диоды быстродействующие что это

AudioKiller’s site

Audio, Hi-Fi, Hi-End. Электроника. Аудио.

Материалы раздела:

Выпрямитель для усилителя или сага о быстром диоде

Многие говорят что в выпрямителях усилителей должны использоваться только лишь диоды Шоттки, или сверхбыстрые диоды («суперфаст» — это если по-русски ). Если поставить обычные «медленные» диоды, то Великий Аудиофильский Дух обидится и хорошего звука вам не видать! На наше счастье, Великий Аудиофильский Дух может навредить только тем, кто в него верит. Давайте попробуем разобраться в необходимости применения таких диодов без привлечения эзотерики, а при помощи одной лишь науки и техники.

Единственная претензия, предъявляемая к диодам, состоит в том, что они медленно закрываются, и при этом через них будто бы протекает обратный ток, разряжающий конденсаторы фильтра. Говорят, что это происходит примерно так, как показано на рис.1 красной линией.

Называют две основных причины протекания обратного тока:

1. Рассасывание объемного заряда в базе диода, в течение которого диод еще не закрылся.

2. Заряд емкости обратно смещенного n-p перехода, когда диод уже закрылся.

Мы разберем обе эти причины. Но сначала давайте подумаем вот о чем: если бы через диод протекал бы большой обратный ток (даже такой, как на рисунке 1), то конденсаторы фильтра разряжались бы сразу после своей зарядки, и напряжения питания никакого бы и не было! Раз выпрямители работают даже на медленных диодах, то разряд этот не такой уж большой и страшный (и почему-то в профессиональных методах рассчета выпрямителей про этот самый обратный ток вообще ничего не говорится!).

Начнем с эксперимента — практика, как известно, — критерий истины. Соберем схему простейшего выпрямителя с обычным «медленным» диодом (рис.2):

Вот как это выглядит в реальности:

Посмотрим на осциллографе ток через диод, ток довольно большой — максимальная амплитуда 12 ампер, что соответствует работе диода в реальных условиях:

Чего-то не видно этих самых токов разряда. Для большей наглядности изменим масштаб и добавим на осциллограмму линию развертки, чтобы был виден ноль, и если бы график нырял вниз вследствие тока разряда, это было бы хорошо заметно (рис.5):

Сравните рис.1 и рис.5. В реальности не хватает той части, которая соответствует разряду конденсатора обратным током диода. Значит ли это, что такого тока нет вообще? Нет, обратный ток есть, просто он настолько мизерный, что обнаружить его обычным осциллографом в таком простом эксперименте невозможно (я даже так с ходу и не скажу, как можно измерить ток разряда в моем выпрямителе).

Давайте попробуем прикинуть, какой разрядный ток будет протекать через диод и насколько этот ток разрядит конденсатор фильтра. Я использую упрощенный расчет, так как при полном правильном расчете не обойтись без интегралов и прочей высшей математики. Упрощение сильно снизит точность (и завысит результаты!), но порядок цифр будет более-менее верным, и мы его наглядно представим.

Для простоты давайте рассчитаем мой выпрямитель, который я исследовал.

Причина 1.

Рассасывание объемного заряда в базе диода, вследствие чего он остается некоторое время в открытом состоянии. Время рассасывания возьмем 10 микросекунд. Это весьма большое время и у большинства диодов оно заметно меньше. Принцип расчета показан на рис. 6.

Итак, какое-то время диод открыт в прямом направлении и проводит прямой ток. После чего он должен закрыться, чтобы не пропустить ток обратный. Но диод не закрывается, и начинает пропускать обратный ток, показанный на рис.6 внизу красной линией. Ток протекает в течение времени Δt, равному времени рассасывания, т.е. у нас Δt = 10 мкс. При этом к диоду приложено обратное напряжение ΔU, из-за которого на самом деле и протекает обратный ток (а из-за чего еще ему протекать?).

Если мы узнаем ΔU, то можно будет определить и ток, а зная ток и время, которое он протекает – определить разряд конденсатора фильтра.

Поехали. Посмотрим, что там делается на самом деле – реальная осциллограмма на рис.7 (а линии на ней довольно условны):

Для нахождения ΔU определимся со временем и фазовыми углами. Находим цену деления по горизонтали: 360 градусов = 50 делений, значит одно деление 7,2 градуса. От начала периода напряжения до конца протекания тока диода:

Это начало обратного тока диода. Обратный ток длится Δt=10 мксек. Переведем секунды в градусы: один период синусоиды 360 градусов = 20 миллисек, а 10 мкс — Х. Из пропорции находим, что Х = 10 мкс = 0,18 градуса. Следовательно, конец протекания обратного ток диода – 136,98 градуса.

Итак, ΔU – это разность напряжений между точками «а» и «б» на рисунках 6 и 7. Напряжение в точке «а»:

Напряжение в точке «б»:

Теперь найдем ток через диод. Объемное сопротивление базы Rб мощных диодов примерно равно 0,05 Ом. Ток по закону Ома:

Ну а теперь посмотрим, насколько же разряжается конденсатор фильтра при разряде током 1,6 А в течение 10 мкс:

На самом деле конденсатор разрядится намного меньше (из-за того, что ток не все время остается максимальным). Но и то, сравните напряжение на заряженном конденсаторе = 28,2 вольта и эти несчастные 1,6 мВ! Конечно их будет незаметно, ведь это 0,006% от напряжения на конденсаторе.

Итак, можем ли мы пренебречь разрядом конденсатора на 0,006%? Я так думаю, что можем. Если же поставить быстрый диод с временем рассасывания 100 нс, то разряд конденсатора уменьшится раз в 100 и будет равен 0,00006%. Выигрыш – ну просто обалденный. А народ еще спорит, какие диоды лучше — с временем восстановления 50 нс или все же подойдут 70 нс диоды!

В чем заключается упрощение расчета? В том, что на самом деле обратное напряжение на диоде растет медленно, и обратный ток тоже растет медленно и имеет примерно такую форму, как на рис. 6 (т.е. было неправильно делить максимальное напряжение на сопротивление). Поэтому максимальный ток на самом деле будет раз в пять-десять меньше, чем мы посчитали. И максимальным он будет не все время, а лишь чуть-чуть. И разряд конденсатора — тоже будет меньше в несколько раз.

Причина 2.

Обратный ток через емкость запертого диода.

Прежде чем рассуждать о емкостном токе, вспомним, что существует такая схема включения диодов моста (рис.8), и она имеет ряд преимуществ перед обыкновенной.

В этой схеме емкость конденсаторов раз в 30 превышает емкость диодов, значит и обратный ток через конденсаторы течет в 30 раз больше (т.е. как бы обратный ток через емкость диода повышается в 30 раз), но никто почему-то не плачет по этому поводу.

Но у нас просто одиночный диод, его емкость порядка 300 пикофарад. Для того, чтобы определить, насколько заряд этой емкости «посадит» конденсатор фильтра, воспользуемся формулой:

Тогда, учитывая, что максимальное напряжение конденсатора 28,2 В:

Это в 1000 раз меньше, чем из-за объемного заряда и на такой мизер внимания обращать вообще нельзя! Точно также, при подключении конденсаторов параллельно диодам, снижение напряжение на конденсаторе фильтра будет 30…50 мкВ — подключайте конденсаторы на здоровье!

Вот и все. Никаких других объективных причин влияния «медленности» диода на работу выпрямителя не существует! (разве что ВЧ помехи про которые ниже). Что там думает себе Великий Аудиофильский Дух — нам по барабану, давайте обсудим результаты.

Итак, что же получается? Обыкновенные «медленные» диоды никакого заметного разряда конденсаторов фильтра и не вызывают! А как же тогда быть с утверждениями: «я заменил обычные диоды на ультрафаст, и усилитель зазвучал!»? Ну, во-первых, на это есть первый закон самовнушения: «Если в системе заменить даже самый маленький проводок, система сразу зазвучит лучше». Этот закон объясняет 80% всех наших улучшений звучания (так хорошо слышимых на слух). На самом деле, никакого ужасного разряда конденсаторов «медленными» диодами не происходит, и значит не происходит никакого изменения звука от применения ультрафаст диодов. Это все аудиофильские сказки. Кроме того — самое главное — разряд конденсаторов питания всего лишь уменьшает напряжение питания! Ну и как это скажестя на качестве звучания?

А как же быть с тем, что в импульсных блоках питания, например компьютерных, устанавливают ультрафасты или Шоттки? Все верно. На тех частотах, на которых работают импульсные блоки, время закрывания диода будет равно уже порядка 1/3 периода (а не 1/2000, как на частоте 50 Гц), и это слишком много. Кроме того, импульсные сигналы имеют крутые фронты, и там напряжение на диоде изменяется резко, поэтому высокое обратное напряжение появляется сразу, что вызывает высокие обратные токи.

Есть и отрицательная сторона «скорости» диода. Отпирание/запирание диодов создает импульсы тока с довольно резкими фронтами, а значит и создает широкий спектр помех, который излучается выпрямителем, проводами, идущими к нему от трансформатора и проводами, идущими к конденсатору фильтра. И эти помехи попадают в усилитель и подгружают его высокими частотами (до сотен килогерц). Поэтому некоторые специалисты (например, профессор Никитин) даже советуют подключать выпрямитель к трансформатору через небольшой дроссель, это замедлит процессы отпирания/запирания диодов и снизит помехи.

Мне нечем измерить высокочастотную помеху, вот низкочастотная часть спектра тока диода моего выпрямителя — до 20 кГц.

Красная линия — спектр тока непосредственно выпрямителя, а синяя — при включении последовательно с диодом катушки с небольшой индуктивностью, что снижает уровень ВЧ составляющих тока, а как раз именно они хорошо излучаются в эфир в виде помех.

Более быстрое отпирание/запирание «быстрых» диодов даст импульсы тока с более резкими фронтами, а значит и спектр помех, излучаемых выпрямителем, станет более широким. И с этими помехами будет труднее бороться, а попав в усилитель, они сильнее перегрузят его высокими частотами, чем если бы использовать «обыкновенные» диоды. Эта перегрузка на ВЧ (теперь уже до мегагерц) дает интермодуляции с усиливаемым сигналом и вполне может быть заметна на слух как изменение звучания. Например именно таким способом (подмешиванием ультразвуковых сигналов частоты дискретизации) пользовались некоторые изготовители карманых CD плееров. При этом субъективно увеличивалось количество высоких частот и такую «фичу» даже называли что-то типа «живые высокие». Натуральность звука на самом деле при этом уменьшалась.

Но на самом деле, есть своя польза от применения в выпрямителях диодов Шоттки. Дело в том, что прямое падение напряжения на них гораздо меньше, чем на обычных диодах с n-p переходом, а значит потери напряжения в выпрямителе будут меньше и больше напряжения уйдет в питание усилителя. В моем тестовом выпрямителе на обычном диоде при токе 12 А падало 1,2 вольт, а на диоде Шоттки — 0,6 вольт. Значит на диодном мосте в первом случае теряется 2,4 В, а во втором только 1,2 В. Скажете: «Подумаешь мелочь, ерунда 1 вольт!». Не всегда мелочь и ерунда. Если у вас напряжение питания усилителя +-60 вольт, то этот самый 1 вольт действительно ерунда. А если питание +-24 вольта? Давайте посчитаем. Просадка напряжения выпрямителя под нагрузкой порядка 80% от хх. В вольтах это получается 19,2. Падение напряжения на диодах 2,4 вольта. Падение напряжения на выходом каскаде усилителя, допустим, 4 вольта. Значит, на выходе усилителя получаем 19,2 — 2,4 — 4 = 12,8 вольт амплитуды. На синусе, на нагрузке 6 Ом это будет всего лишь 13,6 Вт. Если же использовать диоды Шоттки, то максимальное напряжение на выходе: 19,2 — 1,2 — 4 = 14 В, и синусная мощность уже 16,3 Вт. Чуть-чуть, но больше. Посмотрим на это чуть-чуть повнимательнее.

Музыкальный сигнал имеет импульсную структуру с резкими всплесками:

Большей частью средний уровень сигнала невысокий и легко воспроизводится усилителем. А вот максимальные значения импульсов… В нашем примере если максимальная выходная мощность усилителя 16 Вт (с диодами Шоттки), то он полностью воспроизводит пики сигнала (рис.10). А с обычными диодами, когда выходная мощность 13 Вт, пики обрезаются, как показано на рис. 10 красной линией (ну не хватает мощности для них!). Психоакустика установила, что если эти редкие всплески вот так обрезать, то сознание этого не заметит, то есть мы не будем слышать явных искажений. Но с субьективной стороны при прослушивании мы будем ощущать, что «что-то не то» — отсутствует легкость, воздушность, естественность, прозрачность и прочие «чувственные» части звука. И в таком случае действительно замена обычных диодов на диоды Шоттки существенно улучшает звучание! И именно с той «необъяснимой» субъективной стороны. На самом же деле — никакой мистики, никакого волшебства, чистая физика! Такой вариант событий встречается, на самом деле, довольно часто, и довольно часто применение диодов Шоттки оправдано и технически, и с точки зрения улучшения звучания усилителей.

Выходит, что суперфаст диоды на самом деле в выпрямителе для усилителя и нафиг не нужны и никакой реальной пользы от них нет (зато они более «нежные» и хуже выдерживают перегрузки по току в отличие от «медленных»). А вот диоды Шоттки иногда бывают очень даже полезны, но не быстродействием своим, а низким прямым падением напряжения. Естествено, это справедливо только для «аналоговых» выпрямителей, работающих с частотой сети 50 Гц. Но с другой стороны, если говорить о высококачественных усилителях, то только такие источники питания туда и нужны — импульсные источники и Hi-Fi несовместимы!

Источник

Диоды быстродействующие более 1000

Диоды быстродействующие – полупроводниковые устройства, которые предназначены для преобразования постоянного тока в переменный. Такие диоды способны максимально быстро менять своё рабочее состояние.

Любые ключи (GTO или IGBT) требуют дополнительных диодов (к примеру, для обратной реактивной мощности), чтобы преобразовывать постоянный ток при индуктивной нагрузке.

Быстродействующие диоды специально оптимизировали для большой динамической нагрузки для максимально быстрого перехода от проводящего состояния к непроводящему. Тем не менее, потери в проводящем состоянии у них выше, чем у выпрямительных диодов.

Посмотреть и купить товар вы можете в наших магазинах в городах: Москва, Санкт-Петербург, Алматы, Архангельск, Астрахань, Барнаул, Белгород, Владимир, Волгоград, Вологда, Воронеж, Гомель, Екатеринбург, Иваново, Ижевск, Казань, Калуга, Кемерово, Киров, Кострома, Краснодар, Красноярск, Курган, Курск, Липецк, Минск, Набережные Челны, Нижний Новгород, Новосибирск, Омск, Орёл, Пенза, Пермь, Псков, Ростов-на-Дону, Рязань, Самара, Саранск, Саратов, Смоленск, Ставрополь, Тверь, Томск, Тула, Тюмень, Уфа, Чебоксары, Челябинск, Ярославль.
Доставка в пункты выдачи заказов Pickpoint, OZON, Boxberry, DPD, CDEK, «Связной», а также Почтой России в следующие города: Тольятти, Иркутск, Хабаровск, Владивосток, Махачкала, Оренбург, Новокузнецк, Чебоксары, Калининград, Улан-Удэ, Сочи, Брянск, Сургут, Нижний Тагил, Чита, Владикавказ, Грозный, Мурманск, Тамбов, Петрозаводск, Нижневартовск, Новороссийск, Йошкар-Ола и еще в более чем 1000 городов и населенных пунктов по всей России.

Товары из группы «Диоды быстродействующие» вы можете купить оптом и в розницу.

Источник

А нужны ли быстродействующие диоды?

Бытует мнение, что в выпрямителях усилителей должны использоваться либо диоды Шоттки, либо сверхбыстрые диоды (superfast и ultrafast). Если поставить обычные «медленные» диоды, то хорошего звука вам не видать. Вряд ли диоды влияют на звучание усилителя только лишь самим фактом своего присутствия. Механизм их влияния на самом деле должен быть следующим: диоды влияют на работу выпрямителя, который изменяет какие-то параметры блока питания, что в свою очередь вызывает изменение в параметрах и режимах работы усилителя. А уж изменившийся режим работы усилителя изменяет его звучание. Вот давайте и рассмотрим, что же меняется в работе блока питания при использовании быстрых и медленных диодов. Хочу только отметить, что понятие «медленный» для современных диодов весьма условно – современные «медленные» диоды работают намного быстрее, чем «быстрые» диоды сорокалетней давности. Однако даже в те годы в усилителях вполне успешно использовались тогдашние «намного более медленные» диоды, и, несмотря на это некоторые аудиофилы считают звучание тех усилителей эталонным.

Единственная претензия, предъявляемая к диодам, состоит в том, что они медленно закрываются, и при этом через них будто бы протекает обратный ток, разряжающий конденсаторы фильтра. Называют две основных причины протекания обратного тока:

1. Рассасывание объемного заряда в базе диода, в течение которого диод еще не закрылся.

2. Заряд емкости обратно смещенного n-р перехода, когда диод уже закрылся.

На самом деле все это так. Разрядный ток действительно существует. Но прежде чем говорить о каком-то явлении, происходящем в устройстве, надо оценить степень его влияния – может быть им вполне можно пренебречь. Ведь точно так же можно сказать, что поднимать штангу в темноте легче, чем при хорошем освещении, ведь во втором случае на штангу оказывает влияние световое давление, которое делает ее тяжелее…

Сначала давайте подумаем вот о чем: если бы через диод протекал большой обратный ток, то конденсаторы фильтра разряжались бы сразу после своей зарядки, и напряжения питания никакого бы и не было! Раз выпрямители работают даже на медленных диодах, то разряд этот не такой уж большой и страшный.

Во всех профессиональных методах расчета выпрямителей про этот самый обратный ток вообще ничего не говорится.

Я попытался измерить в реальном выпрямителе разрядный ток и его влияние на выходное напряжение. Мне это не удалось. Довольно простые расчеты показали, что под влиянием этих двух причин, конденсаторы фильтра реально разряжаются на величину примерно равную 1,5 милливольта. Естественно, что я не смог такое измерить, ведь обычные флуктуации напряжения сети в сотни раз больше (в сотни раз – это уже в пересчете на вторичную обмотку трансформатора).

Итак, что же получается? Обыкновенные «медленные» диоды никакого заметного разряда конденсаторов фильтра и не вызывают. А как же тогда быть с утверждениями: «я заменил обычные диоды на ультра- фаст, и усилитель зазвучал”? На это есть закон самовнушения: «Если в системе заменить даже самый маленький проводок, система сразу зазвучит заметно лучше». Этот закон объясняет 80% всех «хорошо слышимых нами» улучшений звучания. На самом деле, никакого ужасного разряда конденсаторов «медленными» диодами не происходит, и значит, не происходит никакого изменения звука от применения «быстрых» диодов. Кроме того – и это самое главное – разряд конденсаторов всего лишь микроскопически уменьшает напряжение питания. Ну и как это скажется на качестве звучания?

Почему же о пользе быстрых диодов пишут в статьях в некоторых аудиоизданиях? Вы знаете, я встречал статью о том, что цифровой звук безусловно вреден, потому что он отрицательно воздействует на нижние чакры слушателя. Важно не то, что об этом пишут в аудиожурналах, выполняющих в основном рекламные функции. Важно то, что про это не пишут ни в учебниках, ни в серьезных технических изданиях, ни в материалах международного Общества инженеров-электри- ков, которое очень плотно занимается проблемами повышения качества звучания аудиотехники.

А как же быть с тем, что в импульсных блоках питания, например компьютерных, устанавливают ульт- рафасты или, чаще, Шоттки? Здесь все верно. На тех частотах, на которых работают импульсные блоки, время закрывания обычного диода составляет уже порядка 1/3 периода (а не 1/2000, как на частоте 50 Гц), и это слишком много. Кроме того, импульсные сигналы имеют крутые фронты, и там напряжение на диоде изменяется резко, поэтому высокое обратное напряжение появляется сразу, что вызывает появление более высоких обратных токов.

Кроме существования обратного тока, разница у «быстрых» и «медленных» диодов в том, что процессы их открывания-закрывания сопровождаются резким изменением тока в цепи, а это вызывает появление в нем довольно мощных спектральных составляющих высокой частоты. И спектр напрямую связан со скоростью открывания диода. На первый взгляд, в этой ситуации «медленный» диод оказывается лучше, так как для него спектр тока получается сравнительно узким и не содержит очень уж высокочастотных составляющих, которые излучаются гораздо сильнее, чем низкочастотные. Но это только на первый взгляд, а ведь может быть и второй, и третий… Тем не менее, все доводы, которые приводят в пользу того, что быстрый диод лучше работает в аналоговом (низкочастотном) выпрямителе лично меня абсолютно не убеждают. По крайней мере, может быть в некоторых отдельных случаях так оно и есть. Но обобщать это на все без исключения выпрямители я бы не стал.

Применение в выпрямителях диодов Шоттки действительно выгодно, но не из-за их более высокого быстродействия, а из-за того, что на них меньше падение напряжения, а значит и меньше просадки напряжения под нагрузкой. И тут легко представить себе ситуацию, когда напряжение питания усилителя сравнительно низкое, и на большой громкости его не хватает, чтобы воспроизвести пики звукового сигнала (рис.31). Ограничение этих пиков на слух воспринимается не как явные искажения (хрип, призвуки), а как ухудшение натуральности звучания, в его каких-то «тонких аспектах». Замена в выпрямителе обычных диодов на диоды Шоттки снижает просадки напряжения питания (уменьшает в них вклад диодов), поэтому пики выходного сигнала воспроизводятся лучше, и звук делается более натуральным, легким и прозрачным.

Источник: Рогов И.Е. Конструирование источников питания звуковых усилителей. – Москва: Инфра- Инженерия, 2011. – 160 с.

Источник

Диоды быстродействующие что это

Некоторые популярные диоды

Определение и типы диодов

Упрощенно диод можно понимать как активный электрический элемент проводящий ток только в одном направлении. Как клапан в гидравлике. Существует несколько типов диодов отличающихся как по физическому принципу работы, так и по базовому материалу. В очень общих чертах они делятся на полупроводниковые и вакуумные. Итак, диоды бывают:

— вакуумные (они же кенотроны);

— на основе p-n перехода между полупроводниками различных типов проводимости: кремниевые (Si) и карбидокремниевые (SiC) диоды;

— на основе контакта Шоттки между металлом и полупроводником.

Вакуумные диоды используются крайне редко, только в спецприложениях, например высоковольтной и высокочастотной технике. Наиболее популярными диодами являются кремниевые диоды и диоды Шоттки.

Кроме физической природы диоды классифицируются по функциональному назначению:

— кремниевые импульсные диоды – используются в составе функциональных (не силовых) цепей. Типичный пример – диод 1N4148; Отличаются малыми рабочими токами (миллиамперы) и большим быстродействием (время обратного восстановления 1N4148 – 4 нс).

— высоковольтные диоды – представляют собой последовательное соединение нескольких (5-20 штук) кристаллов кремниевых диодов в одном корпусе. При этом максимальное обратное напряжение составляет единицы-десятки киловольт, а ток как правило – небольшой и не превышает 1 ампера. Используются в ряде специальных приложений. Быстродействие этих диодов, как правило, невысокое.

Отдельно следует выделить диоды Шоттки – которые используются и как функциональные (сигнальные) диоды и как силовые. Их отличительными чертами являются высокое быстродействие, малое падение напряжения (0,3-0,5 В) по сравнению с кремниевыми диодами (1-1,2 В). К недостаткам относят сравнительно малое обратное напряжение (20-100 В) чувствительность к перенапряжению, значительный обратный ток. Диоды Шоттки часто используются в качестве выпрямительных диодов высокочастотных преобразователей с малым выходным напряжением.

Здесь не рассматриваются диоды чисто радиочастотных применений СВЧ, варикапы, смесительные и т.д. поскольку это вы ходит за рамки данного повествования.

Условное обозначение диода представлено на рисунке VD.1

Рисунок VD.1 – Условное обозначение диода на основе p-n перехода и диода Шоттки

Электрод, в который втекает ток, называется анодом, а электрод из которого ток вытекает – катодом. Исторические названия эти связаны с вакуумными диодами, в которых электроны эмитировались накальным катодом и принимались анодом. Символически диод обозначает собой направление протекания тока.

Функциональные применения диода

— выпрямление переменного тока в составе тех или иных выпрямителей (включая умножители напряжения);

— защита от превышения напряжения в схемах ограничения уровня и снабберах;

— в пиковых детекторах на операционных усилителях;

— в низковольтных стабилизаторах напряжения (используется прямое падение напряжения);

— в схемах на переключаемых конденсаторах, включая схемы бустрепного питания;

— схемах реализации логических операций ИЛИ (рисунок VD.3 ).

Ниже представлено несколько примеров использования диодов.

— схемах ограничения амплитуды сигнала (рисунок VD.4).

Характеристики диодов

Основной характеристикой диода является его ВАХ – вольтамперная характеристика – зависимость тока пропускаемого диодом от напряжения на нем. Она не линейна и имеет фактически экспоненциальный характер.

Форма кривой ВАХ диода (рисунок VD.5) зависит от температуры: при нагреве уменьшается прямое падение напряжения и возрастает обратный ток, снижается напряжение пробоя.

Рисунок VD.5. Форма вольтамперной характеристики диода

Из вольтамперной характеристики следуют её производные:

— прямое падение напряжение на диоде V_F (при заданных токе и температуре);

— обратный ток утечки I_RM (при заданном обратном напряжении и температуре);

— максимальное обратное напряжение V_R (при заданной температуре).

Площадь p-n перехода, размер кристалла, конструкция теплоотвода определяют мощностные характеристики диода:

— максимальный постоянный рабочий ток;

— максимальный импульсный ток (при заданной длительности импульса);

— максимальная отводимая (рассеиваемая мощность);

— тепловое сопротивление корпуса.

Динамическими характеристиками диода, определяющими его быстродействие, являются:

— время восстановления при резкой смене напряжения с прямого на обратное;

Рисунок VD.7 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода FR157

Рисунок VD.8 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика диода Шоттки 1N5819

Основные параметры реальных диодов

1. Максимальное импульсное обратное напряжение (Peak Repetitive Reverse Voltage) V_RRM– максимальная величина прикладываемого к диоду импульсного обратного напряжения.

2. Максимальное рабочее обратное напряжение (Working Peak Reverse Voltage) V_RWM – максимальная величина прикладываемого к диоду обратного напряжения в рабочем режиме.

3. Максимальное блокирующее напряжение (DC Blocking Voltage) V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения. Выше этого напряжения начинается пробой. Соответствует началу пробоя на обратной ветви ВАХ.

NB: На практике все перечисленные типы напряжения равны между собой и при проектировании схем необходимо, не допускать превышения напряжения на диоде данной величины.

4. Максимальное среднеквадратичное обратное напряжение (RMS Reverse Voltage) V_R(RMS) – максимальная величина действующего (среднеквадратичного) напряжения в цепи переменного тока, превышение которой приводит к пробою диода. Фактически подразумевается переменное напряжение синусоидальной формы.

5. Средний рабочий ток (Average Rectified Output Current) I_O – максимальное среднеквадратичное значение тока проходящего через диод в стационарном режиме.

8. Прямое падение напряжения на диоде (Forward Voltage) V_FM – падение напряжения на диоде при прямом смещении (в открытом состоянии). Как правило, указывается при конкретной величине прямого тока.

9. Максимальный обратный ток (Peak Reverse Current) I_RM – максимальный обратный ток через диод. Указывается при максимальном обратном напряжении на диоде и при конкретном значении температуры.

10. Ёмкость p-n перехода (Typical Junction Capacitance) C_j – паразитная емкость p-nперехода диода. Сильно зависит от приложенного обратного напряжения, поэтому в datasheetкроме усредненной величины, как правило, приводят зависимость емкости от обратного напряжения.

11. Тепловое сопротивление кристалл – воздух (Typical Thermal Resistance Junction toAmbient) R_θJA – тепловое сопротивление между кристаллом (p-n переходом) диода и окружающим воздухом. Зависит от типа корпуса.

12. Максимальная рабочая температура (Maximum DC Blocking Voltage Temperature) T_A – максимальная рабочая температура при которой сохраняется указанное значение максимального обратного напряжения.

13. Максимальная рассеиваемая мощность (Total power dissipation) P_tot – максимальная мощность рассеиваемая корпусом диода.

14. Параметр максимальной энергии поглощаемой кристаллом без разрушения (Rating for fusing) I 2 t – произведение квадрата максимального импульсного тока через диод на его длительность. Это соотношение, измеряемое в А 2 с (ампер в квадрате на секунду) используется при выборе защитных цепей от перегрузки (предохранителей).

15. Время восстановления обратной проводимости (Reverse recovery time) t_rr – время за которое диод после приложения обратного напряжения переходит в закрытое состояние (обратная проводимость).

Максимальные ток и мощность диода

Режим постоянного тока

Полупроводниковый диод – нелинейный элемент мощность, рассеиваемая на диоде равна произведению напряжения на диоде V_VD и тока через него I_VD:

Для практических расчетов в качестве V_VD можно брать падение напряжения при номинальном токе, указываемое в справочных листках. Поскольку напряжение на диоде составляет величину порядка 1,0-1,5 В (для кремниевого диода, для Шоттки меньше) и слабо изменяется с ростом тока, то в первом приближении можно считать, что рассеиваемая на диоде мощность прямо пропорциональна току через него:

Это существенно отличает нелинейный диод от линейного резистора, мощность которого пропорциональна квадрату тока. В справочных листках указывается максимальное значение постоянного тока через диод. Этот ток задает максимальное значение отводимой от кристалла диода тепловой мощности.

Представленная формула описывает потери на кристалле диода при прямом смещении, то есть при протекании прямого тока через диод. Потери при обратном смещении, то есть при реверсном токе обычно пренебрежимо малы, однако в ряде случаев их необходимо учитывать (об этом ниже).

Режим импульсного тока

Импульсный ток через диод может в разы превышать максимальное значение для постоянного тока. В режиме импульсных токов на первое место выходит максимальная энергия рассеивания кристалла диода, определяющая предельные режимы импульсных нагрузок при которых еще не происходит термическое разрушение кристалла. В справочных листках обычно приводят номограммы произведения длительности токового импульса на его величину.

Динамические характеристики диода. Восстановление обратной проводимости. Барьерная емкость диода

Быстродействие диода, то есть свойство быстро восстанавливать обратную проводимость, является важной характеристикой для диодов, работающих в условиях быстрой смены полярностей напряжения прикладываемого к диоду – в высокочастотных выпрямителях, схемах бустрепного питания, детекторных схемах и ряде других.

Рисунок VD.9. Электрическая схема включения диода для пояснения эффекта обратного восстановления

Рисунок VD.10. Временные диаграммы напряжений и токов схемы поясняющие процесс восстановления обратной проводимости диода

Для упрощенного понимания процессов выключения диода примем индуктивность L в схеме достаточно большой, чтобы она фактически играла роль источника тока. В начальный момент времени полупроводниковый ключ закрыт, и ток индуктивности полностью замыкается через диод. После подачи управляющего импульса на затвор транзистора и превышения им некоторого порогового напряжения происходит постепенный рост тока через ключ I_SW, начиная с момента времени t_switch. При этом ток, протекающий через диод I_Dпостепенно уменьшается, поскольку ток индуктивности начинает частично «сливаться» через открывающийся ключ. В некоторый момент времени (начало интервала t_A) когда ток индуктивности полностью замкнется через ключ (I_L = I_SW) ток через диод изменит свое направление. В первой половине импульса реверсного тока (период t_A) происходит разряд емкости p-n перехода при этом напряжение на диоде некоторое время остается положительным а обратный ток достигает максимума. Далее обратный ток через диод начинает снижаться (период t_B), а обратное напряжение возрастает до напряжения источника V_DC.

Практически важной характеристикой является форма кривой обратного тока в момент восстановления обратной проводимости (рисунок VD.10). По кривой определяется время восстановления и «мягкость восстановления». Кривая реверсного тока имеет два характерных периода:

— период t_B – время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения.

Время восстановления обратной проводимости (reverse recovery time) t_RR определяется по осциллограмме обратного тока (рисунок VD.10) как время между пересечением тока нулевой отметки (начало реверсного тока) и моментом когда величина реверсного тока спадает на 25% от своего максимально достигнутого значения. Время восстановления – интуитивно понятный параметр, характеризующий время, за которое диод восстанавливает свои непроводящие свойства. Время восстановления обратной проводимости t_RR равно сумме времен периодов t_A и t_B:

Максимальное значение реверсного тока I_R связано с длительностью периода t_A и скоростью спада тока:

Критерий «мягкости восстановления» (softness factor) SF – критерий определяющий скорость обрыва обратного тока. Если обрыв тока происходит слишком резко, то это может стать причиной нежелательных перенапряжений обусловленных паразитными индуктивностями контуров. Иногда этот эффект используют в генераторах импульсов на основе специализированных SOS-диодов. В качестве критерия «мягкости» использую так называемы «фактор мягкости» SF определяемый как отношение длительностей периодов t_B к t_A :

Заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) Q_RR – это реверсный заряд, который должен пройти через переход диода для перевода его из состояния проводимости в закрытое состояние. Заряд обратного восстановления является базовым параметром диода, определяющим его динамические характеристики. Исходя из формы импульса реверсного тока этот заряд равен:

Откуда максимальный ток определяется из соотношения:

Приравнивая выражения для I_R получаем:

Преобразуя это выражение получаем:

Учитывая, что t_A и t_B связаны через «фактор мягкости» SF:

Откуда получаем практически важные соотношения:

— для расчета времени восстановления обратной проводимости t_RR :

— и для расчета максимальной величины обратного тока I_RRM :

Используя представленные выражения, рассчитываются динамические характеристики диода.

Барьерная емкость диода — собственное значение емкости p-n перехода находящегося в обратном смещении (закрытом состоянии). В дополнение к выше описанному инерционному процессу «переключения» диода в непроводящее состояние диод, когда к нему приложено обратное напряжение он (диод) обладает собственным значением барьерной емкости, которая зависит от напряжения, что важно также учитывать при расчете динамических режимов. Емкость пропорциональна площади p-n перехода, на практике это означает, что более мощные диоды с большим номинальным током будут иметь и большее значение емкости. Реально величина емкости не является постоянной и существенно зависит от приложенного напряжения.

Расчет тепловых потерь в диоде на переключение

В момент восстановления проводимости к диоду приложено обратное напряжение и через него протекает некоторый импульс тока длительностью t_rev. Таким образом, в кристалле диода выделяется некоторая энергия:

Общая выделяемая тепловая мощность пропорциональна частоте импульсов f.

Основное выделение энергии происходит в периода t_B когда напряжение на диоде имеет величину существенно большую по сравнению с прямым падением напряжения (как в период t_A). Полагая линейную форму спада тока и роста обратного напряжения получим:

Выражение для напряжения на диоде будет иметь вид:

Выражение для тока через диод будет иметь вид:

Выражение для выделяющейся мощности на диоде будет иметь вид:

Перемножая V_VD(t) и I_VD(t), получаем:

Упрощая которое получаем выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans}«на переключение»:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

здесь: Q_RR заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) – представлен в datasheet-ах, скорость спада тока di/dt определяется характеристиками схемы, а «фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных диодов характерное значение SF равно 1.

Отсюда t_B может быть вычислено по соотношению:

Учитывая, что в большинстве случаев SF≈1, то в первом приближении t_B может быть определено как:

Объединим в итоговое выражение для мощности динамических потерь диода P_{VD_trans} «на переключение»:

Упростим данное соотношение:

Результирующее выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans} «на переключение» имеет вид:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

В ряде случаев в datasheet не приводится значение заряда обратного восстановления Q_RR, а приводятся:

— зависимости тока восстановления обратной проводимости от I_RRM от скорости спада тока di/dt;

— зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR от скорости спада тока di/dt.

В этом случае мощности динамических потерь P_{VD_trans} вычисляется по соотношению:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

Обратная ветвь ВАХ – напряжение пробоя, обратный ток

По мере увеличения прикладываемого к диоду обратного напряжения монотонно возрастает и обратный ток. При этом для каждого диода существует обратное напряжение, при достижении которого резко возрастает обратный ток и напряжение на диоде быстро падает. При этом пороговом напряжении происходит пробой диода – в большинстве случаем необратимое изменение внутренней структуры диода, сопровождаемое нарушением целостности p-n перехода. Следствием пробоя является выход диода из строя. Исключением являются лавинные диоды, пробой которых носит обратимый характер.

Обратный ток возрастает с увеличением температуры, также с увеличением температуры снижается напряжение пробоя.

Для кремниевых диодов, эксплуатируемых при нормальной температуре тепловой мощностью, выделяемой при приложенном обратном напряжении можно пренебречь. Однако при более жестком температурном режиме и больших значениях обратного напряжения эта мощность может иметь значительную величину, сопоставимую с мощностью потерь в проводящем состоянии.

Для диодов Шоттки обратный ток существенно больше, чем для кремниевых диодов и его необходимо учитывать в расчетах в любом случае.

Мощность, рассеиваемая на диоде при обратном смещении равна произведению напряжения приложенного к диоду V_{VD_rev} и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через него I_{VD_rev}:

— для диода MUR1100E при температуре 100 °С обратный ток составляет величину порядка 600 мкА, если к диоду приложено обратное напряжение 800 В то выделяющаяся тепловая мощность равна 0,48 Вт!

— для диода серии US1 максимальный обратный ток составляет 150 мкА (при температуре 100 °С) и при обратном напряжении 1000 В выделяющаяся тепловая мощность составляет 0,15 Вт.

Важно то, что здесь работает принцип положительной обратной связи: с ростом температуры выделяемая мощность увеличивается, что в свою очередь приводит к росту температуры.

Итак, тепловой режим диода работающего в условиях тока переменной полярности складывается из мощности, выделяемой при прохождении прямого тока, мощности выделяемой в диоде при смене направления тока и мощности выделяемой при обратном смещении:

P_{VD_total} – общая мощность, рассеиваемая на диоде;

P_{VD_stat+} – мощность, выделяемая при прохождении прямого тока;

P_{VD_stat-} – мощность, выделяемая при прохождении обратного тока;

P_{VD_trans} – мощность, выделяющаяся на диоде в результате переходных процессов.

Последовательное и параллельное включение диодов

Последовательное включение

Последовательное включение диодов используют для увеличения максимального обратного напряжения V_R (рисунок VD.11). При этом необходимо помнить, что увеличивается прямое падение напряжения на диодной сборке.

При приложении обратного напряжения к сборке падения напряжения на диодах распределяются в соответчики с обратной ВАХ каждого из диодов. Из за разброса ВАХ может возникнуть ситуация в которой к некоторым диодам сборки будет приложено напряжение превышающее максимальное и возникнет пробой одного диода сборки. После этого общее приложенное напряжение перераспределится между оставшимися диодами и при этом напряжение на каждом из них возрастет. Это с высокой долей вероятности может привести к постепенному выгоранию всех диодов сборки. Для повышения надежности применяют выравнивающие резисторы, сопротивление которых выбирается таким образом, чтобы ток через резистор был в 2-5 раз больше максимального тока утечки диода:

V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения.

I_RM – максимальный обратный ток через диод. В расчетах необходимо учитывать ток при температуре соответствующей рабочей температуре эксплуатации.

Параллельное включение

Параллельное включение диодов можно использовать для диодов с положительным (например на основе карбида кремния SiC) или небольшим отрицательным температурным коэффициентом более 2 мВ/К, но при условии их термического соединения (размещение на одном радиаторе). Это необходимо для того чтобы токи, протекающие через диоды выравнивались. На практике при параллельном соединении двух кремниевых диодов или диодов Шоттки максимальные рабочий ток не удваивается, а увеличивается на 50-70 %. Это обусловлено разницей хода ВАХ диодов, так что один диод будет нагружен по максимуму, а второй будет ему «помогать». Физика этого эффекта объясняется наличием положительной обратной связи: если через какой-либо из диодов протекает несколько больший, чем через другой, то он нагревается больше. При нагреве кремниевых диодов ВАХ изменяется таким образом, что при постоянном приложенном напряжении ток возрастает. Это приводит еще большему увеличению доли общего тока через этот диод. Уменьшить эту положительную обратную связь можно путем организации термической связи между диодами, то есть разместить их на одном радиаторе охлаждения. В этом случае «лидирующий» по току диод будет подогревать «отстающий» и увеличивать долю тока через него. В целом на практике целесообразно параллельно соединять лишь диоды, расположенные на одном кристалле в одном корпусе.

Источник