Характеристики и принцип действия выпрямительных диодов

Общие сведения

Диод (Д) — полупроводниковый элемент, служащий для пропускания тока через p-n-переход только в одном направлении. При помощи Д можно выпрямлять переменное U, получая из него постоянное пульсирующее. Для сглаживания пульсаций применяют фильтры конденсаторного или индуктивного типа, а иногда их и комбинируют.

Д состоит только из p-n-перехода с выводами, которые называются анодом (+) и катодом (-). Ток, при прохождении через проводник, оказывает на него тепловое действие. При нагреве катод испускает отрицательно заряженные частицы — электроны (Э). Анод притягивает электроны, так как обладает положительным зарядом. В процессе образуется эмиссионное поле, при котором возникает ток (эмиссионный). Между (+) и (-) происходит генерация пространственного отрицательного заряда, мешающего свободному движению Э. Э, достигшие анода, образуют анодный ток, а не достигшие — катодный. Если анодный и катодный токи равны нулю, Д находится в закрытом состоянии.

Устройство полупроводника

Д состоит из корпуса, изготавливаемого из прочного диэлектрического материала. В корпусе находится вакуумное пространство с 2 электродами (анод и катод). Электроды, представляющие металл с активным слоем, обладают косвенным накалом. Активный слой при нагревании испускает электроны. Катод устроен таким образом, что внутри его находится проволока, которая накаливается и испускает электроны, а анод служит для их приема.

Рисунок 1 — Схематическое изображение полупроводника p-n-типа.

Сферы применения

Д широко применяется в качестве выпрямителя переменного U в построении блоков питания (БП), диодных мостов, а также в виде одиночного элемента конкретной схемы. Д способен защитить цепь от несоблюдения полярности подключения источника питания. В цепи может произойти пробой какой-либо полупроводниковой детали (например, транзистора) и повлечь за собой процесс выхода из строя цепочки радиоэлементов. При этом применяется цепочка из нескольких Д, подключенных в обратном направлении. На основе полупроводников создаются переключатели для коммутации высокочастотных сигналов.

Д применяются в угольной и металлургической промышленностях, особенно при создании искробезопасных цепей коммутации в виде диодных барьеров, ограничивающих U в необходимой электрической цепи. Диодные барьеры применяются вместе с ограничителями тока (резисторами) для уменьшения значений I и повышения степени защиты, а следовательно, электробезопасности и пожаробезопасности предприятия.

Диоды большой мощности

Рис. 3. Выпрямительные отечественные диоды большой мощности.

В таблице приведены справочные данные по отечественными выпрямительным диодам большой мощности.

Справочник по диодам отечественного производства.

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.

Таблица основных параметров выпрямительных диодов.

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.

Диоды высокого тока.

Как классифицируются

Справочник по выпрямительным диодам может быть составлен по ряду критериев. Если отталкиваться от наибольшей величины прямого электротока, можно выделить категории деталей с малым значением мощности (предназначены для работы с током до 300 миллиампер), средним (от 300 мА до 10 А) и выпрямительные диоды большой мощности (более 10 А). Мощные диоды с кремниевыми компонентами обладают значительно меньшим значением обратного тока, по сравнению с деталями из германия. Это позволяет добиться больших значений возможного обратного напряжения в полупроводниковых элементах, превышающего 1,5 киловольт (у германиевых изделий оно довольно малое – не более 400 вольт).

Важно! Диоды с кремнием отличаются также значительно лучшей переносимостью высоких температур, сохраняя работоспособность при показателях до 150 градусов Цельсия (для германия максимум составляет 80 градусов). Наименьшая температура эксплуатации для обоих типов изделий – -60 градусов

По особенностям функционирования можно выделить следующие типы диодных устройств:

1. Импульсные – используются в маломощных электросхемах с соответствующей подачей напряжения. Основными их характеристиками являются наибольший электроток восстановления (это обратный ток, протекающий по устройству следом за переключением), время восстановления (по его прошествии происходит переход в режим обратного напряжения) и время установки (в этот период прямой электроток течет по диоду до того, как установится нужное напряжение).
2. Обращенные – отличаются тем, что прямое включение показывает значительно большие резистивные свойства, чем обратное. Применяют их с целью выпрямить сигналы с малой амплитудой (менее 100 вольт).
3. Изделия Шоттки – отличаются малым показателем инерционности. Особенность их устройства такова, что внутри диода не происходит накопления и рассасывания неосновных носителей. Поскольку их полупроводниковый слой имеет небольшую величину сопротивления, при последовательном подключении деталь обладает низкой резистивностью. Варикапы Шоттки хорошо подходят для использования на источниках питания импульсного типа, реализующих выпрямление напряжения с частотой более одного мегагерца. Они могут работать с электротоками большой силы – более 10 ампер.

Диодные компоненты Шоттки

Диодный мост

Диодный мост – это небольшая схема, составленная из 4-х диодов и предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный. В отличие от однополупериодного выпрямителя, состоящего из одного диода и пропускающего ток только во время положительного полупериода, мостовая схема позволяет пропускать ток в течение каждого полупериода. Диодные мосты изготавливают в виде небольших сборок заключенных в пластмассовый корпус. Из корпуса сборки выходят четыре вывода напротив которых расположены знаки «+», «—» или «~», указывающие, где у моста вход, а где выход. Но не обязательно диодные мосты можно встретить в виде такой сборки, их также собирают включением четырех диодов прямо на печатной плате, что очень удобно.

Например. Вышел из строя один из диодов моста, если будет стоять сборка, то ее смело выкидываем, а если мост будет собран из четырех диодов прямо на плате — меняем неисправный диод и все готово. На принципиальных схемах диодный мост обозначают включением четырех диодов в мостовую схему, как показано в левой части нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моста. Такое графическое обозначение моста можно встретить еще в старых журналах по радиотехнике. Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мост обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярность выходного напряжения. Теперь рассмотрим работу диодного моста на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.

Диодный мост.

Выпрямительные диоды

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используют для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используют выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Кремниевые сплавные диоды используют для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгалиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

• падение напряжения U_пр на диоде при некотором значении прямого тока;
• обратный ток I_обр при некотором значении обратного напряжения;
• среднее значение прямого тока I_пр.ср.;
• импульсное обратное напряжение U_обр.и.;

К динамическим параметрам диода относятся его временные и частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

• время восстановления t_вос обратного напряжения;
• время нарастания прямого тока I_нар.;
• предельная частота без снижения режимов диода f_max.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.

Время обратного восстановления диода t_вос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока I_пр на заданное обратное напряжение U_обр. Во время переключения напряжение на диоде приобретает обратное значение. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде прекращается не мгновенно, а в течении времени t_нар. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). Из этого следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямляемого напряжения.

При изменении температуры диода изменяются его параметры. Наиболее сильно от температуры зависят прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Приблизительно можно считать, что ТКН (температурный коэффициент напряжения) Uпр = -2 мВ/К, а обратный ток диодаимеет положительный коэффициент. Так при увеличении температуры на каждые 10 °С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых – 2,5 раз.

Маркировка выпрямительных диодов

В зависимости от конструкций и назначения, выпрямительные диоды маркируются следующим образом:

Исходя из таких данных, мы имеем следующие расшифровки:

КД – импульсный или выпрямительный диод кремниевого исполнения;

КЦ – кремниевые блоки выпрямительного типа.

Перед тем, как купить выпрямительные диоды в Харькове, Москве и любых других городах, обязательно уточняйте справочные характеристики у продавцов-консультантов.

Выпрямительный диод — это прибор проводящий ток только в одну сторону. В основе его конструкции один p-n переход и два вывода. Выпрямительный диод изменяет ток переменный на постоянный. Помимо этого, выпрямительные диоды повсеместно практикуют в электросхемах умножения напряжения, цепях, где отсутствуют жесткие требования к параметрам сигнала по времени и частоте.

• Принцип работы
• Основные параметры устройств
• Выпрямительные схемы
• Импульсные приборы
• Импортные приборы

Электрические параметры

У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

• Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
• Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
• Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
• Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
• Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
• Рабочая частота, кГц;
• Рабочая температура, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.

Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Силовой выпрямительный диод.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

Германий или кремний

По применяемым материалам они бывают кремниевые и германиевые, однако более широкое применение нашли кремниевые выпрямительные диоды благодаря своим физическим свойствам.

У них обратные токи в несколько раз меньше, чем в германиевых, в то время как напряжение одинаково. Это дает возможность добиваться в полупроводниках очень высокой величины допустимых обратных напряжений, которые могут составлять до 1000-1500 В. В германиевых диодах этот параметр находится в диапазоне 100-400 В.

Кремниевые диоды способны сохранять работоспособность в диапазоне температур от -60 ºС до +150 ºС, а германиевые — только от -60 ºС до +85 ºС. Это происходит потому, что когда температура становится выше 85 ºС, количество образовавшихся электронно-дырочных пар достигает таких величин, что резко увеличивается обратный ток, и выпрямитель перестает работать эффективно.

ВАХ полупроводниковых диодов из разных материаллов

ВАХ полупроводниковых диодов как в прямом, так и в обратном направлениях протекания тока аппроксимируются экспоненциальными функциями. На практике совпадение расчетных (теоретических) и экспериментальных характеристик наблюдается лишь на ограниченных участках кривых, например, в области малых токов. В области прямых больших токов (напряжений) зависимость тока от напряжения практически линейна. На рисунке показаны реальные ВАХ полупроводниковых диодов.

ВАХ полупроводниковых диодов, выполненных из разных материалов и разными методами (точечные — m, плоскостные — n). Монокристаллические: германиевые — Ge, кремниевые — Si; поликристаллические: меднозакисные (купроксные) — Cu₂O; селеновые — Se.

В последние десятилетия в отечественной литературе избегают приводить внешний вид ВАХ полупроводниковых приборов. И это не случайно. Вольт-амперные характеристики не очень хорошо воспроизводимы: они отличаются даже у приборов одной партии. Кроме того, ВАХ, особенно для силовых низкочастотных полупроводниковых приборов, сильно зависят от частоты, от сопротивления нагрузки, его резистивно-емкостных и иных характеристик.

Тем не менее, свойства полупроводниковых приборов необходимо каким-то образом описывать. В этой связи в паспортах на них и справочных руководствах принято указывать параметры характерных точек на ВАХ, полученные путем статистического усреднения данных по большой выборке однотипных полупроводниковых приборов испытанных по стандартизированной методике измерений, в пределах использования которой эти данные достаточно воспроизводимы.

К наиболее важным параметрам, характеризующим избранные и наиболее практически значимые точки ВАХ, принято относить:

Прямой ток (I_пр.) — среднее значение тока через открытый диод, при котором обеспечивается надежный режим работы.
Прямое падение напряжения (U_пр.) — напряжение на диоде при прохождении прямого тока I_пр.
Обратный ток (I_обр.) — ток через диод при определенном обратном напряжении.
Максимальное обратное напряжения (U_обр.) — напряжение, соответствующее безопасной области работы, после превышения которого может произойти повреждение прибора.

Все эти сведения для выпрямительных диодов обычно приводят для области низких частот, a именно, 50 Гц. При повышенных частотах на работу полупроводниковых силовых приборов начинают заметно влиять емкости переходов, что можно наблюдать, например, на характериографе. Более того, емкости переходов изменяются в несколько раз при разном уровне приложенного напряжения, a также существенно разнятся при прямом и обратном включении. На практике c ростом частоты диоды теряют выпрямительные свойства и больше напоминают резистивноемкостную цепочку, поэтому при выборе диода для той или иной схемы необходимо учитывать его частотные характеристики.

Как следует из последнего рисунка, ВАХ различных полупроводниковых приборов заметно отличаются друг от друга. Эти различия часто используют во благо при создании полупроводниковых приборов, предназначенных для выполнения специфических функций. B частности, селеновые выпрямители не могут составить конкуренцию кремниевым или германиевым, поскольку рассчитаны на малый прямой ток и малое обратное напряжение, зато свойства их более воспроизводимы,что позволяет применять селеновые выпрямители при параллельном или последовательном их включении без использования уравнительных резисторов (обычно для создания слаботочных высоковольтных выпрямительных столбов).

Меднозакисные выпрямители в настоящее время практически не используют, однако их и сейчас можно встретить в некоторых измерительных приборах.

Наиболее широкое распространение в последнее время получили кремниевые и, в меньшей мере, германиевые полупроводниковые диоды. Кремниевые выгодно отличаются тем, что способны работать при повышенных температурах, вплоть до 100…130oС. Они имеют меньшие обратные токи, допускают работу при более высоких обратных напряжениях — до 800…1200В. Германиевые диоды имеют малое прямое падение напряжения на переходе, но работают до температур не выше 70oС. Кроме перечисленных, выпрямительные функции могут выполнять и другие полупроводниковые приборы, например на основе арсенида галлия GaAs или антимонида индия InSb.