Характеристики и параметры выпрямительных и универсальных диодов
Характеристики и параметры выпрямительных и универсальных диодов
Выпрямительные диоды служат для выпрямления переменного тока низкой частоты. В основе выпрямительных свойств этих диодов лежит принцип односторонней проводимости электронно-дырочных р-и-переходов.
Универсальные диоды используют в различной радиоэлектронной аппаратуре в качестве выпрямителей переменного тока высоких и низких частот, умножителей и преобразователей частоты, детекторов больших и малых сигналов и т. д. Диапазон рабочих токов и напряжений выпрямительных и универсальных диодов очень широк, поэтому они выпускаются как с точечным так и плоскостным р-n-переходом в структуре полупроводника с площадями от десятых долей квадратного миллиметра до нескольких квадратных сантиметров.
Обычно в универсальных диодах используются переходы с малыми площадями и емкостями, но с относительно высокими значениями прямых токов и обратных напряжений. Этим требованиям удовлетворяют точечные, микросплавные плоскостные и мезапланарные диоды. Характеристики и параметры универсальных диодов те же, что и у выпрямительных диодов.
Обычно в универсальных диодах используются переходы с малыми площадями и емкостями, но с относительно высокими значениями прямых токов и обратных напряжений. Этим требованиям удовлетворяют точечные, микросплавные плоскостные и мезапланарные диоды. Характеристики и параметры универсальных диодов те же, что и у выпрямительных диодов.Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительных диодов выражает зависимость тока, проходящего через диод, от значения и полярности приложенного к нему постоянного напряжения Прямая ветвь характеристики показывает зависимость тока через диод при прямой пропускной полярности приложенного напряжения. Сила прямого тока экспоненциально зависит от приложенного к диоду прямого напряжения и может достигать больших значений при малом (порядка 0,3 — 1 В) падении напряжения на диоде.
Обратная ветвь характеристики соответствует непроводящему направлению тока через диод при обратной полярности приложенного к диоду напряжения. Обратный ток (участок. ОД) незначительно зависит от приложенного обратного напряжения. При относительно большом обратном напряжении (точка В на характеристике) наступает электрический пробой р-n-перехода, при котором быстро увеличивается обратный ток, что может привести к тепловому пробою и повреждению диода. При повышении температуры возрастут тепловой ток и ток генерации носителей зарядов в переходе, что приведет к увеличению прямого и обратного токов и смещению характеристик диода.
Свойства и взаимозаменяемость диодов оценивают по их параметрам. К основным параметрам относят токи и напряжения, связанные с ВАХ Диоды применяют в цепях как переменного, так и постоянного тока. Поэтому для оценки свойств диодов наряду с параметрами на постоянном токе пользуются дифференциальными параметрами, характеризующими их работу на переменном токе.
Выпрямленный (прямой) ток Iпр представляет собой ток (среднее значение за период), проходящий через диод, при котором обеспечивается его надежная и длительная работа. Сила этого тока ограничивается разогревом или максимальной мощностью Рмакс. Превышение прямого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.
- Прямое падение напряжения UПр.Ср — среднее значение за период на диоде при прохождении через него допустимого прямого тока.
- Допустимое обратное напряжение U0бр —среднее значение за период, при котором обеспечивается надежная и длительная работа диода. Превышение обратного напряжения приводит к пробою и выходу диодов из строя. При повышении температуры значения об-ратного напряжения и прямого тока снижаются.
- Обратный ток Iобр — среднее значение за период обратного тока при допустимом Uобр. Чем меньше обратный ток, тем лучше
Выпрямительные свойства диода. Повышение температуры на каждые 10 °С приводит к увеличению обратного тока у германиевых « кремниевых диодов, в 1,5 — 2 раза и более.
Максимальная постоянная, или средняя за период мощность Pмакс, рассеиваемая диодом, при которой диод может длительно работать, не изменяя своих параметров. Эта мощность складывается из суммы произведений токов и напряжений при прямом и обратном смещениях перехода, т. е. за положительный и отрицательный полупериоды переменного тока. Для приборов большой мощности, работающих с хорошим теплоотводом, Pмакс=(Tп.макс — Тк)/Rпк. Для приборов малой мощности, работающих без теплоотвода,
Pмакс = (Tп.макс — Т с) /Rп.с.
Максимальная температура перехода Гп.макс зависит от материала (ширины запрещенной зоны) полупроводника и степени его легирования, т. е. от удельного сопротивления области р-n-перехода — базы. Диапазон Гп.макс для германия лежит в пределах 80 — 110°С, а для кремния 150 — 220 °С.
Тепловое сопротивление Rп.к между переходом и корпусом определяется температурным перепадом между переходом Тпи корпусом Tк и средней выделяемой в переходе мощностью Ра и составляет 1 — 3°С/Вт: Ra.K=(Ta — TK)/Pa. Тепловое сопротивление Rn c между переходом и окружающей средой зависит от температурного перепада между переходом Тп и окружающей средой Тс. Поскольку практически RПK<RK с, то Rn с определяется тепловым сопротивлением между корпусом прибора и окружающей средой- Rnc=(Ta — Tc)/Pn=Rn K+RK c. Для обычных широко распространенных корпусов Ra c=0,2 — 0,4 °С/мВт.
Предельный режим использования диодов характеризуют максимально допустимое обратное напряжение UОбр макс, максимальный выпрямительный ток IПр макс и максимальная температура перехода ТПмакс С повышением частоты переменного напряжения, подводимого к диоду, ухудшаются его выпрямительные свойства. Поэтому для определения свойств выпрямительных диодов обычно оговаривается диапазон рабочих частот Дf или максимальная частота выпрямления fмакс На частотах, больших fмакс, не успевают скомпенсироваться накопленные за время прямого полупериода неосновные носители заряда в базе, поэтому при обратном полупериоде выпрямляемого напряжения переход некоторое время остается прямосмещенным (т е теряет свои выпрямительные свойства). Это свойство проявляется тем значительнее, чем больше импульс прямого тока или выше частота подводимого переменного напряжения Кроме того, на высоких частотах начинает проявляться шунтирующее действие барьерной и диффузионной емкостей p-n-перехода, снижающих его выпрямительные свойства
При расчете режима выпрямителей используются статическое сопротивление постоянному току и дифференциальное сопротивление диодов переменному току
- Дифференциальное сопротивление переменному току rдиф=dU/dI или rДиф=ДU/ДI определяет изменение тока через диод при изменении напряжения вблизи выбранной рабочей точки на характеристике диода. При прямом включении напряжения rдиф Пр=0,026/ /IПр и токе IПр>10 мА оно составляет несколько омов При подключении обратного напряжения rДИф обр велико (от десятков ки-лоомов до нескольких мегаомов).
- Статическое сопротивление диода постоянному току гпрд = UПр/Iпр, rобр д = Uобр/Iобр В Области прямых токов rПр д>rдиф пр, а в области обратных r0бр д<rдифобр Поскольку электрическое сопротивление p-n-перехода в прямом направлении меньше, чем в обратном, диод обладает односторонней проводимостью и используется для выпрямления переменного тока
Емкости диодов оказывают существенное влияние на их работу на высоких частотах и в импульсных режимах. В паспортных данных диодов обычно приводится общая емкость диода Сд, которая помимо барьерной и диффузионной включает емкость корпуса прибора Эту емкость измеряют между внешними токоотводами диода при заданных обратном напряжении смещения и частоте тока