12 . Примеры кодированных обозначений номинального сопротивления выглядят следующим образом: 215 Ом – 215R, 150 кОм – 150K,2,2 Мом – 2M2,6,8 ГОм – 6G8,1 ТОм – 1T0 Кодированное обозначение допускаемого отклонения состоит из буквы соответствующей отклонению в %. Значение букв кодировки приведено в приложении 2.

Помимо описанной выше кодировки в промышленно выпускаемых резисторах применяется цветовая кодировка.

Маркировка конденсаторов

Краткая буквенная маркировка конденсатора выполняется по аналогичным правилам, что и маркировка резисторов. Номинальная емкость конденсатора выражается с помощью 3-4 чисел и кодового обозначения множителя. Принято использовать следующие буквы p, n, μ, m, соответствующие множителям пико- , нано-, микро-, мили- фарад.

Пример маркировки конденсатора: p10 – 0.1пФ; 1μ5 – 1.5мкФ.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ:

ВАХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА

Сравнение характеристики реального диода с характеристикой идеального p-n перехода.

Известно, что статическая ВАХ идеализированного полупроводникового диода описывается выражением:

,

где I – ток диода; U – приложенное к нему напряжение; Is – ток насыщения, определяемый параметрами p-n перехода; kT /q – тепловой потенциал (kT /q =0,0259 В при Т=300К).

Вид характеристики описанной данным выражением представлен на рис. 3.

Рис. 3. ВАХ идеального p-n перехода.

При изображении ВАХ масштаб по осям прямых и обратных напряжений выбирается разным, так как эти значения различаются на порядки. Разные масштабы создают впечатление излома характеристики в нулевой точке, в действительности же ВАХ является дифференциально-гладкой. На прямой ветви характеристики зависимость тока от напряжения носит экспонентациальный характер, а после прохождения напряжение через пороговое значение U пр дальнейшее изменение напряжения на десятые доли вольта вызывает значительное изменение тока через диод.

Единственный параметр ВАХ, связанный с физико-конструктивными параметрами и геометрическими размерами активной области диода, является ток насыщения I s .

где q – заряд электрона; n i – собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике; N Db и L pb – коэффициент диффузии и диффузионная длинна неосновных носителей в ней; W b – толщина базы; F – площадь p-n перехода.

ВАХ реального диода отличается от характеристики идеального p-n перехода в силу ряда причин:

· Рекомбинации и генерации дырок и электронов в ОПЗ перехода

· Падения напряжения на объемном сопротивлении базы

· Появления эффектов высокого уровня инжекции при больших токах

· Наличия токов утечки через p-n переход

· Начала пробоя на обратной ветви ВАХ

· Неоднородного легирования базы

· Разогрева p-n перехода выделяемой мощностью

Перечисленные эффекты приводят к тому, что ВАХ диода описывается только качественно.

Обратная ветвь ВАХ образуется суммой трех составляющих:

тока насыщения I s , тока термогенерации в ОПЗ p-n перехода I G и тока утечки I ут . Соотношение между этими составляющими для диодов из разных полупроводниковых материалов различно

Ток термогенерации в p-n-переходе описывается формулой

где δ – ширина p-n-перехода; τ pn – эффективное время жизни, характеризующее темп генерации электронно-дырочных пар в ОПЗ перехода. Ток зависит от приложенного обратного напряжения через зависимость δ (U ).

Ток утечки обусловлен проводящими каналами внутри p-n-перехода и на поверхности кристалла. Он зависит от площади и периметра перехода и ряда других факторов и имеет примерно линейную зависимость от обратного напряжения.

Прямая ветвь ВАХ реального диода сохраняет экспоненциальную зависимость тока от напряжения, поэтому ее можно описывать выражениями типа:

где I 0 и m – параметры характеристики, которые могут изменяться на различных участках ВАХ.

Сравнение характеристик диодов из различных
материалов

Исследуемые в работе диоды выполнены из различных полупроводниковых материалов, но имеют примерно одинаковые физико-конструктивные параметры. Отличие их характеристик связано с отличием параметров:

· Ширины запрещенной зоны

· Подвижности носителей заряда

· Время жизни носителей заряда и др.

Наибольшее влияние на различие параметров оказывает разница в значениях ширины запрещенной зоны E g . Она определяет собственную концентрацию носителей заряда n i которая входит в выражение параметров ВАХ.

Значение ширины запрещенной зоны E g и n i приведены в приложении 3.

Токи насыщения всех диодов, кроме германиевого, очень малы и составляют единицы наноампер, поэтому основным компонентом обратного тока этих диодов является ток утечки. Основное отличие прямых ветвей ВАХ различных диодов заключается в различном значении тока насыщения. В приложении 3 приведены значения U ПР полученные теоретическим путем у реальных диодов оно может отличаться по ряду причин, в основном из-за падения на объемном сопротивлении базы.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для исследования вольтамперной характеристики реального диода студентам необходимо произвести сборку схемы эксперимента

Рис. 4. Схема эксперимента

В качестве милиамперметра и вольтметра могут быть использованы цифровой осциллограф либо цифровые мультиметры. В качестве источника используется управляемый источник напряжения на учебном стенде NI ELVIS. В целях обеспечения бесперебойной работы генератора стенда в цепь необходимо включить ограничивающее сопротивление R, значение которого студентам необходимо рассчитать, используя параметры стенда.

После сборки схемы и её проверки преподавателем, студентам необходимо произвести серию экспериментов. Путем регулировки значения напряжения на выходе с генератора и записью показаний приборов в таблицу.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) представляет собой график зависимости тока во внешней цепи p-n-перехода от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Эта зависимость может быть получена экспериментально или рассчитана на основании уравнения вольтамперной характеристики. Тепловой ток p-n-перехода зависит от концентрации примеси и температуры. Увеличение температуры p-n-перехода приводит к увеличению теплового тока , а, следовательно, к возрастанию прямого и обратного токов.Увеличение концентрации легирующей примеси приводит к умень-шению теплового то-ка, а, следовательно, к уменьшению прямого и обратного токов p-n-перехода.

14. Пробой p - n –перехода – называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. Сопровождающееся

Резким увеличением обратного тока , при незначительно уменьшающемся и даже убывающем обратном напряжении:

Три вида пробоя:

1.Тунельный (электрический) – явление прохождение электронов через потенциальный барьер;

2. Лавинный (электрический) – возникает, если, при движении до очередного соударения с атомом дырка(электрон) приобретает энергию достаточную для ионизации атома;

3. Тепловой пробой (необратим) – возникает при разогреве полупроводника и соответствующем увеличением удельной проводимости.

15. Выпрямительный диод: назначение,вах, основные параметры, уго

Выпрямительные диоды служат для преобразования переменного тока в пульсирующий ток одного направления и используется в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры.

Германиевые выпрямительные диоды

Изготовление германиевых выпрямительных диодов начинается с вплавления индия в исходную полупроводниковую пластину германия n-типа. В свою очередь исходная пластина припаивается к стальному кристаллодержателю для маломощных выпрямительных диодов или к медному основанию для мощных выпрямительных диодов.

Рис 24 конструкция маломощного сплавного диода. 1- кристаллодержатель; 2 – кристалл; 3 – внутр. вывод; 4 – коваровый корпус; 5 – изолятор; 6 – коваровая трубка; 7 – внешний вывод

Рис 25 ВАХ германиевого диода

Из рис 25 видно, что с ростом температуры в значительной степени увеличивается обратный ток диода, а величина пробивного напряжения уменьшается.

Германиевые диоды различного назначения имеют величину выпрямленного тока от 0,3 до 1000А. Прямое падение напряжения не превышает 0,5В, а допустимое обратное напряжение 400В. Недостатком германиевых диодов является их необратимый пробой даже при кратковременных импульсных перегрузках

Кремниевые выпрямительные диоды

Для получения p-n перехода в кремниевых выпрямительных диодах осуществляют вплавление алюминия в кристалл кремния n-типа, или сплава золота с сурьмой в кремний p-типа. Для получения переходов используют также диффузионные методы. Конструкции ряда маломощных кремниевых диодов практически не отличается от конструкций аналогичных германиевых диодов.

Свойства диода определяются его вольт - амперной характеристикой (ВАХ), которая показана на рис. 2.7. Приближенно она может быть описана уравнением

I =I 0 (e U / m j т – 1), (2.1)

где I 0 – ток насыщения обратносмещенного перехода (обратный тепловой ток); U –напряжение на p -n – переходе; j т =kT /q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов j к на границе p -n перехода при отсутствии внешнего напряжения; k =1,38×10 -23 Дж/К–постоянная Больцмана; Т –абсолютная температура; q =1,6×10 -19 кулон – заряд электрона; m – поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от теории. При температуре Т =300К, j т =0,026 В.

Рис. 2.7

На ВАХ различают две ветви: прямая ветвь , которая находится в первом квадрате и обратная ветвь в третьем квадрате. Уравнение (2.1) хорошо описывает характеристику реального диода в прямом направлении и для небольших токов. В соответствии с (2.1) сопротивление диода является нелинейным. В случае линейного сопротивления ВАХ была бы прямая линия.

На прямой ветви реальной ВАХ имеется резкий загиб, который характеризуется напряжением включения . Для германиевых диодов напряжение включения равно примерно 0,3 В, для кремниевых – примерно 0,6 В.

Значение обратного тока на обратной ветви примерно постоянно в широком диапазоне напряжения. При превышении определенного значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя U проб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока, соответствующий электрическому пробою p - n – перехода. Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой перейдет в тепловой. Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в p-n – переходе. При этом мощность, выделяющаяся в диоде U обр I обр, не успевает отводиться от перехода, его температура растет, растет обратный ток и, следовательно, продолжает расти мощность. Тепловой пробой необратим, т.к. разрушает p –n – переход.

Для диода оговаривается несколько основных параметров :

Номинальный прямой ток;

Максимальное обратное напряжение;

Прямое падение напряжения;

Постоянный обратный ток;

Максимальный прямой ток (для него оговаривается режим работы, например, время проводимости).

Преобладают кремниевые диоды, так как имеют более высокую предельную рабочую температуру (150 о С против 75 о С для германиевых), допускают большую плотность прямого тока (60 ¸ 80 А/см 2 по сравнению с 20 ¸ 30 А/см 2), обладают меньшими обратными токами (примерно на порядок) и большими допустимыми обратными напряжениями (1500¸2800 В по сравнению с 600¸800 В). Однако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения, которое. для германиевых диодов U пр =0,3¸0,4В, а для кремниевых диодов U пр =0,6¸1,2 В.

Работоспособность диода определяется выделяемой на нем мощностью P =UI . U и I относятся к определенной точке ВАХ. Мощность определяет нагрев. Рабочий участок диода на ВАХ рис. 2.7 отмечен жирной линией. Если диод начинает работать на нерабочих участках ВАХ, он выходит из строя, поскольку мощность превышает допустимую, нагрев превышает допустимый и диод разрушается.

При рассмотрении режимов работы схем с диодами их представляют в виде идеализированных приборов, которые являются идеальными проводниками в прямом направлении и идеальными изоляторами в обратном направлении. Идеализированная ВАХ представлена на рис. 2.8, а зависимость ВАХ от температуры показана на рис. 2.9.

Рис. 2.8	Рис. 2.9

Типы диодов

По назначению различают следующие типы диодов:

– выпрямительные;

– импульсные;

– высокочастотные;

– стабилитроны и стабисторы.

Диоды различают также по мощности и по частотным свойствам.

Выпрямительные диоды . Предназначены для работы при напряжениях частоты до нескольких кГц и при некрутых фронтах питающего напряжения. Не предназначены для прямоугольного питающего напряжения. Для выпрямительных диодов оговариваются два основных параметра:

1.Ток прямой номинальный (среднее значение).

Диоды выпускаются на ток 10 мА–1000 А. Обратное напряжение находится в пределах от 10 В до нескольких кВ. Для мощных диодов (ток > 10 А) обратное напряжение определяют классом диода. Класс диода – это 100В, умноженное на цифру класса. Цифра класса от 1 до 20. Например: Д50-12, здесь 50 -ток прямой номинальный в А; 12 - класс. Класс - это параметр, используемый для мощных диодов и характеризующий обратное напряжение. У мощных диодов номинальный прямой ток допустим только при установке диода на радиатор и при принудительном охлаждении со скоростью воздуха 12м/с. Без принудительного охлаждения воздухом (имеется только радиатор) допустимый ток составляет около 30% от номинального. У современных диодов распространены следующие обозначения: ДXXXY или КДXXXY , где КД - кремниевый диод, XXX - цифры, Y - буква. Первая цифра говорит о виде диода (выпрямительные - 1, 2). Буква определяет обратное напряжение.

Второстепенные параметры:

1.Максимальный обратный ток I обр.макс (от десятков нА до десятков мА).

2.Прямое падение напряжения U пр (0,3¸1,2В).

3. Максимальная рабочая частота, до которой обеспечиваются заданные токи, напряжения и мощность.

Рис. 2.10

4. Время восстановления запирающих свойств диода.

Диод не проводит (или запирается) при приложении обратного напряжения. Запирание - переход от проводящего состояния к непроводящему. При приложении прямоугольного обратного напряжения диод ведет себя как показано на рис. 2.10. Интервал I - время рассасывания носителей, интервал II - бросок обратного тока. Он связан с наличием барьерной емкости диода. Интервал t в – время восстановления, т.е. время перехода от проводящего состояния до момента установления обратного тока на ВАХ. Из-за неидеальности диода ограничивается предельная частота его работы. При очень высокой частоте диод перестает выполнять свои функции.

Рис. 2.11

Высокочастотные диоды . Для них оговариваются те же параметры (основные и второстепенные), но они могут работать при высокой частоте и обладают малым временем восстановления (по сравнению с выпрямительными). Для них приводится график прямого тока в зависимости от частоты. График представлен на рис. 2.11.

Импульсные диоды . Оговариваются те же основные параметры, что и для рассмотренных выше диодов, и приводится еще важный второстепенный параметр – импульсный ток за оговоренное время.

Стабилитроны и стабисторы . Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь. Прямая ветвь такая же, как у диодов, она также может использоваться.

ВАХ стабилитрона представлена на рис. 2.12. Для стабилитронов указывается два основных параметра:

U ст – напряжение стабилизации стабилитрона;

Iст.н – номинальный ток стабилитрона.

U ст =3,3¸170В. Для U ст указывается разброс в процентах или в вольтах, а также изменение U ст при изменении температуры. У маломощных стабилитронов I ст.min =1¸3m А, I с т. max =30m A. I ст.н у мощных стабилитронов составляет несколько сот m A.

Стабисторы – это стабилитроны, у которых используется прямая ветвь ВАХ, т.е. это диод с большим падением напряжения, которое постоянно при изменении тока. ВАХ стабистора показана на рис. 2.13. Такая ВАХ создается технологически. Стабилитроны и стабисторы могут соединяться последовательно, но не параллельно. Они используются в стабилизаторах и ограничителях напряжения.

Контрольные вопросы

1. Что такое потенциальный барьер полупроводникового диода и как он формируется?

2. Охарактеризуйте кратко схемы включения полупроводникового диода.

3. Охарактеризуйте реальную и идеальную вольт – амперные характеристики полупроводникового диода.

4. Перечислите основные параметры полупроводникового диода.

5. Охарактеризуйте основные типы диодов.

6. Перечислите второстепенные параметры полупроводникового диода.

7. Как осуществляется маркировка полупроводникового диода?

Принцип работы, основные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов можно рассмотреть используя их вольтамперную характеристику (ВАХ), которая схематично представлена на рисунке 1.

Она имеет две ветви, соответствующие прямому и обратному включению диода.

При прямом включении выпрямительного диода ощутимый ток через него начинает протекать при достижении на диоде определенного напряжения Uоткр. Этот ток называется прямым Iпр. Его изменения на напряжение Uоткр влияют слабо, поэтому для большинства расчетов можно принять его значение:

• 0,7 Вольт для кремниевых диодов,
• 0,3 Вольт - для германиевых.

Естественно, прямой ток диода до бесконечности увеличивать нельзя, при его определенном значении Iпр.макс этот полупроводниковый прибор выйдет из строя. Кстати, существуют две основные неисправности полупроводниковых диодов:

• пробой - диод начинает проводить ток в любом направлении, то есть станет обычным проводником. Причем, сначала наступает тепловой пробой (это состояние обратимо), затем электрический (после этого диод можно смело выбрасывать),
• обрыв - здесь, думаю, пояснения излишни.

Если диод подключить в обратном направлении, через него будет протекать незначительный обратный ток Iобр, которым, как правило, можно пренебречь. При достижении определенного значения обратного напряжения Uобр обратный ток резко увеличивается, прибор, опять же, выходит из строя.

Числовые значения рассмотренных параметров для каждого типа диода индивидуальны и являются его основными электрическими характеристиками. Должен заметить, что существует ряд других параметров (собственная емкость, различные температурные коэффициенты и пр.), но для начала хватит перечисленных.

Здесь предлагаю закончить с чистой теорией и рассмотреть некоторые практические схемы.

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИОДОВ

Для начала давайте рассмотрим как работает диод в цепи постоянного (рис.2) и переменного (рис.3) тока, что следует учитывать при том или ином включении диодов.

При подаче на диод прямого постоянного напряжения через него начинает протекать ток, определяемый сопротивлением нагрузки Rн. Поскольку он не должен превышать предельно допустимого значения следует определить его величину, после чего выбрать тип диода:

Iпр=Uн/Rн - все просто - это закон Ома.

Uн=U-Uоткр - см. начало статьи. Иногда величиной Uоткр можно пренебречь, бывают случаи, когда ее необходимо учитывать, например при расчете схемы подключения светодиода.

Это самое основное, про что надо помнить.

Теперь - несколько схем подключения диодов, часто встречающихся на практике.

Вне всякого сомнения, лидером здесь является мостовая схема диодов, используемая во всевозможных выпрямителях (рисунок 4). Выглядеть она может по разному, принцип действия одинаков, думаю из рисунка все ясно. Кстати, последний вариант - условное обозначение диодного моста в целом. Применяется для упрощения обозначения двух предыдущих схем.

1. Диоды могут выступать как "развязывающие" элементы. Управляющие сигналы Упр1 и Упр2 объединяются в точке А, причем взаимное влияние их источников друг на друга отсутствует. Кстати, это простейший вариант реализации логической схемы "или".
2. Защита от переполюсовки (жаргонное - "защита от дураков"). Если существует возможность неправильного подключения полярности напряжения питания эта схема защищает устройство от выхода из строя.
3. Автоматический переход на питание от внешнего источника. Поскольку диод "открывается", когда напряжение на нем достигнет Uоткр, то при Uвнеш питание осуществляется от внутреннего источника, иначе - подключается внешний.

© 2012-2017 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Существует немало устройств, созданных с целью преобразования электрического тока, и выпрямительные диоды – одни из них.

Выпрямительный диод – преобразователь тока переменного в постоянный. Является одним из видов полупроводников. Широкое применение получил благодаря основной характеристике – переводу электрического тока строго в одном направлении.

Принцип действия

Необходимый эффект при работе устройства создают особенности p-n перехода . Заключаются в том, что рядом с переходом двух полупроводников встраивается слой, который характеризуется двумя моментами: большим сопротивлением и отсутствием носителей заряда. Далее при воздействии на данный запирающий слой переменного напряжения извне толщина его уменьшается и впоследствии исчезает. Возрастающий во время этого ток и является прямым током, который проходит от анода к катоду. В случае перемены полярности внешнего переменного напряжения запирающий слой будет больше, и сопротивление неминуемо возрастет.

ВАХ выпрямительного диода (вольт-амперная характеристика) также дает представление о специфике работы выпрямителя и является нелинейной. Выглядит следующим образом: существует две ветви – прямая и обратная. Первая отражает наибольшую проводимость полупроводника при возникновении прямой разницы потенциалов. Вторая указывает на значение низкой проводимости при обратной разнице потенциалов.

Вольт-амперные характеристики выпрямителя прямо пропорциональны температуре, с повышением которой разность потенциалов сокращается. не пройдет через устройство в случае низкой проводимости, но лавинный пробой происходит в случае возросшего до определенного уровня обратного напряжения.

Использование сборки

При эксплуатации выпрямительного полупроводникового диода польза извлекается только из половины волн переменного тока, соответственно, безвозвратно теряется более половины входного напряжения.

С целью улучшить качество преобразования переменного тока в постоянный используется сборка из четырех устройств – диодный мост. Выгодно отличается тем, что пропускает ток на протяжении каждого полупериода. Диодные мосты производят в виде комплекта, заключенного в пластиковый корпус.

Принципиальная схема диодного моста

Физико-технические параметры

Основные параметры выпрямительных диодов базируются на таких значениях:

• максимально допустимом значении разницы потенциалов при выпрямлении тока, при котором устройство не выйдет из строя;
• наибольшем среднем выпрямленном токе;
• наибольшем значении обратного напряжения.

Выпрямители промышленность выпускает с разными физическими характеристиками. Соответственно, устройства имеют разную форму и способ монтажа. Разделяются при этом на три группы:

1. Выпрямительные диоды большой мощности. Характеризуются пропускной способность ю тока до 400 А и являются высоковольтными. Высоковольтные выпрямительные диоды производятся в корпусах двух видов –штыревом, где корпус герметичный и стеклянный, и таблеточном, где корпус из керамики.
2. Выпрямительные диоды средней мощности. Обладают пропускной способность от 300 мА до 10А.
3. Выпрямительные диоды малой мощности. Максимально допустимое значение тока – до 300 мА.

Выбор выпрямительных диодов

При приобретении устройства необходимо руководствоваться такими параметрами:

• значениями вольт-амперной характеристики максимально обратного и пикового тока;
• максимально допустимым обратным и прямым напряжением;
• средней силой выпрямленного тока;
• материалом прибора и типом монтажа.

В зависимости от физических характеристик на корпус устройства наносится соответствующее обозначение. Каталог с маркировкой выпрямительных диодов представлен в специализированном справочнике. Необходимо знать, что маркировка импортных аналогов отличается от отечественных.

Также стоит обратить внимание на то, что выпрямительные схемы отличаются по количеству фаз:

1. Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
2. Многофазные. Незаменимы для промышленного оборудования, общественного и специального транспорта.

Диод Шоттки

Отдельную позицию занимает диод Шоттки. Изобрели его в связи с растущими потребностями в развивающейся отрасли радиоэлектроники. Основное отличие его от остальных диодов заключается в том, что в его конструкцию заложен металл-полупроводник как альтернатива p-n переходу. Соответственно, диод Шоттки обладает своими, уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться кремниевые выпрямительные диоды. Некоторые из них:

• оперативная возобновляемость заряда благодаря его низкому значению;
• минимальное падение напряжения на переходе при прямом включении;
• ток утечки обладает большим значением.

При изготовлении диода Шоттки применяют такие материалы, как кремний и арсенид галлия, но иногда применяется и германий. Свойства материалов немного отличаются, но в любом случае, максимально допустимое обратное напряжение для выпрямителя Шоттки составляет не более 1200 V.

В противовес всем достоинствам конструкция данного вида имеет и минусы. Например, в сборке моста устройство категорически не воспринимает превышение обратного тока. Нарушение условия приводит к поломке выпрямителя. Также малое падение напряжения происходит при невысоком напряжении около 60-70 V. Если значение превышает этот показатель, то устройство превращается в обыкновенный выпрямитель.

Стоит отметить, что достоинства диода мощного выпрямительного Шоттки значительно превышают недостатки.

Диод-стабилитрон

Для стабилизации напряжения используют специальное приспособление, способное работать в режиме пробоя, – стабилитрон, зарубежное название которого «диод Зенера». Выполняет свою функцию устройство, работая в режиме пробоя при напряжении обратного смещения. Возрастание силы тока происходит в момент пробоя, одновременно опускается до минимума дифференциальное значение, вследствие чего напряжение стабильное и охватывает достаточно серьезный диапазон обратных токов.

Практическое использование выпрямительного диода

В связи с неудержимым развитием научно-технического прогресса применение выпрямителей затронуло все сферы жизнедеятельности человека. Диоды силовые выпрямительные эксплуатируются в таких узлах и механизмах:

• в блоках питания главных двигателей транспортных средств (наземных, воздушных и водных), промышленных станков и техники, буровых установок;
• в комплектации диодного моста для сварочных аппаратов;
• в выпрямительных установках для гальванических ванн, используемых для получения цветных металлов или нанесения защитного покрытия на деталь или изделие;
• в выпрямительных установках для очистки воды и воздуха, фильтрах различного рода;
• для передачи электроэнергии на дальние расстояния посредством высоковольтной линии электропередач.

В повседневной жизни выпрямители используют в различных транзисторных схемах. Применяют в основном маломощные устройства как в виде однополупериодного выпрямителя, так и виде диодного моста. Например, диоды выпрямительного блока генератора хорошо известны автолюбителям.

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и с двумя электродами. Принцип действия полупроводникового диода основан на явлении p-n перехода, поэтому для дальнейшего изучения любых полупроводниковых приборов нужно знать как работает.

Выпрямительный диод (также называют вентилем) - это разновидность полупроводникового диода который служит для преобразования переменного тока в постоянный.

У диода есть два вывода (электрода) анод и катод. Анод присоединён к p слою, катод к n слою. Когда на анод подаётся плюс, а на анод минус (прямое включение диода) диод пропускает ток. Если на анод подать минус, а на катод плюс (обратное включение диода) тока через диода не будет это видно из вольт амперной характеристики диода. Поэтому когда на вход выпрямительного диода поступает переменное напряжение через него проходит только одна полуволна.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.

Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. I. 2. В первом квадранте показана прямая ветвь характеристики, описывающая состояние высокой проводимости диода при приложенном к нему прямом напряжении, которая линеаризуется кусочно-линей­ной функцией

u = U 0 +R Д i

где: u - напряжение на вентиле при прохождении тока i; U 0 - пороговое напряжение; R д - динамическое сопротивление.

В третьем квадранте находится обратная ветвь вольт-амперной характеристики , описывающая состояние низкой проводимости при проложенном к диоду обратном напряжении . В состоянии низкой проводимости ток через полупроводниковую структуру практически не протекает. Однако это справедливо только до определённого значения обратного напряжения. При обратном напряжении, когда напряженность электрического поля в p-n переходе достигает порядка 10 s В/см, это поле может сообщить подвижным носителям заряда - электронам и дыркам, постоянно возникающим во всем объеме полупроводниковой структуры в результате термической генерации,- кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов кремния. Образовавшиеся дырки и электроны проводимости, в свою очередь, ускоряются электрическим полем p-n перехода и также ионизируют нейтральные атомы кремния. При этом происходит лавинообразное нарастание обратного тока, .т. е. лавинный пробои.

Напряжение, при котором происходит резкое повышение обратного тока, называется напряжением пробоя U 3 .

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер).

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 - 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым).

При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рис. 1 показаны условное графическое обозначение (УГО) и характеристики выпрямительных диодов (их идеальная и реальная вольт-амперная характеристики). Видимый излом вольт-амперной характеристики диода (ВАХ) в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.

На вольт-амперная характеристика реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает.

Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

Рис. 1. Полупроводниковый выпрямительный диод: а – условное графическое изображение, б – идеальная вольт-амперная характеристика, в – реальная вольт-амперная характеристика

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды.

Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150 - 200 °С против 80 - 100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60 - 80 А/см2 против 20 - 40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от германиевых диодов, который относится к редкоземельным элементам).

Рис. 4. УГО и структура диода Шоттки: 1 – низкоомный исходный кристалл кремния, 2 – эпитаксиальный слой высокоомного кремния, 3 – область объемного заряда, 4 – металлический контакт

На поверхность эпитаксиального слоя наносят металлический электрод, обеспечивающий выпрямление, но не инжектирующий неосновные носители в базовую область (чаще всего золото). Благодаря этому в этих диодах нет таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. Поэтому инерционность диодов Шоттки не высока. Она определяется величиной барьерной емкости выпрямляющего контакта (1 - 20 пФ).

Кроме этого, у диодов Шоттки оказывается значительно меньшее, чем у выпрямительных диодов последовательное сопротивление, так как металлический слой имеет малое сопротивление по сравнению с любым даже сильно легированным полупроводником. Это позволяет использовать диоды Шоттки для выпрямления значительных токов (десятки ампер). Обычно их применяют в импульсных вторичных источниках питания для выпрямления высокочастотных напряжений (частотой до нескольких МГц).

Потапов Л. А.

Полупроводниковые приборы

Диоды.

Полупроводниковым диодом называется устройство, пред­ставляющее собой два соединенных полупроводника различ­ной проводимости.

Обозначение на схемах:

V или VD - обозначение диода

VS – обозначение диодной сборки

V7 Анод Цифра после V, показывает номер диода в схеме

Анод – это полупроводник P-типа Катод – это полупроводник N-типа

При приложении внешнего напряжения к диоду в прямом направлении («+» на анод, а « - » на катод) уменьшается потенциальный барьер, увеличивается диффузия – диод открыт (закоротка).

При приложении напряжения в обратном направлении увеличивается потенциальный барьер, прекращается диффузия – диод закрыт (разрыв).

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода.

U эл.проб. = 10 ÷1000 В – напряжение электрического пробоя.

U нас. = 0,3 ÷ 1 В – напряжение насыщения.

I a и U a – анодный ток и напряжение.

Участок I: – рабочий участок (прямая ветвь ВАХ)

Участки II, III, IV, - обратная ветвь ВАХ (не рабочий участок)

Участок II: Если приложить к диоду обратное напряжение – диод закрыт, но все равно через него будет протекать малый обратный ток (ток дрейфа, тепловой ток), обусловленный движением не основных носителей.

Участок III: Участок электрического пробоя. Если приложить достаточно большое напряжение, неосновные носители будут разгоняться и при соударении с узлами кристаллической решетки происходит ударная ионизация, которая в свою очередь приводит к лавинному пробою (вследствие чего резко возрастает ток)

Электрический пробой является обратимым, после снятия напряжения P-N-переход восстанавливается.

Участок IV: Участок теплового пробоя. Возрастает ток, следовательно, увеличивается мощность, что приводит к нагреву диода и он сгорает.

Вслед за электрическим пробоем, очень быстро следует тепловой, поэтому диоды при электрическом пробое не работают. Тепловой пробой - необратим.

Вольтамперная характеристика идеального диода (вентиля)

Основные параметры полупроводниковых приборов:

1. Максимально допустимый средний за период прямой ток (I ПР. СР.)

Это такой ток, который диод способен пропустить в прямом направлении.

Величина допустимого среднего за период прямого тока равна 70% от тока теплового пробоя.

По прямому току диоды делятся на три группы:

1) Диоды малой мощности (I ПР.СР < 0,3 А)

2) Диоды средней мощности (0,3

3) Диоды большой мощности (I ПР.СР > 10 А)