Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Выпрямительные диоды, помимо применения в источниках питания для выпрямления переменного тока в постоянный, также используются в цепях управления и коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов.

Конструктивно выпрямительные диоды оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах в виде дискретных элементов (рис. 2.4, а) либо в виде диодных сборок, к примеру, диодных мостов

(рис. 2.4, б) выполненных в едином корпусе.

На рис. 2.4, в приведена конструкция выпрямительного маломощного диода, изготовленного методом сплавления. В качестве полупроводникового материала использован германий. Изготовление германиевых выпрямительных диодов начинается с вплавления индия 1в исходную полупроводниковую пластину (кристалл) германия 2 n-типа. Кристалл 2 припаивается к стальному кристаллодержателю 3. Основой конструкции является коваровый корпус 6, приваренный к кристаллодержателю. Корпус изолирован от внешнего вывода стеклянным проходным изолятором 5. Внутренний вывод 4 имеет специальный изгиб для уменьшения механических напряжений при изменении температуры. Внешняя поверхность стеклянного изолятора покрывается светонепроницаемым лаком для предотвращения попадания света внутрь прибора, для устранения генерации пар «электрон – дырка» и увеличения обратного тока p–n -перехода.

Конструкция ряда маломощных кремниевых диодов практически не отличается от конструкции маломощных германиевых диодов. Кристаллы мощных выпрямительных диодов монтируются в массивном корпусе, который имеет стержень с резьбой для крепления диода на охладителе (радиаторе) (рис. 2.5), для отвода выделяющегося при работе прибора тепла.

Для получения p–n -переходов кремниевых выпрямительных диодов вплавляют алюминий в кристалл кремния n-типа или же сплава золота с сурьмой в кремний p -типа. Для получения переходов также используют диффузионные методы.

Выпрямительные диоды должны иметь как можно меньшую величину обратного тока, что определяется концентрацией неосновных носителей заряда или, в конечном счете, степенью очистки исходного полупроводникового материала. Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диода описывается уравнением (1.16) и имеет вид, изображенный на рис. 2.6.

По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода можно определить следующие основные параметры, влияющие на его работу:

1. Номинальный средний прямой ток – среднее значение тока, проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения.

2. Номинальное среднее прямое напряжение – среднее значение

прямого напряжения на диоде при протекании номинального среднего прямого тока. Этот параметр является очень важным для обеспечения параллельной работы нескольких диодов в одной электрической цепи.

3. Напряжение отсечки , определяемое точкой пересечения линейного участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осью напряжений.

4. Пробивное напряжение – обратное напряжение на диоде, соответствующее началу участка пробоя на вольт-амперной характеристике, когда она претерпевает излом в сторону резкого увеличения обратного тока.

5. Номинальное обратное напряжение – рабочее обратное напряжение на диоде; его значение для отечественных приборов составляет 0,5 . Этот параметр используется для обеспечения последовательного включения нескольких диодов в одну электрическую цепь.

6. Номинальное значение обратного тока – величина обратного тока диода при приложении к нему номинального обратного напряжения.

7. Статическое сопротивление диода:

, (2.1)

где величина прямого тока диода; падение напряжения на диоде при протекании тока .

Статическое сопротивление диода представляет собой его сопротивление постоянному току.

Кроме рассмотренной системы статических параметров в работе диодов важную роль играет система динамических параметров:

1. Динамическое (дифференциальное) сопротивление :

, (2.2)

где приращение прямого тока диода; приращение падения напряжения на диоде при изменении его тока .

Динамическое сопротивление играет важную роль и в рассмотрении процессов при обратном включении диода, например, в стабилитронах. Там динамическое сопротивление определяется через приращение обратного тока и обратного напряжения.

2. Скорость нарастания прямого тока . Этот параметр является очень важным при включении силовых диодов в цепи, где возможно очень быстрое нарастание прямого тока (например, в цепях, имеющих ёмкостный характер). Если ток через диод не превышает допустимого значения, но имеет очень крутой фронт нарастания, то в полупроводниковом кристалле возможно возникновение явления, называемого шнурованием тока, когда ток в первый момент времени из-за неоднородностей в p–n -переходе сосредоточится в узкой области p–n -перехода, имеющей наименьшее сопротивление, образуя так называемый «токовый шнур». Плотность тока в «шнуре» может оказаться недопустимо большой, что приведет к проплавлению полупроводниковой структуры и выходу прибора из строя. Поэтому для силовых диодов этот параметр часто нормируется в паспортных данных с указанием его предельного значения. Для защиты силовых диодов от выхода из строя из-за большой скорости нарастания тока можно последовательно с диодом включить небольшой дроссель L (рис. 2.7, а). Наличие дросселя L в цепи приводит к затягиванию фронта нарастания тока с величины до безопасной величины (рис. 2.7, б).

3. Скорость нарастания обратного напряжения . Если фронт нарастания обратного напряжения на силовом диоде будет очень крутой (это характерно для цепей с индуктивным характером), то импульс обратного тока диода с учётом собственной ёмкости p–n -перехода C_бар будет равен:

, (2.3)

где скорость нарастания обратного напряжения.

Даже при сравнительно небольшой величине ёмкости импульс тока может представлять собой опасность для полупроводниковой структуры, если второй сомножитель в выражении (2.3) будет достаточно большим. Для защиты силовых диодов в этом случае их шунтируют защитной RC -цепочкой (рис. 2.8), причём ёмкость C выбирают больше величины собственной ёмкости p–n -перехода. Тогда импульс обратного тока будет проходить в основном по защитной цепочке, не принося вреда самому диоду.

4. К числу динамических параметров относится и величина собственной ёмкости p–n -перехода силового диода .

В настоящее время на практике преимущественно применяется система так называемых предельных параметров, основными из которых являются:

1. Максимально допустимый средний прямой ток . Это максимально допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через прибор.

Обычно силовые диоды используются совместно с определенным типом охладителя. Это может быть либо массивная металлическая пластина, интенсивно отводящая тепло, выделяющееся в диоде при протекании тока, либо специальная конструкция радиатора, имеющего большую площадь теплоотвода, либо специальный охладитель, имеющий внутри рубашку жидкостного охлаждения, по которой циркулирует вода. Поэтому в справочных материалах приводятся значения предельных токов с учетом влияния охлаждения (скорость и расход охлаждающего воздуха или жидкости).

2. Максимально допустимый ток перегрузки . Это ток диода, длительное протекание которого вызвало бы превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры, но ограниченный по времени так, что превышение этой температуры не происходит.

3. Максимально допустимый ударный ток . Это максимально допустимая амплитуда одиночного импульса тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданных условиях работы прибора, что соответствует половине периода тока частотой 50 Гц.

4. Максимально допустимое импульсное повторяющееся напряжение . Это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к диоду в обратном направлении. Повторяющееся напряжение характеризуется классом прибора, указывающим его в сотнях вольт и дающимся в паспортных данных.

5. Неповторяющееся импульсное обратное напряжение – максимальное допустимое мгновенное значение любого неповторяющегося напряжения, прикладываемого к диоду в обратном направлении.

6. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение – напряжение, соответствующее началу процесса лавинообразования в приборе (напряжение пробоя).

Большинство указанных параметров обычно приводится в техническом паспорте на прибор, а более подробно информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах – в технических условиях на прибор.

Дата добавления: 2015-06-04