Максимально допустимым параметром выпрямительного диода является
Основные параметры выпрямительных диодов
Для выпрямления низкочастотных переменных токов, то есть для превращения переменного тока в постоянный или пульсирующий, служат выпрямительные диоды, принцип действия которых основан на односторонней электронно-дырочной проводимости p-n-перехода. Диоды данного типа применяются в умножителях, выпрямителях, детекторах и т. д.
Производятся выпрямительные диоды с плоскостным либо с точечным переходом, причем площадь непосредственно перехода может составлять от десятых долей квадратного миллиметра до единиц квадратных сантиметров, в зависимости от номинального для данного диода выпрямленного за полупериод тока.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода имеет прямую и обратную ветви. Прямая ветвь ВАХ практически показывает связь тока через диод и прямого падения напряжения на нем, их взаимозависимость.
Обратная ветвь ВАХ отражает поведение диода при подаче на него напряжения обратной полярности, где ток через переход очень мал и практически не зависит от величины приложенного к диоду напряжения, пока не будет достигнут предел, при котором случится электрический пробой перехода и диод выйдет из строя.
Первой и главной характеристикой выпрямительного диода является максимально допустимое обратное напряжение. Это то напряжение, приложив которое к диоду в обратном направлении, можно будет еще уверенно утверждать, что диод его выдержит, и что данный факт не скажется отрицательно на дальнейшей работоспособности диода. Но если данное напряжение превысить, то нет гарантии, что диод не будет пробит.
Данный параметр для разных диодов отличается, лежит он в диапазоне от десятков вольт до нескольких тысяч вольт. Например для популярного выпрямительного диода 1n4007 максимальное постоянное обратное напряжение равно 1000В, а для 1n4001 – составляет всего 50В.
Диод выпрямляет ток, поэтому следующей важнейшей характеристикой выпрямительного диода будет средний ток диода — средняя за период величина выпрямленного постоянного тока, текущего через p-n-переход. Для выпрямительных диодов данный параметр может составлять от сотен миллиампер до сотен ампер.
Максимальный импульсный ток диода — Ifsm (единичный импульс) и Ifrm (повторяющиеся импульсы)
Максимальный импульсный ток диода — это пиковое значение тока, которое данный выпрямительный диод способен выдержать только определенное время, которое указывается в документации вместе с этим параметром. Например, диод 10А10 способен выдержать единичный импульс тока в 600А длительностью 8,3мс.
Что касается повторяющихся импульсов, то их ток должен быть таким, чтобы средний ток уложился бы в допустимый диапазон. Например, повторяющиеся прямоугольные импульсы с частотой 20кГц диод 80EBU04 выдержит даже если их максимальный ток составит 160А, однако средний ток должен оставаться не более 80А.
Средний обратный ток диода показывает средний за период ток через переход в обратном направлении. Обычно это значение меньше микроампера, максимум — единицы миллиампер. Для 1n4007, к примеру, средний обратный ток не превышает 5мкА при температуре перехода +25°С, и не превышает 50мкА при температуре перехода +100°С.
Среднее прямое напряжение диода — Vf (падение напряжения на переходе)
Среднее прямое напряжение диода при указанном значении среднего тока. Это то напряжение, которое оказывается приложено непосредственно к p-n-переходу диода при прохождении через него постоянного тока указанной в документации величины. Обычно не более долей, максимум — единиц вольт.
Например в документации для диода EM516 приводится прямое напряжение в 1,2В для тока в 10А, и 1,0В при токе 2А. Как видим, сопротивление диода нелинейно.
Дифференциальное сопротивление диода
Дифференциальное сопротивление диода выражает отношение приращения напряжения на p-n-переходе диода к вызвавшему это приращение небольшому приращению тока через переход. Обычно от долей Ома до десятков Ом. Его можно вычислить по графикам зависимости падения напряжения от прямого тока.
Например, для диода 80EBU04 приращение тока на 1А (от 1 до 2А) дает приращение падения напряжения на переходе в 0,08В. Следовательно дифференциальное сопротивление диода в этой области токов равно 0,08/1 = 0,08Ом.
Средняя рассеиваемая мощность диода Pd
Средняя рассеиваемая мощность диода — это средняя за период мощность, рассеиваемая корпусом диода, при протекании через него тока в прямом и обратном направлениях. Данная величина зависит от конструкции корпуса диода, и может варьироваться от сотен милливатт до десятков ватт.
Например, для диода КД203А средняя рассеиваемая корпусом мощность составляет 20 Вт, данный диод можно даже установить при необходимости на радиатор для отвода тепла.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Выпрямители: Особенности выбора выпрямительных диодов
При выборе диодов выпрямителя необходимо учитывать целый набор факторов, определяемых: принципиальной схемой выпрямителя, частотой и величиной входного переменного напряжения, величинами напряжения и тока нагрузки, условиями эксплуатации (температура, влажность, устойчивость входного напряжения и т.п.), характером нагрузки (емкостная, индуктивная), наличием коммутационных перегрузок в цепи нагрузки, параметрами применяемого трансформатора и т.д.
В первую очередь необходимо рассчитать значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к силовым диодам при работе выпрямителя выбранного типа, а также оценить среднее значение протекающего через них прямого тока (это можно сделать по приближенным формулам, приводимым в таб. 3.4-1). Полученные таким образом значения необходимо откорректировать в зависимости от характера нагрузки.
Таб. 3.4-1. Режимы работы диодов в различных выпрямителях
Величина максимально допустимого повторяющегося обратного напряжения (\(U_<обр и п max>\)) используемых диодов также подвержена влиянию нагрузки (характер этого влияния может быть вычислен по формулам, приводимым далее). Во избежание ее превышения в начальный момент времени после включения выпрямителя и во время его работы (в т.ч. и на холостом ходу), силовые диоды должны выбираться с некоторым запасом и по этому параметру.
Опираясь на найденные значения \(I_<пр ср max>\) и \(U_<обр и п max>\) (не забывая также о предполагаемой частоте входного переменного напряжения), по таблицам справочных данных производят предварительный выбор силовых диодов. Немаловажное значение для характеристик выпрямителя имеет тип выбранных выпрямительных диодов. Напомним, что в качестве выпрямительных могут использоваться кремниевые, германиевые или арсенид-галлиевые диоды с \(p\)‑\(n\)‑переходом (в т.ч. лавинные диоды), а также кремниевые или арсенид-галлиевые диоды с переходом Шоттки.
Германиевые выпрямительные диоды довольно широко использовались 10..20 лет назад. В настоящее время они практически полностью вытеснены более совершенными кремниевыми и арсенид-галиевыми приборами. И только в некоторых довольно редких случаях немногие положительные свойства германиевых диодов могут обусловить их применение в выпрямителях. Основными свойствами германиевых диодов с \(p\)-\(n\)-переходом являются:
Существенным недостатком германиевых диодов является то, что они плохо выдерживают даже кратковременные импульсные перегрузки по обратному напряжению. Определяется это механизмом пробоя германиевых диодов — тепловым пробоем, происходящим при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в месте пробоя.
Кремниевые выпрямительные диоды с \(p\)-\(n\)-переходом — это наиболее распространенный в настоящее время вид диодов, применяемых во всех классах выпрямителей (однако они постепенно вытесняются более эффективными диодами с переходом Шоттки). Их основные свойства:
Лавинный характер пробоя кремниевых диодов позволил создать такие приборы, которые безболезненно переносят многократные перегрузки по обратному напряжению — лавинные диоды. Если условия эксплуатации разрабатываемого выпрямителя очень тяжелы с точки зрения стабильности питающего напряжения или тока нагрузки (что возможно при коммутации различных емкостей и индуктивностей в цепях нагрузки), то применение лавинных диодов становится практически неизбежным. Они обеспечивают гашение кратковременных импульсов высокого напряжения, проникающих в выпрямитель из внешних цепей. Альтернативой использованию лавинных диодов может быть добавление в выпрямитель стабилитрона или ограничителя напряжения (см. раздел “Диоды в ограничителях напряжения”).
Выпрямительные диоды, изготовленные из материала с большой шириной запрещенной зоны, обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. С этой точки зрения, относительно недавно появившиеся выпрямительные диоды с \(p\)-\(n\)-переходом из арсенида галлия являются очень перспективными приборами. Параметры выпускаемых арсенид-галлиевых выпрямительных диодов пока еще далеки от теоретически возможных (например, для диодов типа АД112 максимально допустимый прямой ток равен всего 300 мА, а максимально допустимое обратное напряжение — 50 В), поэтому очевидно, что новые приборы такого типа будут значительно превосходить своих предшественников.
К основным свойствам арсенид-галлиевых приборов следует отнести:
Выпрямительные диоды с барьером Шоттки — наиболее перспективный вид полупроводниковых выпрямительных диодов. Они могут изготавливаться из кремния или арсенида галлия. Очевидно, что по мере совершенствования и удешевления технологии изготовления диоды с барьером Шоттки будут все более вытеснять выпрямительные диоды с \(p\)-\(n\)-переходом. Основными свойствами выпрямительных диодов Шоттки являются:
Принцип работы, характеристика и разновидности выпрямительных диодов
Выпрямительный диод это прибор проводящий ток только в одну сторону. В основе его конструкции один p-n переход и два вывода. Такой диод изменяет ток переменный на постоянный. Помимо этого, их повсеместно практикуют в электросхемах умножения напряжения, цепях, где отсутствуют жесткие требования к параметрам сигнала по времени и частоте.
Принцип работы
Принцип работы этого устройства основывается на особенностях p-n перехода. Возле переходов двух полупроводников расположен слой, в котором отсутствуют носители заряда. Это запирающий слой. Его сопротивление велико.
При воздействии на слой определенного внешнего переменного напряжения, толщина его становится меньше, а впоследствии и вообще исчезнет. Возрастающий при этом ток называют прямым. Он проходит от анода к катоду. Если внешнее переменное напряжение будет иметь другую полярность, то запирающий слой будет больше, сопротивление возрастет.
Разновидности устройств, их обозначение
По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные. В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение — Si) и германиевые (обозначение — Ge). У первых рабочая температура выше. Преимущество вторых — малое падение напряжения при прямом токе.
Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код:
Вольт-амперная характеристика
Вольт-амперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода можно представить графически. Из графика видно, что ВАХ устройства нелинейная.
В начальном квадранте Вольт-амперной характеристики ее прямая ветвь отражает наибольшую проводимость устройства, когда к нему приложена прямая разность потенциалов. Обратная ветвь (третий квадрант) ВАХ отражает ситуацию низкой проводимости. Это происходит при обратной разности потенциалов.
Реальные Вольт-амперные характеристики подвластны температуре. С повышением температуры прямая разность потенциалов уменьшается.
Из графика Вольт-амперной характеристики следует, что при низкой проводимости ток через устройство не проходит. Однако при определенной величине обратного напряжения происходит лавинный пробой.
ВАХ кремниевых устройств отличается от германиевых. ВАХ приведены в зависимости от различных температур окружающей среды. Обратный ток кремниевых приборов намного меньше аналогичного параметра германиевых. Из графиков ВАХ следует, что она возрастает с увеличением температуры.
Важнейшим свойством является резкая асимметрия ВАХ. При прямом смещении – высокая проводимость, при обратном – низкая. Именно это свойство используется в выпрямительных приборах.
Коэффициент выпрямления
Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры.
Он отражает качество выпрямителя.
Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.
Основные параметры устройств
Какие же параметры характеризуют приборы? Основные параметры выпрямительных диодов:
Исходя из максимального значения прямого тока, выпрямительные диоды разделяют на:
Существуют силовые устройства, зависящие от формы, материала, типа монтажа. Наиболее распространенные из них:
Выпрямительные схемы
Схемы включения силовых устройств бывают различными. Для выпрямления сетевого напряжения они делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Большинство из них однофазные. Ниже представлена конструкция такого однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме.
Переменное напряжение U1 подается на вход (рис. а). Справа на графике оно представлено синусоидой. Состояние диода открытое. Через нагрузку Rн протекает ток. При отрицательном полупериоде диод закрыт. Поэтому к нагрузке подводится только положительная разность потенциалов. На рис. в отражена его временная зависимость. Эта разность потенциалов действует в течение одного полупериода. Отсюда происходит название схемы.
Самая простая двухполупериодная схема состоит из двух однополупериодных. Для такой конструкции выпрямления достаточно двух диодов и одного резистора.
Диоды пропускают только положительную волну переменного тока. Недостатком конструкции является то, что в полупериод переменная разность потенциалов снимается лишь с половины вторичной обмотки трансформатора.
Если в конструкции вместо двух диодов применить четыре коэффициент полезного действия повысится.
Выпрямители широко используются в различных сферах промышленности. Трехфазный прибор задействован в автомобильных генераторах. А применение изобретенного генератора переменного тока способствовало уменьшению размеров этого устройства. Помимо этого, увеличилась его надежность.
В высоковольтных устройствах широко применяют высоковольтные столбы, которые скомпонованы из диодов. Соединены они последовательно.
Импульсные приборы
Импульсным называют прибор, у которого время перехода из одного состояния в другое мало. Они применяются для работы в импульсных схемах. От своих выпрямительных аналогов такие приборы отличаются малыми емкостями p-n переходов.
Для приборов подобного класса, кроме параметров, указанных выше, следует отнести следующие:
В быстродействующих импульсных схемах широко применяют диоды Шотки.
Импортные приборы
Отечественная промышленность производит достаточное количество приборов. Однако сегодня наиболее востребованы импортные. Они считаются более качественными.
Импортные устройства широко используются в схемах телевизоров и радиоприемников. Их также применяют для защиты различных приборов при неправильном подключении (неправильная полярность). Количество видов импортных диодов разнообразно. Полноценной альтернативной замены их на отечественные пока не существует.
Выпрямительные диоды: Параметры выпрямительных диодов
Выпрямительные диоды характеризуются статическими (\(U_<пр>\), \(I_<пр>\)), динамическими (\(I_<пр ср>\), \(U_<пр ср>\), \(I_<обр ср>\), \(U_<обр ср>\), \(f_р\), \(R_д\), \(C_д\)) и предельно допустимыми параметрами (\(I_<пр ср max>\), \(P_<д max>\), \(U_<обр max>\), \(U_<обр и max>\), \(T_<п max>\), \(I_<и max>\)). Для выпрямительных диодов большое значение имеет характер нагрузки (активная, емкостная или индуктивная), влияющий на форму и значение протекающего тока, т.е. определяющий режим работы диода.
Обратное напряжение (\(U_<обр max>\), \(U_<обр и п max>\), \(U_<обр и нп max>\)). Величина \(U_<обр max>\) соответствует максимально допустимому постоянному обратному напряжению, при котором диод может эксплуатироваться в течение всего срока службы. \(U_<обр и п max>\) — максимально допустимое импульсное повторяющееся напряжение. При непрерывно приложенном переменном импульсном напряжении \(U_<обр и п max>\) гарантируется долговременная работоспособность диода, например, в выпрямителе. Значение неповторяющегося импульсного обратного напряжения (\(U_<обр и нп max>\)) определяет перегрузочную способность диода по напряжению. Неповторяющееся переходное напряжение обусловливается обычно внешней причиной, и предполагается, что его действие исчезает полностью до появления следующего переходного напряжения. В документации на некоторые типы выпрямительных диодов установлено только одно из перечисленных допустимых значений напряжений: \(U_<обр и п max>\) либо \(U_<обр max>\). При этом следует иметь в виду, что при установлении нормы только на \(U_<обр max>\) допускается работа диода и при \(U_<обр и п max>\), равном \(U_<обр max>\), а при установлении нормы только на \(U_<обр и п max>\) постоянное рабочее напряжение следует снижать на 30. 40% по сравнению с \(U_<обр и п max>\), например, при работе диода в резервируемых источниках питания постоянного тока. Каждое из перечисленных значений напряжения устанавливается, как правило, для всего диапазона рабочих температур.
Прямой ток (\(I_<пр max>\), \(I_<пр ср max>\)). Для прямого тока, в зависимости от условий эксплуатации диодов, также может нормироваться несколько его значений. Максимально допустимый прямой постоянный ток (\(I_<пр max>\)) в основном приводится для диодов малой мощности. Обычно наряду с \(I_<пр max>\) или вместо него указывается максимально допустимый средний ток (\(I_<пр ср max>\)), который важен при применении диодов в выпрямителях. Следует иметь в виду, что приводимые в технической документации средние значения токов выпрямительных диодов соответствуют их работе на активную нагрузку, при угле проводимости тока \(\beta = <180^<\circ>>\). Значение этого тока гарантируется на основании проводимых на предприятиях-изготовителях испытаний в течение заданного времени в указанном режиме. В этом случае максимальное амплитудное значение тока составляет \(3,14 \cdot I_<пр ср max>\), а его действующее значение — \(1,57 \cdot I_<пр ср max>\).
При работе диодов в выпрямителях на активно-емкостную нагрузку амплитудное и действующее значения тока могут значительно превышать их нормированное значение при активной нагрузке, поскольку угол проводимости в этом случае может уменьшаться (рис. 2.3‑2). Так, например, при допустимом коэффициенте пульсаций на выходе выпрямителя 0,1% максимальное амплитудное значение тока выпрямительных диодов (\(I_<пр и п>\)) может достигать \(15 \cdot I_<пр ср max>\), а действующее значение — \(3,5 \cdot I_<пр ср max>\), хотя среднее его значение будет оставаться равным \(I_<пр ср max>\). Поэтому при разработке радиоэлектронной аппаратуры в целях исключения перегрузки диодов по величине действующего и амплитудного значений токов и их перегрева при работе на активно-емкостную нагрузку значение среднего тока через каждый диод следует снижать не менее чем в 2,2 раза по сравнению с заданным в технической документации значением \(I_<пр ср max>\) диода. Практически, для однополупериодного выпрямителя и выпрямителя с удвоением напряжения каждый диод необходимо выбирать на ток \(I_ <пр ср max>\ge <2,2>\cdot I_<н max>\), а для двухполупериодного выпрямителя, соответственно, на \(I_ <пр ср max>\ge <1,1>\cdot I_<н max>\), где \(I_<н max>\) — максимальное значение тока нагрузки выпрямителя.
Рис. 2.3-2. Диаграммы напряжений и токов однофазного двухполупериодного выпрямителя при активно-емкостной нагрузке
Допустимая величина среднего прямого тока зависит также от температуры корпуса или окружающей среды и частоты повторения импульсов. В качестве примера на рис. 2.3‑3 показана зависимость от температуры, а на рис. 2.3‑8 — от частоты.
Рис. 2.3-3. Зависимость прямого среднего тока выпрямительных диодов от темперетуры
Ток перегрузки и ударный ток (\(I_<прг max>\), \(I_<пр уд max>\)). При разработке выпрямителей следует учитывать ток перегрузки диодов. Существующие диоды нормируются следующими параметрами по току перегрузки: \(I_<прг max>\) — максимально допустимый ток перегрузки и \(I_<пр уд max>\) — ударный ток. Ток перегрузки важен для начального включения диодов выпрямителя на емкостную нагрузку, когда емкость фильтра выпрямителя не заряжена (рис. 2.3‑4).
Рис. 2.3-4. Ток перегрузки диодов в момент включения выпрямителя на активную емкостную нагрузку
Максимальный ток перегрузки примерно может быть рассчитан по формуле: \(\newcommand<\slfrac>[2]<\left.#1\right/#2>I_ <прг max>\approx <1,41>\cdot \slfrac
Максимально допустимый ударный ток в основном указывается для силовых диодов как значение тока короткого (аварийного) замыкания нагрузки и служит для выбора устройств защиты диодов, например, с помощью плавких предохранителей. При этом оценка защищенности диодов определяется защитным показателем \( \huge <\int>\normalsize <
Рис. 2.3-5. Зависимость допустимой амплитуды тока перегрузки от температуры корпуса
Рис. 2.3-6. Зависимость допустимой амплитуды тока перегрузки от длительности импульса
Рис. 2.3-7. Зависимость допустимой амплитуды ударного тока от длительности импульса при различной температуре перехода
Граничная рабочая частота (\(f_р\)). При повышении частоты приложенного напряжения выше граничного для конкретного диода значения \(f_р\), которое носит название граничной рабочей частоты, выпрямляющие свойства диода ухудшаются, значение выпрямленного тока уменьшается (падает эквивалентное сопротивление \(p\)-\(n\)-перехода), потери в диоде увеличиваются и он значительно разогревается. Таким образом, с повышением частоты максимально допустимый средний прямой ток уменьшается. На рис. 2.3‑8 показана типичная зависимость среднего прямого тока выпрямительного диода от частоты приложенного напряжения.
Рис. 2.3-8. Зависимость максимально допустимого прямого среднего тока от частоты
В таб. 2.3‑1 приведен полный перечень специальных параметров выпрямительных диодов. Помимо описанных выше величин этот список включает также некоторые характеристики рассеиваемой мощности в различных режимах работы диода, некоторые токовые характеристики и др.
Таб. 2.3-1. Специальные параметры выпрямительных диодов