Выпрямительный диод

Урок 5 Выпрямительный диод

5.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительными называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква "Д". Условное графическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 2.2.

В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой мощности (/_пр,mах < 0,3 А) и средней мощности (0,3 А < /_пр,mах < 10 А). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом.

Для рассеивания теплоты диоды средней мощности располагают на радиаторах охлаждения (рис. 2.3, б).

Обычно допустимая плотность тока, проходящего через р-n-переход, не превышает 2 А/мм², поэтому для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные р-n-переходы. Получающаяся при этом большая емкость р-n-перехода существенного влияния на работу диода не оказывает в связи с малыми рабочими частотами.

Вольтамперные характеристики германиевых и кремниевых диодов одинаковой конструкции различаются. На рис 2.4 для сравнения показаны характеристики германиевого (Д3О4) и кремниевого (Д242) диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Поскольку ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно меньше. Кроме того, обратная ветвь характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в р-n-переходе и токами утечки по поверхности кристалла.

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 возникает электрический пробой.

Поскольку прямой ток диода определяется по уравнению , вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. По этой причине крутизна у германиевых диодов больше, чем у кремниевых.

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее генерация носителей зарядов, и увеличиваются обратный и прямой токи диода.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 градусов 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. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале возникает электрический пробой.

Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умножения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвижных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного пробега. Для того чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для ионизации, необходимо увеличение ускоряющего поля, что достигается при большем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробивного напряжения кремниевых диодов с ростом температуры.

Рассмотренные типы диодов позволяют выпрямлять переменный ток в устройствах сравнительно низкого напряжения (500...700 В). Для выпрямления более высокого напряжения используют последовательное включение диодов. В настоящее время выпускаются выпрямительные столбы и блоки (второй элемент обозначения - буква "Ц"), которые состоят из специально подобранных диодов, соединенных между собой и заключенных в общий корпус.

5.2 Принцип действия, характеристики и параметры выпрямительных диодов

Принцип действия выпрямительных диодов основан на свойстве односторонней электропроводности р-п перехода. Если к диоду подвести переменное напряжение (рис. 1.15), то в течение одного полупериода, когда на аноде положительная полуволна, на р-п переходе действует прямое напряжение. При этом сопротивление диода мало; через него протекает большой прямой ток. В следующий полупериод полярность напряжения на диоде меняется на обратную. Его сопротивление значительно увеличивается; через него проходит очень малый обратный ток.

Нагрузку включают в цепь источника питания последовательно с диодом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном направлении, поскольку обратным током по сравнению с прямым можно пренебречь. Таким образом, происходит выпрямление, т. е. преобразование переменного тока в постоянный по направлению (пульсирующий).

Схема выпрямления с одним диодом, в которой ток проходит через нагрузку в течение половины периода, является простейшей. На практике применяют более сложные схемы.

Вольтамперная характеристика диода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения. Ее вид определяется вольтамперной характеристикой р-п перехода (см. рис. 1.11). Реальные характеристики отличаются от идеальных из-за влияния различных факторов. Вольтамперная характеристика диода, как и р-п перехода, имеет две ветви: прямую и обратную.

Схема для снятия вольтамперной характеристики диода приведена на рис. 1.16. При снятии прямой ветви в схему включаются миллиамперметр для измерения прямого тока и вольтметр, позволяющий измерить доли вольта. Для получения обратной ветви необходимо изменить полярность подаваемого напряжения, включить микроамперметр, измеряющий обратный ток, и вольтметр со шкалой на десятки и сотни вольт.

На рис. 1.17 представлены реальные вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диода. В области очень малых прямых напряжений, пока не скомпенсирован потенциальный барьер, ток настолько еще мал и так медленно растет, что его не показывает миллиамперметр в схеме для снятия характеристик и его невозможно отложить на графике в масштабе, выбираемом для построения прямой ветви. Поэтому реальная характеристика в прямом направлении начинается не из 0, а при некотором напряжении, называемом пороговым. Пороговое напряжение U_пор составляет десятые доли вольта; для кремниевого диода оно больше, чем для германиевого; с повышением температуры пороговое напряжение уменьшается. Абсолютная величина сдвига прямой ветви характеристики кремниевых диодов при изменении температуры меньше, чем у германиевых.

Обратные ветви характеристик кремниевого и германиевого диодов сильно отличаются от теоретических характеристик р-п перехода и друг от друга. Это объясняется тем, что величина обратного тока в реальных условиях определяется не только тепловым током, но также током утечки по кристаллу и другими факторами. Ток утечки зависит от обратного напряжения и почти не зависит от температуры, а тепловой ток, наоборот, зависит только от температуры. У германиевых диодов обратный ток определяется главным образом тепловым током, поэтому он сильно растет с повышением температуры и мало зависит от . При данной температуре /_обр только на начальном от 0 участке резко возрастает; как было сказано, это происходит из-за уменьшения тока диффузии основных носителей заряда, протекавшего при прямом напряжении. У кремниевых диодов величина /_обр определяется током утечки, так как тепловой ток значительно меньше. Поэтому с увеличением у них равномерно растет /_о6р, начиная с нуля.

С повышением температуры у германиевых диодов пробивное напряжение резко падает, а у кремниевых немного увеличивается.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

прямое напряжение -- значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе;

обратный ток /обр -- значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

сопротивление диода в прямом направлении

оно составляет единицы и десятки Ом;

сопротивление диода в обратном направлении

оно составляет единицы мегаом;

дифференциальное сопротивление диода г_лиф--отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока

Прямое и обратное сопротивления -- это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление -- это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольтамперной характеристики к оси абсцисс.

При эксплуатации диодов в выпрямителях важное значение имеют предельно допустимые режимы их использования, характеризующиеся соответствующими параметрами. В целях обеспечения длительной и надежной работы диодов нельзя превышать ни при каких условиях:

максимально допустимое обратное напряжение , которое определяется с запасом как 0,7--0,8 U_npo6;

максимально допустимую мощность, рассеиваемую диодом -- ;

максимально допустимый постоянный прямой ток ;

диапазон рабочей температуры.

Германиевые диоды работают в диапазоне температур от --60 до плюс 70--80 °С, кремниевые -- до плюс 120--160 °С; допустимая плотность прямого тока для германиевых диодов 20--40 А/см², для кремниевых 60--80 А/см²; для германиевых диодов допустимы обратные напряжения до 500--600 В, для кремниевых -- до 2000 --3500 В; падение напряжения на германиевом диоде при прохождении прямого тока составляет 0,3-- 0,6 В, а на кремниевом -- 0,8--1,2 В.

Сравнивая свойства германиевых и кремниевых диодов, можно отметить, что кремниевые диоды имеют на несколько порядков меньший обратный ток, допускают гораздо большие обратные напряжения и плотности прямого тока, могут быть использованы при более высоких температурах. Поэтому выпрямительные диоды изготовляют главным образом из кремния, хотя падение напряжения на кремниевом диоде при прямом токе больше, чем на германиевом.

5.3 Классификация выпрямительных диодов по мощности

Выпрямительным называют полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Принцип работы выпрямительных диодов основан на выпрямительном свойстве p-n перехода. В зависимости от максимально допустимого среднего значения прямого тока выпрямительные диоды делят на диоды малой, средней и большой мощности.

Диоды малой мощности предназначены для выпрямления токов до 300 мА, диоды средней и большой мощности соответственно от 300 мА до 10 А и от 10 до 1000 А.

Промышленностью выпускаются германиевые и кремниевые диоды. Преимущества кремниевых диодов: малые обратные токи, возможность использования при более высоких температурах окружающей среды и больших обратных напряжений, большие допустимые плотности прямого тока (60-80 А/см² по сравнению с 20-40 А/см² у германиевых); преимущества германиевых диодов: малое падение напряжения при пропускании прямого тока (0,3 - 0,6 В по сравнению с 0,8 - 1,2 В у кремниевых).

Диоды, предназначенные для работы в различных выпрямительных схемах источников питания, могут выпрямлять токи низкой частоты (50…20000 Гц). В таких диодах применяются, как правило, плоскостные p-n переходы, изготовление сплавным или диффузионным методом.

Большинство выпрямительных диодов, предназначенных для работы в устройствах преобразования электрических сигналов в радиоэлектронной аппаратуре (детекторы, ограничители уровня и др.), работают на частотах вплоть до нескольких сотен мегагерц. По методам изготовления, конструктивному исполнению, характеристикам и параметрам эти группы диодов существенно отличаются от низкочастотных выпрямительных диодов и называются высокочастотными выпрямительными диодами.

Справочным параметром низкочастотных выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимое среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180? (полупериод) и частоте f = 50 Гц, обозначается . Другим основным параметром является максимально допустимое обратное напряжение -- напряжение, приложенное в обратном направлении. Это напряжение диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности. Максимальное обратное напряжение маломощных выпрямительных диодов лежит в диапазоне от десятков вольт до 1200 В. На более высокие напряжения промышленностью выпускаются выпрямительные столбы, использующие последовательное соединение диодов. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА для кремниевых. Конструкция низкочастотных выпрямительных диодов малой мощности приведена на рис. 4.3, а на примере сплавного германиевого диода, а его вольт-амперная характеристика -- на рис. 4.3, б.

Конструктивно выпрямительный диод выполнен в металлическом герметичном сварном корпусе. Для улучшения теплоотвода кристалл 7 припаивают непосредственно к кристаллодержателю 8, который, являясь базовой областью, имеет внешний вывод 9. Этот вывод принято называть катодом. К основанию кристаллодержателя приваривается крышка корпуса 4 со стеклянным изолятором 3, через который проходит трубка 2 с внешним выводом от эмиттера /. Эмиттерный вывод принято называть анодом. Внутренний вывод анода 5 соединен со слоем эмиттера, который получается вплавлением таблетки индия 6 в тело германия. На рис. 4.3, в дано условное графическое обозначение диода. В выпрямительных диодах средней мощности большой прямой ток достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади р-п перехода. Диоды средней мощности преимущественно выпускаются кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой площади р-п перехода достаточно мал (несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого тока в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора. Для улучшения условий теплоотвода в этих диодах применяют дополнительные охладители-радиаторы. Радиаторы изготавливают из металла, обладающего хорошей теплопроводностью (обычно сплавы алюминия) и большей площадью поверхности для лучшей передачи теплоты в окружающую среду. Чтобы уменьшить механические напряжения, возникающие от нагрева и охлаждения при работе диода, материал корпуса и трубки делают из сплава ковара (29 % Ni, 18 % Со и 53% Fe), у которого коэффициент линейного расширения согласован со стеклом. Для улучшения излучающей способности радиаторы часто подвергают чернению. Для крепления радиатора корпус диода имеет стержень с винтовой нарезкой. Пример возможной конструкции выпрямительных диодов средней мощности приведен на рис. 4.4.

Мощные (силовые) диоды различаются по частотным свойствам и работают на частотах от десятков герц до десятков килогерц. Мощные диоды изготавливаются преимущественно из кремния. Кремниевая пластина, создаваемая диффузионным методом, представляет собой диск диаметром 10--100 мм и толщиной 0,3--0,6 мм. Пример возможной конструкции мощного диода показан на рис. 4.5.

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в р-п переходе. Поэтому в установках с мощными диодами применяют воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении тепло отводится с помощью радиатора и проходящего вдоль его теплоотводящих ребер потока воздуха. При этом охлаждение может быть естественным, если отвод теплоты в окружающую среду определяется естественной конвенкцией воздуха, или принудительным, если используется принудительный обдув корпуса прибора и его радиатора с помощью вентилятора.

Рис 4.4. Конструкция кремниевого выпрямительного диода средней мощности: 1 - внешний вывод (анод), 2 - трубка, 3 - стеклянный изолятор 4 - корпус, 5 - внутренний вывод анода, 6 - алюминий 7 - кристалл кремния, 8 - теплоотводящее основание, 9 - кристаллодержатель, 10 - внешний вывод (катод).

Рис 4.5. Конструкция мощного кремниевого выпрямительного диода. 1 - внешний гибкий вывод (анод), 2 - стакан, 3 - стеклянный изолятор, 4 - внутренний гибкий вывод анода, 5 - корпус, 6 - чашечка, 7 - кристалл кремния, 8 - кристаллодержатель (катод), 9 - шпилька для крепления к радиатору.

При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость, например вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости. В последнее время широкое применение получило испарительное охлаждение, основанное на отводе теплоты за счет образования пузырей пара у теплоотводящей поверхности охладителя. Образовавшийся пар поступает в теплообменник, связанный с внешней средой. Этот способ эффективен из-за высоких значений теплоты парообразования жидкостей. Силовые диоды нуждаются в защите от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах, а также атмосферных воздействиях и грозовых молний. При этом к диоду прикладывается в обратном направлении дополнительный импульс напряжения, который может привести вначале к электрическому пробою, а затем к тепловому. Чтобы не наступил тепловой пробой, после которого переход теряет свои выпрямительные свойства, необходимо ограничить по времени действие импульса перенапряжения. Такую задачу должны выполнять различные устройства аварийной автоматики.

Очень часто требуемые допустимые выпрямленный ток и максимальное обратное напряжение превышают номинальные значения параметров существующих выпрямительных диодов. В этих случаях задача решается соответственно параллельным и последовательным соединением диодов.

Последовательное включение выпрямительных диодов делается тогда, когда необходимо увеличить суммарное допустимое обратное напряжение, прикладываемое к каждому из них.

Обратные сопротивления выпрямительных диодов имеют большой разброс (различия достигают до одного-двух порядков), поэтому обратное напряжение, приложенное к цепи последовательно соединенных диодов, распределится неравномерно, а пропорционально их обратным сопротивлениям. Наибольшее падение напряжения будет на диоде с большим обратным сопротивлением. Это может привести к электрическому, а затем тепловому пробою р-п перехода этого диода; после этого обратное напряжение распределится между оставшимися диодами. Произойдет пробой следующего диода, у которого обратное сопротивление перехода наибольшее среди оставшихся диодов. И так один за другим диоды выйдут из строя. Чтобы этого не произошло, следует уравнять падения обратных напряжений на диодах последовательной цепочки путем шунтирования их резисторами одинакового сопротивления. Сопротивление шунтирующего резистора подбирается большим, чтобы исключить большие потери мощности на нем. На рис. 4.6 представлена схема однополупериодного выпрямителя из последовательно соединенных диодов, параллельно которым включены одинаковые шунтирующие резисторы. Сопротивление резистора выбирается где -- сопротивление нагрузки выпрямителя. При таком подключении всех п шунтирующих резисторов распределение обратных напряжений на диодах будет одинаковым: , где -- обратное напряжение на входе выпрямителя.

Параллельное включение выпрямительных диодов делается для увеличения допустимых значений выпрямительного тока. Поскольку из-за технологических отклонений имеется значительный разброс значений прямых сопротивлений переходов, то, вставив в каждую из параллельных ветвей по одному балластному резистору , можно уравнять прямые токи в параллельных ветвях, при этом необходимо выполнить условие .

На рис. 4.7 приведена схема однополупериодного выпрямителя с параллельным включением диодов. Чем больше значения резисторов R₆, тем меньше различий между прямыми токами в параллельных цепях. Однако чрезмерное увеличение значений балластных резисторов приводит к увеличению падения напряжения внутри выпрямителя, что снижает напряжение на выходе выпрямителя и понижает его КПД.