2.2.1. «Идеальный» диод
Представление реального диода в виде «идеального диода» равносильно модели идеального вентиля: полностью открыт (прямое включение), полностью закрыт (обратное включение). В закрытом положении ток равен нулю при любом отрицательном напряжении на диоде, в открытом положении напряжение равно нулю при любом токе. Таким образом дифференциальные сопротивления в закрытом и открытом состоянии равны соответственно бесконечности и нулю. На рис.2.2. представлены ВАХ «идеального диода»(жирно) и его схемы замещения в открытом и закрытом состяниях.
Рис. 2.2
Такое представление реального диода часто удобно использовать для анализа схем выпрямителей с большими значениями амплитуд выпрямляемых напряжений, когда нелинейностью начального участка прямой ветви ВАХ и наличием небольшого обратного тока можно пренебречь.
Рассмотрим пример работы простейшей выпрямительной схемы с «идеальным диодом» при гармоническом входном напряжении и нулевом постоянном смещении (Рис.2.3). Величина сопротивления нагрузки R , с которого снимается выпрямленное напряжение, значительно больше дифференциального сопротивления в открытом состоянии реального диода, и меньше дифференциального сопротивления закрытого перехода.
Рис. 2.3
Пусть 
, причем амплитуда Еm такова, что можно использовать модель «идеального диода». При положительных значениях входного напряжения диод обладает нулевым дифференциальным сопротивлением, и ток в цепи равен
а при отрицательных значениях е(t) ток равен нулю. Осциллограммы тока и напряжений в схеме показаны на рис.2.4.
Рис. 2.4
Поскольку напряжение на нагрузке R несинусоидально, его можно разложить в ряд Фурье по гармоникам частоты входного напряжения. Выпрямленным напряжением является постоянная составляющая напряжения uR (t) :
Из рисунка 2.4 видно, что напряжение на нагрузке отнюдь не постоянно, а пульсирует относительно постоянного напряжения UR,0.
При наличии дополнительного постоянного напряжения Есм (смещение) изменится уровень положительных и отрицательных напряжений на диоде, т.к. входное напряжение выпрямителя будет равно
На рис.2.5 показаны осциллограммы тока и напряжений для отрицательного смещения. На рисунке положительные уровни сигналов отмечены штриховкой.
Рис. 2.5
Как видим, обратное напряжение на диоде здесь увеличилось на величину смещения, а выпрямленное напряжение уменьшилось не только за счет уменьшения амплитуды тока, но и за счет уменьшения длительности импульсов тока.
В данной схеме выпрямителя выходное напряжение не постоянно, а имеет форму усеченных косинусоидальных импульсов, что свидетельствует о наличии в спектре тока и напряжения гармоник частоты выпрямляемого напряжения. Для уменьшения амплитуды гармоник на нагрузке выпрямителя ставят специальные фильтры нижних частот. Простейшим вариантом такого фильтра является параллельная цепочка RC вместо одного сопротивления R (см.рис.2.6).
Рис. 2.6
Величину емкости определяют исходя из заданного коэффициента подавления амплитуды первой гармоники, как наибольшей в спектре тока или из неравенства:
При выполнении этого неравенства постоянная составляющая тока протекает через резистор R , а все переменные составляющие – через конденсатор С , так как его сопротивление переменным токам будет значительно меньше сопротивления резистора.
Можно рассмотреть работу выпрямителя и во временной области. Осциллограммы токов и напряжений в установившемся режиме показаны на рис. 2.7, причем входное и выходное напряжения здесь совмещены на одном графике.
Рис. 2.7
Напряжение на диоде определяется разностью входного и выходного напряжений:
Напряжение же на выходе можно представить в виде процессов заряда и разряда конденсатора С . При положительных напряжениях на диоде сопротивление последнего равно нулю (или мало в реальном диоде в прямом режиме) конденсатор быстро (практически мгновенно) заряжается до напряжения, примерно равному е(t1); в следующие моменты времени напряжение на диоде становится отрицательным, диод закрывается, и емкость медленно разряжается через сопротивление R достаточно большой величины. При правильном выборе С и R постоянная времени разряда емкости значительно больше постоянной времени заряда, так что при разряде напряжение на выходе почти не меняется. В установившемся режиме выходное напряжение колеблется около некоторого среднего значения Uвых,0 , близком по величине к амплитуде входного напряжения. Пульсации выпрямленного напряжения здесь значительно меньшие, чем в схеме без конденсатора.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода
Что такое идеальный диод?
Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении,
и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником
с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс — к аноду, минус — к катоду),
и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.
Вот так это выглядит на графике:
Такая модель диода используется в случаях, когда важна только логическая функция прибора.
Например, в цифровой электронике.
ВАХ реального полупроводникового диода
Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры,
настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с
идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.
Vϒ(гамма) — напряжение порога проводимости
При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения — Vϒ.
Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток.
До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником.
Vϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.
ID_MAX — максимальный ток через диод при прямом включении
При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока ID_MAX.
Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается.
В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным.
Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.
IOP – обратный ток утечки
При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое.
Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока IOP.
Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА.
Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.
PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя
При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV.
Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко
понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект
нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при
прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости
от разных типов диодов и их производителей.
Паразитическая емкость PN-перехода
Даже если на диод подать напряжение значительно выше Vϒ, он не начнет мгновенно проводить ток.
Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время.
Это сказывается на частотных характеристиках прибора.
Приближенные модели диодов
В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют
точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой
функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так
называемые, приближенные модели.
Приближенная модель диода «идеальный диод + Vϒ»
Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня.
Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости Vϒ.
Приближенная модель диода «идеальный диод + Vϒ + rD»
Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня.
В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода,
преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.
Прямое и обратное напряжение
Когда диод открыт, на нем имеется прямое
напряжение. Обратным напряжением
считается величина во время закрытия
диода и прохождения через него обратного
тока. Сопротивление диода при прямом
напряжении очень мало, в отличие от
обратного напряжения, возрастающего
до тысяч кОм.
Если диоды использовать в работе с
переменным током, то при плюсовой
полуволне синуса напряжения он будет
открыт, а при минусовой – закрыт. Такое
свойство диодов применяют для выпрямления
напряжения. Поэтому такие устройства
называются выпрямителями.
4.3. Вольт-амперная характеристика диода Слайд № 11
Зависимость U = f(I)
называется вольт-амперной характеристикой
диода.
Характеристика диода выражается
графиком, на котором видна зависимость
тока, напряжения и его полярности.
Вертикальная ось координат в верхней
части определяет прямой ток, в нижней
части – обратный.
Горизонтальная ось справа обозначает
прямое напряжение, слева – обратное.
Прямая ветка графика выражает ток
пропускания диода, проходит рядом с
вертикальной осью, так как выражает
повышение прямого тока.
Вторая ветка графика показывает ток
при закрытом диоде, и проходит параллельно
горизонтальной оси. Чем круче график,
тем лучше диод выпрямляет ток. После
возрастания прямого напряжения, медленно
повышается ток. Достигнув области
скачка, его величина резко нарастает.
На обратной ветви графика видно, что
при повышении обратного напряжения,
величина тока практически не возрастает.
Но, при достижении границ допустимых
норм происходит резкий скачок обратного
тока. Вследствие этого диод перегреется
и выйдет из строя.
4.4. Пробой р-n-перехода Слайд № 12
Пробоем
p-n-перехода
называется явление резкого увеличения
обратного тока при достижении обратным
напряжением определенного критического
значения. Различают электрический
и
тепловой
пробои
p-n-перехода.
Электрический пробой
Электрический пробой
возникает в результате воздействия
сильного электрического
поля в
p-n-переходе.
Такой пробой является обратимым,
то есть он не приводит к повреждению
перехода, и при снижении обратного
напряжения свойства диода сохраняются.
Благодаря этому электрический
пробой используют в качестве рабочего
режима в полупроводниковых диодах.
В
свою очередь, электрический пробой
разделяется на туннельный
и
лавинный
пробои.
Туннельный пробой
Туннельный
пробой происходит в результате явления
туннельного
эффекта,
который проявляется в том, что при
сильной напряженности электрического
поля, действующего в p-n-переходе
малой
толщины,
некоторые электроны проникают
(просачиваются) через переход из области
p—типа
в область n—типа
без изменения
своей
энергии. Р-n-переходы
малой толщины возможны только при
высокой концентрации примесей
в
молекуле полупроводника.
Лавинный пробой
Лавинный
пробой заключается в том, что под
действием сильного электрического поля
неосновные
носители
зарядов под действием тепла
в p-n-переходе
ускоряются на столько, что способны
выбить
из
атома один из его валентных электронов
и перебросить
его
в зону проводимости, образовав при этом
пару электрон
– дырка.
Образовавшиеся носители зарядов тоже
начнут разгоняться и сталкиваться с
другими атомами, образуя следующие пары
электрон – дырка. Процесс приобретает
лавинообразный характер, что приводит
к резкому увеличению
обратного
тока при практически неизменном
напряжении.
- Радиоэлектроника
- Схемотехника
- Основы электроники и схемотехники
- Том 3 – Полупроводниковые приборы
- Книги / руководства / серии статей
- Основы электроники и схемотехники. Том 3. Полупроводниковые приборы
Технические характеристики диодов
Добавлено 4 февраля 2017 в 22:50
В дополнение к прямому падению напряжения и максимальному обратному напряжению есть много других технических параметров диодов, важных при разработке схем и выборе компонентов. Производители полупроводниковых приборов предоставляют подробные спецификации своих продуктов (в том числе, и диодов) в публикациях, известных как технические описания (datasheets, «даташиты»). Технические описания для широкого спектра полупроводниковых приборов могут быть найдены в справочниках и интернете. В качестве источника спецификаций компонентов я предпочитаю интернет, так как данные, полученные от производителей, более актуальны.
Типовые технические описания диодов содержат данные для следующих параметров:
- Максимальное повторяющееся (импульсное) обратное напряжение (Uобр.и.п.макс, VRRM)
- Максимальное напряжение, которое диод может выдержать в режиме обратного смещения при повторяющихся импульсах. В идеале, эта величина была бы бесконечной.
- Максимальное постоянное обратное напряжение (Uобр.макс, VR, VDC)
- Максимальное напряжение, которое диод может выдержать в режиме обратного смещения на постоянной основе. В идеале, эта величина была бы бесконечной.
- Максимальное прямое напряжение (Uпр, VF)
- Обычно указывается при номинальном прямом токе диода. В идеале эта величина была бы равна нулю: диод не оказывает никакого сопротивления прямому току. В реальности прямое напряжение описывается уравнением Шокли для диода.
- Максимальный (средний) прямой ток (Iпр.ср.макс, IF(AV))
- Максимальная средняя величина тока, которую ток может проводить в режиме прямого смещения. Является принципиальным тепловым ограничением: насколько может нагреться PN переход, учитывая что рассеиваемая мощность равна току (I), умноженному на напряжение (U), а прямое напряжение зависит и от тока, и от температуры перехода. В идеале, эта величина была бы бесконечной
- Максимальный (пиковый или импульсный) прямой ток (Iпр.и.макс, IFSM, if(surge))
- Максимальная пиковая величина тока, которую диод может проводить в режиме прямого смещения. Опять же, этот параметр ограничивается рассеиваемой мощностью диода и, как правило, намного выше максимального среднего тока из-за тепловой инерции (дело в том, что диоду необходимо определенное количество времени, чтобы достигнуть максимальной температуры при заданном токе). В идеале, эта величина была бы бесконечной.
- Максимальная общая рассеиваемая мощность(Pд, PD)
- Величина мощности (в ваттах), допустимая для рассеивания диодом, учитывая рассеивание P = IU (ток через диод, умноженный на падение напряжения на диоде) и рассеивание P = I2R (ток в квадрате, умноженный на сопротивление). Фундаментально ограничивается тепловой емкостью диода (способностью выдерживать высокие температуры).
- Рабочая температура перехода (Tп.макс, TJ)
- Максимальная допустимая температура для PN-перехода диода, как правило, дается в градусах Цельсия (°C). Тепло является «ахиллесовой пятой» полупроводниковых приборов: они должны оставаться холодными как для правильного функционирования, так и для более долгого срока службы.
- Диапазон температур хранения
- Диапазон температур, допустимых для хранения диода (без подачи питания). Иногда дается в сочетании с рабочей температурой перехода (Tп.макс, TJ), так как значения максимальной температуры хранения и максимальной рабочей температуры часто одинаковы. Хотя, на самом деле, значение максимальной температуры хранения будет больше значения максимальной рабочей температуры.
- Тепловое сопротивление (RT, R(Θ)), тепловое сопротивление для разности температур перехода и окружающего воздуха (RTпер–окр, RΘJA), тепловое сопротивление для разности температур перехода и выводов/корпуса (RTпер–кор, RΘJL) при определенной рассеиваемой мощности
- Выражаются в единицах градусов Цельсия на ватт (°C/Вт). В идеале, этот показатель был бы равен нулю, что означало бы, что корпус диода был идеальным теплопроводником и радиатором, способным передать всю тепловую энергию от перехода в окружающий воздух (или к выводам) без разницы температур по всей толщине корпуса диода. Высокое тепловое сопротивление означает, что диод будет наращивать чрезмерную температуру в переходе (в своем самом критически важном месте), несмотря на все усилия по охлаждению с внешней стороны диода, и, таким образом, будет ограничиваться максимальная рассеиваемая мощность.
- Максимальный обратный ток (Iобр.макс, IR)
- Величина тока через диод в режиме обратного смещения с приложенным максимальным обратным напряжением (Uобр.макс, VR, VDC). Иногда называется током утечки. В идеале, этот показатель был бы равен нулю, так как идеальный диод при обратном смещении будет блокировать весь ток. В реальности, он очень мал по сравнению с максимальным прямым током.
- Типовая емкость перехода (Cпер, CJ)
- Типовая величина емкости, свойственной переходу из-за обедненной области, действующей как диэлектрик, разделяющий соединения анода и катода. Как правило, она очень мала и измеряется в диапазоне пикофарад (пФ).
- Время восстановления (tвос.обр trr)
- Количество времени, необходимое диоду «выключиться», когда напряжение на нем меняет полярность с прямого смещения на обратное. В идеале, этот показатель был бы равен нулю: диод останавливает проводимость сразу после изменения полярности. Для типовых выпрямительных диодов время восстановления находится в диапазоне десятков микросекунд; для «быстрых коммутирующих» диодов оно может составлять всего несколько наносекунд.
Большинство из этих параметров зависит от температуры и других условий эксплуатации, и поэтому одно значение не в полной мере описывает любой из этих показателей. Поэтому производители предоставляют графики показателей компонентов в зависимости от других переменных (например, температура), благодаря чему разработчик схем имеет лучшее представление о том, на что способно устройство.
Теги
Время восстановленияДиодЕмкость переходаОбратное напряжениеОбратный токОбучениеПрямое напряжениеПрямой токРассеиваемая мощностьТемпература переходаТепловое сопротивлениеТермическое сопротивлениеЭлектроника
На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять
комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.
В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации
комментария требуется время на премодерацию.
Некоторые популярные диоды
Определение и типы диодов
Упрощенно диод можно понимать как активный электрический элемент проводящий ток только в одном направлении.
Как клапан в гидравлике. Существует несколько типов диодов отличающихся как по физическому принципу работы,
так и по базовому материалу. В очень общих чертах они делятся на полупроводниковые и вакуумные. Итак, диоды
бывают:
— вакуумные (они же кенотроны);
— на основе p-n перехода между полупроводниками различных типов проводимости: кремниевые (Si) и
карбидокремниевые (SiC) диоды;
— на основе контакта Шоттки между металлом и полупроводником.
Вакуумные диоды используются крайне редко, только в спецприложениях, например высоковольтной и
высокочастотной технике. Наиболее популярными диодами являются кремниевые диоды и диоды Шоттки.
Кроме физической природы диоды классифицируются по функциональному назначению:
— выпрямительные диоды, используемые, как правило, для
выпрямления сетевого напряжения низкой частоты (50 Гц). Как правило, это кремниевые, дешевые диоды. Они
ставятся как непосредственно на входе безтрансформаторных импульсных источников питания, так и после
трансформатора в трансформаторных источниках.
— быстродействующие кремниевые диоды — используются в составе
импульсных источников питания при высоких значениях обратного напряжения (100-1000 вольт). Отличаются малым
временем восстановления обратной проводимости, составляющим величину менее 200 нс. Внутри класса имеют
условную подклассификацию Fast (500-150 нс), UltraFast (70-50 нс), HiperFast (35-20 нс).
— кремниевые импульсные диоды – используются в составе
функциональных (не силовых) цепей. Типичный пример – диод 1N4148; Отличаются малыми рабочими токами
(миллиамперы) и большим быстродействием (время обратного восстановления 1N4148 – 4 нс).
— высоковольтные диоды – представляют собой последовательное
соединение нескольких (5-20 штук) кристаллов кремниевых диодов в одном корпусе. При этом максимальное
обратное напряжение составляет единицы-десятки киловольт, а ток как правило – небольшой и не превышает 1
ампера. Используются в ряде специальных приложений. Быстродействие этих диодов, как правило, невысокое.
Отдельно следует выделить диоды Шоттки – которые используются
и как функциональные (сигнальные) диоды и как силовые. Их отличительными чертами являются высокое
быстродействие, малое падение напряжения (0,3-0,5 В) по сравнению с кремниевыми диодами (1-1,2 В). К
недостаткам относят сравнительно малое обратное напряжение (20-100 В) чувствительность к перенапряжению,
значительный обратный ток. Диоды Шоттки часто используются в качестве выпрямительных диодов высокочастотных
преобразователей с малым выходным напряжением.
Здесь не рассматриваются диоды чисто радиочастотных применений СВЧ, варикапы, смесительные и т.д. поскольку
это вы ходит за рамки данного повествования.
Условное обозначение диода представлено на рисунке VD.1
Рисунок VD.1 – Условное обозначение диода на основе p-n перехода и диода Шоттки
Электрод, в который втекает ток, называется анодом, а электрод из которого ток вытекает – катодом.
Исторические названия эти связаны с вакуумными диодами, в которых электроны эмитировались накальным катодом
и принимались анодом. Символически диод обозначает собой направление протекания тока.
Функциональные применения диода
— выпрямление переменного тока в составе тех или иных выпрямителей (включая умножители напряжения);
— защита от превышения напряжения в схемах ограничения уровня и снабберах;
— в пиковых детекторах на операционных усилителях;
— в низковольтных стабилизаторах напряжения (используется прямое падение напряжения);
— в схемах на переключаемых конденсаторах, включая схемы бустрепного питания;
— схемах реализации логических операций ИЛИ (рисунок VD.3 ).
Ниже представлено несколько примеров использования диодов.
Рисунок VD.2 — Схема двухполупериодного выпрямителя
Рисунок VD.3 — Схема реализации логических операций ИЛИ
— схемах ограничения амплитуды сигнала (рисунок VD.4).
Рисунок VD.4 — Схема ограничения амплитуды сигнала
Характеристики диодов
Основной характеристикой диода является его ВАХ – вольтамперная характеристика – зависимость тока
пропускаемого диодом от напряжения на нем. Она не линейна и имеет фактически экспоненциальный характер.
Форма кривой ВАХ диода (рисунок VD.5) зависит от температуры: при нагреве уменьшается прямое падение
напряжения и возрастает обратный ток, снижается напряжение пробоя.
Рисунок VD.5. Форма вольтамперной характеристики диода
Из вольтамперной характеристики следуют её производные:
— прямое падение напряжение на диоде VF (при заданных токе и температуре);
— обратный ток утечки IRM (при заданном обратном напряжении и температуре);
— максимальное обратное напряжение VR (при заданной температуре).
Площадь p-n перехода, размер кристалла, конструкция теплоотвода определяют мощностные характеристики
диода:
— максимальный постоянный рабочий ток;
— максимальный импульсный ток (при заданной длительности импульса);
— максимальная отводимая (рассеиваемая мощность);
— тепловое сопротивление корпуса.
Динамическими характеристиками диода, определяющими его быстродействие, являются:
— время восстановления при резкой смене напряжения с прямого на обратное;
— емкость перехода.
На рисунках VD.6 — VD.8 представлены экспериментально измеренные ВАХ распространенных типов диодов (для
сравнения представлены ВАХ кремниевых диодов и диода Шоттки).
Рисунок VD.6 — Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода 1N4148
Рисунок VD.7 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода FR157
Рисунок VD.8 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика диода Шоттки 1N5819
Основные параметры реальных диодов
1. Максимальное импульсное обратное напряжение (Peak Repetitive Reverse Voltage) VRRM–
максимальная величина прикладываемого к диоду импульсного обратного напряжения.
2. Максимальное рабочее обратное напряжение (Working Peak Reverse Voltage)
VRWM
– максимальная величина прикладываемого к диоду обратного напряжения в рабочем режиме.
3. Максимальное блокирующее напряжение (DC Blocking Voltage) VR – максимальная величина
прикладываемого к диоду постоянного напряжения. Выше этого напряжения начинается пробой. Соответствует
началу пробоя на обратной ветви ВАХ.
NB: На практике все перечисленные типы напряжения равны между собой и при проектировании схем необходимо,
не допускать превышения напряжения на диоде данной величины.
4. Максимальное среднеквадратичное обратное напряжение (RMS Reverse Voltage)
VR(RMS) – максимальная величина действующего
(среднеквадратичного) напряжения в цепи переменного тока, превышение которой приводит к пробою диода.
Фактически подразумевается переменное напряжение синусоидальной формы.
5. Средний рабочий ток (Average Rectified Output Current) IO – максимальное среднеквадратичное
значение тока проходящего через диод в стационарном режиме.
6. Максимальный импульсный ток (Repetitive peak forward current) IFRM — максимальная амплитуда
импульсного периодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность
импульсов и частота повторения.
7. Максимальный импульсный непериодический ток (Non-Repetitive Peak Forward SurgeCurrent) IFSM
— максимальная амплитуда импульсного непериодического тока проходящего через кристалл диода. Как
правило, указывается длительность импульса.
8. Прямое падение напряжения на диоде (Forward Voltage) VFM – падение напряжения на диоде при
прямом смещении (в открытом состоянии). Как правило, указывается при конкретной величине прямого тока.
9. Максимальный обратный ток (Peak Reverse Current) IRM – максимальный обратный ток через
диод. Указывается при максимальном обратном напряжении на диоде и при конкретном значении температуры.
10. Ёмкость p-n перехода (Typical Junction Capacitance) Cj – паразитная емкость p-nперехода
диода. Сильно зависит от приложенного обратного напряжения, поэтому в datasheetкроме усредненной
величины, как правило, приводят зависимость емкости от обратного напряжения.
11. Тепловое сопротивление кристалл – воздух (Typical Thermal Resistance Junction toAmbient)
RθJA – тепловое сопротивление между кристаллом (p-n переходом) диода и окружающим
воздухом. Зависит от типа корпуса.
12. Максимальная рабочая температура (Maximum DC Blocking Voltage Temperature) TA –
максимальная рабочая температура при которой сохраняется указанное значение максимального обратного
напряжения.
13. Максимальная рассеиваемая мощность (Total power dissipation) Ptot – максимальная мощность
рассеиваемая корпусом диода.
14. Параметр максимальной энергии поглощаемой кристаллом без разрушения (Rating for fusing) I2t
– произведение квадрата максимального импульсного тока через диод на его длительность. Это соотношение,
измеряемое в А2с (ампер в квадрате на секунду) используется при выборе защитных цепей от
перегрузки (предохранителей).
15. Время восстановления обратной проводимости (Reverse recovery time) trr – время за которое
диод после приложения обратного напряжения переходит в закрытое состояние (обратная проводимость).
Максимальные ток и мощность диода
Режим постоянного тока
Полупроводниковый диод – нелинейный элемент мощность, рассеиваемая на диоде равна произведению напряжения на
диоде VVD и тока через него IVD:
Для практических расчетов в качестве VVD можно брать падение напряжения при номинальном токе,
указываемое в справочных листках. Поскольку напряжение на диоде составляет величину порядка 1,0-1,5 В (для
кремниевого диода, для Шоттки меньше) и слабо изменяется с ростом тока, то в первом приближении можно
считать, что рассеиваемая на диоде мощность прямо пропорциональна току через него:
Это существенно отличает нелинейный диод от линейного резистора, мощность которого пропорциональна квадрату
тока. В справочных листках указывается максимальное значение постоянного тока через диод. Этот ток задает
максимальное значение отводимой от кристалла диода тепловой мощности.
Представленная формула описывает потери на кристалле диода при прямом смещении, то есть при протекании
прямого тока через диод. Потери при обратном смещении, то есть при реверсном токе обычно пренебрежимо малы,
однако в ряде случаев их необходимо учитывать (об этом ниже).
Режим импульсного тока
Импульсный ток через диод может в разы превышать максимальное значение для постоянного тока. В режиме
импульсных токов на первое место выходит максимальная энергия рассеивания кристалла диода, определяющая
предельные режимы импульсных нагрузок при которых еще не происходит термическое разрушение кристалла. В
справочных листках обычно приводят номограммы произведения длительности токового импульса на его
величину.
Динамические характеристики диода. Восстановление обратной проводимости. Барьерная емкость
диода
Быстродействие диода, то есть свойство быстро восстанавливать обратную проводимость, является важной
характеристикой для диодов, работающих в условиях быстрой смены полярностей напряжения прикладываемого к
диоду – в высокочастотных выпрямителях, схемах бустрепного питания, детекторных схемах и ряде других.
На рисунке VD.9 представлен один из типовых фрагментов электрических схем с диодами и полупроводниковыми
ключами. Эта схема описывает жесткий режим восстановления обратной проводимости диода. На примере этой схемы
поясним процесс восстановленияобратной проводимости диода [EE33D — Power Electronic Circuits ссылка], [2 Reasons Why
Soft-Recovery Trr is Important in High Voltage Diodes ссылка],
[Understanding Diode Reverse Recovery and its Effect on Switching Losses. Peter Haaf, Jon Harper. Fairchild
Power Seminar 2007]. Временные диаграммы токов и напряжений, описывающих процессы в представленной схеме
представлены на рисунке VD.10.
Рисунок VD.9. Электрическая схема включения диода для пояснения эффекта обратного восстановления
Рисунок VD.10. Временные диаграммы напряжений и токов схемы поясняющие процесс восстановления обратной
проводимости диода
Для упрощенного понимания процессов выключения диода примем индуктивность L в схеме достаточно большой, чтобы
она фактически играла роль источника тока. В начальный момент времени полупроводниковый ключ закрыт, и ток
индуктивности полностью замыкается через диод. После подачи управляющего импульса на затвор транзистора и
превышения им некоторого порогового напряжения происходит постепенный рост тока через ключ ISW,
начиная с момента времени tswitch. При этом ток, протекающий через диод IDпостепенно
уменьшается, поскольку ток индуктивности начинает частично «сливаться» через открывающийся ключ. В некоторый
момент времени (начало интервала tA) когда ток индуктивности полностью замкнется через ключ
(IL = ISW) ток через диод изменит свое направление. В первой половине импульса
реверсного тока (период tA) происходит разряд емкости p-n перехода при этом напряжение на диоде
некоторое время остается положительным а обратный ток достигает максимума. Далее обратный ток через диод
начинает снижаться (период tB), а обратное напряжение возрастает до напряжения источника
VDC.
Практически важной характеристикой является форма кривой обратного тока в момент восстановления обратной
проводимости (рисунок VD.10). По кривой определяется время восстановления и «мягкость восстановления».
Кривая реверсного тока имеет два характерных периода:
— период tA – время от начала импульса реверсного тока (пересечение током нулевой линии) до
максимального значения обратного тока IRRM . Соответствует разряду зарядов накопленных в так
называемой обеднённой области p-n перехода.
— период tB – время между моментом соответствующим максимуму обратного тока IRRM и
моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения.
Время восстановления обратной проводимости (reverse recovery
time) tRR определяется по осциллограмме обратного тока (рисунок VD.10) как время между
пересечением тока нулевой отметки (начало реверсного тока) и моментом когда величина реверсного тока спадает
на 25% от своего максимально достигнутого значения. Время восстановления – интуитивно понятный параметр,
характеризующий время, за которое диод восстанавливает свои непроводящие свойства. Время восстановления
обратной проводимости tRR равно сумме времен периодов tA и tB:
Максимальное значение реверсного тока IR связано с длительностью периода tA и скоростью
спада тока:
Критерий «мягкости восстановления» (softness factor) SF –
критерий определяющий скорость обрыва обратного тока. Если обрыв тока происходит слишком резко, то это может
стать причиной нежелательных перенапряжений обусловленных паразитными индуктивностями контуров. Иногда этот
эффект используют в генераторах импульсов на основе специализированных SOS-диодов. В качестве критерия
«мягкости» использую так называемы «фактор мягкости» SF определяемый как отношение длительностей периодов
tB к tA :
Для обычных диодов tA много больше tB , для импульсных «мягких» диодов наоборот
tBмного больше tA. «Фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из
представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных силовых
диодов класса «ultrafast» характерное значение SF равно 1, для обычных диодов величина SF может составлять
0,2-0,6.
Заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge)
QRR – это реверсный заряд, который должен пройти через переход диода для перевода его из
состояния проводимости в закрытое состояние. Заряд обратного восстановления является базовым параметром
диода, определяющим его динамические характеристики. Исходя из формы импульса реверсного тока этот заряд
равен:
Откуда максимальный ток определяется из соотношения:
Приравнивая выражения для IR получаем:
Преобразуя это выражение получаем:
Учитывая, что tA и tB связаны через «фактор мягкости» SF:
Получаем:
Откуда выразим tA:
Тогда:
Откуда получаем практически важные соотношения:
— для расчета времени восстановления обратной проводимости tRR :
— и для расчета максимальной величины обратного тока IRRM :
Используя представленные выражения, рассчитываются динамические характеристики диода.
Барьерная емкость диода — собственное
значение емкости p-n перехода находящегося в обратном смещении (закрытом состоянии). В дополнение к выше
описанному инерционному процессу «переключения» диода в непроводящее состояние диод, когда к нему приложено
обратное напряжение он (диод) обладает собственным значением барьерной емкости, которая зависит от
напряжения, что важно также учитывать при расчете динамических режимов. Емкость пропорциональна площади p-n
перехода, на практике это означает, что более мощные диоды с большим номинальным током будут иметь и большее
значение емкости. Реально величина емкости не является постоянной и существенно зависит от приложенного
напряжения.
Расчет тепловых потерь в диоде на переключение
В момент восстановления проводимости к диоду приложено обратное напряжение и через него протекает некоторый
импульс тока длительностью trev. Таким образом, в кристалле диода выделяется некоторая энергия:
Общая выделяемая тепловая мощность пропорциональна частоте импульсов f.
Основное выделение энергии происходит в периода tB когда напряжение на диоде имеет величину
существенно большую по сравнению с прямым падением напряжения (как в период tA). Полагая линейную
форму спада тока и роста обратного напряжения получим:
Выражение для напряжения на диоде будет иметь вид:
Выражение для тока через диод будет иметь вид:
Выражение для выделяющейся мощности на диоде будет иметь вид:
Перемножая VVD(t) и IVD(t), получаем:
Упрощая которое получаем выражение для мощности динамических потерь
PVD_trans«на переключение»:
где:
VDC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);
f — рабочая частота;
IRRM — максимальная величина обратного тока, вычисляемая по формуле:
здесь: QRR заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) – представлен в datasheet-ах,
скорость спада тока di/dt определяется характеристиками схемы, а «фактор мягкости» SF можно определить из
datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости.
Обычно для импульсных диодов характерное значение SF равно 1.
tB — время между моментом соответствующим максимуму обратного тока IRRM и моментом
когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения. Учитывая связь tA и
tB через «фактор мягкости» SF получаем:
Отсюда tB может быть вычислено по соотношению:
Учитывая, что в большинстве случаев SF≈1, то в первом приближении tB может быть определено как:
Объединим в итоговое выражение для мощности динамических потерь диода
PVD_trans «на переключение»:
Упростим данное соотношение:
Результирующее выражение для мощности динамических потерь PVD_trans «на
переключение» имеет вид:
где:
QRR — заряд обратного восстановления;
VDC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);
f — рабочая частота;
SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1).
В ряде случаев в datasheet не приводится значение заряда обратного восстановления QRR, а
приводятся:
— зависимости тока восстановления обратной проводимости от IRRM от скорости спада тока di/dt;
— зависимости времени восстановления обратной проводимости tRR от скорости спада тока di/dt.
В этом случае мощности динамических потерь PVD_trans вычисляется по
соотношению:
где:
VDC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);
IRRM(di/dt) — ток восстановления обратной проводимости от IRRM при заданной скорости
спада тока di/dt;
tRR(di/dt) — зависимости времени восстановления обратной проводимости tRR при заданной
скорости спада тока di/dt.
SF — SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1);
f — рабочая частота.
Обратная ветвь ВАХ – напряжение пробоя, обратный ток
По мере увеличения прикладываемого к диоду обратного напряжения монотонно возрастает и обратный ток. При этом
для каждого диода существует обратное напряжение, при достижении которого резко возрастает обратный ток и
напряжение на диоде быстро падает. При этом пороговом напряжении происходит пробой диода – в большинстве
случаем необратимое изменение внутренней структуры диода, сопровождаемое нарушением целостности p-n
перехода. Следствием пробоя является выход диода из строя. Исключением являются лавинные диоды, пробой
которых носит обратимый характер.
Обратный ток возрастает с увеличением температуры, также с увеличением температуры снижается напряжение
пробоя.
Для кремниевых диодов, эксплуатируемых при нормальной температуре тепловой мощностью, выделяемой при
приложенном обратном напряжении можно пренебречь. Однако при более жестком температурном режиме и больших
значениях обратного напряжения эта мощность может иметь значительную величину, сопоставимую с мощностью
потерь в проводящем состоянии.
Для диодов Шоттки обратный ток существенно больше, чем для кремниевых диодов и его необходимо учитывать в
расчетах в любом случае.
Мощность, рассеиваемая на диоде при обратном смещении равна произведению напряжения приложенного к диоду
VVD_rev и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через
него IVD_rev:
Пример:
— для диода MUR1100E при температуре 100 °С обратный ток составляет величину порядка 600 мкА, если к диоду
приложено обратное напряжение 800 В то выделяющаяся тепловая мощность равна 0,48 Вт!
— для диода серии US1 максимальный обратный ток составляет 150 мкА (при температуре 100 °С) и при обратном
напряжении 1000 В выделяющаяся тепловая мощность составляет 0,15 Вт.
Важно то, что здесь работает принцип положительной обратной связи: с ростом температуры выделяемая мощность
увеличивается, что в свою очередь приводит к росту температуры.
Итак, тепловой режим диода работающего в условиях тока переменной полярности складывается из мощности,
выделяемой при прохождении прямого тока, мощности выделяемой в диоде при смене направления тока и мощности
выделяемой при обратном смещении:
где:
PVD_total – общая мощность, рассеиваемая на диоде;
PVD_stat+ – мощность, выделяемая при прохождении прямого тока;
PVD_stat- – мощность, выделяемая при прохождении обратного тока;
PVD_trans – мощность, выделяющаяся на диоде в результате переходных
процессов.
Последовательное и параллельное включение диодов
s
Последовательное включение
Последовательное включение диодов используют для увеличения максимального обратного напряжения VR
(рисунок VD.11). При этом необходимо помнить, что увеличивается прямое падение напряжения на диодной сборке.
Рисунок VD.11 — Последовательное включение диодов для увеличения максимального обратного напряжения
При приложении обратного напряжения к сборке падения напряжения на диодах распределяются в соответчики с
обратной ВАХ каждого из диодов. Из за разброса ВАХ может возникнуть ситуация в которой к некоторым диодам
сборки будет приложено напряжение превышающее максимальное и возникнет пробой одного диода сборки. После
этого общее приложенное напряжение перераспределится между оставшимися диодами и при этом напряжение на
каждом из них возрастет. Это с высокой долей вероятности может привести к постепенному выгоранию всех диодов
сборки. Для повышения надежности применяют выравнивающие резисторы, сопротивление которых выбирается таким
образом, чтобы ток через резистор был в 2-5 раз больше максимального тока утечки диода:
где:
VR – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения.
IRM – максимальный обратный ток через диод. В расчетах необходимо учитывать ток при температуре
соответствующей рабочей температуре эксплуатации.
Рисунок VD.12 — Последовательное включение диодов с резисторами, выравнивающими падение обратного
напряжения
на диодах
Параллельное включение
Параллельное включение диодов можно использовать для диодов с положительным (например на основе карбида
кремния SiC) или небольшим отрицательным температурным коэффициентом более 2 мВ/К, но при условии их
термического соединения (размещение на одном радиаторе). Это необходимо для того чтобы токи, протекающие
через диоды выравнивались. На практике при параллельном соединении двух кремниевых диодов или диодов Шоттки
максимальные рабочий ток не удваивается, а увеличивается на 50-70 %. Это обусловлено разницей хода ВАХ
диодов, так что один диод будет нагружен по максимуму, а второй будет ему «помогать». Физика этого эффекта
объясняется наличием положительной обратной связи: если через какой-либо из диодов протекает несколько
больший, чем через другой, то он нагревается больше. При нагреве кремниевых диодов ВАХ изменяется таким
образом, что при постоянном приложенном напряжении ток возрастает. Это приводит еще большему увеличению доли
общего тока через этот диод. Уменьшить эту положительную обратную связь можно путем организации термической
связи между диодами, то есть разместить их на одном радиаторе охлаждения. В этом случае «лидирующий» по току
диод будет подогревать «отстающий» и увеличивать долю тока через него. В целом на практике целесообразно
параллельно соединять лишь диоды, расположенные на одном кристалле в одном корпусе.
Рисунок VD.13 — Параллельное включение диодов для увеличения максимального рабочего тока
Некоторые популярные диоды
1N4148
1N4007
HER108
US1M
1N5819