Диод д7 характеристики. Типы и основные параметры диодов

В зависимости от исходного полупроводникового материала различают кремниевые и германиевые диоды. Туннельные диоды изготовляют также на основе арсенида галлия и антимонида индия. Кремниевые диоды имеют более высокую предельную температуру (120°…150°C против 55°...160°C у германиевых), обладают меньшими обратными токами и бóльшими допустимыми обратными напряжениями. Однако, кремниевые диоды имеют большее пряое падение напряжения (порядка 0,8…1,2 В против 0,3…0,6 В у германиевых). Эти отличия параметров обусловлены большей шириной запрещенной зоны у кремния.

По назначению полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные (и их разновидность – силовые), высокочастотные, импульсные, опорные (стабилитроны), варикапы, туннельные и другие.

Выпрямительные диоды. Выпрямителные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50…20 000 Гц).

К основным параметрам выпрямителных диодов, характеризующим их работу в выпрямительных схемах, относятся среднее значение выпрямленого тока I пр. ср, . которое может длительно протекать через диод при допустмом его нагреве; среднее значение прямого падения напряжения U пр. ср, однозначно определяемое по вольт-амперной характеристике при заданных значенииях I пр. ср ; среднее значение обратного тока I обр при заданном значении обратного напряжения U пр. ср ; Δf – диапазон рабочих чостот , в пределах которого ток диода не уменьшается ниже заданного значения. Часто приводят предельную частоту диапазона f max .

Важное значение имеют также параметры предельного электрического режима выпрямителного диода, а именно: предельно допустимая амплитуда обратного напряжения U обр. max , которое диод длительно выдерживает без нарушения нормальной работы (U обр. max на 20 % меньше напряжения пробоя U обр. пр ); максимальное значение тока I пр. max ; максимальный обратный ток I обр. max при U обр. max .

Выпрямителные диоды подразделяют на диоды малой мощности, прямой ток которых I пр. ср < 0,3 А, средней (0,3 A< I пр. ср < 10 А) и большой (I пр. ср > 10 А) мощности. Максимальное обратное напряжение диодов малой мощности лежит в диапазоне от десятков вольт до 1200 В. На более высокие напряжения выпускаются выпрямительные столбы, использующие последовательное соединение диодов. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА для кремниевых. С точки зрения частотных свойств диоды рассматриваемого типа подразделяют на низкочастотные (до 400 Гц) и высокочастотные (10…20 кГц). Конструкция выпрямительных диодов малой мощности приведена на рисунке 2.3, а на примере сплавного германиевого диода Д7Ж, а его вольт-амперная характеристика - на рисунке 2.3, б .

1 - внешний вывод (анод); 2 -трубка (штенгель); 3 - стеклянный изолятор; 4 - корпус; 5 - внутренний вывод анода; 6 - таблетка индия; 7 - кристалл германия; 8 - кристаллодержатель; 9 - внешний вывод (катод);

Рисунок 2.3 - Маломощный германиевый выпрямительный диод Д7А -Ж

В выпрямительных диодах средней мощности больший прямой ток достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади р-п -перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно 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 и обратного токов в таких диодах, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.

Для улучшения условий теплоотвода в этих диодах применяют дополнительные охладители – радиаторы, изготовляемые из металла, обладающего хорошей теплопроводностью (обычно сплавы алюминия) и развитой поверхностью для улучшения теплоотдачи. В качестве радиатора иногда может быть использовано шасси прибора. Для крепления радиатора корпус диода имеет стержень с винтовой нарезкой. Диоды с плоским основанием корпуса крепят (прижимают) к радиатору с помощью фланцевого соединения. Пример конструкции выпрямительных диодов средней мощности показан на рисунке 2.4, а. На рисунке 2.4, б приведена вольт-амперная характеристика диода Д205.

1 - внешний вывод (анод); 2- трубка (штенгель); 3 - стеклянный изолятор; 4 - корпус; 5 - внутренний вывод анода; 6 - алюминий; 7 - кристалл кремния, 8 - теплоотводящее основание, 9 - кристаллодержатель; 10 - внешний вывод (катод);

Рисунок 2.4 - Кремниевые выпрямительные диоды средней мощности Д202 - Д205

Мощные (силовые) диоды. Мощные диоды, называемые силовыми вентилями , предназначены для работы при прямом токе от 10 А и выше, максимальное обратное напряжение кремниевых диодов достигает нескольких тысяч вольт. Силовые диоды обозначают буквой В, они имеют градацию по частоте и охватывают частотный диапазон применения до десятков килогерц.

Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластина с р-п -переходом, создаваемым диффузионным методом, у таких диодов представляет собой диск диаметром 10…100 мм и толщиной 0,3…0,6 мм. Пример конструкции мощного диода показан на рисунке 2.5.

Рассмотрим некоторые специфические особенности мощных диодов.

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в р-п -переходе. В связи с этим для диодов большой мощности должны предусматриваться эффективные методы отвода теплоты.

Другая особенность мощных диодов - необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах, а также при атмосферных воздействиях. При этом к диоду прикладывается в обратном направлении помимо напряжения, обусловленного схемой, дополнительный импульс напряжения. При отсутствии защитных мер диод может выйти из строя.

1 - внешний вывод (анод); 2 - стакан; 3 - стеклянный изолятор; 4 - внутренний гибкий вывод анода; 5 - корпус; 6 - чашечка, 7 - кристалл с р-п -переходом; 8 - кристаллодержатель (катод), 9 - шпилька для крепления к радиатору

Рисунок 2.5 - Конструкция мощного кремниевого диода ВЛ - 200

Выход диода из строя связан вначале с электрическим пробоем р-п -перехода, который затем переходит в тепловой пробой, происходящий часто не внутри р-п -перехода, а в месте выхода его на поверхность кристалла. Причина заключается в том, что в реальном диоде в месте выхода р-п -перехода на поверхность имеются участки, в которых существенно сужена область объемного заряда. Это обусловливается рядом факторов (нарушение структуры кристалла, различные загрязнения поверхности и т. д.). Естественно, что напряженность поля в этих участках выше, а напряжение электрического пробоя ниже, чем внутри р-п -перехода. Поэтому при перенапряжениях возникает электрический пробой р-п -перехода в этих участках, и весь обратный ток проходит через них. Плотность тока достигает достаточно больших значений даже при сравнительно небольших обратных токах. Температура в участке пробоя резко по-

вышается, что, в конечном счете, приводит к тепловому пробою и расплавлению кремния вблизи участка пробоя.

Таким образом, защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя р-п -перехода с поверхностных участков в объемные. Поверхностный пробой устраняют за счет создания косого среза (фаски) по поверхности пластины монокристалла и применения так называемого метода защитного кольца (рисунок 2.6, а ).

Метод основан на внесении меньшей концентрации акцепторной примеси в периферийную кольцевую часть монокристалла по сравнению с внутренней. В связи с этим концентрация основных носителей заряда в периферийной части р -области будет меньшей, а толщина слоя объемного заряда (ширина р-п -перехода) - большей, чем в центральной части.

Благодаря указанным мерам, напряженность поля на наружной поверхности р-п -перехода будет существенно меньшей, чем в его внутренней области. При наличии перенапряжений возможный электрический пробой р-п -перехода может произойти

Рисунок 2.6 – Структура и ВАХ лавинного диода

только в объемной части, причем пробой носит лавинный характер. Поэтому силовые диоды с такой р-n -структурой называют лавинными . Обратная ветвь вольт-амперной характеристики лавинного диода показана на рисунке 2.6, б (кривая 1). Там же приведена обратная ветвь вольт-амперной характеристики обычного диода (кривая 2).

Перенос возможного электрического пробоя в объемную часть перехода обеспечивает не только повышение и стабильность напряжения лавинного пробоя U л , но и значительное повышение мощности, рассеиваемой прибором при обратном напряжении, благодаря его способности пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков. Последнее достигается тем, что лавинный пробой р-п -перехода носит объемный характер, распределяясь по большому числу микроканалов. Лишь при значительном обратном токе, когда пробой охватывает всю объемную часть перехода, в принципе возможен перегрев прибора и выход его из строя вследствие теплового пробоя. Поэтому действие импульсов перенапряжения должно быть кратковременным даже в случае применения лавинных диодов.

Импульсные диоды. Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных выпрямительных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспечением быстрой реакции прибора на импульсы подводимого напряжения - малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно. Такие диоды характеризуются дополнительными параметрами: собственной емкостью, временем установления прямого сопротивления и временем восстановления обратного сопротивления .

Собственная емкость на высокой частоте снижает обратное сопротивление. Для её уменьшения приходится уменьшать размеры кристалла, что приводит к уменьшению среднего прямого тока через диод. Для импульсных диодов в паспорте указывается кроме среднего максимальный ток в импульсе, который может быть значительно больше среднего тока, так как за время паузы между импульсами кристалл имеет возможность охлаждаться.

Для переключения диода из закрытого состояния в открытое требуется некоторое время для накопления необходимых концентраций неравновесных носителей заряда в близлежащих к р-п -переходу слоях (см. рисунок 1.9, в ). Вследствие этого падение напряжения на диоде при отпирании сначала имеет относительно большую величину, а затем, снижаясь, достигает установившегося значения. Время, в течение которого падение напряжения на диоде спадает от максимального до 1,2 установившегося значения, называют временем установления прямого сопротивления t уст .

Переключение диода из открытого состояния в закрытое при быстром изменении полярности подводимого напряжения характеризуется резким увеличением обратного тока (на один - два порядка больше установившегося значения) и его уменьшением до установившегося значения в течение некоторого времени. Такое изменение обратного тока свидетельствует о постепенном восстановлении высокого сопротивления диода в обратном направлении при переводе его в непроводящее состояние.

Возникновение броска обратного тока вызвано тем, что избыточные неосновные носители заряда, созданные по обе стороны р-п- перехода на этапе протекания прямого тока (см. рисунок 1.9, в ), втягиваются полем обратно в р-п- переход под действием приложенного к нему обратного напряжения. Обратный ток спадает до номинального значения лишь после того, как концентрации неосновных носителей заряда по обе стороны р-п- перехода достигнут установившихся значений вследствие ухода носителей заряда через переход и рекомбинации с носителями заряда противоположного знака. Время, в течение которого обратный ток достигает 1,2 установившегося значения, называют временем восстановления обратного сопротивления t восст .

Значения параметров t уст и t восст в импульсных диодах могут составлять от долей наносекунды до сотен наносекунд (1 нс = 10 -9 с).

Стабилитроны. Стабилитроны представляют собой кремниевые плоскостные диоды, напряжение на которых в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Они предназначены для стабилизации уровня постоянного напряжения. Обратное напряжение на р-п -переходе стабилитронов при электрическом (лавинном или туннельном) пробое (рисунок 2.7) претерпевает незначительное изменение.

Участок 1-2 на рисунке 2.7 является рабочим участком вольт-амперной характеристики полупроводникового стабилитрона.

Основными параметрами прибора являются напряжение стабилизации U ст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации I ст. ном,; максимальный I ст тах и минимальный I ст min токи на участке стабилизации , динамическое сопротивление в рабочей точке на участке стабилизации r Д = ΔU ст / ΔI ст, характеризующее степень изменения стабилизации при изменении тока через стабилитрон; температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН). Шкала напряжений у промышленных типов стабилитронов лежит в пределах 3…200 вольт.

Точка 1 на характеристике соответствует минимальному току стабилитрона, при котором наступает пробой. Необходимость получения малого значения I ст min является одной из причин выполнения стабилитронов из кремния. Точке 2 соответствует максимальный ток стабилитрона, достижение которого еще не грозит тепловым пробоем р-п -перехода. В зависимости от типа стабилитрона величина I ст тах может составлять от 2 мА до 10 А. Величина r Д , характеризующая также наклон рабочего

Рисунок 2. 7 - Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона

участка ВАХ, для низковольтных стабилитронов лежит в пределах 1…30 Ом, а для высоковольтных - 18…300 Ом. Температурный коэффициент напряжения стабилизации α ст = (ΔU ст /U ст ΔТ ) ·100 характеризует относительное изменение напряжения U ст при изменении температуры окружающей среды на 1ºС и выражается в процентах. Для кремниевых стабилитронов ТКН может быть положительным и отрицательным и составлять в зависимости от типа прибора 0,0005…0,2 % /1ºС.

Кремниевые точечные диоды Д101- ДЮЗА, Д104-Д106А

Плоскостные диоды

Диоды группы ДЮ1-ДЮЗА рассчитаны на работу в высокочастотных устройствах на частотах до 600 Мгц при температуре окружающей среды до + 150°С. Внешнее оформление этих диодов аналогично оформлению германиевых диодов группы Д2.

Диоды группы Д104-Д106А аналогичны по параметрам диодам группы Д101-ДЮЗА. Различие состоит в том, что диоды группы Д104-Д106А имеют малогабаритный металлостеклянный корпус, габаритные размеры которого

представлены на рис.4. Основные электрические параметры диодов Д101- Д106А сведены в табл. 1.

Плоскостные германиевые диоды Д7А-Д7Ж (ДГ-Ц21-ДГ-Ц27)

Диоды группы Д7 предназначены для выпрямления переменного тока промышленной частоты (50 гц) в устройствах питания радиоаппаратуры. Наибольшая амплитуда тока при переходных процессах (менее 0,1 сек) равна 25 а.

Все диоды группы Д7 заключаются в цилиндрический металлический корпус со стеклянным изолятором. Диоды группы Д7 в зависимости от электрических параметров разделяются на семь типов (Д7А-Д7Ж). Диоды группы Д7А-Д7Ж по параметрам аналогичны выпускавшимся ранее диодам ДГ-Ц21-ДГ-Ц27.

Основные электрические параметры диодов Д7 приведены в табл. 2., а внешний вид и габаритные размеры показаны на рис. 5.

При работе на емкостную нагрузку амплитуда обратного напряжения на диодах не должна превышать значения, указанного в табл. 2, а эффективное значение тока через диод должно быть не более, чем 1,57 от среднего выпрямленного тока.

Электрические данные при температуре +20° ±5°С

Тип прибора

Максимальный выпрямл. ток, а

Максимальное обр. рабоч. на- пряж., в (амплитуд.)

Падение напряжения при номин. выпрямл. токе, в (ср.)

Обратный ток при максимальном рабочем напряжении, ма

Д7А (ДГ-Ц21)

Д7Б (ДГ Ц22)

Д7В (ДГ-Ц23)

Д7Г (ДГ-Ц24)

Д7Д (ДГ-Ц25)

Д7Е (ДГ-Ц26)

Д7Ж (ДГ-Ц27)

Выпрямительные плоскостные алюминиевом радиаторе толщиной

кремниевые диоды Д202-Д205 1 лш, площадью 40 см2 (на один диод).

Диоды группы Д202-Д205 предназначены для выпрямления промышленного тока (50 гц). Диоды имеют металлический герметизированный корпус с винтом для крепления на теплоотводящем шасси. Диапазон рабочих температур от -60СС до +125°С.

Внешний вид и габаритные размеры диодов представлены на рис. 6, а основные электрические параметры помещены в табл. 2.

Для указанных диодов без теплоотвода среднее значение выпрямленного

тока при температуре окружающей среды + 20° С составляет 400 ма. При использовании в предельном режиме диоды рекомендуется укреплять на

Выпрямительные плоскостные кремниевые диоды Д206-Д211

Диоды группы Д206-Д211 предназначены для выпрямления промышленного тока (50 гц) в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. Диапазон рабочих температур от -60°С до +125Х. Диоды имеют герметичный металлический корпус, внешний вид и размеры которого показаны на рис. 7. Основные электрические данные сведены в табл. 2.

Выпрямительные плоскостные германиевые диоды Д302-Д305

Диоды группы Д302, ДЗОЗ, Д304 и Д305 служат для выпрямления тока промышленной частоты (50 гц) в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. Корпус диодов - герметизированный, с винтом и гайкой для крепления на теплежтвод я щем шасси. Диапазоны рабочих температур от -60°С до -j-70°C.

В выпрямителе, собранном на диодах Д302-Д305, желательно устанавливать фильтр, имеющий индуктивный вход. При фильтре, имеющем емкостной вход, значение выпрямленного тока должно быть в два раза меньше номинального

Температура корпуса диода во всех случаях эксплуатации не должна превышать Д-80°С.

При использовании охлаждающих радиаторов, их следует выполнять из меди толщиной 3 мм. Для диодов типов

Силовая часть собрана по мостовой схеме на мощных IGBT транзисорах B1- B4 (на схеме отсутствует ЭМИ фильтр). D1-D4 - диодный мост. R6 и RS1 - схема плавного включения, обеспечивает постепенный заряд фильтрующего конденсатора С3, исключая бросок тока. С5, R7, R8 - схема запуска ШИМ контроллера. С2, R10 - демпфирующая цепь. LR1-LR2, D5-D8, R9, WR - регулировка выходного тока.

Список радиодеталей силового блока:

Предохранители
F1- 5A

Транзисторы IGBT
B1, B2, B3, B4 - G20N60

Диоды
D1, D2, D3, D6 - 6A10 (6A 1000V)
D7, D8, D9, D10 - 4148

Конденсаторы
C1 - 2,2uF 630V
C2 - 332 630V (3300pF, 3,3nF, 0,0033 uF)
C3 - 600uF 400V, электролитический
C4 - 220uF 400V, электролитический
C5 - 22uF 400V, электролитический
C6 - 104 (100nF, 0,1uF)

Резисторы
RB1, RB2, RB3, RB4 - 3,3K
R5 - 10K
R6 -100/10W
R7 - 10K/2W
R8 - 120K/2W
R9 - 150
R10 - 51/10W
RW - 510, подстроечный

Реле
RS1- 12V 10A

LR1, LR2 - трансформатор тока
ферритовое кольцо 20*12*6 2000НМ, вторичная обмотка LR2 - 100 витков провода 0,12- 0,15 мм2, первичная обмотка LR1— перемычка, пропущенная через кольцо.

PM1 Блок ШИМ контроллера собран на микосхемах TL494 и IR2181, способен управлять мощными IGBT или MOSFET транзисторами с током до 60А. С помощью этого блока возможно построение мощного блока питания по мостовой схеме от 1 до 3 кВт.

Список радиодеталей ШИМ контроллера:

Микросхемы
TL494
IR2181 - 2шт.

Диоды
UF 407 - 2шт.
Zener 18V

Конденсаторы
224 (200n, 0,22uF) - 3шт
103 (10n, 0,01uF) - 2шт.
102 (1000pF, 1n) - 1шт.
100uF*35V - 1шт.
100uF*16V - 1шт.

Резисторы
10 - 4шт.
51 - 1шт.
1К - 4шт.
2К - 5шт.
10К - 1шт
15К - 1шт.
82К - 2шт.

Вторичные цепи с однополярным питанием и силовой трансформатор

Силовой трансформатор изготовлен на сердечнике ЕЕ55 материал N87 . Первичная обмотка N1 - 0,35*6=35 витков, N2,N3 - 0,55*10=6+6 витков, N4-0,55=3 витка, N5 - 0,55=2 витка.

Дроссель L1 изготовлен на сердечнике ЕЕ55 материал N87 0,55*20=9 виков

Стабилизатор V1 - 12V, питание вентилятора и реле Rs1. Стабилизатор V2 - 18V, питание Шим контроллера. WR1 - регулировка выходного напряжения.

Вторичные цепи с двухполярным питанием и силовой трансформатор

Силовой трансформатор изготовлен на сердечнике ЕЕ55 материал N87 (при расчете программой Lite-CalcIT, размер сердечника: E 42/21/20 N87) . Первичная обмотка N1 - 0,35*6=35 витков, N2,N3 - 0,55*4=9+9 витков, N4-0,55=3 витка, N5 - 0,55=2 витка.

Дроссель L1а L1b изготовлен на сердечнике ЕЕ55 материал N87 0,55*10=9+9 виков (противоположное направление намотки).

Печатная плата блока управления....>>>