Характеристики выпрямительного диода и его применение

Диоды низкочастотные (таблеточное исполнение)

Диоды Д133-400, Д133-500, Д133-800, Д143-630, Д143-800, Д143-1000, Д253-1600 предназначены для применения в цепях постоянного и переменного тока частотой до 500 Гц в электротехнических устройствах общего назначения. Диоды устойчивы к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2 и одиночных ударов длительностью 50 мс с ускорением 39,2 м/с2. Анодом и катодом являются плоские основания, при этом полярность определяется с помощью символа полярности, нанесенного на корпус диода.

Диоды низкочастотные лавинные предназначены для применения в устройствах общего назначения частотой до 500 Гц. Диоды допускают воздействие вибрационных нагрузок в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2, многократных ударов длительностью 2-15 мс с ускорением 147 м/с2 и одиночных ударов длительностью 50 мс с ускорением 39,2 м/с2. Диоды ДЛ 161-200, ДЛ 171-320 имеют штыревое исполнение. Анодом диодов является медное основание, катодом — гибкий вывод. Диоды ДЛ 123-320, ДЛ133-500 имеют таблеточное исполнение. Анодом и катодом являются плоские основания, при этом полярность определяется с помощью символа полярности, нанесенного на корпус диода.

Схема простейшего выпрямителя переменного тока

Рассмотрим, как работает схема (выпрямительный диод играет в ней главную роль) примитивного выпрямителя.

На его вход подается сетевое переменное напряжение с положительными и отрицательными полупериодами. К выходу выпрямителя подключается нагрузка (R нагр.), а функцию элемента, выпрямляющего ток, выполняет диод (VD).

Положительные полупериоды напряжения, поступающие на анод, вызывают открывание диода. В это время через него, а следовательно через нагрузку (R нагр.), которая питается от выпрямителя, протекает прямой ток (I прям.).

Отрицательные полупериоды напряжения, поступающие на анод диода, вызывают его закрывание. По цепи протекает небольшой обратный ток диода (I обр.). Здесь диод производит отсекание отрицательной полуволны переменного тока.

В результате выходит, что через подключенную к сети нагрузку (R нагр.), через диод (VD), теперь проходит пульсирующий, а не переменный ток одного направления. Ведь он может проходить исключительно в положительные полупериоды. В этом и заключается смысл выпрямления переменного тока.

Однако такое напряжение может запитать только нагрузку малой мощности, которая питается от сети переменного тока и не предъявляет серьезных требований к питанию, к примеру, лампы накаливания.

Лампа будет пропускать напряжение лишь при прохождении положительных импульсов, вследствие этого электроприбор подвергается слабому мерцанию, имеющему частоту 50 Гц. Правда, вследствие того, что нить подвержена тепловой инертности, она не сможет до конца остывать в перерывах между импульсами, а значит, мерцание будет почти не заметно.

В случае если такое напряжение подать на усилитель или приемник мощности, то в громкоговорителе будет слышен звук низкой частоты (частотой 50 Гц), который называется фоном переменного тока. Этот эффект происходит по причине того, что пульсирующий ток во время прохождения через нагрузку наводит в ней пульсирующее напряжение, порождающее фон.

Подобный недостаток в какой-то мере устраняется, если параллельно нагрузке включить фильтрующий конденсатор (C фильтр), емкость которого достаточно велика.

Конденсатор будет заряжаться импульсами тока при положительных полупериодах, и разряжаться через нагрузку (R нагр.) при отрицательных полупериодах. При достаточной емкости конденсатора за время, которое проходит между двумя импульсами тока, он не успеет полностью разрядиться, а следовательно, на нагрузке (R нагр.) будет постоянно находиться ток.

Но даже таким, относительно сглаженным, током также не следует питать нагрузку, ведь она будет продолжать фонить, потому что величина пульсаций (U пульс.) пока еще достаточно серьезна.

Выпрямительные или силовые диоды

Выпрямительные (силовые) диоды — это полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования переменного тока в однополярный. Для этого диод включается последовательно в цепь источника переменного тока и нагрузки (рисунок 24). Рис. 24. Схема электрической цепи с выпрямительным диодом

Основой конструкции диода является один р-n переход. Условное обозначение диода сохранилось от первых электровакуумных диодов. В изображении черта означает катод, а треугольник анод. Чтобы это запомнить, достаточно представить, что катод испускает электроны, и они выходят из него расходящимся пучком, образуя треугольник. Если считать проводимость диода направленной от плюса к минусу, то она будет соответствовать стрелке, образованной вершиной треугольника.

В силу односторонней проводимости диода через нагрузку протекает пульсирующий ток одной полярности (рисунок 25).

Рис. 25. Вольт-амперная характеристика диода и график изменения тока на Rн (рис. 24)

Основными параметрамивыпрями тельных диодов являются:

а) Максимальный выпрямленный ток Iпрmax;

б)Максималъно-допустимое обратное напряжение Uобрmax;

в) Обратный ток, протекающий через диод Iпрmax;

г) Падение напряжения на диоде при прямом включении Uпp.

Выпрямительные диоды делятся на германиевые и кремниевые. В кремниевых диодах обратные токи Iобр а несколько порядков меньше, чем в германиевых, а допустимые обратные напряжения Uобр существенно выше. Однако германиевые диоды обладают меньшим прямым падением напряжения Uпp.

Переключающие диоды — тиристоры

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя последовательно включенными p-n переходами. Тиристоры с двумя электродами (рис. 26) называют динисторами-это неуправляемые тиристоры, с тремя электродами — тринисторы — это управляемые тиристоры.

а) б)

Рис.26. Устройства динистора – а) и тринистора – б)

А — анод; К — катод; УЭ — управляющий электрод.

На рис. 27 приведены вольтамперные характеристики динистора и тринистора, поясняющие их работу.

а) б)

Рис.27

Если к тиристору приложить обратное напряжение, то он ведет себя как обычный диод — закрыт. При прямом включении тиристоров они остаются также закрытыми, пока напряжение между анодом и катодом не достигнет величины Uвкл. После этого тиристоры резко переходят в открытое состояние и ведут себя как обычные силовые диоды в прямом включении, пока ток через них не снизится до величины Iвыкл. Как только это произойдет, диод вновь переходит в закрытое состояние. У динисторов невозможно управлять величиной Uвкл, а у тринисторов величина Uвкл зависит от величины тока управляющего электрода: Uвкл = f (Iуэ) и при достаточно больших токах Iуэ вольтамперная характеристика тринистора вырождается в прямую ветвь характеристики обычного диода. Управление тринистором осуществляется лишь при его отпирании, а затем он становится неуправляемым.

Важнейшими параметрами тиристоров являются:

Ток включения – Iвкл. Напряжение включения – Uвкл.

Ток выключения – Iвыкл.

Остаточное напряжение – Uост. — падение напряжения на открытом тиристоре.

Обратный ток тиристора – Iобр.

Управляющий ток – Iупр. – тиристора – величина тока, при котором включается тиристор.

Время включения – tвкл. — минимально необходимая длительность импульса включения на УЭ.

Выпускаются тиристоры, имеющие симметричную вольт-амперную характеристику для обеих полярностей напряжения на аноде. Такие тиристоры называют симисторами

.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это трехэлементный полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и обладающий усилительными свойствами. Транзисторы имеют три области и три электрода: э — эмиттер (на схемах обозначается стрелкой), к – коллектор и б – база. И соответственно различают эмиттерный и коллекторный p-n переходы. Различают две структуры транзисторов:

1-биполярные транзисторы с прямой проводимостью или p-n-p типа (рис. 29 а);

2-биполярные транзисторы с обратной проводимостью или n-p-n типа (рис.29 б).

На изображении транзистора стрелка указывает условное направление тока в эмиттере от плюса к минусу.

а) б)

Рис. 29. Структура и обозначение биполярных транзисторов:

а- с прямой проводимостью; б- с обратной проводимостью.

В реальных конструкциях транзисторов эмиттер имеет большую степень легирования и меньшую площадь. На рис. 29- б) эмиттер с электронной электропроводностью, причём сильной, показан со знаком плюс. Взаимодействие p-n-переходов обеспечивается выбором толщины базы. База должна быть достаточно тонкой /толщина базы должна быть много меньше длины диффузии неосновных носителей в базе/.

Рассмотрим принцип работы транзистора в схеме включения с ОЭ (рис. 30).

Рис.30. Принцип работы транзистора в схеме включения с ОЭ

Так как на базе транзистора положительный потенциал по отношению к эмиттеру, то электроны от минуса источника питания, через эмиттер и открытый эмиттерный p-n переход инжектируются в базу, где они диффундируют к коллекторному p-n переходу, являясь не основными носителями в базе. Частично электроны рекомбинируют с основными носителями в области базы – с дырками, создавая ток базы Iб. Так как в транзисторах базу делают тонкой и слабо легированной

, то число рекомбинированных зарядов не велико, ток базы мал и основная часть зарядов достигают коллекторного p-n перехода, где попадают под ускоряющее поле потенциала коллектора. Для электронов, как не основных носителей в базе, коллекторный p-n переход открыт и через него они устремляются к коллектору, а затем через R нагрузки к плюсу источника питания, создавая ток коллектора. Очевидно, что Iэ=Iб+Iк.
Отношение коллекторного тока к базовому – это главный коэффициент, который показывает усилительные возможности транзистора:
Так как I к>>Iб ,

этавеличина большая, т.е. транзистор усиливает ток. Обычно b составляет 10 – 300.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы.

Аналогичные процессы, происходят в транзисторе типа p-n-p в схеме c общим эмиттером (ОЭ).

Физическая модель биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ

В схеме с транзистором образуются две цепи — входная и выходная. Во входную цепь включается управляющий сигнал, который должен быть усилен, а в выходную — нагрузка, на которой выделяется усиленный сигнал.

При включении транзистора в электрическую схему в зависимости от того, какой из его электродов является общим для цепи входного сигнала и выходного сигнала различают:

Схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) (рис.31 а). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по напряжению и току, так же средними значениями входного и выходного сопротивлений.

Схему включения транзистора с общей базой (ОБ) (рис. 31 б). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по напряжению, но коэффициент передачи по току меньше единицы. Входное сопротивление мало, а выходное велико.

Схему включения с общим коллектором (ОК) (рис.31 в). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по току, но коэффициент передачи по напряжению меньше единицы. Входное сопротивление велико, а выходное мало.

а) б) в)

Uвх=Uбэ; Uвых=Uкэ Uвх=Uбэ; Uвых=Uкб Uвх=Uбк; Uвых=Uкэ

Iвх=Iб; Iвых=Iк Iвх=Iэ; Iвых=Iб Iвх=Iб; Iвых=Iэ.

Рис. 31. Схемы включения биполярного транзистора: а)-с общим эмиттером; б)-с общей базой; в)-с общим коллектором.

Чаще используется схема с общим эмиттером.

В этом случае в базу и в эмиттер подаются напряжения одного знака, но в базу подаётся не больше 0,7 В, а в коллектор – 5…15 В.
Если в коллекторную цепи включить резистор, то напряжение будет уменьшаться при больших токах, и может достичь нуля. В этом случае наступит режим насыщения: напряжение на колекторном переходе станет прямым, ток пойдёт из коллектора в базу и из эмиттера в базу, ток в коллекторной цепи прекратится, а в базе начнётся накопление электронов. Это так называемый режим насыщения.

Режим насыщения очень неприятен, так как из-за этого накопления носителей в базе резко ухудшается быстродействие транзистора.

В зависимости от направления смещения p-n перехода в транзисторах различают три его режима работы:

1) Режим отсечки (РО) — режим, при котором оба p-n перехода смещены в обратном направлении

.
Транзистор закрыт
и через него протекают лишь небольшие тепловые токи обратно смещенных p-n переходов.

2) Режим насыщения (РН) — режим, при котором оба p-n перехода смещены в прямом направлении. Транзистор открыт

и через него протекает максимальный ток, определяемый только внешними цепями (U и R).

3) Активный режим (АР) — режим, при котором эмиттерный p-n переход смещен в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях. При этом транзистор обладает усилительными свойствами

.

АР используется в усилительных устройствах; РН, РО используются в цифровых и импульсных устройствах. Основным является активный режим.

Для обеспечения активного режима работы транзистора между базой и эмиттером необходимо создать отпирающую разность потенциалов Eсм – отпирающее смещение. Для p-n-p типа транзистора это напряжение смещения должно быть отрицательным (рис. 32), а для n-p-n типа – положительным

Рис. 32

Для обеспечения обратного смещения коллекторного p-n перехода на коллектор транзистора должен быть подан потенциал той же полярности, что и на базу транзистора, но большей величины, то есть должно выполняться условие: ׀Eсм׀<�׀Eпит׀.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы

Так как сопротивление обратно смещенного коллекторного p-n перехода очень велико (сотни кОм) для основных носителей, то включение Rн величиной единицы кОм в коллекторную цепь (рис. 30) мало повлияет на общее сопротивление цепи. Тогда очевидно, что, управляя на входе малой мощностью Pвх=Uбэ*Iбэ можно получить пропорциональный цикл в выходной цепи значительно большей мощности: Pвых=Iк*Rн=Iк*Uкэ, Iкэ>>Iб, Uкэ>>Uбэ.

Основные параметры транзистора.

Основные параметры транзистора делятся на предельно-допустимые, усилительные и высокочастотные.

Выпрямительные (силовые) диоды — это полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования переменного тока в однополярный. Для этого диод включается последовательно в цепь источника переменного тока и нагрузки (рисунок 24).

Рис. 24. Схема электрической цепи с выпрямительным диодом

Основой конструкции диода является один р-n переход. Условное обозначение диода сохранилось от первых электровакуумных диодов. В изображении черта означает катод, а треугольник анод. Чтобы это запомнить, достаточно представить, что катод испускает электроны, и они выходят из него расходящимся пучком, образуя треугольник. Если считать проводимость диода направленной от плюса к минусу, то она будет соответствовать стрелке, образованной вершиной треугольника.

В силу односторонней проводимости диода через нагрузку протекает пульсирующий ток одной полярности (рисунок 25).

Рис. 25. Вольт-амперная характеристика диода и график изменения тока на Rн (рис. 24)

Основными параметрамивыпрями тельных диодов являются:

а) Максимальный выпрямленный ток Iпрmax;

б)Максималъно-допустимое обратное напряжение Uобрmax;

в) Обратный ток, протекающий через диод Iпрmax;

г) Падение напряжения на диоде при прямом включении Uпp.

Выпрямительные диоды делятся на германиевые и кремниевые. В кремниевых диодах обратные токи Iобр а несколько порядков меньше, чем в германиевых, а допустимые обратные напряжения Uобр существенно выше. Однако германиевые диоды обладают меньшим прямым падением напряжения Uпp.

Переключающие диоды — тиристоры

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя последовательно включенными p-n переходами. Тиристоры с двумя электродами (рис. 26) называют динисторами-это неуправляемые тиристоры, с тремя электродами — тринисторы — это управляемые тиристоры.

а) б)

Рис.26. Устройства динистора – а) и тринистора – б)

А — анод; К — катод; УЭ — управляющий электрод.

На рис. 27 приведены вольтамперные характеристики динистора и тринистора, поясняющие их работу.

а) б)

Рис.27

Если к тиристору приложить обратное напряжение, то он ведет себя как обычный диод — закрыт. При прямом включении тиристоров они остаются также закрытыми, пока напряжение между анодом и катодом не достигнет величины Uвкл. После этого тиристоры резко переходят в открытое состояние и ведут себя как обычные силовые диоды в прямом включении, пока ток через них не снизится до величины Iвыкл. Как только это произойдет, диод вновь переходит в закрытое состояние. У динисторов невозможно управлять величиной Uвкл, а у тринисторов величина Uвкл зависит от величины тока управляющего электрода: Uвкл = f (Iуэ) и при достаточно больших токах Iуэ вольтамперная характеристика тринистора вырождается в прямую ветвь характеристики обычного диода. Управление тринистором осуществляется лишь при его отпирании, а затем он становится неуправляемым.

Важнейшими параметрами тиристоров являются:

Ток включения – Iвкл. Напряжение включения – Uвкл.

Ток выключения – Iвыкл.

Остаточное напряжение – Uост. — падение напряжения на открытом тиристоре.

Обратный ток тиристора – Iобр.

Управляющий ток – Iупр. – тиристора – величина тока, при котором включается тиристор.

Время включения – tвкл. — минимально необходимая длительность импульса включения на УЭ.

Выпускаются тиристоры, имеющие симметричную вольт-амперную характеристику для обеих полярностей напряжения на аноде. Такие тиристоры называют симисторами

.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это трехэлементный полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и обладающий усилительными свойствами. Транзисторы имеют три области и три электрода: э — эмиттер (на схемах обозначается стрелкой), к – коллектор и б – база. И соответственно различают эмиттерный и коллекторный p-n переходы. Различают две структуры транзисторов:

1-биполярные транзисторы с прямой проводимостью или p-n-p типа (рис. 29 а);

2-биполярные транзисторы с обратной проводимостью или n-p-n типа (рис.29 б).

На изображении транзистора стрелка указывает условное направление тока в эмиттере от плюса к минусу.

а) б)

Рис. 29. Структура и обозначение биполярных транзисторов:

а- с прямой проводимостью; б- с обратной проводимостью.

В реальных конструкциях транзисторов эмиттер имеет большую степень легирования и меньшую площадь. На рис. 29- б) эмиттер с электронной электропроводностью, причём сильной, показан со знаком плюс. Взаимодействие p-n-переходов обеспечивается выбором толщины базы. База должна быть достаточно тонкой /толщина базы должна быть много меньше длины диффузии неосновных носителей в базе/.

Рассмотрим принцип работы транзистора в схеме включения с ОЭ (рис. 30).

Рис.30. Принцип работы транзистора в схеме включения с ОЭ

Так как на базе транзистора положительный потенциал по отношению к эмиттеру, то электроны от минуса источника питания, через эмиттер и открытый эмиттерный p-n переход инжектируются в базу, где они диффундируют к коллекторному p-n переходу, являясь не основными носителями в базе. Частично электроны рекомбинируют с основными носителями в области базы – с дырками, создавая ток базы Iб. Так как в транзисторах базу делают тонкой и слабо легированной

, то число рекомбинированных зарядов не велико, ток базы мал и основная часть зарядов достигают коллекторного p-n перехода, где попадают под ускоряющее поле потенциала коллектора. Для электронов, как не основных носителей в базе, коллекторный p-n переход открыт и через него они устремляются к коллектору, а затем через R нагрузки к плюсу источника питания, создавая ток коллектора. Очевидно, что Iэ=Iб+Iк.
Отношение коллекторного тока к базовому – это главный коэффициент, который показывает усилительные возможности транзистора:
Так как I к>>Iб ,

этавеличина большая, т.е. транзистор усиливает ток. Обычно b составляет 10 – 300.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы.

Аналогичные процессы, происходят в транзисторе типа p-n-p в схеме c общим эмиттером (ОЭ).

Физическая модель биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ

В схеме с транзистором образуются две цепи — входная и выходная. Во входную цепь включается управляющий сигнал, который должен быть усилен, а в выходную — нагрузка, на которой выделяется усиленный сигнал.

При включении транзистора в электрическую схему в зависимости от того, какой из его электродов является общим для цепи входного сигнала и выходного сигнала различают:

Схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) (рис.31 а). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по напряжению и току, так же средними значениями входного и выходного сопротивлений.

Схему включения транзистора с общей базой (ОБ) (рис. 31 б). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по напряжению, но коэффициент передачи по току меньше единицы. Входное сопротивление мало, а выходное велико.

Схему включения с общим коллектором (ОК) (рис.31 в). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по току, но коэффициент передачи по напряжению меньше единицы. Входное сопротивление велико, а выходное мало.

а) б) в)

Uвх=Uбэ; Uвых=Uкэ Uвх=Uбэ; Uвых=Uкб Uвх=Uбк; Uвых=Uкэ

Iвх=Iб; Iвых=Iк Iвх=Iэ; Iвых=Iб Iвх=Iб; Iвых=Iэ.

Рис. 31. Схемы включения биполярного транзистора: а)-с общим эмиттером; б)-с общей базой; в)-с общим коллектором.

Чаще используется схема с общим эмиттером.

В этом случае в базу и в эмиттер подаются напряжения одного знака, но в базу подаётся не больше 0,7 В, а в коллектор – 5…15 В.
Если в коллекторную цепи включить резистор, то напряжение будет уменьшаться при больших токах, и может достичь нуля. В этом случае наступит режим насыщения: напряжение на колекторном переходе станет прямым, ток пойдёт из коллектора в базу и из эмиттера в базу, ток в коллекторной цепи прекратится, а в базе начнётся накопление электронов. Это так называемый режим насыщения.

Режим насыщения очень неприятен, так как из-за этого накопления носителей в базе резко ухудшается быстродействие транзистора.

В зависимости от направления смещения p-n перехода в транзисторах различают три его режима работы:

1) Режим отсечки (РО) — режим, при котором оба p-n перехода смещены в обратном направлении

.
Транзистор закрыт
и через него протекают лишь небольшие тепловые токи обратно смещенных p-n переходов.

2) Режим насыщения (РН) — режим, при котором оба p-n перехода смещены в прямом направлении. Транзистор открыт

и через него протекает максимальный ток, определяемый только внешними цепями (U и R).

3) Активный режим (АР) — режим, при котором эмиттерный p-n переход смещен в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях. При этом транзистор обладает усилительными свойствами

.

АР используется в усилительных устройствах; РН, РО используются в цифровых и импульсных устройствах. Основным является активный режим.

Для обеспечения активного режима работы транзистора между базой и эмиттером необходимо создать отпирающую разность потенциалов Eсм – отпирающее смещение. Для p-n-p типа транзистора это напряжение смещения должно быть отрицательным (рис. 32), а для n-p-n типа – положительным

Рис. 32

Для обеспечения обратного смещения коллекторного p-n перехода на коллектор транзистора должен быть подан потенциал той же полярности, что и на базу транзистора, но большей величины, то есть должно выполняться условие: ׀Eсм׀<�׀Eпит׀.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы

Так как сопротивление обратно смещенного коллекторного p-n перехода очень велико (сотни кОм) для основных носителей, то включение Rн величиной единицы кОм в коллекторную цепь (рис. 30) мало повлияет на общее сопротивление цепи. Тогда очевидно, что, управляя на входе малой мощностью Pвх=Uбэ*Iбэ можно получить пропорциональный цикл в выходной цепи значительно большей мощности: Pвых=Iк*Rн=Iк*Uкэ, Iкэ>>Iб, Uкэ>>Uбэ.

Основные параметры транзистора.

Основные параметры транзистора делятся на предельно-допустимые, усилительные и высокочастотные.

Типы стандартных выпрямителей

Существуют различные силовые выпрямительные полупроводниковые диоды в зависимости от типа монтажа, материала, формы, количества диодов, уровня пропускаемого тока. Самыми распространенными считаются:

1. Устройства средней силы, которые могут передавать ток силы от 1 до 6 Ампер. При этом технические параметры большинства приборов говорят, что такие диоды могут изменить ток с напряжение до 1,3 килоВольт;
2. Выпрямительные диоды максимальной серии могут пропускать ток от 10 Ампер до 400, в основном они применяются как сверхбыстрые преобразователи, для контроля промышленной сферы деятельности. Эти устройства называются также высоковольтные;
3. Низкочастотные диоды или маломощные.

Перед тем, как купить какие либо устройств данного типа, очень важно правильно подобрать основные параметры выпрямительных диодов. К ним относятся: характеристики ВАХ (максимальный обратный ток, максимальный пиковый ток), максимальное обратное напряжение, прямое напряжение, материал корпуса и средняя сила выпрямленного тока. Мы предоставляем таблицу, где Вы сможете в зависимости от своих потребностей, осуществить выбор типа диода

Указанные технические характеристики могут изменяться по требованию производителя, поэтому перед покупкой уточняйте информацию продавца

Мы предоставляем таблицу, где Вы сможете в зависимости от своих потребностей, осуществить выбор типа диода. Указанные технические характеристики могут изменяться по требованию производителя, поэтому перед покупкой уточняйте информацию продавца.

Фото — Таблица низкочастотных диодов

Импортные (зарубежные) выпрямительные диоды (типа КВРС, SMD):

Фото — Таблица импортных диодов

Данные про силовые или высокочастотные диоды:

Фото — Силовые диоды

Выпрямительные схемы включения также бывают разные. Они могут быть однофазными (например, автомобильные и лавинные диоды) или многофазными (трехфазные считаются самыми популярными). Большинство выпрямители малой мощности для отечественного оборудования однофазны, но трехфазный очень важен для промышленного оборудования. Для генератора, трансформатора, станочных приспособлений.

Но при этом, для неконтролируемого мостового трехфазного выпрямителя используются шесть диодов. Поэтому его часто называют шестидиодным выпрямительным прибором. Мосты считаются импульсными и способны нормализовать и выпрямить даже нестабильный ток.

Для маломощных аппаратов (зарядного устройства) двойные диоды, соединенные последовательно с анодом первого диода, также соединены с катодом второго, а изготовлены в едином корпусе. Некоторые имеющиеся в продаже двойные диоды имеют в доступе все четыре терминала, которые можно настроить по своим потребностям.

Фото — Выпрямительный диод средней мощности

Для более высокой мощности одним дискретным устройством обычно используется каждый из шести диодов моста. Его можно применять как для поверхностного оборудования, так и для контроля более сложных приспособлений. Нередко шестидиодные мосты используют ограничительные схемы.

Видео: Принцип работы диодов

Диоды Шоттки от STMicroelectronics

Одним из лидеров по выпуску высококачественных диодов Шоттки является компания ST Microelecronics (далее — ST), входящая в десятку лидеров в производстве компонентов для силовой электроники (См. табл. 1…5). Ряд продуктов ST просто уникален: к примеру, никто больше не в состоянии массово производить 30+30 А/170 В диоды Шоттки в корпусе ТО-220.

Таблица 1. Диоды Шоттки на ток до 200 мА…1 А

Таблица 2. Диоды Шоттки на ток до 2…3 А (включая сдвоенные, для них — данные одного диода)

Таблица 3. Диоды Шоттки на ток до 2…3 А (включая сдвоенные, для них — данные одного диода)

Таблица 4. Диоды Шоттки на ток до 10…25 А (включая сдвоенные, для них — данные одного диода)

Таблица 5. Диоды Шоттки на ток до 30…120А (включая сдвоенные, для них — данные одного диода)

Обозначение выпрямительных диодов Шоттки у ST состоит из следующих элементов:

• префикса STPS (ST Power Shottky);
• первого числа, указывающего номинальный ток в амперах;
• необязательного суффикса (например, H, L, M, S, SM, U), указывающего серию диодов: H — высоковольтные/высокотемпературные (Tj MAX= 150…175°C), L- с низким VF, U- Ultra Low VF (для относительно высоковольтных диодов);
• второго числа- допустимого обратного напряжения в Вольтах;
• необязательного буквенного обозначения схемы соединений: с общим катодом- C, одиночных в многовыводном корпусе- S;
• буквенного обозначения типа корпуса: A- SMA, AF- SMA Flat, B- DPAK, D- DO-220, DJF- PQFN8, FP- TO-220 ISO, G- D2PAK, H- IPAK, R- I2PAK, S- SMC, T- TO-220, TV- ISOTOP (SOT-227), U- SMB, UF- SMB Flat, W- TO-247, Y- MAX-247, Z- SOD123.

Пример: STPS160U — диод Шоттки на 1 А, 60 В, в корпусе SMB.

При выборе диодов Шоттки нужно четко различать две группы областей применения — относительно низкочастотную коммутацию (OR-ing источников питания, cуммирование напряжений, выпрямление 50/60 Гц с минимальными потерями), где нужны минимальные потери от прямого падения напряжения и/или токов утечки, и применение в высокочастотных импульсных преобразователях, где важна минимальная величина общих потерь, то есть нужен минимум суммы статических и динамических потерь.

Диоды, оптимизированные для первой группы применений — это диоды с минимальными прямыми падениями напряжения, получаемыми, как правило, за счет больших площадей переходов (больших емкостей), или специальные микросхемы с использованием управляемого МОП-транзистора, внешне выглядящие как диод, но с чрезвычайно малым падением напряжения. Пример первого подхода — изделие ONSemi MBRB2515, с VF ~250 мВ при токе 56 А, и с емкостью перехода, приближающейся к 10 нФ. Диод подобного класса от ST — STPS40L15CT, сдвоенный и с примерно вдвое меньшей емкостью переходов. Пример второго подхода — диод от ST SPV1001T40, VF ~80…100 мВ при токе 5…6 А, 230…250 мВ при токе 15 А. Преимущество этого решения от ST очевидно.

Что же касается диодов Шоттки для применения в DC/DC-конверторах, то минимальные общие потери совершенно необязательно обеспечит диод с минимальным VF. Особенно при широком диапазоне нагрузок (когда нужно учитывать потери не только от прямого падения напряжения, но и от токов утечки — их величина экспоненциально зависит не только от температуры, но и от начального падения напряжения). Связано это с тем, что за снижение прямого падения напряжения приходится платить либо ростом площади перехода (и емкости диода, что приводит к росту коммутационных потерь, пропорциональных fґСдU2/2), либо резким ростом тока утечки (когда для минимизации прямого падения напряжения выбрано практически нулевое пороговое напряжение за счет подбора материала контакта металл-полупроводник). Примером диода, имеющего минимальные емкости, но небольшой диапазон рабочих токов и температур, может служить поставляемый NXP PMEG1030 (3 A, 10 В), обратный ток которого при температуре перехода 25…30°С составляет около 1 мА, но при 125°С достигает порядка 100 мА (это не опечатка!).

ST Microelectronics, как один из лидеров в силовой электронике, предлагает, пожалуй, самую широкую в индустрии гамму диодов Шоттки на токи от 0,5 до 200 А, оптимизированных по соотношению статических и динамических потерь.

Обратим к примеру, внимание на серию ULVF. STPS50U100C — сдвоенный (25+25 А) 100 В диод в корпусе ТО-220, обладающий одновременно низким прямым падением напряжения (~600 мВ при 15 А/диод) и умеренными как токами утечки (~10 мА при 125°С), так и емкостью перехода (~2200 пФ при 0 В, ~1500 пФ при 10 В, с резким снижением выше 20 В, до 300 пФ на 100 В). Потери переключения каждого такого диода на частоте 100 кГц составляют десятые доли ватта, на частоте 500 кГц — единицы ватт.

Далее, для популярных в настоящее время максимально компактных применений ST выпускает серию 15/30 А диодов в корпусе для поверхностного монтажа Power Flat (PQFN8) — его высота чуть больше 1 мм, размер в плане — 5х6 мм. Это STPS15L30CDJF (7,5+7,5 А), STPS3045DJF, STPS30M100DJF, STPS30U100DJF, STPS30120DJF, STPS30170DJF. Эти диоды рассчитаны на использование в печатных платах с малым тепловым сопротивлением, например, на металлическом основании.

Для сильноточных применений ST производит самые мощные диоды Шоттки из имеющихся в корпусах TO-220 (STPS40M100CT, STPS40120CT, STPS50U100C, STPS60H100CT, STPS60150CT, STPS60170CT, STPS61L45CT, STPS61L60CT) и TO-247/MAX247 (STPS61H100CW, STPS80L60CW, STPS80H100CY, STPS80150CY, STPS80170CY). Наличие столь мощных диодов в стандартных широко распространенных корпусах позволяет упростить и удешевить конструкцию устройств с их применением.

Для приложений, требующих еще больших токов, ST выпускает сдвоенные диоды в изолированном корпусе ISOTOP/ISOT4D (SOT227) — STPS80H100TV, STPS120L15TV, STPS12045TV, STPS160H100TV, STPS24045TV, STPS200170TV (ток до 100…120 А на диод, напряжение 15…170 В).

Другой край ассортимента — диоды, оптимизированные для маломощных применений, такие как STPS0520Z (0,5 А, 20 В) — емкость ~120 пФ при 1 В, ~35 пФ при 20 В, VF ~320…350 мВ при 0,5 А, ток утечки ~80 мкА при температуре перехода 30°С и ~5 мА при 100°С. Такие диоды, благодаря малым емкостям и умеренным утечкам — очень полезный компонент для самых распространенных относительно маломощных преобразователей. Малые емкости позволяют поднять рабочую частоту без ущерба для КПД. Аналогичную область применения имеют диоды BAT30, TMBAT49, TMBYV10-40, TMBYV10-60, BAT20, BAT60.

Естественно, кроме этих «марочных» продуктов, ST выпускает аналоги популярных стандартных продуктов, от BAT30-0X, BAT41, BAT42, TMBAT49, TMBYV10-40, TMBYV10-60, BAT60, 1N5817-1N5819, 1N5821-1N5822, до MBR20100 (STPS20S100C).

Весьма существенной особенностью большинства диодов Шоттки от ST является подробное нормирование динамических тепловых параметров и работы в режиме лавинного пробоя (абсорбции выбросов перенапряжений, возникающих, к примеру, на индуктивностях монтажа). Это позволяет использовать диоды с меньшим допустимым обратным напряжением, получая выигрыш либо в виде снижения потерь (за счет меньших VF и/или Cд), либо снижения стоимости комплектующих. Экономия на стоимости диодов возможна благодаря тому, что вместо диодов с большим максимальным напряжением часто можно выбрать диод, рассчитанный на меньшее максимальное напряжение и максимальный ток, но обеспечивающий при данном рабочем токе то же значение потерь и VF, что и более высоковольтный, рассчитанный на больший ток. В результате получается, что можно либо снизить потери в выпрямителях примерно на 20…25%, либо на примерно такую же величину снизить стоимость используемых диодов.

Однако автор хотел бы предостеречь от распространенной ошибки — попытки использования диодов Шоттки «на пределе» по току, особенно в схемах с «жестким» переключением токов. Во-первых, это крайне нежелательно с точки зрения динамических потерь, поскольку при больших токах (соответствующих падениям напряжения более 0,6…0,9 В в зависимости от типа диода) в структуре диодов Шоттки начинает работать параллельно включенный p-n переходный «охранный» диод. В первую очередь это проявляется появлением накопления заряда выключения, что может вызывать большие импульсные токи/напряжения.

Во-вторых, нужно помнить, что нагрев диодов Шоттки почти не влияет на прямое падение напряжения при больших токах, но вызывает резкий рост токов утечек. Последнее опасно проявлением эффекта саморазогрева обратными токами. Увеличение размера радиатора, необходимое для предотвращения этого риска, часто в итоге обходится дороже, чем использование диодов на больший ток, имеющих меньшие статические потери. Нормирование лавинных характеристик у диодов ST в этом отношении оказывается весьма кстати, поскольку позволяет обойтись диодами на минимальное обратное напряжение (и соответственно, как более дешевыми, так и имеющими меньшее VF).

В заключение стоит сказать, что номенклатура быстродействующих выпрямительных диодов, производимых ST, не ограничивается диодами Шоттки. ST производит большое число Ultrafast-диодов (trr ~50…80 нс), в том числе высоковольтных (на напряжения до 1200 В) и токи до 60 А/диод, 120 А на корпус (серия STTH). В ряде случаев их применение обеспечивает еще меньшие динамические потери, чем у диодов Шоттки (за счет меньших емкостей переходов), см. например структуру PFC, описанную в US pat.№ 6987379.

Естественно, в производственной программе ST есть и большое число «малосигнальных» диодов Шотки, таких как BAS70-0X, BAR18, TMM6263, TMMBAT41…43, TMMBAT46, TMMBAT48, BAT54.

Стоит также отметить, что многие изготовители до сих пор считают излишним предоставлять SPICE-модели своих диодов. У ST их можно получить на сайте. Качество этих моделей, конечно, не идеальное, но они вполне пригодны для оценочных расчетов с «инженерной точностью», т.е. с погрешностями не более 10…20%.

Устройство

Полупроводниковый диод – это двухполюсный прибор, изготовленный из полупроводникового вещества, пропускающий ток в одном направлении и практически не пропускающий в другом.

Главный элемент диода – кристаллическая составляющая с p-n переходом, к которой припаивают (приваривают) металлический анод и катод. Прохождение прямого тока осуществляется при подаче на анод положительного, относительно катода, потенциала.

Обратите внимание! В направлении прямого тока происходит движение дырок. Движение электронов осуществляется в противоположном направлении

Устройство диодов может быть точечным, плоскостным, поликристаллическим.

Дополнительная информация. Принципиальных отличий между точечными и плоскостными двухполюсными приборами не существует.

Устройство точечного диода показано на рисунке (а).

При приваривании тонкой иглы, с нанесённой на неё примесью, к пластине из полупроводника, с обусловленным видом электропроводности, происходит образование полусферического мини p-n перехода, с другим типом проводимости. Это действие получило название – формовка диода.

Изготовление плоскостного двухполюсника осуществляется методом сплавления диффузии. На рисунке (б) представлены сплавной германиевый диод, принцип его устройства. В пластине германия n-типа, при вплавлении туда капли индия при 500 градусах, образуется слой германия р-типа. Выводные контакты, припаиваемые к основной пластине германия и индия, изготавливают из никеля.

При производстве полупроводниковых пластин применяются германий, кремний, арсенид галлия и карбид. В качестве основы точечного и плоскостного двухполюсников используют полупроводниковые монокристаллические пластины с правильным по всему объему строением.

В поликристаллических двухполюсниках p-n переход образуется полупроводниковыми слоями, в состав которых входит большое количество беспорядочно ориентированных малых кристаллов, не представляющих единой монокристаллической формы. Это селеновые, титановые и медно-закисные двухполюсники.

Быстродействующие диоды

Быстродействующие (fast recovery) диоды делятся на диоды с «тонкой базой» по эпитаксиально-планарной технологии (fast-FRED и ultrafast-FRED) и диоды Шоттки [6, 7]. Последние, в свою очередь, могут быть традиционными кремниевыми или на основе карбида кремния (SiC). В диодах с барьером Шоттки (диоды Шоттки, или ДШ) вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды Шоттки отличаются от диодов с p-n-переходом следующими параметрами:

1. более низкое прямое падение напряжение UFM;
2. более низкое обратное напряжение URRM;
3. более высокий ток утечки (обратный ток) IR;
4. почти полностью отсутствует заряд обратного напряжения QR.

В диодах Шоттки (ДШ) прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. У современных ДШ максимальное обратное напряжение составляет около 150-200 В, а прямое падение напряжения меньше, чем у диодов с p-n-переходом, на 0,2-0,35 В. ДШ незаменимы при проектировании мощных низковольтных (на практике до 27-48 В) и сильноточных высокочастотных выпрямителей благодаря свойствам а) и d).

Для быстродействующих диодов характерны те же основные параметры, которые приведены для выпрямительных диодов. Важный параметр I2t, эквивалентный мгновенной энергии на диоде (с конкретным прямым сопротивлением), в отечественных спецификациях или ТУ вообще не указывается. Для зарубежных диодов этот параметр указывается не для всех диодов. Между тем при возникновении перегрузок по току и учете реального времени срабатывания защиты силовых устройств этот параметр, безусловно, должен приниматься во внимание и контролироваться при проектировании СУ. Известны случаи, когда, например, в высокочастотных блоках питания превосходные по своим параметрам зарубежные диоды, выбранные с запасом только по допустимым значениям IF(AV), IFSM, выходили из строя. Это казалось необъяснимым, но, по нашему мнению, происходило при значительных токовых перегрузках или КЗ из-за недостаточного быстродействия узла защиты по току.

Время восстановления обратного сопротивления диода trr является основным параметром быстродействующих диодов, определяющих их инерционные свойства. При изменении полярности приложенного к диоду напряжения обратный ток диода может увеличиваться в десятки раз. Величина trr в определенной степени зависит от «мягкости» («плавности») характеристики восстановления и нормируется при конкретной величине прямого тока и обратного тока. Следует отметить, что в справочных данных (data sheets) не всегда указываются значения URR и IF(AV), при которых определено значение trr, а также график восстановления обратного сопротивления. Вследствие конечного (не нулевого) значения trr дополнительно возникают динамические потери мощности на диоде. При некорректном выборе диодов в части величины trr и частоты коммутации fk в СУ с увеличением частоты существенно возрастают динамические потери. Особенно это важно в таких устройствах, как импульсные ИВЭ, различные высокочастотные инверторы и преобразователи, например для переносных сварочных агрегатов и т. д.

Плавная коммутация тока зависит от отношения времени tb, требуемого для установления напряжения обратного смещения диода, к времени распространения области обеднения в дрейфовую область ta [6]. Задача обеспечения приемлемого отношения tb/ta разработчиками мощных компонентов решается успешно. Так, в 2007 г. компания Fairchild Semiconductor (Fairchild) [17] выпустила диоды типа FFP08S60S и FFPF08S60S (серия Stealth II) с превосходной величиной плавной коммутации (tb/ta>1,3) при малом значении времени обратного восстановления (trr<25 нс) при напряжении пробоя 600 В. Также этой компанией был выпущен диод FFPF08H60S серии Hyperfast II с временем обратного восстановления trr<35 нс при напряжении пробоя 600 В и VFM<2,1 В.

Среди диодов с малым значением VFM отметим недавно выпущенное компанией IXYS новое поколение сверхбыстродействующих диодов серии HiPerFRED2 [6, 14]. Диоды рассчитаны на напряжение 200-400 В и прямой ток 10-120 А. При этом предусмотрены разные варианты конструкции: диоды типа DPF с малыми потерями в открытом состоянии и типа DPG — для высокочастотных устройств. Время обратного восстановления диодов серии составляет 35 нс, прямое падение напряжения — 0,98-1,22 В. Отметим также диоды большой мощности компании Westcode [15, 16]. Компания Westcode была основана в 1920 г. в Великобритании и в настоящее время занимается разработкой и поставкой силовых полупроводников большой мощности. Специалисты Westcode осуществляют также разработку и производство специализированных модулей по заданию заказчика с применением новейших методов тестирования [15]. Компания входит в состав корпорации IXYS.

В таблице 2 приведены характеристики и особенности некоторых быстродействующих диодов. Представлены диоды и сборки ведущих зарубежных фирм IR, IXYS, Fairchild, Westcode [1, 13-18]. Отечественные диоды и сборки представлены продукцией АООТ «Воронежский завод полупроводниковых приборов — С» (АООТ «ВЗПП-С») [19]. В частности, диоды КД644 А(АС)-Ж(ЖС) на напряжения 200-700 В, токи 25 А (2×25 А) и с временем восстановления trr = 50-75 нс. Большим шагом вперед АООТ «ВЗПП-С» и отечественной силовой электроники в целом является выпуск силовых быстродействующих модулей типа МДЧЧ-ХХ-ХХХ на напряжения 400-700 В, токи от 60 А (2×60 А) до 100 А (2×100 А) и с быстродействием (trr) порядка 100 нс. Модули реализованы в корпусах ТО-244 (модификации 2 и 3) с тепловым сопротивлением RthJC = 0,35-0,5 °С|Вт.

Применение диодов

Не следует думать, что диоды применяются лишь как выпрямительные и детекторные приборы. Кроме этого можно выделить еще множество их профессий. ВАХ диодов позволяет использовать их там, где требуется нелинейная обработка аналоговых сигналов. Это преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и другие устройства. Диоды в таких устройствах используются либо непосредственно как преобразователь, либо формируют характеристики устройства, будучи включенными в цепь обратной связи. Широкое применение диоды находят в стабилизированных источниках питания, как источники опорного напряжения (стабилитроны), либо как коммутирующие элементы накопительной катушки индуктивности (импульсные стабилизаторы напряжения).

Выпрямительные диоды.

С помощью диодов очень просто создать ограничители сигнала: два диода включенные встречно – параллельно служат прекрасной защитой входа усилителя, например, микрофонного, от подачи повышенного уровня сигнала. Кроме перечисленных устройств диоды очень часто используются в коммутаторах сигналов, а также в логических устройствах. Достаточно вспомнить логические операции И, ИЛИ и их сочетания. Одной из разновидностей диодов являются светодиоды. Когда-то они применялись лишь как индикаторы в различных устройствах. Теперь они везде и повсюду от простейших фонариков до телевизоров с LED – подсветкой, не заметить их просто невозможно.

Параметры диодов

Параметров у диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен. Основные параметры выпрямительных диодов приведены в таблице ниже.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются. Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

• U пр.– допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.
• U обр.– допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине.

Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

• I пр.– прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.
• I обр.– обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.
• U стаб.– напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Низкочастотные выпрямительные диоды и мосты

Выпрямительные диоды содержат один p-n-переход и являются относительно простыми полупроводниковыми приборами. В зависимости от рабочей частоты (быстродействия), такие диоды делятся на низкочастотные (до 1 кГц), высокочастотные и импульсные (быстродействующие). При изложении данного раздела будем рассматривать только низкочастотные диоды. Другие группы диодов рассматриваются в следующем разделе. Основные параметры выпрямительных диодов [7]:

• максимально допустимое обратное повторяющееся напряжение URRM;
• максимально допустимый выпрямленный прямой средний/прямой эффективный (среднеквадратичный) ток — IF(AV)/IF(RMS);
• максимально допустимый импульсный ток IFMS — для повторяющихся или единичных импульсов диодов (в частности, за 10 мс — половина периода частоты 50 Гц или за 8,3 мс — для частоты 60 Гц);
• прямое падение напряжения на включенном диоде UFM;
• допустимая рабочая частота fmax.

Максимально допустимая мощность рассеяния, как правило, не задается и определяется стандартными типами корпусов диодов (с определенными значениями теплового сопротивления переход-корпус Rth JC). В большинстве случаев выпрямительные диоды крепятся к теплоотво-дящему радиатору (охладителю), а при таблеточной конструкции корпуса — с двух сторон. Отвод тепла обеспечивается путем естественной конвекции или принудительной вентиляции.

Для сетевых выпрямителей обычно выбираются выпрямительные диоды или мосты с напряжением URRM = 600-800 В для однофазной (~220/230 В) и 800-1000 В для трехфазной (3×~220 В или 3×~380 В) сети переменного тока [8]. При этом приняты во внимание максимальное повышение сетевого напряжения (на +20%), возможные «перекосы» напряжения фаз сети и др. В этом случае особенно важно обеспечить напряжение изоляции выводов относительно корпуса блока, которое должно быть Uisol≥2000 В.

Отметим, что, в отличие от других силовых компонентов, в СУ российские разработчики и производители значительно чаще используют силовые выпрямительные диоды отечественных фирм. Отечественные низкочастотные диоды имеют хорошо отработанную технологию, достаточно надежны и сравнительно недороги, например, диоды серий Д1ХХ (Д106-, Д112-, Д122- и т. д.), Д2ХХ (Д232-), Д3ХХ (Д333) и др. Эти диоды перекрывают диапазон напряжений URRM = 100-6000 В и токи IF(AV) = 10-6600 А. Диоды выпускаются в штыревом (металлостеклянные корпуса SD1-SD3, металлокерамические корпуса SD4-SD7), таблеточном и модульном исполнении. Одним из основных производителей силовых диодов и вообще компонентов силовой электроники является ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) [9]. Поставка диодов осуществляется многими фирмами-дилерами: ООО «Симметрон», ООО «Платан», ООО «Силовой диод» (г. Москва) и др. В частности, очень широкую номенклатуру силовых диодов поставляет ООО «Энергосистемавтоматика» (г. Москва) [10].

В таблице 1 приведены основные параметры некоторых низкочастотных выпрямительных диодов отечественных фирм.

Поскольку выпрямительные мосты собраны из выпрямительных диодов, то, естественно, они имеют аналогичный набор параметров. Но поскольку в мосте 2 диода включены последовательно в каждом полупериоде переменного напряжения, параметр UFM, естственно, имеет большее значение. Приведем для примера параметры мостов фирмы IR:

• однофазный мост 26MBxxA: URRM = 200-800 В, IF(AV) = 25 А, IFSM = 475 А (10 мс), UFM= 1,1 В; корпус D-34 A;
• трехфазный мост 110MT120KB: URRM = 1200 В, IF(AV) = 110 А, IFSM = 950 А (10 мс), пороговое напряжение UFM0 = 0,81 В; корпус — модуль.

Диодный мост

Диодный мост — это компактная схема, которая составлена из четырех диодов, и служит цели преобразования переменного тока в постоянный. Мостовая схема дает возможность пропускать ток в каждом полупериоде, что выгодно отличает ее от однополупериодной. Диодные мосты производятся в форме сборок небольшого размера, которые заключены в корпус из пластмассы.

На выходе корпуса такой сборки имеются четыре вывода с обозначениями «+», «—

» или «
~
», указывающими на назначение контактов. Однако диодные мосты встречаются и не в сборке, нередко они собираются прямо на печатной плате путем включения четырех диодов. Выпрямитель, который выполняется на диодном мосте, называется двухполупериодным.

Систематизация диодов

Классификация проводится по назначению, физическим и электрическим, характеристикам, материалу изготовления, конструктивным и технологическим параметрам и прочее.

По мощностным показателям они бывают:

• Маломощными – до 300 mA;
• Среднемощными – диапазон 300 mA-10 А;
• Большой мощности – свыше 10 А.

Варикапы могут быть произведены из кремния или германия. Самыми часто встречаемыми являются кремневые элементы, поскольку обладают более высокими техническими параметрами. При тех же показателях напряжения они располагают гораздо меньшими обратными токами, поэтому величина потенциального обратного напряжения может регистрировать 1500В, в то время как у германиевых моделей только от 100В до 400В.

Также они отличаются и эксплуатационными характеристиками при различных температурных показателях: кремниевые выдерживают нагрузку в диапазоне от -60 до + 150 Со, а германиевые от -60 до +85 Со (при максимальной температуре формируются электронно-дырочные пары, которые способствуют росту обратного тока, делая действие диода малоэффективным).

Типы варикапов

По области применения и способу функционирования силовые диоды делятся на:

• Общего назначения – обладают большим обратным напряжением (50В-5кВ) и прямым током (10А-5кА). Чаще всего они присутствуют в промышленных сетях с частотой колебания 50 Гц. Они могут быть в штыревом или таблеточной виде;
• Импульсные (быстровостанавливающиеся) – напряжение передается импульсами. Они отличаются от других типов: временем восстановления, то есть периодом переключения прямого напряжения на обратное; временем установления – протеканием прямого тока до конкретного напряжения; наивысшим током восстановления – обратным током, которой двигается через варикап после выполнения переключения.
• Обращенные – отличаются большим сосредоточением примесей в р-п-области. Обратное подсоединение происходит при небольшом сопротивлении, в то время как прямое при большом. Они используются в приборах, где необходимо выполнять выпрямление малых импульсов с небольшой амплитудой;
• Диоды Шоттки – прямой ток обуславливается движением электронов. Для их производства используются низкоомные п-кремниевые подложки и тонкий слой высокоомного аналогичного проводника. Металлический электрод может выпрямить токи до 10А, но не инжектировать неосновные носители, что делает устройства Шоттки малоинерционными.

ХаÑакÑеÑиÑÑики

ÐаждÑй Ñип полÑпÑоводников Ð¸Ð¼ÐµÐµÑ Ñвои ÑабоÑие и пÑеделÑнÑе паÑамеÑÑÑ, коÑоÑÑе подбиÑаÑÑ Ð´Ð»Ñ Ñого, ÑÑÐ¾Ð±Ñ Ð¾Ð±ÐµÑпеÑиÑÑ ÑабоÑÑ Ð² какой-либо ÑÑеме.

ÐаÑамеÑÑÑ Ð²ÑпÑÑмиÑелÑнÑÑ Ð´Ð¸Ð¾Ð´Ð¾Ð²:

• I пÑÑм max â пÑÑмой Ñок, коÑоÑÑй макÑималÑно допÑÑÑим, Ð.
• U обÑÐ°Ñ max â обÑаÑное напÑÑжение, коÑоÑое макÑималÑно допÑÑÑимо, Ð.
• I обÑÐ°Ñ â обÑаÑнÑй Ñок поÑÑоÑннÑй, мкÐ.
• U пÑÑм â пÑÑмое напÑÑжение поÑÑоÑнное, Ð.
• РабоÑÐ°Ñ ÑаÑÑоÑа, кÐÑ.
• ТемпеÑаÑÑÑа ÑабоÑÑ, С.
• Ð max â ÑаÑÑÐµÐ¸Ð²Ð°ÐµÐ¼Ð°Ñ Ð½Ð° диоде моÑноÑÑÑ, коÑоÑÐ°Ñ Ð¼Ð°ÐºÑималÑно допÑÑÑима.

ХаÑакÑеÑиÑÑики вÑпÑÑмиÑелÑнÑÑ Ð´Ð¸Ð¾Ð´Ð¾Ð² далеко не иÑÑеÑпÑваÑÑÑÑ Ð´Ð°Ð½Ð½Ñм ÑпиÑком. Ðднако Ð´Ð»Ñ Ð²ÑбоÑа деÑали обÑÑно Ð¸Ñ Ð±ÑÐ²Ð°ÐµÑ Ð´Ð¾ÑÑаÑоÑно.

Применение в сварке

В любом трансформаторном или инверторе присутствуют силовые диоды. Они предназначены для выпрямления переменного тока. Для повышения коэффициента полезного действия диоды подключают по мостовой схеме, в этом случае оба полупериода приходятся на нагрузку.

В трансформаторном сварочном аппарате выпрямительные диоды устанавливают на выходе вторичной обмотки. Сварочное оборудование имеет понижающий трансформатор, соответственно, напряжение холостого хода значительно ниже входного, поэтому здесь требуются приборы большой мощности и низкой частоты. Для этого подойдут выпрямительные диоды В200 (максимальный ток 200А).

Для сварочного инвертора требуется два выпрямителя. Один располагается на входе источника питания. Он преобразует переменный ток 220 вольт 50 Гц в постоянный, который преобразуется в дальнейшем в переменный ток высокой частоты (40-80 кГц).

При мощности аппарата 5 кВт выпрямительные диоды должны иметь обратное напряжение 600-1000 В и средний прямой ток 25-35 А при частоте 50 Гц.

Второй выпрямитель располагается после высокочастотного трансформатора. Здесь требования другие. Максимальный прямой ток должен быть не менее 200 А на частоте 80 кГц, а обратное напряжение превышать напряжение холостого хода (60-70 В).

В любом случае используются диоды из категории мощных, с площадкой для монтажа радиатора, поскольку без отведения тепла устройство быстро сгорит.

Классификация по мощности

Мощность элементов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:

• Слаботочные выпрямительные диоды, они используются в цепях с током не более 0,3 А. Корпус таких устройств, как правило, выполнен из пластмассы. Их отличительные особенности – малый вес и небольшие габариты.

• Устройства, рассчитанные на среднюю мощность, могут работать с током в диапазоне 0,3-10 А. Такие элементы, в большинстве своем, изготавливаются корпусе из металла и снабжены жесткими выводами. На одном один из них, а именно на катоде, имеется резьба, позволяющая надежно зафиксировать диод на радиаторе, используемого для отвода тепла. Выпрямительный диод средней мощности
• Силовые полупроводниковые элементы, они рассчитаны на прямой ток свыше 10 А. Производятся такие устройства в металлокерамических или металлостеклянных корпусах штыревого (А на рис. 4) или таблеточного типа (В).

Тиристоры

Данные детали находят широкое применение в приборах для выпрямления и преобразования электротока, сварочных аппаратах, устройствах запуска и контроля скорости работающего на электричестве транспорта, различных радиоэлектронных и коммутационных установках. Применяются они и в конструкциях, предназначенных для компенсации реактивной мощностной нагрузки.

Важно! Низкочастотные тиристоры рассчитаны на эксплуатацию при частоте не более 100 герц. Устройства, отличающиеся повышенным быстродействием, заточены под использование в установках, требующих быстрого нарастания открытого электротока и закрытого напряжения

Тиристорная деталь

Силовые диоды – применение

Устройства применяются практически во всех современных бытовых и промышленных электроприборах, для детекторов, схемотехники, стабилизаторов, коммутаторах, ограничителях и прочее. Они употребляются в устройствах нелинейного обрабатывания аналоговых импульсов и обеспечивают течение главного сигнала. Силовые диоды применяются для реорганизации переменного тока в постоянный.

Некоторые виды могут использоваться для стабилизации выходного напряжения генераторов питания или для ограничения диапазона колебаний импульсов. Диодные мосты позволяет осуществлять замыкание и размыкание цепи для трансляции сигнала в коммутационных приборах, питающихся электричеством. Благодаря своим техническим характеристикам они используются во всех изделия: от самых простых, до самых сложных.

Характеристики

Каждый тип полупроводников имеет свои рабочие и предельные параметры, которые подбирают для того, чтобы обеспечить работу в какой-либо схеме.

Параметры выпрямительных диодов:

• I прям max
  — прямой ток, который максимально допустим, А.
• U обрат max
  — обратное напряжение, которое максимально допустимо, В.
• I обрат
  — обратный ток постоянный, мкА.
• U прям
  — прямое напряжение постоянное, В.
• Рабочая частота
  , кГц.
• Температура работы
  , С.
• Р max
  — рассеиваемая на диоде мощность, которая максимально допустима.

Характеристики выпрямительных диодов далеко не исчерпываются данным списком. Однако для выбора детали обычно их бывает достаточно.

Параметры диодного выпрямителя

Каждый тип диодов имеет свои предельно допустимые и рабочие характеристики. Основные параметры выпрямительных диодов представлены в таблице:

Как правило, к данной информации обращаются тогда, когда элемент из схемы выпрямителей недоступен и ему необходимо найти замену. В большинстве случаев аналоги выбираются по первым пяти параметрам из таблицы, но иногда еще следует учитывать такие характеристики выпрямительных диодов, как рабочая температура и частота.

Очень важный параметр диодов — это их прямой ток. Его стоит учитывать, когда происходит замена исходных диодов на аналоги, а также в случае создания самодельных устройств. В зависимости от различных модификаций показатели значения прямого тока могут достигать величин в несколько десятков и даже сотен ампер. Поэтому в мощных устройствах диодные мосты обязательно устанавливают в специальном корпусе вместе с охлаждающим радиатором, который не позволяет перегреваться кристаллу в диоде.

Некоторые подвиды диодов, например Шоттки, очень восприимчивы к перепадам обратного напряжения, поэтому могут быстро прийти в негодность. А вот кремниевые полупроводники, наоборот, являются устойчивыми к повышению показателей обратного напряжения. Они способны прослужить длительный период, а именно до тех пор, пока кристалл на проводнике не перегреется и не выйдет из строя, для чего необходимо много времени.

Технология изготовления

Выпрямительный диод по конструкции представляет пластину полупроводникового кристалла, в теле которой имеются две области, имеющие разную проводимость. Это послужило причиной того, что их называют плоскостными.

Полупроводниковые выпрямительные диоды делаются так: на области кристалла полупроводника, имеющей проводимость n-типа, происходит расплавление алюминия, индия или бора, а на область кристалла с проводимостью p-типа расплавляется фосфор.

При воздействии высоких температур эти два вещества накрепко сплавляются с полупроводниковой основой. Кроме того, атомы этих материалов диффундируют внутрь кристалла с образованием в нем области с преимущественно электронной или дырочной проводимостью. В итоге образуется полупроводниковый прибор, имеющий две области с различного типа электропроводностью, а между ними образован p-n-переход. Таков принцип работы подавляющего большинства плоскостных диодов из кремния и германия.

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. Электрический ток не пройдет через устройство в случае низкой проводимости, но лавинный пробой происходит в случае возросшего до определенного уровня обратного напряжения.