1.3.2. Выпрямительные диоды

Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов характеризуются рядом параметров, определяющих токи и напряжения в прямом и обратном направлениях. Эти параметры определяются вольт-амперной характеристикой (ВАХ) диода [8] (рис. 1.8).

Прямая ветвь ВАХ диода характеризуется следующими основными параметрами: — прямое падение напряжения на диоде, обусловленное прямым током,или- пороговое напряжение или порог выпрямления диода [6].

Обратная ветвь ВАХ диода характеризуется следующими основными параметрами: — обратное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении,- обратный ток диода, обусловленный приложенным обратным напряжением,- пробивное напряжение диода – значение обратного напряжения, вызывающего пробой перехода диода.

Рис. 1.8. Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диода.

Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше прямое падение напряжения при заданном прямом токе и чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении.

Наклон касательной АБ на рис. 1.8 определяет динамическое сопротивление диода в прямом направлении [8]:

(1.5)

Прямая ветвь ВАХ выпрямительного диода характеризуется также дифференциальным сопротивлением [8]:

представляющим собой отношение малого приращения прямого напряжения диода () к малому приращению прямого тока () в нем при заданном режиме по току в прямом направлении.

Необходимо отметить, что на прямой ветви ВАХ диода, построенной в полулогарифмических координатах, могут существовать участки, связанные с различными механизмами образования тока. Там, где ВАХ экспоненциальна, в данной системе координат получается прямолинейный отрезок [10].

На рис. 1.9 приведены ВАХ выпрямительных диодов средней мощности серии 6F(R) (производитель IRF) [11]. Очевидно, что динамическое и дифференциальное сопротивления диода, определенные на разных участках реальной ВАХ, будут различными.

Рис. 1.9. ВАХ выпрямительных диодов серии 6F(R).

При расчете необходимо определять внутреннее сопротивление диода исходя из заданного режима работы вентиля по току в прямом направлении.

При расчете и моделировании схем, включающих в себя полупроводниковые диоды, ВАХ диода идеализируют, представляя ее линейной ломаной кривой вида [6]: 1 — идеальный вентиль, 2 – идеализированный вентиль с потерями или 3 — идеализированный вентиль с потерями и порогом выпрямления (рис. 1.10).

а) б)

Рис. 1.10. Реальная ВАХ диода (а) и варианты ее идеализации (б).

Порог выпрямления кремниевых диодов лежит в пределах 0,4 – 0,8 В, а германиевых – 0,15 – 0,2 В. Для низковольтных выпрямителей (выпрямленное напряжение менее 10 В) порог выпрямления кремниевых вентилей составляет заметную часть выходного напряжения, его следует учитывать при выборе схемы выпрямления и при расчетах, выбирая в качестве расчетной модель вентиля с порогом выпрямления.

Для выпрямителей с выходным напряжением более 10 В можно проводить расчет и на основе модели вентиля без порога выпрямления [6].

При обратном напряжении вентиль пропускает хотя и малый, но отличный от нуля обратный ток. Этим током, как правило, пренебрегают.

Угол наклона спрямленной характеристики вентиля с потерями определяет внутреннее сопротивление вентиля . Значения сопротивлений, применяемых в настоящее время вентилей, составляют от единиц (слаботочные диоды) до долей Ом (сильноточные диоды).

4.2. Выпрямительные диоды

Выпрямительными называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Вольт-амперная характеристика такого диода, приведенная на рис. 4.4, а, имеет ярко выраженную нелинейность и описывается уравнением

. (4.2)

В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей.

При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю:

. (4.3)

Рис. 4.4. Выпрямительный диод:

а – вольт-амперная характеристика;

б — конструкция корпуса

В качестве полупроводниковых материалов для выпрямительных диодов используют германий и кремний. В выпрямительных диодах используются плоскостные несимметричные

p-n-переходы, причем для германиевых диодов они создаются главным образом сплавным способом, а для кремниевых – сплавным и диффузионным. Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии, поэтому позволяют пропускать большие токи. Так как площадь p-n-перехода большая, то барьерная емкость этих диодов будет большой, достигая значений десятков пикофарад.

Вольт-амперные характеристики германиевых и кремниевых диодов одинаковой конструкции различаются между собой. На рис. 4.5 для сравнения показаны характеристики германиевого (рис. 4.5,

а) и кремниевого (рис. 4.5, б) диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Поскольку ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, то обратный ток кремниевых диодов значительно меньше. Кроме того, обратная ветвь характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в р—п-переходе и токами утечки по поверхности кристалла.

Рис. 4.5. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов

Вследствие большого обратного тока у германиевых диодов наступает тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них возникает электрический пробой.

Поскольку прямой ток диода определяется из уравнения I_пр = I_s[exp(U_пр/_Т) – 1], вследствие меньшего значения обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых.

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее генерация носителей зарядов и увеличиваются обратный и прямой токи диода.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 С обратный ток германиевых диодов возрастает в два, а кремниевых – в два с половиной раза. Однако вследствие того, что при комнатной температуре обратный ток у германиевого диода значительно больше, чем у кремниевого, абсолютное значение приращения обратного тока у германиевого диода с ростом температуры оказывается в несколько раз больше, чем у кремниевого.

Это приводит к увеличению потребляемой диодом мощности, его разогреву и уменьшению напряжения теплового пробоя. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале возникает электрический пробой.

Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умножения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвижных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного пробега. Для того, чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для ионизации, необходимо увеличение ускоряющего поля, что достигается при большем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробивного напряжения кремниевых диодов с ростом температуры.

Полупроводниковые выпрямительные диоды обычно характеризуются следующими основными параметрами:

— постоянный обратный ток I_обр (мкА; мА) при некоторой величине постоянного обратного напряжения U_обр;

— постоянное прямое напряжение при постоянном прямом токе I_пр (мА; А).

При серийном выпуске выпрямительных диодов в технических условиях на них указываются средние значения параметров: I_{обр. ср.} при U_{обр. ампл. макс.} и U_{пр. ср.} при I_{пр. ср. макс.}.

В технических условиях на выпрямительные диоды приводятся предельно допустимые электрические режимы эксплуатации: максимально-допустимое амплитудное значение обратного напряжения U_{обр. макс.} (В), средний прямой ток I_{пр. ср.} (А).

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными также являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристические сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление r_D и сопротивление по постоянному току R_D.

Дифференциальное сопротивление определяется как

. (4.4)

На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r_Dневелико и составляет значение несколько Ом. Действительно, при значении прямого тока диода I = 25 мА и значении теплового потенциала kT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивления r_D будет равна r_D = 1 Ом. На обратном участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r_D стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току R_D определяется как отношение приложенного напряжения V_G к протекающему току I через диод:

. (4.5)

На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление R_D > r_D, а на обратном участке – меньше R_D < r_D.

В точке вблизи нулевого значения напряжения V_G << kT/q значения сопротивления по постоянному току и дифференциального сопротивления совпадают. Действительно, разложив экспоненту в ряд в соотношении (4.5), получаем

. (4.6)

Используя характерное значение для обратного тока диода I₀ = 25 мкА, получаем величину сопротивления диода в нулевой точке R_D0 = r_D0 = 1 кОм. На рис. 4.6, а приведена зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении.

С учетом полученных дифференциальных параметров можно построить эквивалентную малосигнальную схему диода для низких частот (рис. 4.6, в). В этом случае наряду с уже описанными элементами – дифференциальным сопротивлением (рис. 4.6, а) и емкостями диода (рис. 4. 6, б) ‑ необходимо учесть омическое сопротивление квазинейтрального объема базы (r_об) диода. Сопротивление квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать, поскольку в диодах эмиттер обычно легирован существенно более сильно, чем база.

Рис. 4.6. Приборные характеристики и эквивалентная малосигнальная схема для выпрямительных диодов:

а — зависимость дифференциального сопротивления

диода от величины тока при прямом смещении;

б — зависимость емкости диода от обратного напряжения;

в — эквивалентная малосигнальная схема диода

для низких частот

На рис. 4.7 приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде.

Рис. 4.7. Схема, иллюстрирующая выпрямление

переменного тока с помощью диода

Рассмотрим, каков будет коэффициент выпрямления идеального диода на основе p—n-перехода. Для этого рассчитаем по уравнению (4.2) коэффициент выпрямления К как отношение прямого тока к обратному току диода. Получаем

. (4.7)

Как следует из соотношения (4.7), при значениях переменного напряжения, модуль которого V_G меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях V_G по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения V_G =  0,1 В.

ДИОД ВЫПРЯМИТЕЛЯ — характеристики, применение, схемы

Характеристики диода выпрямителя

Технически, диод выпрямителя — это любой диод, используемый в цепи выпрямителя. На самом деле, большинство диодов, используемых в приложениях для выпрямления энергии, представляют собой не что иное, как обычные переключающие диоды. Однако существуют диоды, специально предназначенные для использования в выпрямителях, которые должны преобразовывать большое количество энергии. Эти выпрямительные диоды, также называемые силовыми диодами, по сути являются простыми переключающими диодами, однако они имеют гораздо более прочную и прочную конструкцию, чем стандартные диоды, чтобы выдерживать гораздо более тяжелые рабочие нагрузки.

 

Работа выпрямителя

Напряжение переменного тока постоянно меняется с положительного на отрицательное, а затем обратно, позволяя электрическому току течь по двум направлениям, образуя своего рода непрерывную волну. Тем не менее, устройствам постоянного тока требуется мощность, поддерживаемая на постоянном уровне напряжения, и ток течет только в одном направлении, как по прямой линии. Процесс преобразования волны переменного тока в прямую линию постоянного тока представляет собой выпрямление, что буквально означает исправление. Способность диодов пропускать ток только в одном направлении является ключом к работе всех выпрямителей.

 

Типы выпрямителей

Существует два основных типа выпрямителей: двухполупериодные и двухполупериодные. Полуволновые выпрямители, как следует из названия, преобразуют половину волны переменного тока в мощность постоянного тока, используя всего лишь один диод. Двухполупериодные выпрямители преобразуют полную волну переменного тока и могут использовать всего два диода. Существуют варианты обоих этих типов выпрямителей, таких как двухполупериодный мостовой выпрямитель, в котором используются четыре диода.

 

Двухполупериодные выпрямители

В простом двухполупериодном выпрямителе цепь образуют два диода и трансформатор с отводом от середины. Когда проходит положительная половина волны переменного тока, один диод пропускает ток, как в полуволновом выпрямителе. Однако, когда проходит вторая половина волны, она проходит через второй диод в обратной полярности. Таким образом, как положительные, так и отрицательные половины волны переменного тока выпрямляются и объединяются, обеспечивая непрерывный ток.

Двухполупериодный выпрямитель

 

Однополупериодные выпрямители

В простом однополупериодном выпрямителе диод пропускает через себя положительную половину волны. Когда волна достигает своей отрицательной половины, ток меняется на противоположный, и диод блокирует эту часть. Это создает своего рода модель включения и выключения, когда положительная половина имеет ток, но его нет в течение времени, необходимого для прохождения отрицательной половины волны. Другие типы устройств, такие как конденсаторы, могут помочь усреднить это, однако для многих типов устройств это адекватное выпрямление.

Однополупериодный выпрямитель

 

Пиковые потери

Одним из наиболее часто встречающихся аспектов выпрямления являются потери от пикового входного напряжения до пикового выходного напряжения, вызванные пороговым напряжением диодов (около 0,7 В для обычных диодов1 и 0,7 В для обычных диодов1 и 0,7 В для обычных диодов1 и 0,7 В для обычных диодов). диоды Шоттки). Полупериодное выпрямление и двухполупериодное выпрямление с использованием двух отдельных вторичных цепей будут иметь пиковое падение напряжения на одно падение на диоде. Мостовое выпрямление будет иметь потерю двух диодных капель. Это может привести к значительным потерям мощности при очень низком напряжении питания. Кроме того, диоды не будут работать при напряжении ниже этого значения, поэтому цепь пропускает ток только в течение части каждого полупериода, вызывая появление коротких сегментов нулевого напряжения между каждым «насосом».

 

Диод выпрямителя в цепи

Цепи диодов выпрямителя, очевидно, полагаются на диоды в своей работе. Диоды — это устройства, пропускающие ток только в одном направлении. Когда Амброуз Флеминг изобрел первый диод, он назвал его клапаном из-за его одностороннего действия. В настоящее время используются полупроводниковые устройства, которые выполняют точно такую ​​же функцию.

В прямом направлении требуется небольшое напряжение через диод до того, как он проведет — напряжение включения. Фактическое напряжение зависит от типа выпрямительного диода и используемого материала. Для стандартного кремниевого выпрямительного диода это напряжение включения составляет около 0,6 вольт.

В обратном направлении диодный выпрямитель в конечном итоге выйдет из строя. Напряжение пробоя обычно значительно превышает напряжение включения.

Существует множество различных типов выпрямительных диодов, которые можно использовать, каждый со своими свойствами, преимуществами и недостатками.

 

Посетите нашу страницу в Facebook! — Electrical-info.com Страница Facebook

Прямая характеристика выпрямительных диодов (характеристика ПЧ-ВЧ) | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

Эта страница частично использует JavaScript. Эта страница может работать неправильно, если эти функции не поддерживаются вашим браузером или настройка отключена.​
Пожалуйста, ищите необходимую информацию на следующих страницах:

Прямая характеристика выпрямительного диода изменяется в зависимости от уровня тока и температуры.
В слаботочной области V _F  низко при высокой температуре, и наоборот, в сильноточной области.
Как правило, диод следует использовать с достаточным температурным запасом ниже точки Q, которая является точкой пересечения двух вышеуказанных условий.

(1) Синяя область, где преобладает подвижность носителей: V _F  снижается по мере повышения температуры.
Поскольку носитель легко перемещается при нагревании, V _F ниже, чем при низкой температуре.

(2) Красная область, где преобладает столкновение носителей: V _F  увеличивается с повышением температуры.
Когда течет большой ток, перемещается много носителей.