Выпрямительные диоды.
Выпрямительные диоды по классификации класса Д, используют вентильные свойства p-n перехода, и применяются в выпрямителях переменного и импульсного тока. В качестве исходного материала используют германий, кремний или арсенид галлия. В третьем элементе классификации первая цифра числа указывает на функциональное применение диодов:
1 – выпрямительные (силовые) со средним выпрямленным током до 0,3 А;
2 –выпрямительные (силовые) с выпрямленным током свыше 0,3 А;
3 – универсальные диоды (магнитодиоды, термодиоды, и прочие);
4 – универсальные диоды (импульсные диоды с временем восстановления более 500 нс);
5 9 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления до 500 нс для 5, и десятки-сотни пс для 9.
Для выпрямительных диодов класса Ц:
1 – столбы со средним выпрямленным током до 0,3 А;
2 – столбы и наборы диодов со средним выпрямленным током от 0,3 до 10А;
3 – блоки диодов со средним выпрямленным током до 0,3 А;
4 – блоки диодов со средним выпрямленным током от 0,3 до 10 А;
5 - блоки диодов со средним выпрямленным током свыше 10 А.
Четвёртый элемент – остальные цифры числа, указывают номер технологической разработки.
Пятый элемент – буква, условно определяет группу разновидностей по эксплуатационным и конструктивным параметрам приборов, изготовленных по единой технологии.
Примеры расшифровки диодов:
2Д202В – кремниевый выпрямительный диод со средним прямым (выпрямительным) током свыше 0,3 А, второй технологической разработки, группы В.
ГД507Б – германиевый импульсный диод с временем восстановления до 500 нс, седьмой технологической разработки, группы Б.
К основным параметрам относят:
• максимальное значение прямого или выпрямленного тока Iмакс. По этому параметру выпрямительные диоды классифицируют на маломощные (Iпр 0,3 А), средней мощности (Iпр 10 А), большой мощности (Iпр 10 А);
• максимальное обратное напряжение UОБР;
• максимальная частота входного напряжения МАКС. По этому параметру выпрямительные диоды классифицируют на низкочастотные (МАКС 1 кГц) и высокочастотные (МАКС 1кГц);
• прямое падение напряжение на диоде при заданном прямом токе Uд0;
обратный ток при заданном обратном напряжении Iобр.
Д ля универсальных и импульсных диодов завод изготовитель представляет дополнительные параметры.
По технологии изготовления диоды разделяются на точечные, плоскостные (сплавные) и диффузионные. В точечном диоде p-n переход образуется в месте контакта небольшой пластины полупроводника и острия металлической проволоки (пружины). Плоскостные и диффузионные имеют плоский электрический переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, а следовательно, протекающий ток, значительно больше ширины p-n перехода. На рис.2 б) и 2 в) представлены конструкции точечного и плоскостного диодов.
Рис. 2. Условно-графическое обозначение (а); конструкция точечного диода в стеклянном корпусе (б); конструкция диффузионного диода (в); вольтамперные характеристики p-n перехода и реального диода (г).
Плоскостные и диффузионные диоды способны пропускать значительные токи, поэтому применяются в силовых цепях. В кодовой классификации силовые выпрямительные диоды имеют цифры 1 или 2. За счёт большой пощади p-n перехода имеют большую диффузионную ёмкость. Вследствие этого использование диодов возможно в низкочастотном диапазоне (до 100 кГц). Универсальные диоды с цифрами 3 и 4 изготавливают в основном по диффузионной и мезапланарной технологии. Диоды имеют значительно меньшую ёмкость и могут быть использованы для преобразования электрических сигналов в частотном диапазоне до 100 МГц. Импульсные диоды с цифрами 5,6,7,8,9 изготавливают в основном по точечной и эпитаксиальной технологии, при которой ёмкость перехода может составлять доли и единицы пикофарад. Рассасывание неосновных носителей в области перехода, т.е. восстановление сопротивления диода, может составлять пикосекунды.
Применение выпрямительных диодов основано на их односторонней проводимости. Это свойство заключается в том, что диод оказывает очень малое сопротивление току, протекающему в одном (прямом) направлении и очень большое сопротивление току, протекающему в другом (обратном) направлении. Прямое включение диода будет в том случае, когда напряжение в цепи анода будет больше напряжения в цепи катода. Обратное включение диода будет в том случае, когда напряжение в цепи анода будет меньше напряжения в цепи катода. Прямое и обратное сопротивление диода являются важными параметрами диода и определяют степень согласования его с элементами цепи – источником сигналов и нагрузкой. Для определения параметров диодов используют вольтамперную характеристику (ВАХ). Характеристики диодов нелинейные в прямом и обратном включении (рис.2г). Статические и динамические параметры можно определять табличным, графоаналитическим методом или методом приращений. Наиболее удобен для практических расчетов метод линейной аппроксимации ВАХ (рис.3), когда имеется реальная характеристика конкретного диода. Для получения пропорционального преобразования с заданной точностью используют ограниченный участок характеристики, который называют рабочим участком. При расчёте характеристику на рабочем участке линеаризируют (аппроксимируют), то есть заменяют прямой линией. Эта линия является касательной в точке исходного режима, а тангенс угла наклона этой линии определяет дифференциальный параметр преобразования элемента. Статический параметр элемента определяется координатными значениями в точке исходного режима. В зависимости от принятого параметра при анализе определяют статическое значение сопротивления R или проводимость Y:
Rпр = ; Rобр = ; ; .
Д инамические параметры определяются на отрезке линейного участка по методу характеристического треугольника, как показано на рис. 3. Для определения дифференциального сопротивления необходимо начертить произвольный прямоугольный треугольник. Значения катетов треугольника используют для расчёта дифференциального параметра.
rпр = ; rобр = ; ; .
Мощность, рассеиваемая диодом для прямого и обратного тока определяется по формулам:
РПР = UПР IПР; РОБР = UОБР IОБР.
За счёт рассеиваемой мощности на диоде (p-n переходе) выделяется тепло. При увеличении тока в прямом включении IПР и при увеличении обратного напряжения UОБР происходит увеличение температуры на переходе и может привести к разрушению материала полупроводника. Такое явление называют тепловым пробоем. После теплового пробоя сопротивление диода равно нулю. В обратном включении при некоторых значениях обратного напряжения происходит возбуждение носителей в p-n переходе, и начинает резко возрастать ток. Значение обратного тока может быть соизмеримой с током прямого включения. Такое явление называют электрическим пробоем. Если предотвращается при этом тепловой пробой, то при уменьшении обратного напряжения свойства перехода восстанавливаются. Тепловой пробой необратим, электрический пробой обратим.
Для предотвращения теплового пробоя последовательно с диодом необходимо включить ограничительное сопротивление (Рис.4). Величина сопротивления выбирается из условия Rогр. ,
где Uм – максимальное напряжение для прямого включения;
Uд0 – прямое падение напряжения на диоде ( справочный параметр);