Выпрямительный диод

 

1.1 Теоретические сведения

 

Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий.

Выпрямительные диоды широко применяют в цепях управления- коммутации РЭА, источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование в РЭА нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шотки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды, — селеновые и титановые выпрямители. В высоковольтных источниках питания часто применяют выпрямительные столбы и блоки. Выпрямительные столбы представляют собой последовательное соединение выпрямительных диодов, объединенных в одном корпусе или расположенных на одной конструкционной несущей. Выпрямительные блоки являются конст-руктивно завершенными устройствами, содержащими со-единенные определенным образом (например, по мостовой схеме) выпрямительные диоды.

 

1.1.1 Вольт-амперная характеристика

 

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) кремниевого и германиевого диодов для различных температур окружающей среды приведены на рис. 1.1,а и б соответственно. В области малых токов характеристики имеют экспоненциальный вид (в соответствии с ВАХ p-n -перехода). при больших токах сказывается падение напряжения на сопротивлении базы, поэтому характеристики приближаются к линейному виду. Сравнение ВАХ показывает, что при одинаковом токе прямое падение напряжения U_пр в германиевых диодах меньше в 1,5 – 2 раза, чем в кремниевых, и соответственно меньше выделяемая в диоде мощность. Это объясняется разницей в ширине запрещенной зоны Ge (0,66 эВ) и Si (1,12 эВ). У диода из материала с большей шириной запрещенной зоны будет больше высота потенциального барьера p-n -перехода, следовательно, для обеспечения одинакового прямого тока к кремниевому диоду необходимо приложить большее напряжение.

При увеличении температуры диода уменьшается высота потенциального барьера и изменяется распределение носителей заряда по энергиям (электроны, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости, дырки – более низкие уровни в валентной зоне). Из-за этих двух причин падение напряжения на диоде при неизменном прямом токе уменьшается с ростом температуры. Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ оценива-ется температурным коэффициентом прямого падения на-пряжения на диоде α_U=дU_пр/дТ при постоянном прямом токе. Для кремниевых и германиевых диодов он находится в пределах 1,2 – 3 мВ/град. При фиксированных малых прямых токах через диод (около 1 – 2 мА) прямое падение напряжения на р-n-переходе, а следовательно, и на диоде уменьшается. При больших прямых токах следует учесть изменение прямого напряжения из-за температурной зависимости сопротивления базы диода. Уменьшение подвижно-сти свободных носителей с ростом температуры может вызвать увеличение сопротивления базы диода и привести к возрастанию U_пр, например в германиевых диодах (рис. 1.1, б).

Кремниевые диоды по сравнению с германиевыми име-ют меньшие обратные токи I_обр при одинаковых обратном напряжении U_oбр и размерах электрического перехода, а также наибольшие обратные напряжения электрического пробоя, достигающие в некоторых типах диодов 1000 – 1500 В.

Ток I_обр кремниевого диода определяется в основном током генерации носителей в переходе и током утечки, удваивается при увеличении температуры на 8 –12 ⁰С, а I_обр германиевого диода – тепловым током (током насыщения) I₀, который удваивается при изменении температуры на 8 – 10⁰С. Различия в природе обратного тока приводят к тому, что наклон обратной ветви ВАХ германиевого диода более слабый, чем кремниевого. Значительное увеличение тока утечки с ростом температуры в кремниевом диоде приводит к различию обратных токов германиевых и кремниевых диодов при одинаковых параметрах структуры переходов всего лишь на 1,5 – 2 порядка, в то время как токи I₀, обусловленные разной шириной запрещенной зоны гер-мания и кремния, должны были бы отличаться на 6 поряд-ков.

 

 

 

Рис. 1.1 – Вольтамперные характеристики кремниевого (а) и германиевого (б) диодов

 

Электрический пробой в кремниевых и германиевых диодах обычно лавинный. Но в германиевых диодах он сразу же переходит в тепловой. Поэтому германиевые диоды чрезвычайно чувствительны даже ккратковременным импульсным перегрузкам. С увеличением температуры пробивное напряжение U_проб в кремниевых диодах растет, а в германиевых – уменьшается. При высокой температуре тепловая генерация носителей в германии вызывает сильное увеличение обратного тока I_обр и выпрямительные свойства диода резко ухудшаются. Температурный диапазон работы кремниевых диодов – минус 60 ÷ +125 ⁰С, германиевых – минус 60 ÷ +85 ⁰С.

1.1.2 Параметры

К основным статическим параметрам относятся прямое паде-ние напряжения U_пр при заданном прямом токе I_пр, посто-янный обратный ток I_обр при заданном обратном напряже-нии U_обр.

К основным динамическим параметрам отно-сятся I_вп.ср – среднее за период значение выпрямленного тока; U_пр.ср – среднее значение прямого падения напряже-ния при заданном среднем значении прямого тока; I_обр.ср – -среднее значение обратного тока или среднее за период значение тока в обратном направлении при заданном зна-чении обратного напряжения; U_обр.ср – среднее за период значение обратного напряжения; f_гр – граничная частота, на которой выпрямленный ток диода уменьшается до уста-новленного уровня. Частота f_гр зависит от площади пере-хода и времени жизни носителей.

К параметрам электрического режима относятся дифференциальное сопротивление диода r_диф, ем-кость диода С_Д, включающая емкости электрического пе-рехода и корпуса, если последний существует.

В рабочем состоянии через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, температура перехода Т_пер повышается. Выделяемая в переходе теп-лота рассеивается в окружающую среду за счет теплопроводности полупроводникового материала перехода, корпуса прибора и переходных теплопроводящих слоев между корпусом прибора и кристаллом. Отводимая от электриче-ского перехода мощность прямо пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды Т_о.

В установившемся режиме подводимая к переходу Р_подв и отводимая от него Р_отв мощности должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности Р_макс, рассеиваемой диодом, т.е. Р_подв = Р_отв = Р₀ ≤ Р_макс. B противном случае, когда рассеиваемая диодом мощность Р₀ превышает Р_макс, тепловой режим прибора неустойчив и в его электрическом переходе возникает тепловой пробой. Качество теплоотвода в диоде характеризуется параметром эксплуатационного режима – тепловым сопро-тивлением R_Т = (Т_пер – T₀)/P₀, под которым подразумева-ется отношение разности температур электрического пере-хода и корпуса диода к мощности, рассеиваемой на диоде в установившемся режиме. Тепловое сопротивление характеризует необходимый перепад температур перехода и кор-пуса для отвода в окружающую среду 1 Вт мощности, вы-деляемой в электрическом переходе диода. Уменьшение R_Т позволяет при заданном значении Р₀ увеличить рабочую температуру перехода или при известном перепаде темпе-ратур Т_пер – T₀ повысить прямые и обратные токи и напря-жения диода.

Под предельно допустимыми эксплуатационными ре-жимами работы диодов подразумеваются такие режимы, которые обеспечивают с заданной надежностью работу приборов в течение оговоренного техническими условиями срока службы. Параметрами эксплуатационных режимами являются I_{пр.макс} и U_{обр.макс} – максимальные значения выпрямленного тока и допустимого обратного на-пряжения; Р_макс – максимальная допустимая мощность, рассеиваемая диодом; Т_мин и Т_макс – минимальная и мак-симальная температуры окружающей среды для работы диода.

Выпрямительные диоды делят на низкочастотные, или силовые, используемые в основном в выпрямителях источ-ников питания, и маломощные высокочастотные. Силовые диоды работают на частотах до f_гр = 50 кГц. По силе вы-прямленного тока различают диоды малой (I_пр < 300 мА), средней (I_пр < 10 А) и большой (I_пр > 10 А) мощности. Высокочастотные диоды предназначены для преобразования радиосигналов на частотах в несколько десятков и сотен мегагерц.

 

1.2 Цель работы

 

Научиться определять статические и дифференциальные параметры выпрямительных диодов.

 

1.3 Задачи

 

Для достижения поставленной цели Вам необходимо выполнить следующие задачи:

- ознакомиться со справочными данными испытуемых диодов;

- провести измерения статических вольтамперных характеристик (ВАХ) диодов при прямом и обратном включении при комнатной и повышенной температурах;

- построить статические ВАХ испытуемых диодов при различных температурах;

- рассчитать статические и дифференциальные параметры диодов.

 

1.4 Порядок и методы решения задач

 

1.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические и эксплуатационные параметры испытуемых диодов, зарисуйте эскиз внешнего вида с обозначением выводов, начертите условное графическое обозначение выпрямительного диода /5/, расшифруйте маркировку.

1.4.2 С помощью измерительного блока, передняя панель которого с элементами управления и контроля режимов диодов показана на рисунке 1.2, проведите измерение статических ВАХ диодов /2, раздел 2.3; 3, раздел 3, 19/.

Измерение статических ВАХ диодов с помощью лабораторного макета производится по точкам методом вольтметра - амперметра.

Принципиальная электрическая схема измерительного блока приведена на рисунке 1.3.

При измерении статических ВАХ диодов в прямом направлении необходимо задавать токи через диоды и измерять соответствующие им напряжения на диодах.

При обратном включении задавайте напряжения на диодах и измеряйте соответствующие им значения токов.

Увеличение напряжения на диоде производите до достижения максимальных показаний вольтметра или амперметра на самом грубом пределе измерения.

Указанные измерения проводите при комнатной и повышенной (» 40°С) температурах. Термостат, в котором находятся испытуемые диоды, помещен внутрь измерительного блока. Включение и регулировка интенсивности нагрева термостата производится ключом, расположенным на передней панели измерительного блока. Измерение температуры в термостате производится автоматически с помощью электронного термометра, датчиком температуры которого служит биполярный транзистор (см. рисунок 1.2 и 1.3).

1.4.3 Используя результаты полученных измерений, постройте семейства статических ВАХ для двух температур отдельно для германиевого и кремниевого диодов /2, раздел 2.3; 3, разделы 3.2 и 3.19/.

1.4.4 По статическим ВАХ диодов определите их статические параметры /3, раздел 3.19; 4/ и укажите их на рисунках:

– постоянное прямое напряжение диода U_пр при I_пр = I_{пр макс};

– постоянный обратный ток диода I_обр при U_обр = U_{обр макс}.

Рассчитайте:

– прямое сопротивление диода по постоянному току r_пр при I_пр = I_{пр макс};

– обратное сопротивление диода по постоянному току r_обр при U_обр = U_{обр макс}.

1.4.5 Рассчитайте дифференциальные параметры диодов /2, раздел 2.3; 3, раздел 3.1; 4/:

 

 

Рисунок 1.2 – Лицевая панель измерителя вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов

 

 

Рисунок 1.3 – Принципиальная электрическая схема измерения вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов

 

– дифференциальное сопротивление диода r_диф при I_пр = 0,1 А;

– температурный коэффициент прямого напряжения α_U при I_{пр .}= 0,1 А.

1.4.6 Изобразите простейшую эквивалентную схему диода, укажите природу входящих в схему элементов и их влияние на работу диода /2, раздел 2.4/.

Отчет о выполненной работе должен содержать информацию об исследуемых диодах (п. 1.3.1), результаты измерений (в виде таблиц), графики статических ВАХ отдельно для каждого диода, расчеты параметров с поясняющими надписями. Графики прямой и обратной ветви ВАХ выполняются в одних координатных осях, но в разном масштабе. Графики, соответствующие комнатной и повышенной температуре (для одного и того же диода), следует размещать в одних координатных осях. Для успешной защиты вы должны уметь пояснить ход и температурную зависимость статических ВАХ диодов из кремния и германия, знать их статические и дифференциальные параметры, уметь их определять.

 

Литература

 

1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.

2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М.: Дрофа, 2009. – 703 с.: ил.

3 Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник. - 3-е изд., переработ. и доп. - М.: Высш. шк., 1981. - 431 с.

4 ГОСТ 25529-82. Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.

5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.