Принцип работы диода Шоттки и сферы его применения

Аккумуляторы 

22 февраля, 2019 0

Время прочтения:

Диод Шоттки, принцип работы которого мы опишем сегодня, является очень удачным изобретением немецкого ученого Вальтера Шоттки. В его честь устройство и было названо, а встретить его можно при изучении самых разных электрических схем. Для тех, кто еще только начинает знакомиться с электроникой, будет полезным узнать о том, зачем его используют и где он чаще всего применяется.

Содержание статьи

• Что это такое
• Отличие от других полупроводников
• Плюсы и минусы
• Сфера применения

Что это такое

Это полупроводниковый диод с минимальным падением уровня напряжения во время прямого включения. Он имеет две главные составляющие: собственно, полупроводник и металл.

Как известно, допустимый уровень обратного напряжения в любых промышленных электронный устройствах составляет 250 В.

Такое U находит практическое применение в любой низковольтной цепи, препятствуя обратному течению тока.

Структура самого устройства несложна и выглядит следующим образом:

• полупроводник;
• стеклянная пассивация;
• металл;
• защитное кольцо.

При прохождении электрического тока по цепи положительные и отрицательные заряды скапливаются по всему периметру устройства, включая защитное кольцо. Скопление частиц происходит в различных элементах диода. Это обеспечивает возникновение электрического поля с последующим выделением определенного количества тепла.

Отличие от других полупроводников

Главное его отличие от других полупроводников состоит в том, что преградой служит металлический элемент с односторонней проводимостью.

Такие элементы изготавливают из целого ряда ценных металлов:

• арсенида галлия;
• кремния;
• золота;
• вольфрама;
• карбида кремния;
• палладия;
• платины.

От того, какой металл выбирается в качестве материала, зависят характеристики нужного показателя напряжения и качество работы электронного устройства в целом. Чаще всего применяют кремний — по причине его надежности, прочности и способности работать в условиях большой мощности. Также используется и арсенид галлия, соединенный с мышьяком, либо германий.

Плюсы и минусы

При работе с устройствами, включающими в себя диод Шоттки, следует учитывать их положительные и отрицательные стороны. Если подключить его в качестве элемента электрической цепи, он будет прекрасно удерживать ток, не допуская его больших потерь.

К тому же, металлический барьер обладает минимальной емкостью. Это значительно увеличивает износостойкость и срок службы самого диода. Падение напряжения при его использовании минимально, а действие происходит очень быстро — стоит только провести подключение.

Однако большой процент обратного тока является очевидным недостатком. Поскольку многие электроприборы обладают высокой чувствительностью, нередки случаи, когда небольшое превышение показателя, всего лишь на пару А, способно надолго вывести прибор из строя. Также, при небрежной проверке напряжения полупроводника, может произойти утечка самого диода.

Сфера применения

Диод Шоттки может включать в себя любой аккумулятор.

Он входит в устройство солнечной батареи. Солнечные панели, которые уже давно успешно работают в условиях космического пространства, собираются именно на основании барьерных переходов Шоттки. Такие гелиосистемы устанавливаются на космических аппаратах (спутниках и телескопах, проводящих работу в жестких условиях безвоздушного пространства).

Устройство незаменимо при работе компьютеров, бытовой техники, радиоприемников, блоков электропитания. При правильном использовании диод Шоттки увеличивает производительность любого устройства, предотвращает потери тока. Он способен принимать на себя альфа-, бета- и гамма-излучение. Именно поэтому он незаменим в условиях космоса.

С помощью такого устройства можно осуществить параллельное соединение диодов, используя их в качестве сдвоенных выпрямителей. Таким образом можно объединить межлу собой два параллельных источника питания. Один корпус включает в себя два полупроводника, а концы положительного и отрицательного зарядов связываются друг с другом. Есть и более простые схемы, где диоды Шоттки очень малы. Это характерно для очень мелких деталей в электронике.

Диод Шоттки является незаменимым элементом во многих электронных устройствах. Главное — понимать специфику его работы и использовать его корректно.

Возобновляемый источник энергии — солнечная энергия от Гелиос Хаус

Опубликовано 23 мая 2020

Ни для кого не секрет, что, при производстве солнечных батарей, а также при их монтаже, используют диоды.

Тем не менее, у большинства пользователей нет четкого понимания о том, какую роль эти диоды выполняют и зачем они вообще нужны.
Мы постараемся пролить свет на этот сложный вопрос и сформулируем основные правила применения диодов при монтаже солнечных электростанций.

По большей части солнечные батареи состоят из некоторого количества солнечных ячеек. Простейшая эквивалентная схема солнечной ячейки выглядит следующим образом:

  
Рис. 1 Эквивалентная схема фотоэлектрической ячейки

Здесь Rп – последовательное сопротивление фотоэлектрической ячейки, Rш – шунтовое (параллельное) сопротивление фотоэлектрической ячейки.
Обычно в солнечной панели все элементы соединяются последовательно, что может приводить к проблеме «черного пятна». Рассмотрим схему солнечной батареи. Нагрузку обозначим как Rн.
  
Рис.2 Схема солнечной батареи

Если затеняется один из элементов, исчезает его ЭДС, а активное сопротивление растет по мере затенения. Нетрудно догадаться, что на затененной ячейке выделится большая часть мощности солнечной батареи, от чего ячейка может перегреться и выйти из строя, а вместе с ней и вся солнечная панель.

Для предотвращения этого нежелательного эффекта каждую фотоэлектрическую ячейку нужно шунтировать диодом.

Рис. 3 Схема фотоэлектрической панели с шунтирующими диодами.

Если солнечная ячейка освещена, шунтирующий диод заперт ЭДС самой ячейки, и ток через него не идет, солнечная батарея работает в обычном режиме. При затенении исчезает ЭДС, диод открывается и весть ток идет мимо ячейки, не повреждая её. Таким образом, фотоэлектрическая ячейка, равно как и вся солнечная батарея, не выходит из строя.

Конечно, шунтировать каждую ячейку очень сложно и дорого, поэтому обычно диоды подключают к некоторой группе ячеек. В зависимости от мощности и конструкции солнечной батареи, в монтажной коробке может быть различное количество шунтирующих диодов.

Теперь, наверняка, понятно, зачем нужны шунтирующие диоды, также совершенно ясно, что ставить их отдельно не нужно, они уже есть внутри солнечных батарей. Могут встречаться солнечные батареи и без шунтирующих диодов, однако это большая редкость.

Блокирующие диоды для солнечных панелей

Помимо шунтирующих диодов широко применяются и блокирующие. Зачем они нужны? Рассмотрим параллельное соединение двух солнечных батарей. Для наглядности изобразим их как диоды.
                   
Рис.4 Параллельное соединение двух солнечных батарей.

При затенении одной из солнечных батарей, даже частичном, возникнет довольно неприятная картина: затененный модуль станет нагрузкой для освещенного, возникнет противоток и дополнительный нагрев. Ситуация усугубляется, если сопротивление нагрузки велико, а это запросто может быть, если аккумулятор заряжен. В предельном случае имеет место просто короткое замыкание освещенной панели через затененную.

Тем не менее, если солнечных батарей две, то все не так страшно, в цепи будет течь ток короткого замыкания одной солнечной батареи, который, как известно, не так велик, чтобы как-то повредить панель.
                
Рис.5 Параллельное соединение трех солнечных батарей.

Другое дело, если параллельно соединено много солнечных батарей, больше двух. Тогда, при затенении, в цепи может протекать сумма нескольких токов короткого замыкания и затененный солнечный модуль запросто может выйти из строя. В данном случае, чтобы исключить противоток, следует установить блокирующий диод для каждой параллельной цепочки, будь это одна солнечная батарея или несколько, соединенных последовательно.

             

Рис. 6 Применение блокирующих диодов при параллельном соединении солнечных батарей.

Итак, мы рассмотрели тот единственный случай, когда действительно нужно дополнительно устанавливать блокирующие диоды.
Подключается диод при помощи МС4 коннекторов. Прелесть в том, что подключить его в неверном направлении просто невозможно, так как МС4 + и – разные и они просто не подойдут, если направление неверное. Диоды характеризуются предельным током, от 5 до 30 А. Больше 30А вряд ли получится встретить, так как это максимальный ток для МС4 коннектора.

Намеренное затенение солнечных батарей

Затенение солнечных батарей является большой проблемой, однако иногда оно создается намеренно. Довольно популярна идея установки солнечных батарей на разные стороны света, допустим, на восток и на запад. Идея, действительна, хорошая. Пожертвовав суммарной дневной выработкой, мы улучшаем распределение этой выработки в течении дня, то есть увеличиваем утреннюю и вечернюю часть. Таким образом, аккумулятор меньше циклируется и живет дольше. Использовать в подобных системах следует два независимых трекера, то есть два солнечных контроллера, что вполне логично, солнечные массивы освещены по-разному и каждый имеет свою рабочую точку.
Пример такой электростанции мы уже разбирали в обзоре «Установка солнечных батарей на разные скаты крыши».
Тем не менее, очень часто, по большей части из экономии, оба солнечных массива подключают к одному контроллеру. Якобы второй контроллер вообще не нужен, а влияние солнечных батарей друг на друга можно исключить при помощи диодов. Применяется даже термин – «развязывающие» диоды. Действительно, блокирующие диоды в данной ситуации просто необходимы, и скорее уже как противопожарная мера. Тем не менее, в течение дня один из солнечных массивов постоянно блокирован диодом, работает только самый освещенный. По сути, солнечные батареи мешают работать друг другу и толку от такой системы совсем не много.
Итак, имея солнечные батареи в разных условиях, это могут быть просто разные солнечные панели, разная ориентация по сторонам света, или разный угол установки — используйте отдельные контроллеры заряда. Диоды вам не помогут сохранить выработку. Вообще, как мы выяснили, диоды нужно ставить лишь в одном случае, когда параллельно соединены три и более солнечных батареи или группы солнечных батарей.

Вам могут быть интересны:
Монтаж солнечной электростанции своими руками
Инвертор для солнечной электростанции. Что внутри?
Защита солнечных батарей. Устройства защиты и предохранители фотоэлектрической системы

Диод Шоттки Характеристики и применение

Диоды Шоттки используются благодаря низкому напряжению включения, быстрому времени восстановления и низким потерям энергии на более высоких частотах. Эти характеристики делают диоды Шоттки способными выпрямлять ток, способствуя быстрому переходу из проводящего состояния в запирающее. Поэтому диоды Шоттки часто являются идеальным выбором для полупроводниковых устройств во многих приложениях. Вот пять наиболее распространенных применений диодов Шоттки.

Радиочастотные смесители и детекторные диоды

Диоды Шоттки имеют высокие скорости переключения и высокочастотные характеристики, что делает их подходящими для использования в радиочастотных приложениях. Кроме того, диоды Шоттки имеют различные конфигурации перехода металл-полупроводник, что делает эти полупроводниковые устройства полезными в схемах детекторов мощности или смесителей.

Применение в силовых выпрямителях

Диоды Шоттки являются лучшими полупроводниковыми устройствами для использования в силовых выпрямителях, поскольку эти устройства имеют как высокую плотность тока, так и низкое прямое падение напряжения (например, 1,27 В при 25 °C, 1,37 В при 175 °C для C6D10065A для 650-В SiC-диода Шоттки), в отличие от характеристик обычных устройств с PN-переходом. Эти преимущества способствуют более низкому уровню нагрева, меньшему количеству радиаторов, включенных в конструкцию, и общему повышению эффективности электронной системы.

Силовые или цепные приложения

Диоды Шоттки могут использоваться в приложениях, где ток генерируется двумя параллельными источниками питания. Характеристики диода Шоттки делают его хорошо приспособленным для использования в силовых или схемных приложениях из-за низкого падения напряжения в прямом направлении. Наличие этих диодов также предотвращает протекание обратного тока от одного источника к другому.

Применение солнечных элементов

Солнечные элементы часто подключаются к перезаряжаемым батареям для хранения энергии, поскольку солнце недоступно в качестве источника энергии 24 часа в сутки. SiC-диоды Шоттки предотвращают разряд батарей через солнечные элементы в ночное время и предотвращают разряд высокоэффективных солнечных элементов через солнечные элементы с более низкими характеристиками.

Зажимные диоды

Диоды Шоттки используются в качестве переключателей в быстрозажимных диодах. В этом приложении базовый переход смещен в прямом направлении. С диодами Шоттки значительно сокращается время выключения и увеличивается быстродействие схемы.

Компания Wolfspeed производит одни из самых качественных и надежных полупроводников с запрещенной зоной в мире, о чем свидетельствуют более 4,7 триллионов рабочих часов и самый низкий показатель FIT. Обладая более чем 14-летним опытом работы с SiC-ориентированными коммерческими диодами и более чем 25-летним опытом работы с электронными устройствами, компания Wolfspeed стремится поставлять диоды Шоттки с более высокими частотами переключения, меньшими потерями при переключении и более низкими рабочими температурами без необходимости какой-либо дополнительной модификации системы. Кроме того, Wolfspeed предлагает SiC-диоды Шоттки с различными номиналами тока, напряжения и вариантами корпусов, чтобы удовлетворить почти любые требования приложений.

Идеальный диод лучше диода Шоттки в четыре раза по мощности и занимаемой площади

по Мейлисса Лум Скачать PDF

Введение

В системах высокой доступности часто используются параллельные источники питания или питание от батарей для обеспечения резервирования и повышения надежности системы. Традиционно диоды Шоттки ORing используются для подключения этих источников питания в точке нагрузки и предотвращения обратного тока в неисправный источник питания. К сожалению, прямое падение напряжения на этих диодах снижает доступное напряжение питания и рассеивает значительную мощность при высоких токах — для охлаждения диодов необходимы дорогостоящие радиаторы и сложные схемы.

Когда рассеиваемая мощность является проблемой, диод Шоттки можно заменить идеальным диодом на основе полевого МОП-транзистора. Это уменьшает падение напряжения и рассеивание мощности, тем самым уменьшая сложность, размер и стоимость тепловой схемы и повышая эффективность системы. LTC4355, LTC4357 и LTC4358 позволяют создавать идеальные диодные решения на основе полевых МОП-транзисторов для различных приложений — выбор зависит от тока и рабочего напряжения приложения. В таблице 1 сравниваются эти устройства.

Таблица 1. Сравнение деталей идеальных диодов

Номер детали	Описание	Рабочее напряжение	Конфигурация	Пакет
LTC4355	Диод положительного напряжения-OR контроллер и монитор	9–80 В, 100 В Абс. Макс.	Два внешних полевых МОП-транзистора	DFN14 (4 мм × 3 мм), SO16
LTC4357	Контроллер идеальных диодов с одним положительным напряжением	9–80 В, 100 В Абс. Макс.	Одиночный, внешний МОП-транзистор	DFN6 (2 мм × 3 мм), MSOP8
LTC4358	Идеальный диод	9–26,5 В, абс. 28 В макс.	5A Внутренний МОП-транзистор	DFN14 (4 мм × 3 мм), TSSOP16

Идеальный диод Проще использовать, чем диод Шоттки

Особый интерес представляет LTC4358, который включает в себя внутренний полевой МОП-транзистор 20 мОм в качестве проходного элемента. Никаких внешних компонентов не требуется. Выводы IN являются истоком MOSFET и действуют как анод диода, в то время как сток ведет себя как катод, как показано для приложения 12 В / 5 А на рисунке 1. Когда питание подается впервые, ток нагрузки первоначально протекает через диод корпуса МОП-транзистора. Затвор полевого МОП-транзистора улучшен и включен, чтобы поддерживать прямое падение напряжения 25 мВ. Если ток нагрузки вызывает падение напряжения более чем на 25 мВ, полевой МОП-транзистор полностью открыт, а прямое падение равно R _ДС(ВКЛ) • I _{ЗАГРУЗКА} . Если ток нагрузки меняется на противоположный, что может произойти при коротком замыкании на входе, LTC4358 отключает внутренний полевой МОП-транзистор менее чем за 0,5 мкс.

Рис. 1. Для идеального диода 12 В/5 А внешние компоненты не требуются.

Энергосбережение по сравнению с диодом Шоттки

По сравнению с диодом Шоттки B530C в корпусе SMC корпус DE14 (4 мм × 3 мм) LTC4358 не только в четыре раза меньше, но и падение напряжения и рассеиваемая мощность также значительно меньше, как показано на рис. 2. Уменьшенное падение напряжения идеального диода также увеличивает напряжение на нагрузке, что уменьшает емкость, необходимую для поддержания выходного напряжения при перебоях в подаче питания. Мощность, рассеиваемая при токе 5 А в схеме Шоттки, составляет 2 Вт против 0,5 Вт у LTC4358. Рассеиваемая мощность составляет четверть, эффективность системы повышается, а компоновка печатных плат упрощается — нет необходимости в дорогостоящих и громоздких радиаторах.

Рис. 2. Идеальный диод LTC4358 сочетается с диодом Шоттки B530C на 5 А. LTC4358 легко выигрывает по падению напряжения, потерям мощности и размеру корпуса.

Схема печатной платы

Как описано выше, при рассеиваемой мощности всего в четыре раза меньше, чем у транзистора Шоттки, тепловая схема с LTC4358 намного проще. Большая часть тепла уходит через контактную площадку DRAIN/открытую площадку, а часть тепла уходит через контакты IN. Максимальное увеличение меди этих соединений увеличивает допустимый максимальный ток. На рис. 3 показана оптимальная компоновка односторонней печатной платы 1″ × 1″ с корпусом DFN. Медь, соединенная с открытой контактной площадкой над и под LTC4358, помогает отводить тепло от корпуса. Если вы используете двухстороннюю печатную плату, используйте переходные отверстия под LTC4358 для передачи тепла на медь в нижней части печатной платы, таким образом увеличив максимальный ток на 10%. Используйте рис. 4, чтобы определить площадь медных проводников, необходимую для заданного тока и температуры окружающей среды.

Рис. 3. Рекомендации по компоновке DFN для односторонней печатной платы размером 1 x 1 дюйм.

Рис. 4. Максимальный ток диода в зависимости от площади печатной платы.

Заключение

LTC4358 — это идеальный диод на основе полевого МОП-транзистора, который может напрямую заменить диод Шоттки на 5 А в приложениях с напряжением от 9 В до 26,5 В. LTC4358 превосходит микросхему Шоттки в четыре раза по падению напряжения, потерям мощности и размеру корпуса, что значительно уменьшает тепловую схему и улучшает общую производительность. Кроме того, простая оптимизация компоновки печатной платы увеличивает максимальный ток — радиаторы не требуются.

Автор

Мейлисса Лум

Мейлисса Лум работала инженером-проектировщиком аналоговых ИС в компании Linear Technology (теперь часть Analog Devices, Inc.) с 2005 года. Она разрабатывает идеальные диодные продукты для группы горячей замены.