Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов. Работавыпрямительных диодов основана на явленииодносторонней проводимости p-n перехода иони предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Для выпрямительных диодов характерно небольшое сопротивление в проводящем состоянии, позволяющее пропускать большие токи. Для эффективного выпрямления выпрямительные диоды должны обеспечить наибольший выпрямленный ток и большое обратное напряжение. С целью получения большого прямого тока выпрямительные диоды выполняются с большой площадью контакта, т.е. плоскостными. Обычно допустимое обратное напряжение составляет 75…80 % пробивного напряжения. Большое допустимое обратное напряжение обеспечивается за счет большого удельного сопротивления базовой области материала полупроводника. В подавляющем большинстве случаев выпрямительные диоды работают на промышленных частотах (50 и 400 Гц), верхняя граница рабочих частот, как правило, не превышает 20 кГц.

Выпрямительные диоды, в основном, изготавливаются из германия и кремния. На рисунке 1.1 показана конструкция маломощного сплавного диода и его условно-графическое обозначение, а на рисунке 1.2 приведены вольт-

б)

а)

Внутренний вывод

Кристалл

Корпус

Внешний вывод

Кристаллодержатель

Изолятор

Рис.1.1. Условно графическое обозначение а) и конструкция маломощного диода б).

амперные характеристики германиевого а) и кремниевого б) полупровод-никовых выпрямительных диодов для двух температур. Из анализа этих характеристик видно, что:

- прямая ветвь вольтамперной характеристики кремниевых диодов расположена правее, чем для германиевых. Таким образом, пороговое напряжение, при котором наблюдается заметный прямой ток для кремниевого диода, выше германиевого, что несколько ухудшает выпрямительные свойства кремниевых диодов, особенно при выпрямлении напряжений с малой амплитудой;

- при комнатной температуре величина обратного тока кремниевых диодов значительно меньше, чем у германиевых диодов, из-за меньшей

концентрации неосновных носителей в кремниевом полупроводнике;

Рис.1.2. Вольтамперные характеристики германиевого а) и кремниевого б) полупроводниковых выпрямительных диодов для двух температур

- вольтамперные характеристики диодов существенно зависят от температуры. При повышении температуры растет генерация пар носителей тока, что вызывает рост собственной проводимости полупроводника, растут прямой и обратный токи, причем обратный ток растет гораздо быстрее, чем прямой ток, и диод теряет свое основное назначение – одностороннюю проводимость. Установлено, что обратный ток увеличивается у германиевых диодов в 2 раза, а у кремниевых в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10⁰С;

- влияние температуры на характеристики полупроводниковых диодов, изготовленных из германия и кремния, различно и для них существует некоторый интервал допустимых температур. Для германиевых диодов этот интервал составляет -60…+70⁰ С, а для кремниевых диодов -60…+120⁰ С;

- значение напряжения пробоя кремниевых диодов выше, чем у германиевых, при этом у германиевых диодов механизм пробоя обычно является тепловым, а у кремниевых – электрическим за счет лавинного пробоя.

Для изготовления выпрямительных диодов предпочтительным является кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях предпочтительнее германиевые диоды, поскольку они имеют меньшее пороговое напряжение, чем кремниевые. В ряде случаев в мощных выпрямителях применяют диоды Шоттки, в которых используется выпрямляющий контакт металла с полупроводником. Их изготавливают на основе кремния; благодаря меньшему пороговому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у обычных кремниевых диодов) диоды Шоттки обеспечивают более высокий коэффициент полезного действия, особенно в низковольтных выпрямителях.

Параметры, характеризующие свойства выпрямительных диодов, подразделяются на статические и динамические. К статическим относятся:

- постоянный прямой ток I_пр при заданном прямом напряжении V_пр на диоде;

- значение обратного тока I_обр при заданном значении обратного напряжения V_обр;

- рабочий диапазон температур ;

- отводимая мощность , где Т_пер и Т_кор – температуры перехода и корпуса диода, R_T - тепловое сопротивление переход-корпус;

- максимально допустимый прямой ток диода I_пр.мак, который в зависимости от диода может составлять от нескольких десятков м А до нескольких к А;

- максимально допустимое обратное напряжение V_{обр..мак,} которое составляет для диодов из германия до 400В, а из кремния до 1000В;

- максимальная мощность рассеяния , где I – ток, протекающий через диод; V – напряжение, приложенное к диоду;

- сопротивление постоянному току в заданной рабочей точке .

К динамическим параметрам относятся:

- средний выпрямленный ток I_прср — среднее за период значение прямого тока;

- среднее прямое напряжение V_прср при заданном значении среднего прямого тока;

- максимальная частота f_мак, на которой I_прср уменьшается в раз по сравнению на низкой частоте;

- максимальная емкость диода С_мак;

- внутреннее или дифференциальное сопротивление диода в рабочей точке , где - приращение напряжения и - приращения тока около рабочей точки;

- коэффициент выпрямления при заданном напряжении .

По величине среднего выпрямленного тока выпрямительные диоды делятся на три группы:

- маломощные (на ток до 0,3А);

- средней мощности (на ток от 0,3 до 10А);

- мощные (на ток свыше 10А).

Выпрямительные диоды и их рабочие режимы необходимо выбирать таким образом, чтобы выделяемая на переходе мощность не превышала мощность рассеяния. Из вольтамперной характеристики (рис.1.2) видно, что уже при сравнительно малых прямых напряжениях (менее одного вольта) прямой ток достигает значительной величины и, чтобы не произошел тепловой пробой, необходимо ограничить значение тока так, чтобы выполнялось условие .

Тепловой пробой возможно также избежать отводом выделяемого тепла, что в диоде малой мощности осуществляется непосредственно корпусом, в диодах средней мощности – специальными устройствами – радиаторами, в которые монтируется диод, а в мощных диодах используется принудительное воздушное или водяное охлаждение.

Помимо дискретных выпрямительных диодов в радиоэлектронной аппаратуре находят применение выпрямительные блоки, конструктивно представляющие собой завершенное устройство, состоящее из нескольких выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме. К ним относятся мостовые схемы, умножители напряжения, диодные сборки и т.д. В высоковольтных выпрямителях находят применение выпрямительные столбы, в которых выпрямительные диоды, обычно кремниевые, соединены последовательно и собраны в единую конструкцию с двумя выводами.

Дата добавления: 2015-05-06