Выпрямительными диодами называют полупроводниковые приборы с одним p-n–переходом, имеющие два вывода и предназначенные для выпрямления переменного тока. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «Д» (КД202А). Условное графическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Графическое изображение выпрямительного диода (Iпр – направление прямого тока)

Вольт - амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода представляет собой зависимость тока, протекающего во внешней цепи диода, от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Эту зависимость можно получить экспериментально или рассчитать с помощью уравнения вольт - амперной характеристики идеализированного p-n–перехода

(2.1)

где: I 0 – обратный ток насыщения;

φТ – температурный потенциал, равный (0,026 В) при комнатной температуре (Т = 300 К);

U – напряжение, прикладываемое к диоду.

Теоретический график ВАХ выпрямительного диода, рассчитанный с помощью выражения (2.1), представлен на рис. 2.2,а. При увеличении обратного напряжения Uобр обратный ток Iобр , протекающий через p-n-переход диода, достигает предельного значения I 0уже при Uобр = 0,1…0,2 В. Следует отметить, что чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника и чем выше в нем концентрация примесей, тем меньше величина I 0.

Рис. 2.2. Вольт – амперные характеристики выпрямительного диода:

а – теоретическая; б – экспериментальная

При выводе уравнения (2.1) учитывались только диффузионные компоненты тока, протекающего через p-n-переход, и не учитывались такие явления, как термогенерация носителей зарядов в запирающем слое p-n-перехода, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, а также наличие пробоя при повышении обратного напряжения. Поэтому теоретический график ВАХ выпрямительного диода отличается от графика ВАХ, снятого экспериментально (рис. 2.2,б).

В реальном диоде при некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем p-n-перехода. Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Для выпрямительных диодов наибольшее значение имеет тепловой пробой p-n-перехода, так как он приводит к выходу диода из строя.

Тепловой пробой диода обусловлен катастрофическим нарушением его теплового режима. Подводимая к p-n-переходу мощность P = Iобр Uобр расходуется на его нагрев. Образующиеся при этом одноименные носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к увеличению выделяемой мощности и дальнейшему разогреву перехода. При плохих условиях отвода тепла от кристалла процесс принимает лавинообразный характер и заканчивается разрушением кристалла, т.е. выходом диода из строя. Увеличение числа носителей зарядов при нагреве p-n-перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого при тепловом пробое на обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 2.2). Так как число носителей (а значит, и обратный ток, и выделяемая в переходе мощность) резко (по экспоненциальному закону) увеличиваются с увеличением температуры, то для исключения теплового пробоя температура p-n-перехода должна быть меньше допустимой температуры перехода , которая для германиевых диодов составляет (70-80) о С, а кремниевых – (120-150) о С. В маломощных диодах для этого достаточно выполнить условие . В мощных диодах кроме этого может потребоваться искусственное охлаждение. Величина является важнейшим параметром диода и приводится в соответствующих справочниках. С увеличением температуры возрастает обратный ток диода, и ухудшаются условия отвода тепла, поэтому с увеличением температуры величина заметно уменьшается.

При прямом включении выпрямительного диода отличия теоретической ВАХ от ВАХ, снятой экспериментально, в основном обусловлены сопротивлением R 1 электронной и дырочной областей за пределами запирающего слоя. Если сопротивление запирающего слоя обозначить через Rзс , то кристалл полупроводника с запирающим слоем можно представить в виде последовательного соединения резисторов Rзс и R 1 (рис. 2.3).

При прохождении прямого тока Iпр на сопротивлении R 1 падает часть напряжения Uпр внешнего источника и на запирающем слое действует напряжение . В этом случае уравнение ВАХ может быть записано в следующем неявном виде:

Рис. 2.3. Упрощенная эквивалентная схема p-n-перехода

с распределенным сопротивлением полупроводника

Поскольку Uзс < Uпр вольт – амперная характеристика диода, снятая экспериментально, идет ниже теоретической.

С увеличением прямого напряжения Uпр сопротивление запирающего слоя Rзс уменьшается вследствие инжекции в него основных носителей заряда. При большом значении Uпр , сопротивлением запирающего слоя Rзс можно пренебречь и дальнейшее увеличение прямого тока ограничивается распределенным сопротивлением полупроводников p- и n-типа за пределами p-n-перехода. При этом ВАХ диода переходит в прямую линию.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

Максимально-допустимый прямой ток, при котором температура диода достигает ;

Максимально-допустимое обратное напряжение, при котором не происходит пробоя p-n-перехода диода, обычно ;

Прямое и обратное сопротивления диода постоянному току, определяемые по его ВАХ (рис. 2.2) с использованием следующих соотношений:

R д пр = Uпр1 / Iпр1; R д обр = Uобр / Iобр;

Прямое и обратное дифференциальные сопротивления диода (сопротивления переменному току), которые определяются из следующих соотношений:

r i .пр = ΔUпр / ΔIпр; r i. обр = ΔUобр / ΔIобр.

При этом значения приращений тока ΔI и напряжений ΔU определяются на линейном участке ВАХ в окрестности заданной точки Х (рис. 2.2). Из-за нелинейности ВАХ диода и обе эти величины зависят от рабочей точки, т.е. от величины постоянного напряжения, приложенного к диоду.

В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой , средней и большой мощности. Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом. Для рассеивания теплоты диоды средней мощности располагают на радиаторах охлаждения, для диодов большой мощности может потребоваться и искусственное охлаждение.

Характеристики и параметры выпрямительных диодов существенно зависят от полупроводникового материала, в первую очередь от ширины запрещенной зоны ΔW. На рис. 2.4 представлены вольт – амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Так как ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно (несколько порядков) меньше.

У германиевого диода на обратной ветви ВАХ имеется ярко выраженный участок насыщения, поскольку его обратный ток определяется током экстракции, который описывается уравнением (2.1). Обратный ток кремниевого диода монотонно возрастает с увеличением U обр , так как у кремниевых диодов ток экстракции весьма мал и обратный ток определяется главным образом токами термогенерации и утечки.

Рис. 2.4. Вольт - амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов

При дальнейшем увеличении обратного напряжения в диодах происходит пробой. 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 вначале возникает электрический пробой, который может перейти в тепловой пробой при слишком большом увеличении тока.

Прямой ток полупроводникового диода также зависит от ΔW , так как увеличение ΔW приводит к увеличению потенциального барьера в переходе и, следовательно, к уменьшению прямого тока. Сравнение германиевых и кремниевых диодов легко провести с помощью формулы (2.1): вследствие меньшего значения I 0 для кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому при одних и тех же значениях I пр , мощность, рассеиваемая германиевыми диодами, меньше чем кремниевыми. По этой же причине у германиевых диодов существенно меньше U пор и r i пр .

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее термогенерация носителей зарядов, что приводит к увеличению как обратного, так и прямого тока диода, однако причины этого роста неодинаковы.

Обратный ток является током неосновных носителей зарядов, и увеличение их концентрации в результате усиления термогенерации непосредственно ведет к росту обратного тока. Прямой ток является током основных носителей зарядов, концентрация которых в рабочем диапазоне температур от температуры не зависит. Однако увеличение концентрации неосновных носителей зарядов при повышении температуры приводит к уменьшению высоты потенциального барьера перехода, что и вызывает увеличение прямого тока.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 О С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых – в 2,5 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.

2.Полупроводниковые диоды. Основные параметры выпрямительных диодов. Значения параметров маломощных диодов. 1.Статические параметры описывают поведение приборов на постоянном токе. 2. Динамические параметры характеризуют частотно-временные свойства приборов. 3. Предельно-эксплутационные параметры приборов определяют область надежной и устойчивой работы прибора. Для некоторых параметров может быть указан «разброс». Различают общие параметры диодов, характеризующие все полупроводниковые диоды и специальные параметры диодов, характеризующие только отдельные виды диодов. Рассеиваемая мощность. P пр - рассеиваемая диодом мощность при включении диода в прямом направлении, P обр - рассеиваемая диодом мощность при включении диода в обратном направлении, P ср - средняя рассеиваемая мощность, P и - импульсная рассеиваемая мощность т.е. наибольшее мгновенное значение мощности, рассеиваемое диодом (импульсная рассеиваемая мощность). U пр - постоянное значение прямого напряжения при заданном прямом токе диода, U пр и - наибольшее мгновенное значение прямого напряжения, обусловленное импульсным прямым током диода заданного значения, U обр - постоянное обратное напряжение, U пр ср - среднее прямое напряжение. Среднее за период значение прямого напряжения при заданном прямом токе, U проб - пробивное напряжение. Значение обратного напряжения, вызывающее пробой перехода диода, I пр - постоянный прямой ток, I пр и - импульсный прямой ток. Наибольшее мгновенное значение прямого тока диода, I пр ср - средний прямой ток. Среднее за период значение прямого тока, I обр - постоянный обратный ток, I обр и - импульсный обратный ток. Наибольшее мгновенное значение обратного тока диода, Сд -общая емкость. Значение емкости между выводами диода при заданном режиме, Спер - емкость перехода. Общая емкость диода без емкости корпуса, Скор - емкость корпуса, r диф - дифференциальное сопротивление диода, r п -последовательное сопротивление потерь, L п - индуктивность. Последовательная эквивалентная индуктивность диода, t эфф – эффективное время жизни неравновесных носителей зарядов. Величина, характеризующая скорость убывания концентраций неравновесных носителей зарядов диода вследствие рекомбинации в объеме и на поверхности полупроводника, Q нк – накопленный заряд. Заряд электронов или дырок в базе диода, накопленный при протекании прямого тока, Qвос - заряд восстановления. Накопленный заряд диода, вытекающий во внешнюю цепь при переключении диода с заданного прямого тока до заданного обратного напряжения, I вос обр - время обратного восстановления. Время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение.I вос пр - время прямого восстановления. Время в течение которого происходит включение диода и напряжение на нем меняется от нуля до до заданного установившегося значения.

Выпрямительный диод - это электронное устройство, предназначенное для преобразования тока переменного в ток постоянный. Это такой двухэлектродный прибор, у которого есть только односторонняя (униполярная) электрическая проводимость. Выпрямительный диод из полупроводниковых материалов и так называемые (когда четыре диода подключены по диагонали попарно в одном корпусе) пришли на смену игнитрону и электровакуумному диоду.

Эффект выпрямления переменного тока и преобразования его в постоянный возникает на переходе полупроводник-металл, металл-полупроводник или же в так называемом электронно-дырочном переходе в некоторых кристаллах (например, кремний, германий, селен, закись меди). Такие кристаллы часто служат основой прибора.

Полупроводниковый выпрямительный диод применяют в радиотехнике, в электронных и электрических устройствах. По сути, выпрямление - это преобразование тока переменного (напряжения) в ток одной полярности (пульсирующий постоянный). Такого типа выпрямление в технике необходимо для размыкания и замыкания электрический цепей, коммутации и детектирования электрических сигналов и импульсов, и для многих других подобных преобразований. Такие характеристики диода, как быстродействие, стабильность параметров, емкость p-n переходов не обязывают предъявлять к себе какие-то специальные требования.

У такого устройства есть определенные электрические параметры и характеристики диодов:

Прямое напряжение при указанном значении тока (берется ;

Обратный ток при заданном значении обратного напряжения и температуры ;

Амплитудные допустимые значения для максимального обратного напряжения;

Усредненное значение прямого тока;

Значение величины частоты без снижения режима;

Сопротивление.

Выпрямительный диод часто сокращенно называют просто выпрямителем. Как компонент электрической цепи, он оказывает высокое сопротивление току, который протекает в одном направлении, и низкое тому, который протекает в направлении обратном. Это и вызывает

У такого устройства, как диод выпрямительный, достаточно небольшой Рабочая частота для промышленного использования такого прибора при преобразовании переменного тока в постоянный составляет 50 Гц. Предельной частотой принято считать не более чем 20 кГц.

Выпрямительный диод как электронное устройство можно поделить на несколько групп по значению максимального среднего прямого тока. Это диод малой мощности (до 0,3 ампер), средней мощности (от 0,3 А до 10 А) и сверхмощные (силовые) выпрямительные диоды (более десяти ампер).

К основным параметрам такого электронного устройства, как выпрямительный диод, необходимо отнести и рабочий диапазон для температуры окружающей среды (обычно она колеблется от -50 до +130 градусов Цельсия для наиболее распространенного типа диода - кремниевого) и максимальную температуру корпуса (самые разные параметры, в зависимости от мощности, назначения и производителя).

Принцип работы, основные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов можно рассмотреть используя их вольтамперную характеристику (ВАХ), которая схематично представлена на рисунке 1.

Она имеет две ветви, соответствующие прямому и обратному включению диода.

При прямом включении выпрямительного диода ощутимый ток через него начинает протекать при достижении на диоде определенного напряжения Uоткр . Этот ток называется прямым Iпр . Его изменения на напряжение Uоткр влияют слабо, поэтому для большинства расчетов можно принять его значение:

• 0,7 Вольт для кремниевых диодов,
• 0,3 Вольт - для германиевых.

Естественно, прямой ток диода до бесконечности увеличивать нельзя, при его определенном значении Iпр.макс этот полупроводниковый прибор выйдет из строя. Кстати, существуют две основные неисправности полупроводниковых диодов:

• пробой - диод начинает проводить ток в любом направлении, то есть станет обычным проводником. Причем, сначала наступает тепловой пробой (это состояние обратимо), затем электрический (после этого диод можно смело выбрасывать),
• обрыв - здесь, думаю, пояснения излишни.

Если диод подключить в обратном направлении, через него будет протекать незначительный обратный ток Iобр , которым, как правило, можно пренебречь. При достижении определенного значения обратного напряжения Uобр обратный ток резко увеличивается, прибор, опять же, выходит из строя.

Числовые значения рассмотренных параметров для каждого типа диода индивидуальны и являются его основными электрическими характеристиками. Должен заметить, что существует ряд других параметров (собственная емкость, различные температурные коэффициенты и пр.), но для начала хватит перечисленных.

Здесь предлагаю закончить с чистой теорией и рассмотреть некоторые практические схемы.

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИОДОВ

Для начала давайте рассмотрим как работает диод в цепи постоянного (рис.2) и переменного (рис.3) тока, что следует учитывать при том или ином включении диодов.

При подаче на диод прямого постоянного напряжения через него начинает протекать ток, определяемый сопротивлением нагрузки Rн . Поскольку он не должен превышать предельно допустимого значения следует определить его величину, после чего выбрать тип диода:

Iпр=Uн/Rн - все просто - это закон Ома .

Uн=U-Uоткр - см. начало статьи. Иногда величиной Uоткр можно пренебречь, бывают случаи, когда ее необходимо учитывать, например при расчете схемы подключения светодиода .

Это самое основное, про что надо помнить.

Теперь - несколько схем подключения диодов, часто встречающихся на практике.

Вне всякого сомнения, лидером здесь является мостовая схема диодов, используемая во всевозможных выпрямителях (рисунок 4). Выглядеть она может по разному, принцип действия одинаков, думаю из рисунка все ясно. Кстати, последний вариант - условное обозначение диодного моста в целом. Применяется для упрощения обозначения двух предыдущих схем.

1. Диоды могут выступать как "развязывающие" элементы. Управляющие сигналы Упр1 и Упр2 объединяются в точке А , причем взаимное влияние их источников друг на друга отсутствует. Кстати, это простейший вариант реализации логической схемы "или".
2. Защита от переполюсовки (жаргонное - "защита от дураков"). Если существует возможность неправильного подключения полярности напряжения питания эта схема защищает устройство от выхода из строя.
3. Автоматический переход на питание от внешнего источника. Поскольку диод "открывается", когда напряжение на нем достигнет Uоткр , то при Uвнеш питание осуществляется от внутреннего источника, иначе - подключается внешний.

© 2012-2017 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и с двумя электродами. Принцип действия полупроводникового диода основан на явлении p-n перехода, поэтому для дальнейшего изучения любых полупроводниковых приборов нужно знать как работает .

Выпрямительный диод (также называют вентилем) — это разновидность полупроводникового диода который служит для преобразования переменного тока в постоянный.

У диода есть два вывода (электрода) анод и катод. Анод присоединён к p слою, катод к n слою. Когда на анод подаётся плюс, а на анод минус (прямое включение диода) диод пропускает ток. Если на анод подать минус, а на катод плюс (обратное включение диода) тока через диода не будет это видно из вольт амперной характеристики диода. Поэтому когда на вход выпрямительного диода поступает переменное напряжение через него проходит только одна полуволна.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.

Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. I. 2. В первом квадранте показана прямая ветвь характеристики, описывающая состояние высокой проводимости диода при приложенном к нему прямом напряжении, которая линеаризуется кусочно-линей­ной функцией

u = U 0 +R Д i

где: u — напряжение на вентиле при прохождении тока i; U 0 — пороговое напряжение; R д — динамическое сопротивление.

В третьем квадранте находится обратная ветвь вольт-амперной характеристики, описывающая состояние низкой проводимости при проложенном к диоду обратном напряжении. В состоянии низкой проводимости ток через полупроводниковую структуру практически не протекает. Однако это справедливо только до определённого значения обратного напряжения. При обратном напряжении, когда напряженность электрического поля в p-n переходе достигает порядка 10 s В/см, это поле может сообщить подвижным носителям заряда - электронам и дыркам, постоянно возникающим во всем объеме полупроводниковой структуры в результате термической генерации,- кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов кремния. Образовавшиеся дырки и электроны проводимости, в свою очередь, ускоряются электрическим полем p-n перехода и также ионизируют нейтральные атомы кремния. При этом происходит лавинообразное нарастание обратного тока, .т. е. лавинный пробои.

Напряжение, при котором происходит резкое повышение обратного тока, называется напряжением пробоя U 3 .