Diody prostownicze. częstotliwo. ową 50 Hz) przy znacznych lub zgoła a duŝych mocach wydzielanych w obciąŝ

Transkrypt

1 Diody 1

2 Diody prostownicze Ogólna charakterystyka Diodami prostowniczymi nazywa się diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego. W domyśle rozumie się prostowanie prądu o małej częstotliwo stotliwości (z reguły y chodzi o sieć przemysłow ową 50 Hz) przy znacznych lub zgoła a duŝych mocach wydzielanych w obciąŝ ąŝeniu. SąS to zatem diody pracujące ce przewaŝnie w układach prostowniczych bloków w zasilania róŝnych r urządze dzeń elektronicznych i elektrycznych. Jak juŝ wspomniano, diody te pracują najczęś ęściej przy częstotliwo stotliwości 50 Hz, niekiedy przy częstotliwo stotliwości 400 Hz (systemy pokładowe) lub nawet kilka kiloherców w (prostowanie prądu z przetwornicy tranzystorowej podwyŝszaj szającej napięcie). Jest to jednak zakres tak małych częstotliwo stotliwości, Ŝe e zjawiska dynamiczne nie mają istotnego wpływu na pracę diody w układzie. Diody prostownicze sąs to diody warstwowe (dyfuzyjne lub stopowe) krzemowe i germanowe, przy czym te ostatnie stosuje się coraz rzadziej. Parametry techniczne wszystkich diod moŝna podzielić na dwie grupy: parametry charakterystyczne, dopuszczalne parametry graniczne. 2

3 Diody prostownicze 3

4 Diody prostownicze WyróŜnia się następujące dwa parametry charakterystyczne diod prostowniczych: napięcie przewodzenia U F przy określonym prądzie przewodzenia I F - najczęściej przy maksymalnym prądzie I O (inaczej przy maksymalnej wartości średniej prądu przewodzenia, nazywanej niekiedy prądem znamionowym I FN ); prąd wsteczny I R przy szczytowym napięciu wstecznym pracy U RWM. WyróŜnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne: maksymalny średni prąd przewodzenia I O lub inaczej prąd znamionowy w kierunku przewodzenia I FN ; powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I FRM (np. dla impulsów o czasie trwania < 3.5 ms i częstotliwości 50 Hz); niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I FSM (np. dla jednokrotnego impulsu o czasie trwania < 10 ms); szczytowe napięcie wsteczne pracy U RWM (lub średnie napięcie wsteczne przy pracy diody w prostowniku jednopołówkowym z obciąŝeniem rezystancyjnym); powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U RRM ; niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U RSM. Na świecie produkuje się diody o mocy kilku kilowatów (prąd przewodzenia ok. 2 ka) i napięciu wstecznym do kilku kv. Są to oczywiście diody krzemowe. Diody germanowe mają znacznie mniejsze dopuszczalne napięcie wsteczne i mniejszą temperaturę dopuszczalną ( T j = 75 C dla diod germanowych oraz 150 C dla diod krzemowych ). Jedyną zaletą diod germanowych jest mniejsza wartość napięcia na diodzie przy pracy w kierunku przewodzenia (U F (I O )= V dla diod germanowych oraz V dla diod krzemowych). Ostatnio zaczęto równieŝ wytwarzać diody mocy z barierą Schottky ego jako diody prostownicze. Ich zalety to mały spadek napięcia w kierunku przewodzenia ( U F» V) i duŝa szybkość 4 działania, wadą natomiast jest małe napięcie dopuszczalne w kierunku zaporowym.

5 Diody prostownicze Przykłady zastosowań: Diody mają zastosowanie w trzech podstawowych układach prostowniczych: 5

6 DIODY UNIWERSALNE Ogólna charakterystyka Diody uniwersalne są to diody przeznaczone głównie do zastosowań w układach detekcyjnych, prostowniczych małej mocy, ogranicznikach i innych układach urządzeń pomiarowo kontrolnych. Są to na ogół diody ostrzowe germanowe, charakteryzujące się niewielkim zakresem napięć (do 100 V) i prądów (do 100 ma) o ograniczonej częstotliwości pracy do kilkudziesięciu megaherców. Jako diody uniwersalne stosuje się równieŝ planarne diody krzemowe małej mocy. W grupie parametrów charakterystycznych diod uniwersalnych wyróŝnia się parametry statyczne i dynamiczne. Parametry statyczne: napięcie przewodzenia U F przy określonym prądzie przewodzenia I F ; prąd wsteczny I R przy określonym napięciu wstecznym U R. Parametry dynamiczne: pojemność diody przy określonej częstotliwości i określonym napięciu wstecznym (najczęściej C < 1 pf dla f = 10,7 MHz, U R = 1V); sprawność detekcji h, tj. stosunek mocy sygnału zdemodulowanego do mocy sygnału wejściowego w.cz. (parametr podawany dla diod przeznaczonych do zastosowania w układach detekcyjnych). WyróŜnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne: maksymalny stały prąd przewodzenia L Fmax, maksymalny szczytowy prąd przewodzenia I FMmax, maksymalne stałe napięcie wsteczne U Rmax, maksymalne szczytowe napięcie wsteczne U RMmax. Ponadto podaje się dopuszczalną temperaturę złącza T j (zwykle C dla diod germanowych oraz ok. 150 C dla diod krzemowych). Przykłady zastosowań Diody uniwersalne są stosowane głównie w układach detekcji amplitudowej, w układach ograniczników, w detektorach stosunkowych odbiorników FM (dobierane pary diod), w demodulatorach pierścieniowych 6 (cztery połączone diody mogą być wykonane we wspólnej obudowie).

7 Ogólna charakterystyka Diody Zenera Diody Zenera są to diody warstwowe p-n, przeznaczone do zastosowań w układach stabilizacji napięć, w układach ograniczników, jako źródła napięć odniesienia itp. Typowy obszar pracy tych diod znajduje się na odcinku charakterystyki prądowo - napięciowej, odpowiadającym gwałtownemu wzrostowi prądu wstecznego wskutek zjawiska przebicia Zenera lub (i) przebicia lawinowego. Oba wymienione zjawiska mają następujące właściwości: przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowanych przy napięciach do 5 V, przebicie lawinowe występuje w złączach słabo domieszkowanych przy napięciach powyŝej 7 V, przebicia Zenera i lawinowe występują w złączach o średniej koncentracji domieszek przy napięciach V, temperaturowy współczynnik napięcia przy przebiciu Zenera ma znak ujemny, temperaturowy współczynnik napięcia przy przebiciu lawinowym ma znak dodatni. Obecnie na świecie są produkowane stabilitrony na napięcia od 2V do kilkuset V, przy czym nazwa dioda Zenera tradycyjnie obejmuje swym znaczeniem zarówno diody o przebiciu Zenera jak i diody o przebiciu lawinowym. W grupie parametrów charakterystycznych diod Zenera wyróŝnia się następujące parametry statyczne i dynamiczne. 7

8 Parametry statyczne: napięcie przewodzenia U F przy określonym prądzie przewodzenia I F ; prąd wsteczny I R przy określonym napięciu wstecznym U R -zwykle przy U R = 1 V; te dwa parametry mogą być mało istotne, gdy dioda pracuje wyłącznie w zakresie przebicia; napięcie stabilizacji U Z (nazywane równieŝ napięciem Zenera), zwykle definiowane jako napięcie odpowiadające dziesiątej części maksymalnego prądu stabilizacji, moŝe być równieŝ definiowane jako napięcie odpowiadające umownej wartości prądu stabilizacji; w katalogach podaje się napięcie stabilizacji i rozrzut jego wartości dla określonego typu diod; temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji T KUZ (jest to stosunek względnej zmiany napięcia stabilizacji do bezwzględnej zmiany temperatury otoczenia przy określonym prądzie stabilizacji), wyraŝony w 1/ C lub %/ C Diody Zenera T KUz 1 du = U dt z z 8

9 Diody Zenera Parametr dynamiczny: rezystancja dynamiczna, definiowana jako U z r z = I z Przy określonym prądzie stabilizacji ( rezystancję r Z moŝna wyznaczyć z nachylenia charakterystyki statycznej I(U), zatem -ściśle biorąc- jest to rezystancja przyrostowaróŝniczkowa). WyróŜnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne: maksymalny stały prąd przewodzenia I Fmax (w diodach Zeneraśredniej i duŝej mocy często podaje się dopuszczalny szczytowy prąd przewodzenia I FMmax ); maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji I Zmax, najczęściej wyznaczany z ilorazu maksymalnej mocy strat i napięcia stabilizacji, maksymalna moc strat P max -w katalogach podawana dla temp. otoczenia 25 C. 9

10 Modele diod Zenera 10

11 Diody impulsowe Diodami impulsowymi lub przełącznikowymi nazywa się diody przeznaczone do zastosowań w układach impulsowych, w których najczęściej spełniają one funkcję kluczy przepuszczających impulsy tylko w jednym kierunku. Z uwagi na takie zastosowania dioda impulsowa powinna spełniać przede wszystkim następujące wymagania: bardzo mała rezystancja w jednym kierunku oraz bardzo duŝa rezystancja w kierunku przeciwnym; bezzwłoczna reakcja na impulsy, czyli brak opóźnień i zniekształceń impulsów. Dlatego w grupie parametrów charakterystycznych diod impulsowych obok dwu standardowych parametrów statycznych: napięcie przewodzenia U F przy określonym prądzie przewodzenia I F ; prąd wsteczny I R przy określonym napięciu wstecznym U R, zawsze podaje się parametry dynamiczne: czas przełączenia t rr (niekiedy zamiast czasu t rr podaje się ładunek przełączania Q rr ) przy określonych warunkach wysterowania i obciąŝenia diody, pojemność diody przy określonej częstotliwości i napięciu polaryzacji wstecznej diody. Ponadto wyróŝnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne: maksymalny prąd stały (lub prąd średni) I Fmax w kierunku przewodzenia; maksymalny szczytowy prąd przewodzenia I FMmax ; maksymalne stałe napięcie wsteczne U Rmax ; dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne U RMmax ; dopuszczalna temperatura złącza T j. 11

12 Diody impulsowe Podstawowym warunkiem, jaki powinna spełniać dioda impulsowa, jest bezzwłoczność jej działania, czyli jak najmniejszy czas przełączania t rr. Niekiedy czas t rr jest mało istotny, poŝądana jest natomiast jak największa stromość impulsu prądu otrzymywanego podczas przełączania - zatem istotne jest zmniejszenie czasu opadania t f. Biorąc pod uwagę te dwie tendencje, diody impulsowe podzielimy na: diody o małym czasie przełączania t rr ; diody o małym czasie opadania t f. Diody o małym czasie przełączania Jako diody impulsowe o małym czasie przełączania najwcześniej zaczęto stosować diody ostrzowe germanowe o złączu p-n formowanym elektrycznie, przy czym szczególnie duŝe szybkości przełączania uzyskano w diodach o styku złoto-german. Diody ostrzowe mają duŝą szybkość przełączania dzięki małym powierzchniom, a więc i małym pojemnościom złączy. W nowoczesnych diodach impulsowych wykorzystuje się epiplanarne złącza p-n domieszkowane złotem. Technologia epiplanarna umoŝliwia wytwarzanie złączy o małych powierzchniach, a domieszkowanie złotem ma na celu zmniejszenie czasu Ŝycia nośników mniejszościowych (atomy złota spełniają funkcję centrów generacyjno-rekombinacyjnych). JednakŜe nie moŝna stosować zbyt duŝych koncentracji atomów złota, gdyŝ następuje pogorszenie charakterystyki statycznej w kierunku zaporowym, tj. wzrasta prąd generacji. Dlatego domieszkowanie złotem, praktycznie biorąc, umoŝliwia zmniejszenie czasu przełączania do ok.1ns. Krótsze czasy przełączania diod p-n moŝna uzyskać w przypadku zastosowania materiału półprzewodnikowego o szerszym paśmie zabronionym. Na przykład diody z GaAs mają czasy przełączania mniejsze niŝ 0,1 ns. Jeszcze krótsze czasy przełączania uzyskuje się w diodach Schottky ego. DuŜa szybkość działania diod Schottky ego wynika stąd, Ŝe są to diody działające na nośnikach większościowych, a więc wolne od inercji spowodowanej magazynowaniem ładunku w bazie. 12

13 Diody impulsowe Diody o małym czasie opadania (diody ładunkowe) Do celów formowania bardzo stromych impulsów prostokątnych byłaby przydatna dioda o bardzo małym czasie t f, dla której t f /t r <<1. Takie właściwości ma dioda ładunkowa. Bezpośrednią przyczyną skrócenia fazy opadania prądu w diodzie ładunkowej, gdyŝ w czasie t r nośniki nadmiarowe są usuwane z bazy nie tylko wskutek dyfuzji, lecz równieŝ wskutek unoszenia w polu elektrycznym E. Zastosowanie diod impulsowych Z wielu róŝnych układów z diodami impulsowymi omówiony zostanie przykład zastosowania diody ładunkowej w układzie formującym zbocze impulsu prostokątnego. W pierwszym układzie dioda ładunkowa D 1 jest polaryzowana stałym prądem w kierunku przewodzenia ze źródła U przez rezystor R 1. Impuls formowany u 1 przez rezystor R 2 i kondensator C polaryzuje diodę D 1 w kierunku zaporowym. W czasie t r dioda przewodzi w kierunku zaporowym, czyli stanowi małą rezystancję, na której nie odkłada się napięcie. Po czasie t r dioda raptownie odzyskuje właściwości zaporowe, czyli jej rezystancja zwiększa się wielokrotnie. Napięcie, jakie wówczas pojawi się na diodzie D 1, jest podawane przez diodę D 3 na rezystancję obciąŝenia R L. Dioda D 3, spełniająca funkcję klucza blokującego napięcie stałe -U od obciąŝenia, musi mieć bardzo mały czas przełączania. Dioda ładunkowa jest włączona szeregowo z obciąŝeniem, dla tego jest formowane zbocze opadające. W obu układach moŝna regulować w pewnym zakresie czas t 13 r, zmieniając prąd polaryzacji diody ładunkowej w kierunku przewodzenia.