Наръчник за мощни диоди. Токоизправителни диоди: устройство, конструктивни характеристики и основни характеристики

Всички тези компоненти се различават по предназначение, използвани материали, p-n типовепреходи, дизайн, мощност и други функции и характеристики. Широко използвани са токоизправители, импулсни диоди, варикапи, диоди на Шотки, SCR, светодиоди и тиристори. Нека разгледаме основните им технически спецификациии общи свойства, въпреки че всеки тип от тези полупроводникови компоненти има много свои собствени чисто индивидуални параметри.

Това са електронни устройства с един p-n преход с еднопосочна проводимост и предназначени за преобразуване на променливо напрежение в постоянно напрежение. Честотата на изправеното напрежение обикновено е не повече от 20 kHz. Изправителните диоди също включват диоди на Шотки.

Основните параметри на изправителните диоди с ниска мощност при нормални температури са дадени в таблица 1средна мощност изправителни диоди в таблица 2и високомощни изправителни диоди в таблица 3

Вид изправителни диоди са . Тези устройства на обратния клон на характеристиката ток-напрежение имат лавинна характеристика, подобна на ценерови диоди. Наличието на лавинна характеристика им позволява да се използват като елементи за защита на веригата срещу пренапрежения, включително директно в токоизправителни вериги.

В последния случай токоизправителите, базирани на тези диоди, работят надеждно при условия на комутационни пренапрежения, които възникват в индуктивни вериги, когато захранването или натоварването се включват и изключват. Основните параметри на лавинните диоди при нормални температури на околната среда са дадени в

За коригиране на напрежение над няколко киловолта са разработени токоизправителни колони, които представляват набор от токоизправителни диоди, свързани последователно и сглобени в една структура с два извода. Тези устройства се характеризират със същите параметри като токоизправителните диоди. Основните параметри на ректификационните колони при нормални температури на околната среда са дадени в

За да се намалят габаритните размери на токоизправителите и да се улесни монтажа им, те се произвеждат токоизправителни блокове(възли), имащи два, четири или повече диода, електрически независими или свързани под формата на мост и събрани в един корпус. Основните параметри на токоизправителните блокове и възли при нормална температура на околната среда са дадени в

Импулсни диодиТе се различават от токоизправителите по краткото време за обратно възстановяване или голям импулсен ток. Диодите от тази група могат да се използват в токоизправители висока честота, например като детектор или модулатори, преобразуватели, формировачи на импулси, ограничители и други импулсни устройства, вижте справочните таблици 7 и 8

Тунелни диодиизпълняват функциите на активни елементи (устройства, способни да усилват мощността на сигнала) електронни схемиусилватели, генератори, ключове предимно в микровълнови диапазони. Тунелните диоди имат висока скорост, малки габаритни размерии тегло, устойчиви на радиация, работят надеждно в широк температурен диапазон, енергийно ефективни

Основните параметри на тунелните и обратните диоди при нормални температури на околната среда са дадени в

- техният принцип на работа се основава на електрическо (лавинно или тунелно) разрушаване на p-n прехода, по време на което възниква рязко увеличение на обратния ток и обратното напрежение се променя много малко. Това свойство се използва за стабилизиране на напрежението в електрическите вериги. Поради факта, че лавинният пробив е типичен за диоди, направени на базата на полупроводник с голяма ширина на лентата, изходният материал за ценерови диоди е силиций. В допълнение, силицийът има нисък топлинен ток и стабилни характеристики в широк температурен диапазон. За работа в ценерови диоди се използва плоска част от I-V характеристиката на обратния ток, в рамките на която резките промени в обратния ток са придружени от много малки промени в обратното напрежение.

Параметри на ценерови диоди и стабисториниска мощност са дадени в , ценерови диоди и ценерови диоди с висока мощност - в , прецизни ценерови диоди -

Параметрите на ограничителите на напрежението са дадени в

Това са полупроводникови диоди с електрически контролиран капацитет на бариерен преход. Промяната в капацитета се постига чрез промяна на обратното напрежение. Както при другите диоди, базовото съпротивление на варикапа трябва да е малко. В същото време, за да се увеличи стойността на пробивното напрежение, е желателно високо съпротивление на базовите слоеве, съседни на кръстовището. Въз основа на това основната част от основата - субстратът - е нискоустойчива, а основният слой, съседен на прехода, е високоустойчив. Варикапите се характеризират със следните основни параметри. Общият капацитет на варикапа SB е капацитет, който включва капацитета на бариерата и капацитета на корпуса, т.е. капацитетът, измерен между клемите на варикапа при дадено (номинално) обратно напрежение.

LEDе полупроводниково устройство, което преобразува електрическия ток директно в светлинно излъчване. Състои се от един или повече кристали, поставени в корпус с контактни проводници и оптична система (леща), която генерира светлинния поток. Дължината на вълната (цветът) на кристалното излъчване зависи от

Това са същите светодиоди, които излъчват светлина само в инфрачервения диапазон

Това е най-простият полупроводников лазер, чиято конструкция се основава на стандартен p-n преход. Принципът на работа на лазерното устройство се основава на факта, че след това в елемента се инжектират свободни носители на заряд p-n зона- преход, образува се популационна инверсия.

Полупроводниковият ограничител на напрежението е диод, който работи на обратния клон на характеристиката ток-напрежение с лавинообразно разпадане. Използва се за защита срещу пренапрежение във вериги на интегрални и хибридни схеми, радиоелектронни елементи и др. С помощта на ограничители на напрежението можете да защитите входните и изходните вериги на различни електронни компоненти от ефектите на краткотрайни пренапрежения.

Информацията в директорията е представена във формат на оригинални PDF файлове и за по-лесно изтегляне е разделена на колекции в съответствие с английската азбука

Справочникът дава обща информацияза домашни полупроводникови диоди, а именно токоизправители, диодни матрици, ценерови диоди и стабистори, варикапи, излъчващи и свръхвисоки полупроводникови устройства. Той също така разказва за тяхната класификация и система от символи. Конвенционалните графични обозначения са дадени в съответствие с GOST 2.730-73, а термините и буквените обозначения на параметрите в съответствие с GOST 25529-82. Дадена е известна информация за използването на ограничители на напрежението и правилата за инсталиране на диоди. Приложението съдържа чертежи с размери на корпусите и буквено-цифров индекс за навигация.

Тази база данни не е нищо повече от електронен справочник за полупроводникови устройства, включително мостове и модули, както и много радиокомпоненти.

Справочникът съдържа повече от 65 000 радиоелемента. Има информация от всички водещи производители към декември 2016 г. Директорията съдържа следните функции:

Сортиране по няколко признака в произволен ред на директорията
филтриране за почти всички характеристики
редактиране на данни от директория
преглед на документация и чертеж на корпуса на радиоелемента
референтен преглед на информационни листове в PDF формат

В референтните таблици се използват следните конвенции:

U об.макс.	-	максимално допустимо постоянно обратно напрежение на диода;
U rev.i.max.	-	максимално допустимо импулсно обратно напрежение на диода;
I ave.max.	-	максимален среден преден ток за периода;
I pr.i.max.	-	максимален импулсен ток напред за период;
I prg.	-	ток на претоварване на изправителен диод;
f макс.	-	максимално допустима честота на превключване на диода;
f роб	-	работна честота на превключване на диода;
U pr при I pr	-	постоянно право напрежение на диода при ток I pr;
аз обр.	-	постоянен обратен диоден ток;
Tk.max.	-	максимално допустима температура на тялото на диода.
Tp.max.	-	максимално допустима температура на диодния преход.

Полупроводникови диодисе наричат ​​едноразходни (с един електрически преход) електрически преобразувателни устройства с два външни токопровода. Електрическият преход може да бъде преход електрон-дупка, контакт метал-полупроводник или хетеропреход. Фигурата схематично показва устройството на диод с разделяне на електрон-дупка 1 р-м н-регион(2 и 3) с различни видовеелектропроводимост.

Кристалът 3 е снабден с външни токопроводи 4 и е поставен в метален, стъклен, керамичен или пластмасов корпус 5, който предпазва полупроводника от външни въздействия (атмосферни, механични и др.). Обикновено полупроводниковите диоди имат асиметрични електрон-дупкови преходи. Едната област на полупроводника (с по-висока концентрация на примеси) служи като емитер, а другата (с по-ниска концентрация) служи като основа. Когато външно напрежение е директно свързано към диода, инжектирането на малцинствени носители на заряд се случва главно от силно легираната област на емитера към слабо легираната област на основата.

Количеството миноритарни носители, преминаващи в обратната посока, е значително по-малко от инжектирането от емитера. В зависимост от съотношението на линейните размери на прехода и характерната дължина се разграничават равнинни и точкови диоди. Един диод се счита за планарен, ако неговите линейни размери, които определят зоната на свързване, са значително по-големи от характерната дължина.

Характерната дължина в справочника за диоди е по-малката от две стойности - дебелината на основата и дължината на дифузия на малцинствените носители в основата. Те определят свойствата и характеристиките на диодите. Точковите диоди включват диоди с линейни размери на прехода, по-малки от характерната дължина. Преходът на границата между региони с различни видове проводимост има свойствата на текущата ректификация (еднопосочна проводимост); нелинейност на ток-напреженовата характеристика; феноменът на тунелиране на носител на заряд през потенциална бариера както при обратно, така и при право отклонение; феноменът на ударна йонизация на полупроводникови атоми при относително високи преходни напрежения; бариерен капацитет и т.н. Тези преходни свойства се използват за създаване на различни видове полупроводникови диоди.

Въз основа на честотния диапазон, в който могат да работят диодите, те се разделят на нискочестотни (LF) и високочестотни (HF). Според предназначението си LF диодите се разделят на токоизправителни, стабилизиращи, импулсни, а HF диодите - на детекторни, смесителни, модулни, параметрични, превключващи и др. Понякога диодите, които се различават по основните физически процеси, се разделят на специална група: тунелни, лавинен полет, фото -, светодиоди и др.

Въз основа на материала на основния полупроводников кристал се разграничават диоди от германий, силиций, галиев арсенид и други. За обозначаване на полупроводникови диоди в указателя се използва шест и седемцифрен буквено-цифров код (например KD215A, 2DS523G).

Първият елемент - буква (за устройства с обща употреба) или цифра (за устройства, използвани в устройство със специално предназначение) - показва материала, върху който е направено устройството: G или 1 - германий; K или 2 - силиций и неговите съединения; А или 3 - галиеви съединения (например галиев арсенид); И или 4 - индиеви съединения (например индиев фосфид).

Вторият елемент е буква, обозначаваща подклас или група устройства: D - токоизправител, импулсни диоди; C - изправителни постове и блокове; B - варикапи; И - импулсни тунелни диоди; A - микровълнови диоди; C - ценерови диоди.

Третият елемент - число - определя една от основните характеристики, характеризиращи устройството (например предназначението или принципа на действие).

Четвъртият, петият и шестият елемент са трицифрено число, което показва серийния номер на разработката на технологичния тип на устройството.

Седмият елемент - буквата - условно определя класификацията според параметрите на устройствата, произведени по една технология. Пример за обозначение: 2DS523G - набор от силициеви импулсни устройства за устройства със специално предназначение с време за установяване на обратното съпротивление от 150 до 500 ns; разработка номер 23, група G. Развойни устройства преди 1973 г. в справочници. имат три и четири елементни нотни системи.

Въпреки че всички диоди са токоизправители, терминът обикновено се прилага за устройства, предназначени за захранване, за да ги разграничи от елементите, използвани за малки сигнални вериги. Изправителният диод с висока мощност се използва за коригиране на променлив ток с ниска захранваща честота от 50 Hz, когато по време на натоварване се излъчва висока мощност.

Характеристики на диод

Основната задача на диода е преобразуване на променливо напрежение в постоянно напрежениечрез използване в токоизправителни мостове. Това позволява електричеството да тече само в една посока, поддържайки захранването да работи.

Принципът на работа на токоизправителния диод не е труден за разбиране. Неговият елемент се състои от структура, наречена pn преход. Страната от p-тип се нарича анод, а страната от n-тип се нарича катод. Токът преминава от анода към катода, докато протичането в обратната посока е почти напълно предотвратено. Това явление се нарича изправяне. Той преобразува променлив ток в еднопосочен ток. Този тип устройства могат да се справят с по-голямо електричество от обикновените диоди, поради което се наричат ​​високомощни. Способността да провеждат големи количества ток може да се класифицира като тяхна основна характеристика.

Днес Най-често се използват силициеви диоди. В сравнение с елементите, направени от германий, те имат по-голяма повърхност на свързване. Тъй като германият има ниска устойчивост на топлина, повечето полупроводници са направени от силиций. Устройствата, изработени от германий, имат значително по-ниско допустимо обратно напрежение и температура на прехода. Единственото предимство, което германиевият диод има пред силициевия, е по-ниската стойност на напрежението при работа в предно отклонение (VF (IO) = 0,3 ÷ 0,5 V за германий и 0,7 ÷ 1,4 V за силиций).

Видове и технически параметри на токоизправителите

Днес има много различни видове преси. Те обикновено се класифицират според:

Най-често срещаните типове са 1 A, 1,5 A, 3 A, 5 A и 6 A. Има също стандартни устройствас максимален среден изправен ток до 400 A. Правото напрежение може да варира от 1,1 mV до 1,3 kV.

Пример за елемент с висока производителност е 2x30A двоен високотоков изправителен диод, който е най-подходящ за базови станции, заварчици, AC/DC захранвания и индустриални приложения.

Стойност на приложението

Като най-простият полупроводников компонент, този тип диод има широк спектър от приложения в съвременните електронни системи. Различни електронни и електрически схемиизползвайте този компонент като важно устройствоза получаване на необходимия резултат. Обхватът на приложение на токоизправителните мостове и диоди е обширен. Ето няколко такива примера:

• включване на AC захранване постоянно напрежение;
• изолиране на сигнали от захранването;
• еталонно напрежение;
• контрол на размера на сигнала;
• смесване на сигнали;
• сигнали за откриване;
• осветителни системи;
• лазери.

Диодите за токоизправители са жизненоважен компонент на захранващите устройства. Използват се за регулиране на електричеството в компютри и автомобили, а могат да се използват и в зарядни устройства за батериии компютърни захранвания.

Освен това те често се използват и за други цели (например в детектора на радиоприемници за радиомодулация). Вариантът на бариерен диод на Шотки е особено ценен в цифровата електроника. Работният температурен диапазон от -40 до +175 °C позволява тези устройства да се използват при всякакви условия.

За импулсни източницинай-подходящи са диодите с оптимизиран собствен капацитет и времето, необходимо за възстановяване на обратното съпротивление. Постигането на необходимия индикатор за първия параметър става, когато дължината и ширината на p-n прехода се намалят, това съответно се отразява на намаляването на допустимите мощности на разсейване.

I-V характеристики на импулсен диод

Стойността на бариерния капацитет на импулсен диод в повечето случаи е по-малка от 1 pF. Животът на второстепенните носители не надвишава 4 ns. За диоди от този типхарактеризиращ се със способността да предава импулси с продължителност не повече от микросекунда при токове с широка амплитуда. Конвенционалните диоди или изобщо не работят с UPS, или прегряват силно и рязко влошават параметрите си, така че са необходими специални високочестотни елементи - те също са „бързи диоди“. По-долу са техните основни видове, имена и характеристики, достатъчни за радиолюбителска практика.

Импортирано ръководство за импулсни диоди

Други диоди на Шотки

Основната цел на токоизправителните диоди е преобразуване на напрежението. Но това не е единствената област на приложение на тези полупроводникови елементи. Монтират се в комутационни и управляващи вериги, използват се в каскадни генератори и др. На начинаещите радиолюбители ще бъде интересно да научат как са структурирани тези полупроводникови елементи, както и принципа на тяхното действие. Да започнем с общите характеристики.

Характеристики на устройството и дизайна

Основният структурен елемент е полупроводник. Това е пластина от силициев или германиев кристал, която има две области на p и n проводимост. Поради тази конструктивна характеристика, той се нарича планарен.

При производството на полупроводник кристалът се обработва по следния начин: за да се получи повърхност от p-тип, той се обработва с разтопен фосфор, а за повърхност от p-тип се обработва с бор, индий или алуминий. По време на топлинна обработка се получава дифузия на тези материали и кристала. В резултат на това между две повърхности с различна електропроводимост се образува област с p-n преход. Полученият по този начин полупроводник се монтира в корпуса. Това предпазва кристала от външни влияния и насърчава разсейването на топлината.

Обозначения:

• A – катоден изход.
• B – кристален държач (заварен към тялото).
• C – n-тип кристал.
• D – кристал от тип p.
• E – проводник, водещ към анодната клема.
• F – изолатор.
• G – тяло.
• H – аноден изход.

Както вече споменахме, като r-n оснпреходи с помощта на силициеви или германиеви кристали. Първите се използват много по-често, това се дължи на факта, че в германиевите елементи обратните токове са много по-високи, което значително ограничава допустимото обратно напрежение (не надвишава 400 V). Докато при силициевите полупроводници тази характеристика може да достигне до 1500 V.

Освен това германиевите елементи имат много по-тесен диапазон работна температура, тя варира от -60°C до 85°C. При превишаване на горния температурен праг обратният ток рязко се увеличава, което се отразява негативно на ефективността на устройството. За силициевите полупроводници горният праг е около 125°C-150°C.

Класификация на мощността

Мощността на елементите се определя от максимално допустимия постоянен ток. В съответствие с тази характеристика е приета следната класификация:

Списък на основните характеристики

По-долу има таблица, описваща основните параметри на токоизправителните диоди. Тези характеристики могат да бъдат получени от листа с данни (техническо описание на елемента). По правило повечето радиолюбители се обръщат към тази информация в случаите, когато посоченият в диаграмата елемент не е наличен, което изисква намирането на подходящ аналог за него.

Имайте предвид, че в повечето случаи, ако трябва да намерите аналог на определен диод, първите пет параметъра от таблицата ще бъдат напълно достатъчни. В този случай е препоръчително да се вземе предвид работният температурен диапазон на елемента и честотата.

Принцип на действие

Най-лесният начин да обясните принципа на работа на токоизправителните диоди е с пример. За да направим това, ние симулираме веригата на прост полувълнов токоизправител (вижте 1 на фиг. 6), в който мощността идва от източник на променлив ток с напрежение U IN (графика 2) и преминава през VD към товара R.

По време на положителния полупериод диодът е в отворено положение и пропуска ток през него към товара. Когато дойде ред на отрицателния полупериод, устройството е заключено и не се подава захранване към товара. Тоест, има един вид прекъсване на отрицателната полувълна (всъщност това не е съвсем вярно, от кога този процесВинаги има обратен ток, неговата величина се определя от характеристиката I arr).

В резултат на това, както се вижда от графика (3), на изхода получаваме импулси, състоящи се от положителни полупериоди, тоест постоянен ток. Това е принципът на работа на изправителните полупроводникови елементи.

Забележете това импулсно напрежение, изходът на такъв токоизправител е подходящ само за захранване на нискошумни товари, пример би бил зарядно устройствоза фенерче киселина батерия. На практика се използва само такава схема китайски производители, за да намалят максимално цената на продуктите си. Всъщност простотата на дизайна е единственият му полюс.

Недостатъците на еднодиодния токоизправител включват:

• Ниско ниво на ефективност, тъй като отрицателните полупериоди се прекъсват, ефективността на устройството не надвишава 50%.
• Изходното напрежение е приблизително половината от това на входа.
• Високо ниво на шум, което се проявява под формата на характерно бръмчене на честотата на захранващата мрежа. Причината за това е асиметричното размагнитване на понижаващия трансформатор (всъщност, затова за такива схеми е по-добре да се използва амортизиращ кондензатор, който също има своите отрицателни страни).

Имайте предвид, че тези недостатъци могат да бъдат донякъде намалени; достатъчно е да направите прост филтър на базата на електролит с голям капацитет (1 на фиг. 7).

Принципът на работа на такъв филтър е доста прост. Електролитът се зарежда по време на положителния полупериод и се разрежда, когато настъпи отрицателният полуцикъл. Капацитетът трябва да е достатъчен, за да поддържа напрежението на товара. В този случай импулсите ще бъдат донякъде изгладени, приблизително както е показано на графика (2).

Горното решение донякъде ще подобри ситуацията, но не много; ако захранвате например активни компютърни високоговорители от такъв полувълнов токоизправител, в тях ще се чуе характерен фон. За да се реши проблемът, ще е необходимо по-радикално решение, а именно диоден мост. Нека да разгледаме принципа на работа на тази схема.

Устройство и принцип на действие на диоден мост

Съществената разлика между такава верига (от верига с половин вълна) е, че напрежението се подава към товара във всеки полупериод. Схемата за свързване на полупроводникови токоизправителни елементи е показана по-долу.

Както може да се види от горната фигура, веригата използва четири полупроводникови токоизправителни елемента, които са свързани по такъв начин, че само два от тях работят по време на всеки полупериод. Нека опишем подробно как протича процесът:

• Веригата получава променливо напрежение Uin (2 на фиг. 8). По време на положителния полупериод се образува следната верига: VD4 – R – VD2. Съответно VD1 и VD3 са в заключено положение.
• Когато възникне последователността на отрицателния полупериод, поради факта, че полярността се променя, се образува верига: VD1 – R – VD3. По това време VD4 и VD2 са заключени.
• Следващия период цикълът се повтаря.

Както се вижда от резултата (графика 3), и двата полупериода участват в процеса и независимо как се променя входното напрежение, то протича през товара в една посока. Този принцип на работа на токоизправителя се нарича пълна вълна. Неговите предимства са очевидни, ние ги изброяваме:

• Тъй като и двата полуцикла са включени в работата, ефективността се увеличава значително (почти два пъти).
• Пулсациите на изхода на мостовата верига също удвояват честотата (в сравнение с полувълново решение).
• Както може да се види от графика (3), нивото на спадовете намалява между импулсите, така че ще бъде много по-лесно за филтъра да ги изглади.
• Напрежението на изхода на токоизправителя е приблизително същото като на входа.

Смущенията от мостовата верига са незначителни и стават още по-малки, когато се използва филтър с електролитен капацитет. Благодарение на това, това решение може да се използва в захранвания за почти всеки любителски радио дизайн, включително тези, които използват чувствителна електроника.

Имайте предвид, че изобщо не е необходимо да използвате четири изправителни полупроводникови елемента, достатъчно е да вземете готов монтаж в пластмасова кутия.

Този корпус има четири пина, два за входа и същия брой за изхода. Краката, към които е свързано променливотоково напрежение, са маркирани със знак "~" или буквите "AC". На изхода положителният крак е маркиран със символа „+“, съответно отрицателният крак е маркиран с „-“.

включено принципна диаграмаТакъв монтаж обикновено се обозначава под формата на диамант с графичен дисплей на диода, разположен вътре.

На въпроса дали е по-добре да се използва монтаж или отделни диоди не може да се отговори недвусмислено. Няма разлика във функционалността между тях. Но монтажът е по-компактен. От друга страна, ако не успее, само пълната подмяна ще помогне. Ако в този случай се използват отделни елементи, достатъчно е да смените повредения изправителен диод.