Диод схема включения: Диоды выпрямительные, принцип работы, характеристики, схемы подключения

Диоды выпрямительные, принцип работы, характеристики, схемы подключения

Принцип работы, основные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов можно рассмотреть используя их вольтамперную характеристику (ВАХ), которая схематично представлена на рисунке 1.

Она имеет две ветви, соответствующие прямому и обратному включению диода.

При прямом включении выпрямительного диода ощутимый ток через него начинает протекать при достижении на диоде определенного напряжения Uоткр. Этот ток называется прямым Iпр. Его изменения на напряжение Uоткр влияют слабо, поэтому для большинства расчетов можно принять его значение:

• 0,7 Вольт для кремниевых диодов,
• 0,3 Вольт – для германиевых.

Естественно, прямой ток диода до бесконечности увеличивать нельзя, при его определенном значении Iпр.макс этот полупроводниковый прибор выйдет из строя. Кстати, существуют две основные неисправности полупроводниковых диодов:

• пробой – диод начинает проводить ток в любом направлении, то есть станет обычным проводником. Причем, сначала наступает тепловой пробой (это состояние обратимо), затем электрический (после этого диод можно смело выбрасывать),
• обрыв – здесь, думаю, пояснения излишни.

Если диод подключить в обратном направлении, через него будет протекать незначительный обратный ток Iобр, которым, как правило, можно пренебречь. При достижении определенного значения обратного напряжения Uобр обратный ток резко увеличивается, прибор, опять же, выходит из строя.

Числовые значения рассмотренных параметров для каждого типа диода индивидуальны и являются его основными электрическими характеристиками. Должен заметить, что существует ряд других параметров (собственная емкость, различные температурные коэффициенты и пр.), но для начала хватит перечисленных.

Здесь предлагаю закончить с чистой теорией и рассмотреть некоторые практические схемы.

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИОДОВ

Для начала давайте рассмотрим как работает диод в цепи постоянного (рис.2) и переменного (рис. 3) тока, что следует учитывать при том или ином включении диодов.

При подаче на диод прямого постоянного напряжения через него начинает протекать ток, определяемый сопротивлением нагрузки Rн. Поскольку он не должен превышать предельно допустимого значения следует определить его величину, после чего выбрать тип диода:

Iпр=Uн/Rн – все просто – это закон Ома.

Uн=U-Uоткр – см. начало статьи. Иногда величиной Uоткр можно пренебречь, бывают случаи, когда ее необходимо учитывать, например при расчете схемы подключения светодиода.

При включении диода в цепь переменного тока, помимо прочего, на нем периодически возникает обратное напряжение Uобр. Имейте в виду, следует учитывать его амплитудное значение (Для Uпр, кстати, тоже). Например, для бытовой электрической сети привычное всем напряжение 220В является действующим, а его амплитудное значение составляет 380В. Подробнее про это можно посмотреть на этой странице.

Это самое основное, про что надо помнить.

Теперь – несколько схем подключения диодов, часто встречающихся на практике.

Вне всякого сомнения, лидером здесь является мостовая схема диодов, используемая во всевозможных выпрямителях (рисунок 4). Выглядеть она может по разному, принцип действия одинаков, думаю из рисунка все ясно. Кстати, последний вариант – условное обозначение диодного моста в целом. Применяется для упрощения обозначения двух предыдущих схем.

Далее несколько менее очевидных схем (для постоянного тока):

1. Диоды могут выступать как “развязывающие” элементы. Управляющие сигналы Упр1 и Упр2 объединяются в точке А, причем взаимное влияние их источников друг на друга отсутствует. Кстати, это простейший вариант реализации логической схемы “или”.
2. Защита от переполюсовки (жаргонное – “защита от дураков”). Если существует возможность неправильного подключения полярности напряжения питания эта схема защищает устройство от выхода из строя.
3. Автоматический переход на питание от внешнего источника. Поскольку диод “открывается”, когда напряжение на нем достигнет Uоткр, то при Uвнеш <Uвн+Uоткр питание осуществляется от внутреннего источника, иначе – подключается внешний.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Выпрямительный диод: параметры и схема

Одним из электронных устройств, широко использующихся в различных схемах, является выпрямительный диод, с помощью которого переменный ток преобразуется в постоянный. Его конструкция создана в виде двухэлектродного прибора с односторонней электрической проводимостью. Выпрямление переменного тока происходит на переходах металл-полупроводник и полупроводник-металл. Точно такой же эффект достигается в электронно-дырочных переходах некоторых кристаллов – германия, кремния, селена. Эти кристаллы во многих случаях используются в качестве основных элементов приборов.

Принцип работы выпрямительного диода

Выпрямительные диоды применение нашли в различных электронных, радиотехнических и электрических устройствах. С их помощью осуществляется замыкание и размыкание цепей, детектирование и коммутация импульсов и электрических сигналов, а также другие аналогичные преобразования.

Каждый диод оборудуется двумя выводами, то есть электродами – анодом и катодом. Анод соединяется с р-слоем, а катод – с n-слоем. В случае прямого включения диода на анод поступает плюс, а на катод – минус. В результате, через диод начинает проходить электрический ток.

Если же подачу тока выполнить наоборот – к аноду подать минус, а к катоду – плюс получится так называемое обратное включение диода. В этом случае течения тока уже не будет, на что указывает вольтамперная характеристика выпрямительного диода. Поэтому при поступлении на вход переменного напряжения, через диод будет проходить только одна полуволна.

Представленный рисунок наглядно отражает вольтамперную характеристику диода. Ее прямая ветвь расположена в первом квадранте графика. Она описывает диод в состоянии высокой проводимости, когда к нему приложено прямое напряжение. Данная ветвь выражается в виде кусочно-линейной функции u = U _{+ RД x i, в которой u представляет собой напряжением на вентиле во время прохождения тока i. Соответственно, U и RД являются пороговым напряжением и динамическим сопротивлением.}

Третий квадрант содержит обратную ветвь вольтамперной характеристики, указывающей на низкую проводимость при обратном напряжении, приложенном к диоду. В этом состоянии течение тока через полупроводниковую структуру практически отсутствует.

Данное положение будет правильным лишь до определенного значения обратного напряжения. В этом случае напряженность электрического поля в области p-n-перехода может достичь уровня 105 В/см. Такое поле сообщает электронам и дыркам – подвижным носителям заряда, кинетическую энергию, способную вызвать ионизацию нейтральных атомов кремния.

Стандартная структура выпрямительного диода предполагает наличие дырок и электронов проводимости, постоянно возникающих под действием термической генерации по всему объему структуры проводника. В дальнейшем происходит их ускорение под действием электрического поля p-n-перехода. То есть электроны и дырки также участвуют в ионизации нейтральных атомов кремния. В этом случае обратный ток нарастает лавинообразно, возникают так называемые лавинные пробои. Напряжение, при котором резко повышается обратный ток, обозначается на рисунке в виде напряжения пробоя U3.

Основные параметры выпрямительных диодов

Определяя параметры выпрямительных элементов, следует учитывать следующие факторы:

• Разница потенциалов, максимально допустимая при выпрямлении тока, когда устройство еще не может выйти из строя.
• Максимальное значение среднего выпрямленного тока.
• Максимальный показатель обратного напряжения.

Выпрямительные устройства выпускаются различной формы и могут монтироваться разными способами.

В соответствии с физическими характеристиками, они разделяются на следующие группы:

• Выпрямительные диоды большой мощности, пропускная способность которых составляет до 400 А. Они относятся к категории высоковольтных и выпускаются в двух видах корпусов. Штыревой корпус изготавливается из стекла, а таблеточный – из керамики.
• Выпрямительные диоды средней мощности с пропускной способностью от 300 мА до 10 А.
• Маломощные выпрямительные диоды с максимально допустимым значением тока до 300 мА.

Выбирая то или иное устройство, необходимо учитывать вольтамперные характеристики обратного и пикового максимальных токов, максимально допустимое прямое и обратное напряжение, среднюю силу выпрямленного тока, а также материал изделия и тип его монтажа. Все основные свойства выпрямительного диода и его параметры наносятся на корпус в виде условных обозначений. Маркировка элементов указывается в специальных справочниках и каталогах, ускоряя и облегчая их выбор.

Схемы с использованием выпрямительных диодов отличаются количеством фаз:

• Однофазные нашли широкое применение в бытовых электроприборах, автомобилях и аппаратуре для электродуговой сварки.
• Многофазные используются в промышленном оборудовании, специальном и общественном транспорте.

В зависимости от используемого материала, выпрямительные диоды и схемы с диодами могут быть германиевыми или кремниевыми. Чаще всего применяется последний вариант, благодаря физическим свойствам кремния. Данные диоды обладают значительно меньшей величиной обратных токов при одном и том же напряжении, поэтому допустимое обратное напряжение имеет очень высокую величину, в пределах 1000-1500 вольт.

Для сравнения, у германиевых диодов эта величина составляет 100-400 В. Кремниевые диоды сохраняют работоспособность в температурном диапазоне от – 60 до + 150 градусов, а германиевые – только в пределах от – 60 до + 850С. Электронно-дырочные пары при температуре, превышающей это значение, образуются с большой скоростью, что приводит к резкому увеличению обратного тока и снижению эффективности работы выпрямителя.

Схема включения выпрямительного диода

Простейший выпрямитель работает по следующей схеме. На вход подается переменное напряжение сети с положительными и отрицательными полупериодами, окрашенными соответственно в красный и синий цвета. На выходе подключается обычная нагрузка RH, а выпрямляющим элементом будет диод VD.

Когда на анод поступают положительные полупериоды напряжения, происходит открытие диода. В этот период через диод и нагрузку, запитанную от выпрямителя, будет протекать прямой ток диода Iпр. На графике, расположенном справа, эта волна обозначена красным цветом.

При поступлении на анод отрицательных полупериодов напряжения, наступает закрытие диода, и во всей цепи начинается течение незначительного обратного тока. В данном случае отрицательная полуволна переменного тока отсекается диодом. Эту отсеченную полуволну обозначает синяя прерывистая линия. На схеме условное обозначение выпрямительного диода такое же, как обычно, только поверх значка проставляются символы VD.

В результате, через нагрузку, подключенную через диод к сети, будет протекать уже не переменный, а пульсирующий ток одного направления. Фактически, это и есть выпрямленный переменный ток. Однако такое напряжение подходит лишь для нагрузок малой мощности, запитанных от сети переменного тока. Это могут быть лампы накаливания, которым не требуются особые условия питания. В этом случае напряжение будет проходить через лампу лишь во время импульсов – положительных волн. Наблюдается слабое мерцание лампы с частотой 50 Гц.

При подключении питания с таким же напряжением к приемнику или усилителю мощности, в громкоговорителе или колонках, будет слышен гул с низкой тональностью, частотой 50 Гц, известный как фон переменного тока. В этих случаях аппаратура начинает «фонить». Причиной такого состояния считается пульсирующий ток, проходящий через нагрузку и создающий в ней пульсирующее напряжение. Именно оно и создает фон.

Данный недостаток частично устраняется путем параллельного подключения к нагрузке фильтрующего электролитического конденсатора Сф с большой емкостью. В течение положительных полупериодов он заряжается импульсными токами, а во время отрицательных – разряжается с помощью нагрузки RH. Большая емкость конденсатора позволяет поддерживать на нагрузке непрерывный ток в течение всех полупериодов – положительных и отрицательных. На графике такой ток представляет собой сплошную волнистую линию красного цвета.

Тем не менее, данный сглаженный ток все равно не обеспечивает нормальную работу, поскольку половина входного напряжения теряется при выпрямлении, когда задействуется только один полупериод. Этот недостаток компенсируют мощные выпрямительные диоды, собранные вместе в так называемый диодный мост. Данная схема состоит из четырех элементов, что позволяет пропускать ток в течение всех полупериодов. За счет этого преобразование переменного тока в постоянный происходит значительно эффективнее.

принцип действия и основные параметры

Выпрямительный диод это прибор проводящий ток только в одну сторону.

В основе его конструкции один p-n переход и два вывода. Такой диод изменяет ток переменный на постоянный. Помимо этого, их повсеместно практикуют в электросхемах умножения напряжения, цепях, где отсутствуют жесткие требования к параметрам сигнала по времени и частоте.

Принцип работы

Принцип работы этого устройства основывается на особенностях p-n перехода. Возле переходов двух полупроводников расположен слой, в котором отсутствуют носители заряда. Это запирающий слой. Его сопротивление велико.

При воздействии на слой определенного внешнего переменного напряжения, толщина его становится меньше, а впоследствии и вообще исчезнет. Возрастающий при этом ток называют прямым. Он проходит от анода к катоду. Если внешнее переменное напряжение будет иметь другую полярность, то запирающий слой будет больше, сопротивление возрастет.

Разновидности устройств, их обозначение

По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные. В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение — Si) и германиевые (обозначение — Ge). У первых рабочая температура выше. Преимущество вторых — малое падение напряжения при прямом токе.

Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код:

• Первый элемент – обозначение материала из которого он выполнен,
• Второй определяет подкласс,
• Третий обозначает рабочие возможности,
• Четвертый является порядковым номером разработки,
• Пятый – обозначение разбраковки по параметрам.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода можно представить графически. Из графика видно, что ВАХ устройства нелинейная.

В начальном квадранте Вольт-амперной характеристики ее прямая ветвь отражает наибольшую проводимость устройства, когда к нему приложена прямая разность потенциалов. Обратная ветвь (третий квадрант) ВАХ отражает ситуацию низкой проводимости. Это происходит при обратной разности потенциалов.

Реальные Вольт-амперные характеристики подвластны температуре. С повышением температуры прямая разность потенциалов уменьшается.

Из графика Вольт-амперной характеристики следует, что при низкой проводимости ток через устройство не проходит. Однако при определенной величине обратного напряжения происходит лавинный пробой.

ВАХ кремниевых устройств отличается от германиевых. ВАХ приведены в зависимости от различных температур окружающей среды. Обратный ток кремниевых приборов намного меньше аналогичного параметра германиевых. Из графиков ВАХ следует, что она возрастает с увеличением температуры.

Важнейшим свойством является резкая асимметрия ВАХ. При прямом смещении – высокая проводимость, при обратном – низкая. Именно это свойство используется в выпрямительных приборах.

Коэффициент выпрямления

Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры.

Он отражает качество выпрямителя.

Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

Основные параметры устройств

Какие же параметры характеризуют приборы? Основные параметры выпрямительных диодов:

• Наибольшее значение среднего прямого тока,
• Наибольшее допустимое значение обратного напряжения,
• Максимально допустимая частота разности потенциалов при заданном прямом токе.

Исходя из максимального значения прямого тока, выпрямительные диоды разделяют на:

• Приборы малой мощности. У них значение прямого тока до 300 мА,
• Выпрямительные диоды средней мощности. Диапазон изменения прямого тока от 300 мА до 10 А,
• Силовые (большой мощности). Значение более 10 А.

Существуют силовые устройства, зависящие от формы, материала, типа монтажа. Наиболее распространенные из них:

• Силовые приборы средней мощности. Их технические параметры позволяют работать с напряжением до 1,3 килоВольт,
• Силовые, большой мощности, могущие пропускать ток до 400 А. Это высоковольтные устройства. Существуют разные корпуса исполнения силовых диодов. Наиболее распространены штыревой и таблеточный вид.

Выпрямительные схемы

Схемы включения силовых устройств бывают различными. Для выпрямления сетевого напряжения они делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Большинство из них однофазные. Ниже представлена конструкция такого однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме.

Переменное напряжение U1 подается на вход (рис. а). Справа на графике оно представлено синусоидой. Состояние диода открытое. Через нагрузку Rн протекает ток. При отрицательном полупериоде диод закрыт. Поэтому к нагрузке подводится только положительная разность потенциалов. На рис. в отражена его временная зависимость. Эта разность потенциалов действует в течение одного полупериода. Отсюда происходит название схемы.

Самая простая двухполупериодная схема состоит из двух однополупериодных. Для такой конструкции выпрямления достаточно двух диодов и одного резистора.

Диоды пропускают только положительную волну переменного тока. Недостатком конструкции является то, что в полупериод переменная разность потенциалов снимается лишь с половины вторичной обмотки трансформатора.

Если в конструкции вместо двух диодов применить четыре коэффициент полезного действия повысится.

Выпрямители широко используются в различных сферах промышленности. Трехфазный прибор задействован в автомобильных генераторах. А применение изобретенного генератора переменного тока способствовало уменьшению размеров этого устройства. Помимо этого, увеличилась его надежность.

В высоковольтных устройствах широко применяют высоковольтные столбы, которые скомпонованы из диодов. Соединены они последовательно.

Импульсные приборы

Импульсным называют прибор, у которого время перехода из одного состояния в другое мало. Они применяются для работы в импульсных схемах. От своих выпрямительных аналогов такие приборы отличаются малыми емкостями p-n переходов.

Для приборов подобного класса, кроме параметров, указанных выше, следует отнести следующие:

• Максимальные импульсные прямые (обратные) напряжения, токи,
• Период установки прямого напряжения,
• Период восстановления обратного сопротивления прибора.

В быстродействующих импульсных схемах широко применяют диоды Шотки.

Импортные приборы

Отечественная промышленность производит достаточное количество приборов. Однако сегодня наиболее востребованы импортные. Они считаются более качественными.

Импортные устройства широко используются в схемах телевизоров и радиоприемников. Их также применяют для защиты различных приборов при неправильном подключении (неправильная полярность). Количество видов импортных диодов разнообразно. Полноценной альтернативной замены их на отечественные пока не существует.

Диоды, выпрямление тока, стабилитроны, тиристоры.

Разновидности диодов.

Помимо способности пропускать ток только в одном направлении, p-n переход обладает рядом других интересных особенностей. Например, способностью излучать(в т. ч. и в видимом диапазоне) при протекании тока в прямом направлении и генерировать эл. ток под воздействием излучения. Эта особенность используется при реализации таких электронных элементов как светодиоды, фотодиоды и фотоэлементы.
Кроме того, любой p-n переход обладает еще и электрической емкостью, а кроме того, возможностью ее изменять с помощью напряжения приложенного в обратном направлении. Используя ее удалось создать такие полезные элементы как ВАРИКАПЫ.

Варикапы.

Итак, p-n переход обладает электрической емкостью, величина которой зависит от его площади и ширины. Если подавать напряжение в обратном направлении – переход смещается, площадь остается неизменной, но ширина увеличивается. Емкость, при этом соответственно – уменьшается. Появляется возможность, изменяя величину приложенного напряжения, эту емкость регулировать. Электронные элементы(диоды, по сути) созданные на этом принципе называют – варикапами.

Варикапы используются в радиоаппаратуре вместо обычных конденсаторов переменной емкости для перестройки частоты колебательных контуров. Приемущество Применение варикапов позволило значительно снизить габариты и повысить эффективность блоков селекции радиоприемных устойств, относительно просто и недорого реализовать автоматизацию процессов настройки(проводимых ранее вручную).

Диоды Шоттки.

Диод Шоттки(диод с барьером Шоттки) — полупроводниковый диод с малым падением напряжения(0,2—0,4 вольт) при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. В диодах Шоттки в отличие от обычных диодов,вместо p-n перехода используется переход металл-полупроводник. Это дает ряд особых преимуществ – пониженное падение напряжения при прямом включении, очень маленький заряд обратного восстановления.

Последнее объясняется тем, что в отличии от обычных диодов диоды Шоттки работают только на основных носителях, а их быстродействие ограничивается лишь барьерной емкостью. Диоды Шоттки наиболее целесообразно использовать в быстродействующих импульсных цепях, для выпрямления малых напряжений высокой частоты, в высокочастотных смесителях, в ключах и коммутаторах.

Светодиоды.

При протекании прямого тока через любой p-n переход(любого диода!) происходит генерация фотонов. Это является следствием циклической рекомбинации – восстановления атомов вещества в процессе перемещения основных носителей тока.
Электронные элементы служащие для генерации света и основанный на этом принципе называется соответственно – светодиодами. Светодиоды используют для индикации, передачи информации, в составе таких электронных приборов как оптопары.

К.П.Д. и яркость современных светодиодов настолько высоки, что на настоящий момент они являются наиболее перспективными источниками искуственного освещения. В зависимости от материала выбранного в качестве полупроводника светодиоды излучают на разных длинах волн.
ИК – диоды излучают в инфракрасной области, индикаторные и осветительные светодиоды в видимой части спектра(зеленые, красные, желтые и т. п.). Наиболее высоким К.П.Д. отличаются светодиоды излучающее в ультрафиолетовой области. Интересно, что как раз этот тип наиболее часто применяется для освещения. Белый свет получается при использовании специального люминофора, преобразующего ультрафиолет.

Интенсивность излучения светодиода возрастает при увеличении тока протекающего через p-n переход, до определенного предела. После его достижения сетодиод выходит из строя. Поэтому, для нормальной работы необходимо ограничивать ток.
Как правило, это реализуется с помощью последовательного подключения резистора.

Стабисторы.

Существующие стабилитроны имеют ограничение по минимальному напряжению стабилизации(около 3 В).
Что делать, если необходим источник стабилизированного напряжения до 3-х вольт? Использовать прямую ветвь Вольт – Амперной Характеристики диода(ВАХ). В области прямого смещения p-n-перехода напряжение на нем может иметь значение 0,7…2 В(в зависимости от материала полупроводника) и мало зависит от тока.
Диоды специально используемые в этом качестве, называют – СТАБИСТОРАМИ.

Фотодиоды.

Фотодиод — это светочувствительный полупроводниковый элемент с одним p-n переходом, обратный ток которого меняется в зависимости от уровня освещенности. Величина на которую происходит его изменение при этом, называется фототоком.

Фотодиоды используют для преобразования сигналов передаваемых в оптическом режиме в электрическую форму. Малая инерционость фотодиодов способствует приему передачи информации, с большой плотностью, например, в при передаче ее по оптоволоконным линиям. Кроме того фотодиоды могут использоваться в фотоприемниках дистанционного управления и т. д.

На главную страницу

Выпрямительные диоды: обозначение, принцип работы, ВАХ

Выпрямительные диоды – это полупроводниковые приборы, которые имеют один p-n переход и два металлических вывода. Вся система заключена в пластмассовом, металлическом, стеклянном или металлокерамическом корпусе. Предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Обозначение и расшифровка диодов

Обозначение выпрямительного диода на схеме согласно “ГОСТ 2. 730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые”. В приложении данного ГОСТа указаны размеры в модульной сетке. Выглядит это следующим образом:

Существуют различные варианты обозначения диодов.

Согласно ОСТ 11366.919-81 следующее буквенно-цифровое обозначение:

• 1) первая буква или цифра указывает на материал:
• 1 (Г) – германий Ge
• 2 (К) – кремний Si
• 3 (А) – галлий Ga
• 4 (И) – индий In
• 2) Вторая буква – это подкласс полупроводникового прибора. Для нашего случая – это буква Д.
• 3) Третья цифра – функционал элемента в зависимости от класса (диоды, варикапы, стабилитроны и др.).

Например, для выпрямительных диодов (Д):

101…199 – диоды малой мощности с постоянным или средним значением прямого тока менее 0,3А.

201…299 – диоды средней мощности с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10А.

Также существуют диоды большой мощности с током более 10А. Отвод тепла у диодов малой мощности осуществляется через корпус, у диодов средней и большой мощности через теплоотводящие радиаторы.

До 1982 года была другая классификация:

• первая Д – характеризовала весь класс диодов
• далее шел цифровой код:
• от 1 до 100 — для точечных германиевых диодов
• от 101 до 200 — для точечных кремниевых диодов
• от 201 до 300 — для плоскостных кремниевых диодов
• от 301 до 400 — для плоскостных германиевых диодов
• от 401 до 500 — для смесительных СВЧ детекторов
• от 501 до 600 — для умножительных диодов
• от 601 до 700 — для видеодетекторов
• от 701 до 749 — для параметрических германиевых диодов
• от 750 до 800 — для параметрических кремниевых диодов
• от 801 до 900 — для стабилитронов
• от 901 до 950 — для варикапов
• от 951 до 1000 — для туннельных диодов
• от 1001 до 1100 — для выпрямительных столбов
• третья цифра – разновидность групп однотипных приборов

Система JEDEC (США)

• первая цифра – число p-n переходов (1 – диод; 2 – транзистор; 3 – тиристор)
• далее N (типа номер) и серийный номер
• после может идти пару цифр про номиналы и отдельные характеристики диода

Система Pro Electron (Европа)

По данной системе приборы делятся на промышленные и бытовые. Бытовые кодируются двумя буквами и тремя цифрами от 100 до 999. У промышленных приборов будет идти три буквы и две цифры от 10 до 99. Для диодов:

• 1) первая буква:
• A – германий Ge
• B – кремний Si
• C – галлий Ga
• R – другие полупроводники
• 2) Вторая буква – это буква A, указывающая на маломощные импульсные и универсальные диоды.
• 3) Третья буква отвечает за принадлежность элемента к сфере специального применения (промышленность, военная). “Z”, “Y”, “X” или “W”.
• 4) Четвертая – это 2х, 3х или 4х-значный серийный номер прибора.
• 5) Дополнительный код – в нем для выпрямительных диодов указывается максимальная амплитуда обратного напряжения.

Система JIS (Япония)

Применяется в странах Азии и тихоокеанского региона.

Существуют и специальные обозначения от фирм-изготовителей, которые отличаются от приведенных выше.

Принцип действия выпрямительного диода

Полупроводники по своим электрическим свойствам являются чем-то средним между проводниками и диэлектриками.

Как ведет себя диод при прямом и обратном включении

Прямое направление – направление постоянного тока, в котором диод имеет наименьшее сопротивление.

Обратное направление – направление постоянного тока, в котором диод имеет наибольшее сопротивление.

Рассмотрим поведение тока в цепи при прямом и обратном включении на переменное и постоянное напряжение. Изначально мы будем иметь синусоиду, которая получается от источника переменного тока.

При таких способах подключения отсекается половина синусоиды положительная или отрицательная. На выходе – пульсирующий переменный ток одного знака (считай, постоянный, только загвоздка в том, что им никто не пользуется).

• анод (для прямого включения подключаем к плюсу), основание треугольника
• катод (подключаем к минусу для прямого включения) палочка

Ток течет от анода к катоду, некоторые прибегают к сравнению с воронкой. В широкое горлышко жидкость проходит быстрее, чем в узкое. Принцип работы заключается в пропускании тока при прямом включении и запирании диода при обратном включении (отсутствии тока). Всё дело в запирающем слое, который испаряется или расширяется в зависимости от способа подключения диода.

Рассмотрим поведение диода в схеме постоянного тока. На левом изображении ток, напряжение проходит – лампочка горит (черная) – это прямое включение. На правом изображении диод не пропускает достаточно тока и напряжения для загорания лампочки – обратное включение.

ВАХ выпрямительных диодов (Ge, Si)

Вольт-амперные характеристики диодов представляют собой графики зависимостей прямых и обратных токов (Y) и напряжений (X) при различных температурах.

При подаче обратного напряжения, превышающего пороговое значение, величина обратного тока возрастает и происходит пробой p-n слоя. Стоит обратить внимание и на порядки чисел по осям. Величины обратного тока на порядок меньше прямого. Значения прямого напряжения на порядок меньше обратного. По достижении порогового значения прямого напряжения прямой ток начинает увеличиваться лавинообразно.

Разница между диодами в том, что обратный ток кремниевых диодов меньше, чем у германиевых. Поэтому, за счет большего тока, у Ge диодов пробой носит тепловой характер, у Si – преобладает электрический пробой. Мощность, рассеиваемая при одинаковых токах у германиевых диодов меньше.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Самое популярное

Выпрямительный диод | Volt-info

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Вольтамперная характеристика выпрямительного диода

   На рисунке в первом квадранте расположена прямая, в третьем – обратная ветвь характеристики диода. Прямая ветвь характеристики снимается при действии прямого напряжения, обратная соответственно – обратного напряжения на диод. Прямым напряжением на диоде называется такое напряжение, при котором на катоде образуется более высокий электрический потенциал по отношению к аноду, а если говорить языком знаков –  на катоде минус (-), на аноде плюс (+), как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема для изучения ВАХ диода при прямом включении.

 

   На рисунке 1 приведены следующие условные обозначения:

Iр – рабочий ток диода;

Uд – падение напряжения на диоде;

Uо – обратное напряжение диода;

Uпр – напряжение пробоя;

Iу – ток утечки, или обратный ток диода.

Понятия и обозначения характеристик

   Рабочий ток диода (Iр), это прямой электрический ток, длительное время проходящий через диод, при котором прибор не подвергается необратимому температурному разрушению, и его характеристики не претерпевают значительных качественных изменений. В справочниках может указываться как прямой максимальный ток.    Падение напряжения на диоде (Uд) – напряжение на выводах диода, возникающее при прохождении через него прямого рабочего тока. В справочниках может быть обозначено как прямое напряжение на диоде.

   Прямой ток течёт при прямом включении диода.

   Обратное напряжение диода (Uо) – допустимое обратное напряжение на диоде, приложенное к нему длительное время, при котором не происходит необратимое разрушение его p-n перехода. В справочной литературе может называться максимальным обратным напряжением.

   Напряжение пробоя (Uпр) – обратное напряжение на диоде, при котором происходит необратимый электрический пробой p-n перехода, и, как следствие, выход прибора из строя.

   Обратный ток диода, или ток утечки (Iу) – обратный ток, длительное время не вызывающий необратимого разрушения (пробоя) p-n перехода диода.

   При выборе выпрямительных диодов обычно руководствуются указанными выше его характеристиками.

Работа диода

   Тонкости работы p-n перехода, тема отдельной статьи. Упростим задачу, и рассмотрим работу диода с позиции односторонней проводимости. И так, диод работает как проводник при прямом, и как диэлектрик (изолятор) при обратном включении. Рассмотрим две схемы на рисунке 3.

Рисунок 3. Обратное (а) и прямое (б) включение диода.

 

   На рисунке изображены два варианта одной схемы. На рисунке 3 (а) положение переключателей S1 и S2 обеспечивают электрический контакт анода диода с минусом источника питания, а катода через лампочку HL1 с плюсом. Как мы уже определились, это обратное включение диода. В этом режиме диод будет вести себя как электрически изолирующий элемент, электрическая цепь будет практически разомкнута, лампа гореть не будет.

   При изменении положения контактов S1 и S2, рисунок 3 (б), обеспечивается электрический контакт анода диода VD1 с плюсом источника питания, а катода через лампочку – с минусом. При этом выполняется условие прямого включения диода, он «открывается» и через него, как через проводник, течёт ток нагрузки (лампы).

   Если Вы только начали изучать электронику, Вас может немного смутить сложность с переключателями на рисунке 3. Проведите аналогию по приведённому описанию, опираясь на упрощённые схемы рисунка 4. Это упражнение позволит Вам немного понять и сориентироваться относительно принципа построения и чтения электрических схем.

Рисунок 4. Схема обратного и прямого включения диода (упрощённая).

 

   На рисунке 4 изменение полярности на выводах диода обеспечивается изменением положения диода (переворачиванием).

Однонаправленная проводимость диода

Рисунок 5. Диаграммы напряжений до и после выпрямительного диода.

 

   Примем условно, что электрический потенциал переключателя S2 всегда равен 0. Тогда на анод диода будет подаваться разность напряжений –US1-S2 и +US1-S2 в зависимости от положения переключателей S1 и S2. Диаграмма такого переменного напряжения прямоугольной формы изображена на рисунке 5 (верхняя диаграмма). При отрицательной разности напряжений на аноде диода он заперт (работает как изолирующий элемент), при этом через лампу HL1 ток не течёт и она не горит, а напряжение на лампе практически равно нулю. При положительной разности напряжений диод отпирается (действует как электрический проводник) и по последовательной цепочке диод-лампа течёт ток. Напряжение на лампе возрастает до UHL1. Это напряжение немного меньше напряжения источника питания, поскольку часть напряжения падает на диоде. По этой причине, разность напряжений в электронике и электротехнике иногда называют «падением напряжения». Т.е. в данном случае, если лампу рассматривать как нагрузку, то на ней будет напряжение нагрузки, а на диоде – падение напряжения.

   Таким образом, периоды отрицательной разности напряжения как бы игнорируются диодом, обрезаются, и через нагрузку течёт ток только в периоды положительной разности напряжений. Такое преобразование переменного напряжения в однополярное (пульсирующее или постоянное) назвали выпрямлением.

Особенности работы диодов при прохождении через них импульсных сигналов

 

Для понимания сути процессов, происходящих в диоде при работе в высокочастотных импульсных цепях рассмотрим прохождение через него прямоугольного сигнала (т.е. сигнала с малой длительностью фронта и среза). При этом диод включается по схеме, приведенной на рис. 3.1-1.

 

Рис. 3.1-1. Схема включения диода при рассмотрении переходных процессов

 

В случае, когда входной прямоугольный сигнал является двуполярным, переходные процессы в диоде будут характеризоваться диаграммами, представленными на рис. 3.1-2.

 

Рис. 3.1-2. Переходные процессы в диоде при прохождении через него двуполярного прямоугольного сигнала

 

Для анализа приведенных зависимостей можно воспользоваться выражением для тока диода в переходном режиме:

\( I_д = \cfrac{Q_б}{\tau_б} + \cfrac{\operatorname{d}Q_б}{\operatorname{d}t} + C_б \cfrac{\operatorname{d} U_{p-n}}{\operatorname{d}t}\) ,

где:

\(Q_б\) — объемный заряд неосновных носителей в области базы диода;

\(\tau_б\) — время жизни неосновных носителей в области базы;

\(C_б\) — барьерная емкость перехода;

\(U_{p-n}\) — напряжение на \(p\)-\(n\)-переходе диода.

 

Первое слагаемое выражения связано с рекомбинацией неосновных носителей в области базы. Второе слагаемое определяет изменение во времени объемного заряда неосновных носителей в области базы. Третье — обусловлено перезарядом барьерной емкости \(p\)-\(n\)-перехода при изменении входного сигнала во времени.

Таким образом, основными причинами инерционности заряда являются: эффект накопления избыточного заряда в базовой области прибора и наличие барьерной емкости перехода.

 

Рассмотрим участок времени \([t_0;t_1]\), когда входное напряжение скачком увеличивается от \(–U_{вх обр}\) до \(+U_{вх пр}\).

При увеличении прямого тока сопротивление базы диода уменьшается (эффект модуляции сопротивления области базы). Поскольку скорость накопления избыточного заряда в области базы конечна, то установление прямого сопротивления диода требует некоторого времени. Учитывая, что \(R_Н \gg r_{д пр}\), можно показать, что ток диода не зависит от его сопротивления. Поэтому эффект модуляции сопротивления базы приводит к появлению резкого выброса напряжения на диоде при его включении.

Перезаряд барьерной емкости диода \(C_б\), наоборот, ведет к замедлению скорости увеличения напряжения на диоде.

Вследствие действия двух противоположных тенденций реальный вид переходного процесса определяется конкретным соотношением параметров диода. При малых уровнях инжекции превалирующими являются процессы, связанные с перезарядом емкости \(C_б\). При больших уровнях инжекции — процессы, связанные с изменением объемного заряда области базы. Поэтому для диодов различных типов переходные процессы при включении могут иметь качественно отличный вид. На приведенной на рис. 3.1-2 диаграмме представлен случай большого уровня инжекции и соответственно малого влияния \(C_б\).

Длительность всплеска напряжения на диоде \(\tau_у\) называется временем установления. Рассчитанное для \(1,2 U_{д пр}\), оно примерно равно: \(\tau_у \approx 2,3 t_б\) , а максимальное падение напряжения на диоде:

\(U_{д пр max} \approx \varphi_к + I_{пр} \cdot r_{дб}\),

где:

\(\varphi_к\) — контактная разность потенциалов,

\(r_{дб}\) — сопротивление области базы диода.

 

Интервал времени [t1;t2] характеризует установившийся режим в диодном ключе. В базовой области диода накоплен избыточный заряд неосновных носителей \(Q_б = I_{пр} \cdot \tau_б\). Концентрация избыточных носителей при этом падает по мере удаления от перехода. Прямой ток, протекающий через диод, равен:

\(I_{пр} = \cfrac{U_{вх пр} – U_{д пр}}{r_{д пр} + R_н}\).

 

В момент времени \(t_2\) входное напряжение изменяет свою полярность на обратную. Однако до момента \(t_4\) диод будет находиться в проводящем состоянии. До момента \(t_3\) через него в обратном направлении будет протекать ток, импульсное значение которого \(I_{обр}\) и соизмеримо с \(I_{пр}\). Далее, по мере рассасывания объемного заряда неосновных носителей в области базы и разряда барьерной емкости на интервале \([t_3;t_4]\), обратный ток через диод будет уменьшаться, стремясь к своему установившемуся значению.

Как видно из приведенной диаграммы (рис. 3.1-2), в момент времени \(t_2\) смены полярности входного напряжения падение напряжения на диоде скачком уменьшается на долю падения напряжения на активном сопротивлении диода \( \operatorname{d} U_д = r_{дб} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right)\) и далее остается постоянным. Это объясняется тем, что избыточный заряд, накопленный в базовой области диода во время его прямого смещения, остается достаточным для поддержания импульса обратного тока на уровне:

\( I_{обр и} = \cfrac{U_{обр} – \left[ U_{д пр} – r_{дб} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right) \right] }{\tau_б} \),

 

т.е. непосредственно после смены полярности \(U_{вх}\) диод обладает практически нулевым сопротивлением.

 

Для интервала времени \([t_2;t_3]\): \(I_д = –I_{обр и}\). Предполагая, что в конце этого интервала концентрация неосновных носителей заряда в непосредственной близости к \(p\)-\(n\)-переходу уменьшается до нуля, получим:

\(t_{рас} = t_3 – t_2 \approx t_б \cdot \ln{\left( 1+ \cfrac{I_{пр}}{I_{обр и}} \right)} \).

 

Временной интервал \(t_{рас}\) называется временем рассасывания неосновных носителей из области базы. Следует отметить, что приведенное выражение является приближенным, так как не учитывает особенностей изменения пространственного заряда \(Q_б\), характерных для диодов, изготовленных по различным технологиям.

На временном интервале \([t_3;t_4]\) суммарный объемный заряд в области базы уменьшается до нуля, что характеризуется уменьшением тока диода от значения \(I_{обр и}\) до величины \(I_{обр}\), соответствующей стационарному обратному току диода в выключенном состоянии.

Длительность интервала \(t_{сп} = t_4 – t_3\), называемого временем спада обратного тока диода, также сильно зависит от технологии его изготовления. Реально: \(t_{сп} \approx {(0,1…1)} \cdot t\), т.е. практически для всех типов диодов \(t_{рас} > t_{сп}\). Временной интервал \(t_{рас} + t_{сп} = t_{вос}\) носит название времени восстановления обратного сопротивления диода и является важной характеристикой быстродействия. {t_4} I_{обр}(t) \operatorname{d}t \).

 

В случае, когда напряжение входного прямоугольного сигнала не является двуполярным, на диаграммах переходных процессов возникнут качественные отличия от приведенного на рис. 3.1-2 вида.

Временные диаграммы для случая однополярного прямоугольного сигнала приведены на рис. 3.1-3.

 

Рис. 3.1-3. Переходные процессы в диоде при прохождении через него однополярного прямоугольного сигнала

 

Очевидно, что и в этом случае переходные процессы будут сильно искажать форму сигнала, проходящего через диод в нагрузку.

Процесс включения диода аналогичен случаю двуполярного сигнала. Существенные отличия наблюдаются при выключении диода.

После окончания действия напряжения \(U_{пр}\) в момент времени \(t_2\) напряжение на диоде резко уменьшается на \(\Delta U_д = r_{д обр} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right) \) и затем еще достаточно продолжительное время сохраняет полярность прямосмещенного диода. При условии \(U_{вх} = 0\) это означает, что к нагрузке прикладывается напряжение обратной полярности, равное:

\( U_{вых обр} \approx – \left[ U_{пр} – r_{д пр} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right) \right] \cfrac{R_н}{R_н + R_{вн}} \),

где \( R_{вн}\) — внутреннее сопротивление источника сигнала.

 

Причиной возникновения этого напряжения является объемный заряд \(Q_б\), накопленный в области базы. После окончания импульса \(U_{вх}\) неосновные носители в области базы постепенно рекомбинируют, создавая ток в цепи нагрузки диода. Поэтому длительность интервала \([t_2;t_3]\) определяется как собственными параметрами диода, так и параметрами внешней цепи. При уменьшении сопротивления разряда \(R_{раз} = R_н \cfrac{R_{вн}}{R_н + R_{вн}}\) длительность \([t_2;t_3]\) уменьшается.

Напряжение, присутствующее на диоде после окончания импульса \(U_{вх}\) принято называть послеинжекционным.

Таким образом, при применении диодов в импульсных цепях следует учитывать, что их некоторая инерционность является причиной искажения формы проходящих через них импульсов. Причем эти искажения тем существеннее, чем меньше длительность обрабатываемых импульсов и их фронтов (срезов).

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Цепи переключения диодов

| Диоды и выпрямители

Диоды могут выполнять коммутационные и цифровые логические операции. Прямое и обратное смещение переключают диод между состояниями низкого и высокого импеданса соответственно. Таким образом, он служит переключателем.

Логика

Диоды могут выполнять функции цифровой логики: И и ИЛИ. Диодная логика использовалась в первых цифровых компьютерах. Сегодня он находит ограниченное применение. Иногда бывает удобно собрать один логический вентиль из нескольких диодов.

И Выход

Диод И вентиль

Логический элемент И показан на рисунке выше. Логические вентили имеют входы и выход (Y), который является функцией входов. На входе логического элемента высокий (логическая 1), скажем 10 В, или низкий, 0 В (логический 0).

На рисунке логические уровни генерируются переключателями. Если переключатель в верхнем положении, входной сигнал фактически высокий (1). Если переключатель находится в нижнем положении, он подключает катод диода к земле, которая имеет низкий уровень (0). Выход зависит от комбинации входов на A и B.Входные и выходные данные обычно записываются в «таблицу истинности» в пункте (c) для описания логики вентиля. В (а) все входы высокие (1). Это записано в последней строке таблицы истинности в (c).

Выход Y имеет высокий уровень (1) из-за напряжения V + на верхней части резистора. На него не влияют разомкнутые переключатели. В точке (b) переключатель A подтягивает катод подключенного диода к низкому уровню, подтягивая выход Y к низкому уровню (0,7 В). Это записано в третьей строке таблицы истинности.

Вторая строка таблицы истинности описывает выход с переключателями, перевернутыми от (b). Переключатель B подтягивает диод и выводит низкий уровень. В первой строке таблицы истинности записано значение Output = 0 для обоих входов low (0).

Таблица истинности описывает функцию логического И. Резюме: оба входа A и B high дают высокий (1) выход.

OR ворота

Логический элемент ИЛИ с двумя входами, состоящий из пары диодов, показан на рисунке ниже. Если оба входа имеют низкий логический уровень в точке (a), как имитируется обоими переключателями «вниз», резистор подтягивает выход Y к низкому уровню. Этот логический ноль записан в первой строке таблицы истинности в (c).Если на одном из входов высокий уровень, как на (b), или на другом входе высокий уровень, или на обоих входах высокий уровень, диод (ы) проводит (-ы), подтягивая выход Y к высокому уровню.

Эти результаты переупорядочены во второй-четвертой строках таблицы истинности. Резюме: любой вход «high» – это максимум на Y.

.

Элемент ИЛИ: (a) Первая строка таблицы истинности (TT). (b) Третья строка ТТ. (d) Логическое ИЛИ источника питания и резервного аккумулятора.

Приложения логики OR

Резервная батарея может быть подключена по ИЛИ к источнику постоянного тока, работающему от сети, как показано на рисунке выше (d), для питания нагрузки даже при сбое питания.При наличии переменного тока сетевое питание питает нагрузку, предполагая, что оно имеет более высокое напряжение, чем батарея. В случае сбоя питания напряжение в сети падает до 0 В; батарея питает нагрузку.

Диоды должны быть включены последовательно с источниками питания, чтобы предотвратить разрядку аккумулятора из-за сбоя в сети и перезарядку аккумулятора при наличии сетевого питания. Сохраняет ли ваш компьютер настройки BIOS при выключении? Сохраняет ли ваш видеомагнитофон (кассетный видеомагнитофон) настройку часов после сбоя питания? (ПК да, старый видеомагнитофон нет, новый видеомагнитофон да.)

Аналоговый переключатель

Диоды могут переключать аналоговые сигналы. Диод с обратным смещением выглядит как разомкнутая цепь. Диод с прямым смещением – это провод с низким сопротивлением. Единственная проблема – изолировать переключаемый сигнал переменного тока от управляющего сигнала постоянного тока.

Схема на рисунке ниже представляет собой параллельную резонансную сеть: резонансная настраивающая катушка индуктивности соединена параллельно с одним (или несколькими) переключаемыми конденсаторами резонатора. Этот параллельный LC-резонансный контур мог бы быть фильтром преселектора для радиоприемника.Это может быть частотно-определяющая сеть генератора (не показан). Линии цифрового управления могут управляться микропроцессорным интерфейсом.

Переключатель диодов: Цифровой управляющий сигнал (низкий) выбирает конденсатор резонатора путем прямого смещения переключающего диода.

Блокирующий конденсатор постоянного тока большой емкости заземляет резонансную индуктивность настройки для переменного тока при блокировании постоянного тока. Он будет иметь низкое реактивное сопротивление по сравнению с реактивными сопротивлениями параллельных ЖК. Это предотвращает замыкание анодного постоянного напряжения на землю резонансным настраивающим дросселем.Переключаемый конденсатор резонатора выбирается путем подтягивания соответствующего низкого уровня цифрового управления. Это прямое смещение переключающего диода.

Путь постоянного тока проходит от +5 В через высокочастотный дроссель (RFC), переключающий диод и RFC на землю через цифровое управление. Назначение RFC на +5 В – защитить переменный ток от источника +5 В. RFC последовательно с цифровым управлением предназначен для предотвращения попадания переменного тока во внешнюю линию управления. Конденсатор развязки замыкает небольшую утечку переменного тока через RFC на землю, минуя внешнюю цифровую линию управления.

При высоком уровне всех трех цифровых линий управления (≥ + 5 В) переключаемые конденсаторы резонатора не выбираются из-за обратного смещения диода. При понижении уровня одной или нескольких линий выбирается один или несколько переключаемых конденсаторов резонатора соответственно. Чем больше конденсаторов подключается параллельно резонансной настраивающей катушке индуктивности, тем меньше резонансная частота.

Емкость диода с обратным смещением может быть значительной по сравнению с цепями с очень высокой или сверхвысокой частотой. PIN-диоды могут использоваться в качестве переключателей для снижения емкости.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Что такое переключающий диод? – Теория быстрых коммутирующих диодов

Переключающий диод (также называемый импульсным диодом , диод Шоттки ) – полупроводниковый диод , используемый в импульсных (дискретных) системах. В основном он работает в коммутационных конфигурациях, которые генерируют импульс только одного знака (+) с прямым смещением. В зависимости от применения переключающий диод может также работать как простой выпрямительный диод , ограничитель переходного напряжения или детекторный диод). Он отличается очень высокой скоростью работы (измеряется в наносекундах, тогда как для более высоких напряжений – микросекундах).

Наиболее востребованные параметры переключающего диода, работающего как переключающее устройство, следующие:

• Очень низкое сопротивление в прямом смещении и очень высокое сопротивление в обратном смещении,
• Процесс переключения диода должен происходить следующим образом: как можно скорее (минимальная задержка и отсутствие искажения импульсов).

Фиг.1. Обозначение переключающего диода

Переключающий диод имеет чрезвычайно низкую емкость перехода, что приводит к очень малому времени переключения. Такие свойства указывают на контраст с помощью плоского диода, который имеет аналогичные свойства. Тем не менее, переключающий диод намного менее надежен (также автоматически становится ударопрочным), характеризуется более компактным числом значений параметров, существенно меньшим обратным током, меньшим сопротивлением в управлении проводимостью, но большей паразитной емкостью. В покрывающем диоде сравнительно большой заряд накапливается от p-n-перехода через проводимость, что имитирует диоды с такими свойствами, в том числе из-за пригодности для работы, где, например, им необходимо управлять высокими частотами. Переключающий диод имеет довольно низкую инерцию, поскольку плата, которая собирается на переходе металл-полупроводник, мала, что делает его действительно хорошо подходящим для переключения и очень значительных диапазонов частот. Это только одно из наиболее важных свойств, благодаря которым диоды с быстрым переключением используются в качестве элементов импульсных зарядных устройств (например, используемых сейчас для питания лампочек, среди других объектов) или смесителей (электронных схем, которые должны создавать третий сигнал из двух различных знаков, используя частоту, которая представляет собой смесь сигналов во входном сигнале).

Переключающий диод Включает покрытие из металла, а также покрытие из полупроводника, часто кремния. Его свойства делают его идеальным для всех применений в электронном оборудовании – как компонент, который защищает чувствительные цифровые схемы, а также как выпрямитель, используемый для сигналов с очень большой частотой. Он работает лучше в этом приложении по сравнению со стандартным кремниевым диодом – он отличается в основном уменьшенным падением напряжения, и даже более высокая частота указывает на то, что он может успешно справиться.Благодаря своим рабочим характеристикам его часто называют диодом для горячей ванны или даже барьерным диодом. Минимальное напряжение проводимости начинается от 150 мВ до примерно 500 мВ, при этом наименьшее значение из кремниевых диодов составляет 600 мВ. Описанный ранее так называемый барьерный переход (часто известный как барьерный переключающий диод) формируется путем соединения полупроводника с каким-либо металлом. Полупроводник – это обычно кремний, хотя чаще всего выбирают сплав из платины, вольфрама, молибдена или хрома.Выбор набора веществ, которые будут функционировать как анод (тип сплава) и катод (вид полупроводника), определяет, какое значение этого напряжения проводимости получит переключающий диод.

Характеристика переключающего диода

Характеристика переключающего диода показана на рис. 2.

Рис. 2. Иллюстрация процесса переключения диодов

Division

• Быстро переключающиеся диоды – они изготовлены с применением полупроводниковых материалов с более широкой запрещенной зоной (например,грамм. Арсенид галлия (GaAs): t _rr <0,1 нс). Диоды Шоттки имеют значительно более короткое время переключения (малая емкость перехода C _j значений) по сравнению с обычными полупроводниковыми диодами (t _rr 100 пс), что связано с их конструкцией перехода емкости перехода «MS»,
• Низкое время затухания диоды (также называемые ступенчато-восстановительным диодом) – в этом виде диодов накопление заряда имеет решающее влияние на скорость работы диода. Он используется для генерации прямоугольных импульсов (время затухания t _f должно быть очень маленьким).

Предельные параметры

• I _Fmax – максимальное постоянное смещение,
• I _FMmax – пиковое, максимально допустимое смещение диода,
• V _Rmax – максимальное постоянное обратное напряжение,
• V _RMmax – максимальное пиковое обратное напряжение,
• T _j – допустимая температура перехода.

Статические и динамические параметры

• V _F – прямое напряжение при определенном прямом токе I _F (чем выше ток, тем больше заряд сохраняется на основе диода pn-перехода и в процессе разрядки медленнее)
• I _R – обратный ток при заданном V _R реверсивное напряжение (чем выше ток, тем быстрее разрядится заряд, накопленный в переходе, диод переключится быстрее)
• Емкость диода (при заданном обратном напряжении и частоте),
• t _rr – длительность переключения диода (иногда вместо t _rr time, Q _rr коммутационный заряд, который накапливается в разъеме дано).

Эффективность рассеивания тепла

Вакуумный остаток дает действительно прекрасную «возможность» максимально использовать металлическое покрытие на полупроводниковой подложке. Даже анод становится металлическим, хотя катод – это полупроводник. Металл в основном действует как резистивное прикосновение к аноду – это не что иное, как тонкое покрытие, нанесенное на кремний. Этот тип решения демонстрирует своего рода наблюдаемый недостаток по сравнению с обычными кремниевыми диодами.Элементы с такими тонкими проводами часто превращаются в «слабые звенья», а также делают полный диод не таким устойчивым к пробоям. Кроме того, стоит отметить, что переключающий диод хуже справляется со всем излучаемым теплом в системе в связи с его герметичным аналогом, использующим p-n переход. Основная причина этих свойств заключается в использовании сплава, который может находиться в непосредственном контакте со всем переходом переключающего диода.

Переключающий диод – это полупроводниковая электронная часть, одной из наиболее важных и отличительных особенностей которой от обычного переходного диода является тот простой факт, что его основными носителями являются электроны. Это связано с тем, что в полупроводнике N-типа их на несколько больше (от катода – обычно кремния), чем от анода, из-за чего они ведут себя как носители тока. Металлическое покрытие полностью электрически инертно. Сочетание этих функций делает диод с быстрым переключением менее инертным, чем обычные диоды. Последнее объяснение заключается в том простом факте, что в стыке нет так называемой черепной области, что означает очень короткий период восстановления. Требуется перейти из какой-либо страны, в которой диод проводит, в состояние, когда он играет роль барьера (например, защита цепи при недостаточном источнике питания, что может повредить смонтированные чувствительные электронные компоненты, когда ток течет в противоположном направлении. ).Разница между обычными диодами, использующими pn-переходы, важна, так как в идеальном случае так называемый pn-диод потребует несколько сотен наносекунд, а может даже оказаться несколько тысяч наносекунд, тогда как переключающий диод может использовать десятые доли секунды. компонентов до максимум тысяч наносекунд для регенерации.

Применения переключающих диодов

Короткое время переключения быстродействующих диодов востребовано во многих приложениях. Среди наиболее типичных из них:

• фиксация напряжения,
• высокоскоростные схемы выпрямления и переключения,
• защита от обратного тока и разряда,
• импульсные источники питания (в качестве выпрямителя).

Высокая эффективность переключающего диода при управлении сигналами очень высокой частоты делает его прекрасным выбором для устройства защиты от перенапряжения, установленного перед входным сигналом в чувствительную цепь. Очень короткий период регенерации делает его действительно практичным компонентом, используемым в инверторах или повышающих преобразователях. Низкое напряжение, а также невероятно короткий период регенерации значительно повышают эффективность источника энергии – она ​​может достигать даже 90% эффективности.Стоит напомнить, что такие диоды могут использоваться для частот тока, не превышающих 100 ГГц. Переключающий диод часто является разумной альтернативой использованию германиевых диодов, особенно когда пороговое напряжение должно быть как можно более низким (в данном случае оно составляет всего около 0,4 В). Минимальное падение напряжения делает его фантастическим компонентом для подключения резервных источников питания – фантастическим для инверторов, наряду с другими программами. Во время работы необходимо сосредоточиться на температурах, которые существуют в цепи, поскольку между 25 и 100 градусами Цельсия значение их так называемого обратного тока может возрасти даже вдвое.

Проверка правильности работы диода

Может случиться так, что устройство, оснащенное такой электроникой, перестает работать, а также переключающий диод считается этой неисправностью. Например, это может быть источник питания в экране или в телевизоре. В этот момент очень важно оценить, правильно ли работает деталь. Но стоит понять, как это сделать правильно. Попытка проверить барьерный диод точно так же, как и обычный диод, не принесет желаемых преимуществ. Цель состоит в том, чтобы точные результаты очень точных тестов для некоторых форм диодов не подходили для них, а также для многих других означают правильную работу. Довольно часто в подобной электронике (блоки питания для телевизоров или мониторов) используются элементы, в которые вставлено более одного диода, хотя снаружи кажется одним компонентом. Очень часто вы встретите два диода, включенные в один корпус, который может быть расположен в заметке каталога, в котором будет схема всего компонента (так называемый файл информационного листа).Самым первым действием человека, выполняющего эту работу, должен быть всесторонний анализ того, что именно представляет собой анализируемый элемент, если это абсолютно переключающий диод, как он устроен и каково ваше распределение распиновки. Затем, в зависимости от информации, содержащейся в авторитетных источниках в Интернете, например, следует разработать набор оценок для определения текущего состояния этого диода. При этом вам, безусловно, следует использовать мультиметр с омметром.

Диод ＜ Типы диодов ＞ | Основы электроники

Выпрямительный диод (REC): устройство и особенности

Структура	Символ	Приложения ・ Характеристики
		Используется для исправления (т.е.е. первичная сторона блока питания) В основном класса 1A и выше, высокое напряжение пробоя (400 В / 600 В)

Выпрямительные диоды, как следует из их названия, предназначены для выпрямления общих частот переменного тока. Выпрямление в первую очередь включает преобразование из переменного тока в постоянный и может включать высокие напряжения и токи. Эффективность преобразования может сильно различаться в зависимости от рабочей частоты и условий. Таким образом, предлагаются различные типы, включая модели с низким V _F (прямое напряжение), высокоскоростное переключение и модели с низким уровнем шума.

Конфигурация схемы выпрямления］

Переключающий диод (SW): устройство и особенности

Структура	Символ	Приложения ･ Характеристики
		Идеально подходит для различных коммутационных приложений Скорость переключения ： Короткое время обратного восстановления trr

Эти диоды обеспечивают переключение.Подача напряжения в прямом направлении вызовет протекание тока (ВКЛ). И наоборот, подача напряжения в обратном направлении остановит ток. Переключающие диоды обычно характеризуются более коротким временем обратного восстановления (trr), что приводит к лучшим характеристикам переключения.

Включить	Выключить
>

Что такое время обратного восстановления (trr)?

Время обратного восстановления trr относится к времени, за которое переключающий диод полностью выключится из состояния ВКЛ. Как правило, электроны не могут быть остановлены сразу после выключения работы, что приводит к протеканию некоторого тока в обратном направлении. Чем выше этот ток утечки, тем больше потери. Однако время обратного восстановления можно сократить за счет диффузии тяжелых металлов, оптимизации материалов или разработки FRD (диодов быстрого восстановления), которые подавляют звон после восстановления.

Ключевые моменты

• Trr – это время, за которое ток исчезает после переключения напряжения в противоположном направлении.
• Чем короче trr, тем меньше потери и выше скорость переключения

Диоды с барьером Шоттки (SBD): структура и особенности

Структура	Символ	Приложения ･ Характеристики
		Используется для выпрямления вторичного источника питания Low V F (низкие потери), большой I R Быстрая скорость переключения

В отличие от обычных диодов, которые обеспечивают характеристики диодов через переход PN (полупроводник-полупроводник), в диодах с барьером Шоттки используется барьер Шоттки, состоящий из перехода металл-полупроводник. Это приводит к гораздо более низким характеристикам V _F (прямое падение напряжения) по сравнению с диодами с PN переходом, что обеспечивает более высокую скорость переключения. Однако одним недостатком является больший ток утечки (I _R ), что требует принятия контрмер для предотвращения теплового разгона.

SBD

, которые часто используются для выпрямления вторичного источника питания, имеют характеристики, которые могут сильно различаться в зависимости от типа используемого металла. ROHM предлагает широкий ассортимент ведущих в отрасли SBD, в которых используется множество различных металлов.

• RB ** 1 серия низкая V _F тип
• RB ** 0 серия низкая I _R тип
• ROHM предлагает серию RB ** 8 диодов _R со сверхнизким I для автомобильных приложений

Ключевые моменты

• Низкие типы V _F и I _R можно получить, просто изменив тип металла.

Термический побег

Диоды с барьером Шоттки

чувствительны к чрезмерному тепловыделению при протекании большого тока.В результате сочетание высокой температуры с увеличением I _R (ток утечки) может вызвать повышение как температуры корпуса, так и окружающей среды. Следовательно, реализация неправильного теплового дизайна может привести к тому, что количество выделяемого тепла превысит количество рассеиваемого, что может привести к увеличению тепловыделения и тока утечки и, в конечном итоге, к повреждению. Это явление называется «тепловым разгоном».

Ключевые моменты

• Высокая температура окружающей среды может стать причиной теплового разгона

Стабилитрон

(ZD) ： Структура и особенности

Структура	Символ	Приложения ・ Характеристики
		Используется в цепях постоянного напряжения Защищает ИС от повреждений из-за импульсных токов и электростатических разрядов Генерирует постоянное напряжение, когда напряжение подается в обратном направлении.

Стабилитроны обычно используются в цепях постоянного напряжения для обеспечения постоянного напряжения даже при колебаниях тока или в качестве элементов защиты от импульсных токов и электростатических разрядов.В отличие от стандартных диодов, которые используются в прямом направлении, стабилитроны предназначены для использования в обратном направлении. Напряжение обратного пробоя стабилитрона называется напряжением стабилитрона V _Z , а значение тока в это время называется током стабилитрона (I _Z ). В последние годы в связи с продолжающейся миниатюризацией и увеличением производительности электронных устройств возникает потребность в более совершенных устройствах защиты, что привело к появлению диодов TVS (подавления переходных напряжений).

Ключевые моменты

• В обратном направлении работают только стабилитроны

Высокочастотные диоды (PIN-диоды) ： Структура и характеристики

Какова емкость диода (C

_t )

Сумма внутреннего накопленного заряда при подаче обратного смещения называется емкостью диода (C _t ). Электрически нейтральный обедненный слой формируется путем заполнения внутреннего слоя, созданного между слоями P и N, носителями заряда (дырками и электронами).Слой обеднения действует как паразитный конденсатор, емкость которого пропорциональна площади PN-перехода и обратно пропорциональна расстоянию d. Расстояние определяется концентрацией слоев P и N. Подача напряжения на диод увеличит слой обеднения и уменьшит C _t . Требуемый Ct будет варьироваться в зависимости от приложения.

［При подаче обратного напряжения］

Ключевые моменты

• Чем шире обедненный слой (и больше расстояние), тем меньше емкость C _t .

Диоды на страницу продукта

ROHM использует оригинальные передовые технологии, чтобы предложить широкий модельный ряд диодов. Кроме того, передовой опыт в области малосигнальных диодов и диодов средней / большой мощности позволил разработать высококачественные диоды Шоттки и диоды с быстрым восстановлением.

Управляющие ПИН-диоды

: альтернатива операционного усилителя

ПИН-диоды , которые помещают слаболегированную внутреннюю (I) область между сильно легированными P- и N-областями, широко используются в ВЧ- и СВЧ-устройствах.Обычно PIN-диоды применяются в микроволновых переключателях, фазовращателях и аттенюаторах, где требуются высокая изоляция и низкие потери. Их можно найти в испытательном оборудовании, контрольно-измерительных приборах, средствах связи, радарах и в различных военных приложениях.

Каждый PIN-диод в схеме переключения имеет сопутствующий драйвер PIN-диода или драйвер переключателя , который обеспечивает управляемый ток прямого смещения, напряжение обратного смещения и интерфейс активации между управляющим сигналом – обычно цифровой логической командой и одним или несколькими PIN-диоды.Эта функция драйвера может быть реализована в виде дискретной конструкции или со специализированными ИС в зависимости от приложения.

В качестве альтернативы можно использовать широко доступные операционные усилители и специальные усилители, такие как ограничивающие усилители и дифференциальные усилители, вместо дискретных схем возбуждения PIN-диодов и дорогих микросхем драйверов PIN-диодов. Операционные усилители этого класса имеют широкую полосу пропускания, высокую скорость нарастания напряжения и более чем достаточный установившийся ток для управления PIN-диодами. В этой статье обсуждаются три разные схемы драйвера PIN, в которых используются операционные усилители или специальные усилители – AD8037, AD8137 и ADA4858-3.Эти схемы предназначены для работы с однополюсными двухпозиционными переключателями на PIN-диодах, но они также могут быть адаптированы для других конфигураций схем. Они будут подробно описаны после обсуждения природы и использования PIN-диодов.

PIN диоды

PIN-диоды

используются в качестве резисторов с регулируемым током на ВЧ и СВЧ частотах, с сопротивлением, которое может варьироваться от долей Ом при прямом смещении или на до более 10 кОм при обратном смещении или при обратном смещении.В отличие от типичных диодов с PN-переходом, PIN-диоды имеют дополнительный слой внутреннего полупроводникового материала с высоким сопротивлением (I в PIN), зажатый между материалами P и N (рис. 1).

Рисунок 1. PIN-диод.

Когда PIN-диод смещен вперед, дырки из материала P и электроны из материала N инжектируются в область I. Заряды не могут мгновенно рекомбинировать; конечное время, необходимое для их рекомбинации, называется временем жизни носителей .Это вызывает чистый накопленный заряд в области I, уменьшая его сопротивление до значения, обозначенного как R _S , эффективное значение на сопротивлении диода (рис. 2a).

При подаче напряжения обратного смещения или нулевого смещения диод выглядит как большое сопротивление, R _P , зашунтированное емкостью, C _T (рисунок 2b). Изменяя геометрию диода, можно адаптировать PIN-диоды к различным комбинациям R _S и C _T для удовлетворения потребностей различных схемотехнических приложений и диапазонов частот.

Рис. 2. Эквивалентные схемы PIN-диодов. a) Вкл. , I _BIAS >> 0. b) Off , V _BIAS ≤ 0.

Комбинация установившегося тока смещения, I _SS и обратного напряжение, обеспечиваемое драйвером, определяет конечные значения R _S и C _T . Набор взаимосвязей для членов типичного семейства PIN-диодов можно увидеть на рисунках 3 и 4 – для кремниевых диодов серии M / A-COM MADP 042XX8-13060.Материал диода влияет на его свойства. Например, диоды из арсенида галлия (GaAs) требуют небольшого обратного смещения – если оно вообще есть – для достижения низкого значения C _T , как показано на рисунке 9.

Рисунок 3. Зависимость сопротивления кремниевого диода от прямого тока. Рисунок 4. Зависимость емкости кремниевого диода от обратного напряжения.

Накопленный заряд в PIN-диоде может быть аппроксимирован уравнением 1.

(1)

где:

Q _S = накопленный заряд

τ = срок службы диодной несущей

I _SS = установившийся ток

Чтобы включить или выключить диод, необходимо ввести или удалить накопленный заряд. Работа водителя заключается в том, чтобы очень быстро ввести или удалить этот накопленный заряд. В случаях, когда время переключения меньше, чем срок службы несущей диода, пиковый ток (IP), необходимый для быстрого переключения, может быть аппроксимирован уравнением 2.

(2)

где:

t = необходимое время переключения

I _SS = установившийся ток, обеспечиваемый драйвером, который устанавливает сопротивление PIN-диода, RS

τ = срок службы носителя

Ток впрыска или снятия драйвера или пиковый ток , i можно выразить уравнением 3.

(3)

где:

C = емкость выходных конденсаторов драйвера или пиковых конденсаторов

В = напряжение на выходных конденсаторах

dv / dt = скорость изменения напряжения на конденсаторах

во времени

Интерфейс смещения ПИН-диода

Подключение схемы управления драйвером переключателя к PIN-диоду, чтобы он мог включать и выключать диоды, применяя прямое или обратное смещение, является сложной задачей. В схеме смещения обычно используется фильтр нижних частот между схемой RF и драйвером переключателя. На рисунке 5 показан однополюсный двухпозиционный радиочастотный переключатель (SPDT) и его схема смещения. При правильной реализации фильтры L1 / C2 и L3 / C4 позволяют подавать управляющие сигналы на PIN-диоды D1 – D4 с минимальным взаимодействием с РЧ-сигналом, который переключается с RF IN на PORT 1 или PORT 2. Эти элементы позволяют относительно управляющие сигналы более низкой частоты проходят через PIN-диоды, но не позволяют высокочастотному сигналу выходить из тракта радиочастотного сигнала.Ошибочные потери РЧ-энергии означают нежелательно более высокие вносимые потери для коммутатора. Конденсаторы C1, C3 и C5 блокируют смещение постоянного тока, подаваемое на диоды, от проникновения в схемы на пути радиочастотного сигнала. Катушка индуктивности L2 в обратном пути постоянного тока к земле позволяет с легкостью передавать сигналы постоянного тока и низкочастотные сигналы переключателя-драйвера, но имеет высокий импеданс на ВЧ и микроволновых частотах, уменьшая потери РЧ-сигнала.

Рисунок 5. Типичная схема однополюсного двухпозиционного переключателя (SPDT).

Поскольку схемы смещения, ВЧ и драйвера переключателя взаимодействуют и влияют на производительность друг друга, компромиссы важны, как и в любой конструкции.Например, если C2 и C4 большие (> 20 пФ) – что желательно для радиочастотных характеристик – у драйвера есть проблема, поскольку большие емкости приводят к более медленным нарастающим и спадающим фронтам. В большинстве приложений желательно быстрое переключение, поэтому для оптимальной производительности драйвера емкости должны быть минимальными, но при этом достаточно высокими, чтобы соответствовать требованиям радиочастотной цепи.

Драйверы традиционных ПИН-диодов

Драйверы

для PIN-диодов бывают самых разных форм и размеров. На рис. 6 представлена ​​схема типичного драйвера дискретного переключателя, обеспечивающего хорошую скорость переключения.Такие драйверы могут быть реализованы либо с микросхемой , (гибрид), что очень дорого, либо с компонентами для поверхностного монтажа (SMT), которые недороги, но требуют большего количества печатных плат (PCB). площадь, чем гибрид.

Рисунок 6. Схема драйвера дискретного переключателя.

Выделенный переключатель-драйвер Интегральные схемы (ИС) также доступны; они компактны, имеют интерфейс TTL и имеют хорошую производительность, но их гибкость ограничена, и они, как правило, дороги.

Другой вид архитектуры переключателя-драйвера, который следует рассмотреть, использует операционные усилители . Явным преимуществом драйверов переключателей операционных усилителей является присущая им гибкость. Их можно легко настроить для различных приложений, напряжений питания и условий, чтобы предоставить разработчику множество вариантов дизайна.

Драйверы ПИН-диодов операционного усилителя

Схемы операционного усилителя

являются привлекательной альтернативой традиционным драйверам PIN-диодов. Помимо гибкости, они могут работать с переходными скоростями, часто приближающимися или превышающими 1000 В / мкс.Здесь будут показаны три различные схемы усилителя для управления ПИН-диодами RF. Выбранные усилители принципиально разные, но все они выполняют схожие функции. Эти схемы усилителя будут управлять PIN-диодами из кремния или арсенида галлия (GaAs), но каждый может предложить что-то свое.

AD8037 — Клещевой усилитель

Эта схема может работать на частоте до 10 МГц с отличными характеристиками переключения и общей задержкой распространения 15 нс. Выходное напряжение и ток можно настроить для различных приложений, изменяя либо усиление, либо напряжение фиксации.

Фиксирующий усилитель AD8037, первоначально разработанный для управления АЦП, обеспечивает ограниченный выход для защиты от перегрузки входа АЦП. В конфигурации, показанной на Рисунке 7, пара AD8037 (U2 и U3) используется для управления PIN-диодами.

Рисунок 7. Схема драйвера PIN-диода AD8037.

Здесь U2 и U3 установлены на неинвертирующее усиление, равное 4. Уникальная функция ограничения входа AD8037 обеспечивает исключительно чистое и точное ограничение. Он линейно усиливает входной сигнал до точки, где будет превышено усиление, умноженное на положительное и отрицательное напряжения фиксации (V _CH и V _CL ).С коэффициентом усиления 4 и фиксирующими напряжениями ± 0,75 В выходное напряжение будет в четыре раза больше входного напряжения для входов меньше ± 0,75 В, но будет ограничено максимумом ± 3 В, когда входной сигнал больше ± 0,75. V. Эта функция ограничения обеспечивает очень быстрое восстановление (обычно менее 2 нс) после перегрузки. Фиксирующие напряжения (V _CH и V _CL ) выводятся делителями напряжения R2, ​​R3, R7 и R8.

Цифровой интерфейс реализован логическим вентилем 74F86 XOR (U1), который выдает управляющие сигналы для U2 и U3 с минимальным перекосом задержки распространения между двумя дополнительными выходами.Сеть резисторов R4, R5, R6 и R9 обеспечивает сдвиг уровня выходов TTL примерно до ± 1,2 В, которые подаются на U2 и U3 через R10 и R12.

Входы ± 1,2 В для U2 и U3 обеспечивают 60% перегрузку, гарантируя, что выходы перейдут в фиксированное состояние (4 × 0,75 В). Таким образом, выходные уровни для кремниевого драйвера PIN-диода устанавливаются на ± 3 В. Резисторы R16 и R17 ограничивают установившийся ток. Конденсаторы C12 и C13 устанавливают пиковый ток для PIN-диодов.

AD8137 – Дифференциальный усилитель

Дифференциальные усилители, такие как AD8137, использованные в этом примере, обеспечивают исключительную высокоскоростную коммутационную способность при низкой стоимости и предлагают разработчикам большую гибкость в управлении различными типами ВЧ нагрузок.Доступны различные дифференциальные усилители, в том числе более быстрые и высокопроизводительные устройства.

Высокоскоростной дифференциальный усилитель AD8137, обычно используемый для управления АЦП, также может служить в качестве недорогого и маломощного драйвера PIN-диода. Достигая типичного времени переключения от 7 нс до 11 нс, включая задержки распространения драйвера и ВЧ-нагрузки, он имеет дополнительные выходы и является универсальной альтернативой более дорогим традиционным драйверам.

Схема на рисунке 8 преобразует несимметричный вход TTL (0 В в 3.5 В) к дополнительному сигналу ± 3,5 В с минимизацией задержки распространения. Сигнал TTL усиливается в 4 раза для получения требуемого размаха ± 3,5 В на выходах AD8137. Средняя точка (или синфазное напряжение) сигнала TTL составляет 1,75 В; то же значение должно применяться к R ₂ , как V _REF , чтобы избежать появления ошибки синфазного смещения на выходах усилителя. Лучше всего управлять этой точкой от источника с низким импедансом; любое последовательное сопротивление добавляется к R ₁ и влияет на усиление усилителя.

Рисунок 8. Схема драйвера PIN-диода.

Коэффициент усиления выходного напряжения определяется уравнением 4.

(4)

Чтобы правильно ограничить входное сопротивление генератора импульсов на уровне 50 Ом, необходимо определить входное сопротивление схемы дифференциального усилителя. Это можно вычислить с помощью уравнения 5, которое дает R _T = 51,55 Ом, для которого ближайшее стандартное значение 1% равно 51.1 Ом. Для симметричного размаха на выходе важно, чтобы две входные цепи имели одинаковый импеданс. Это означает, что инвертирующий входной импеданс должен включать в себя сопротивление Тевенина источника и оконечного сопротивления в установочное сопротивление, R ₂ . Для более подробного объяснения см. Примечание по применению AN-1026.

(5)

На рисунке 8, R ₂ примерно на 20 Ом больше, чем R ₁ для компенсации дополнительного сопротивления (25 Ом), вносимого параллельной комбинацией резистора источника, R _S , и согласующий резистор, R _T .Установка R ₄ на 1,02 кОм, ближайшее стандартное значение к 1,025 кОм, гарантирует, что два соотношения резисторов равны, чтобы избежать появления синфазной ошибки.

Сдвиг выходного уровня легко осуществляется с помощью вывода V _OCM AD8137, который устанавливает синфазный уровень выходного постоянного тока. В этом случае вывод V _OCM связан с землей для симметричного колебания выхода относительно земли.

Резисторы R5 и R6 устанавливают установившийся ток PIN-диода, как показано в уравнении 6.

(6)

Конденсаторы C5 и C6 устанавливают пиковый ток, который помогает вводить и удалять накопленный заряд в PIN-диодах. Их значения емкости можно регулировать для оптимизации характеристик, необходимых для конкретной диодной нагрузки. Пиковый ток можно определить по уравнению 7.

(7)

ADA4858-3 – Тройной операционный усилитель с нагнетательным насосом

Многие приложения делают доступным только один источник питания.Это часто может быть проблематичным для разработчика схем, особенно при поиске низкой выходной емкости в схемах PIN. В таких случаях операционный усилитель со встроенной накачкой заряда полезен в схеме для управления кремниевыми или GaAs PIN-диодами, не требуя внешнего отрицательного источника питания. Это может обеспечить значительную экономию за счет экономии места, энергии и бюджета.

Одним из таких устройств является ADA4858-3, высокоскоростной тройной усилитель с обратной связью по току, отличающийся тем, что он включает в себя встроенную подкачку заряда, которая позволяет изменять выходной сигнал с –3 В до –1.8 В под землей, в зависимости от напряжения питания и нагрузки. Он достаточно надежен, чтобы питать другие схемы отрицательным током питания до 50 мА.

ADA4858-3 обеспечивает уникальное решение проблемы управления СВЧ-переключателем с дополнительным PIN-диодом в системе с одним источником питания. Вспоминая рисунок 4, можно увидеть, что в зависимости от типа PIN-диода даже небольшое обратное смещение помогает снизить емкость диода C _T . Пин-диоды GaAs выигрывают от этого типа драйвера, поскольку они обычно не требуют большого отрицательного смещения для поддержания низкой емкости выключенного состояния (C _T ) (рисунок 9).

Рис. 9. Зависимость емкости трансформатора тока GaAs от напряжения.

На рисунке 10 показана схема, использующая ADA4858-3 в качестве драйвера PIN-диода. Ко входу можно добавить буферный вентиль, чтобы сделать схему совместимой с TTL или другой логикой. Для этой схемы требуется преобразовать размах входного сигнала TTL 0-В в 3,5 В в дополнительный размах от –1,5 В до + 3,5 В для управления PIN-диодами.

Рисунок 10. ADA4858-3 как драйвер PIN-диода.

R1, R2, R3 и U образуют -1,5-опорное напряжения для схемы с внутренним отрицательным напряжением, CPO, генерируемым зарядом насосом на чипе.Конденсаторы C3 и C4 необходимы для работы зарядного насоса. Отрицательное задание затем пассивно суммируется с входом V _TTL через делитель напряжения (R5 и R9). Результирующее напряжение (V _RD ) появляется на неинвертирующем входе U1B. Выходное напряжение U1B можно рассчитать с помощью уравнения 8.

(8)

где:

(9)

Отрицательная ссылка также подаются на усилитель U1A, где он суммируется с входным сигналом TTL; результирующее выходное напряжение V2 можно рассчитать с помощью уравнения 10.

(10)

Поскольку в этих усилителях используется архитектура с обратной связью по току, следует обратить внимание на выбор сопротивления обратной связи, которое играет важную роль в стабильности и частотной характеристике усилителя. Для этого приложения резистор обратной связи установлен на 294 Ом, как рекомендовано в техническом паспорте. Выходные напряжения V1 и V2 можно описать уравнением 8 и уравнением 10 соответственно.Величину пикового выходного тока можно определить с помощью уравнения 3 для напряжения на конденсаторах C5 и C6. Установившийся ток, который устанавливает сопротивление PIN-диода, устанавливается разностью напряжений на R11 и R12 и зависит от кривых PIN-диода и требований системы.

Для этого приложения в качестве нагрузки РЧ-переключателя использовался SPDT-переключатель на кремниевом PIN-диоде MASW210B-1, используемый во входном каскаде микроволнового понижающего преобразователя (рис. 11).

Рисунок 11. Блок-схема понижающего преобразователя.

Форма выходного сигнала переключателя и входной сигнал TTL показаны на рисунке 12. Обратите внимание на быстрые нарастающие и спадающие фронты. В этом приложении не использовались пиковые конденсаторы C5 и C6 из-за относительно медленного времени переключения переключателя, примерно 50 нс. R11 и R12, которые определяют установившийся ток диода, представляют собой резисторы 330 Ом.

Рисунок 12. Форма волны, показывающая скорость переключения РЧ. Рисунок 13. Спектральная характеристика понижающего преобразователя.

На рис. 13 показана спектральная частотная характеристика входного каскада понижающего преобразователя с переключателем SW1 в фиксированном положении для проверки вносимых потерь.Обратите внимание на отсутствие гармоник или боковых полос – хороший признак того, что нет заметных артефактов переключения 100 кГц, исходящих от встроенной накачки заряда ADA4858-3 – важное соображение при использовании этих устройств в приложениях такого типа.

Заключение

Как показывают эти три примера, операционные усилители могут предоставить творческую альтернативу традиционным драйверам, с производительностью, сопоставимой с характеристиками специализированных ИС, предназначенных исключительно для управления PIN-диодами. Кроме того, операционные усилители позволяют настраивать коэффициенты усиления, управлять входами и – при использовании устройств, содержащих внутреннюю подкачку заряда – устранять отрицательное напряжение питания, добавляя гибкость конструкции драйверов для PIN-диодов и других схем.Простые в использовании и настройке операционные усилители относительно легко решают сложные проблемы.

Рекомендации

Хиллер, Джеральд. Конструкция с PIN-диодами . Примечание по применению M / A-COM AG312.

Общие сведения о твердотельных коммутаторах ВЧ / СВЧ и их применении . Примечание по применению Agilent.

Благодарности

Данные о скорости переключения и спектральные характеристики, ВЧ-нагрузка и испытательное оборудование были любезно предоставлены Sage Laboratories, Hudson, NH.Тесты проводил Тони Каппелло, технический директор, при технической поддержке Дэвида Дункана, вице-президента по инженерным вопросам.

Переключающие диоды | Nexperia

BAS101; BAS101S	Высоковольтные коммутационные диоды	ACT
BAS101	Высоковольтные коммутационные диоды	Производство
BAS101S	Высоковольтные коммутационные диоды	Производство
BAS16	Быстродействующие переключающие диоды	ACT
BAS16	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAS16H	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAS16J	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAS16L	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAS16VV	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAS16VY	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAS16W	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAS316	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAS516	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAS21W серии	Высоковольтные коммутационные диоды	ACT
BAS21AW	Высоковольтные коммутационные диоды	Производство
BAS21SW	Высоковольтные коммутационные диоды	Производство
BAS21W	Высоковольтные коммутационные диоды	Производство
BAS29; BAS31; BAS35	Лавинные (двойные) диоды общего назначения регулируемые	ACT
BAS29	Лавинные (двойные) диоды общего назначения регулируемые	Производство
BAS31	Лавинные (двойные) диоды общего назначения регулируемые	Производство
BAS35	Лавинные (двойные) диоды общего назначения регулируемые	Производство
BAV102; BAV103	Одинарные переключающие диоды общего назначения	ACT
BAV102	Одинарные переключающие диоды общего назначения	Производство
BAV103	Одинарные переключающие диоды общего назначения	Производство
BAV20; BAV21	Диоды общего назначения	ACT
BAV20	Диоды общего назначения	Производство
BAV21	Диоды общего назначения	Производство
BAV23 серии	Двойные высоковольтные переключающие диоды	ACT
BAV23	Двойные высоковольтные переключающие диоды	Производство
BAV23A	Двойные высоковольтные переключающие диоды	Производство
BAV23C	Двойные высоковольтные переключающие диоды	Производство
BAV23S	Двойные высоковольтные переключающие диоды	Производство
BAV70 серии	Быстродействующие переключающие диоды	ACT
BAV70	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAV70M	Диод быстродействующий переключающий	Производство
BAV70S	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAV70W	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAV756S; BAW56 серии	Быстродействующие переключающие диоды	ACT
BAV756S	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAW56	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAW56M	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAW56S	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAW56W	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAV99 серии	Быстродействующие переключающие диоды	ACT
BAV99	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAV99S	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
BAV99W	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
1N4531	Диоды быстродействующие	Производство
1PS300	Двойной высокоскоростной переключающий диод	Производство
1PS301	Двойной высокоскоростной переключающий диод	Производство
1PS302	Двойной высокоскоростной переключающий диод	Производство
BAL74	Диод быстродействующий	Производство
BAL99	Диод быстродействующий	Производство
BAS116	Диод с малой утечкой	Производство
BAS116GW	Переключающий диод с малой утечкой	Производство
BAS116H	Переключающий диод с малой утечкой	Производство
BAS116L	Диод с малой утечкой	Производство
BAS116QA	Диод с малой утечкой	Производство
BAS16GW	Диод быстродействующий переключающий	Производство
BAS16LD	Одинарный быстродействующий переключающий диод	Производство
BAS16LS	Диод быстродействующий переключающий	Производство
BAS16LS-Q	Диод быстродействующий переключающий	Производство
BAS16QA	Одинарный быстродействующий переключающий диод	Производство
BAS16TH	Диод быстродействующий переключающий	Производство
BAS19	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS20	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS21	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS21AVD	Высоковольтные коммутационные диоды	Производство
BAS21GW	Диод коммутационный высоковольтный	Производство
BAS21H	Одинарный высоковольтный переключающий диод	Производство
BAS21J	Одинарный быстродействующий переключающий диод	Производство
BAS21LD	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS21LL	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS21LS	Диод быстродействующий переключающий	Производство
BAS21PG	Двойной изолированный высоковольтный переключающий диод	Производство
BAS21QA	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS21QB	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS21QC	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS21TH	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS21VD	Высоковольтные коммутационные диоды	Производство
BAS28	Быстродействующий двойной диод	Производство
BAS321	Диод общего назначения	Производство
BAS321J	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS32L	Диод быстродействующий переключающий	Производство
BAS416	Диод с малой утечкой	Производство
BAS45A	Диод с малой утечкой	Производство
BAS45AL	Диод с малой утечкой	Производство
BAS521	Одинарный высоковольтный переключающий диод	Производство
BAS521B	Диод коммутирующий высоковольтный	Производство
BAS56	Быстродействующий двойной диод	Производство
BAS716	Диод с малой утечкой	Производство
BAV170	Двойной диод с малой утечкой	Производство
BAV170M	Диод со сдвоенным общим катодом и малой утечкой	Производство
BAV170QA	Диод со сдвоенным общим катодом и малой утечкой	Производство
BAV199	Двойной диод с малой утечкой	Производство
BAV199W	Двойной диод с малой утечкой	Производство
BAV23QA	Высоковольтный переключающий диод со сдвоенным общим катодом	Производство
BAV70QA	Высокоскоростной переключающий диод со сдвоенным общим катодом	Производство
BAV70SRA	Четырехскоростные переключающие диоды	Производство
BAV74	Быстродействующий двойной диод	Производство
BAV99QA	Двухсерийные высокоскоростные переключающие диоды	Производство
BAV99QC	Двойные высокоскоростные переключающие диоды	Производство
BAW101	Двойной диод высокого напряжения	Производство
BAW101S	Двойной диод высокого напряжения	Производство
BAW156	Двойной диод с малой утечкой	Производство
BAW56QA	Высокоскоростной переключающий диод со сдвоенным общим анодом	Производство
BAW56SRA	Четырехскоростные переключающие диоды	Производство
MMBD4148	Диод быстродействующий переключающий	Производство
PMBD6050	Диод быстродействующий	Производство
PMBD6100	Быстродействующий двойной диод	Производство
PMBD7000	Двойной быстродействующий переключающий диод	Производство
PMBD7100	Быстродействующий двойной диод	Производство
PMBD914	Одинарный быстродействующий переключающий диод	Производство
PMLL4148L	Быстродействующие переключающие диоды	Производство
PMLL4153	Диод быстродействующий	Производство
PMLL4448	Быстродействующие переключающие диоды	Производство

(PDF) Оптимизированная конструкция диодов для схем переключения IGBT и GCT

Заключение

Полный анализ, основанный на тестировании прототипов и численном моделировании, был проведен с

с целью получения оптимизированных диодов для применения в IGBT и GCT high силовые цепи

Новое семейство диодов было разработано и успешно испытано в реальных условиях как для тягового тракта

(инвертор для высокоскоростных поездов), так и для промышленного применения (инвертор для управления промышленным двигателем

).

Ссылки

[1] H. Matsuda et al. «IEGT высокой мощности / 4,5 кВ, отключающий 4 кА», в Proc. 8-я Европейская конф. Power Electronics

and Applications (EPE’99), 1999.

[2] F. Auerbach et al. «Модули IGBT на 6,5 кВ», в Proc. PCIM’99, Нюрнберг (Германия), 1999

[3] Y. Takahashi et al. «4,5 кВ, IGBT блока питания на 1200 А», в Proc. PCIM’99, Nuremberg (D), 1999

[4] P. K. Steimer et al. «IGCT – новая развивающаяся технология для недорогих инверторов большой мощности», в IEEE.Ежегодное собрание IAS

, 1997 г.

[5] Р. Марквардт и др.: «Передовые преобразователи IGBT с использованием устройств 4,5, 6,5 кВ», в Proc. 8-я Европейская конф.

Power Electronics and Applications (EPE’99), 1999.

[6] М. Бойерманн, Д. Вестерхольт, «Возможность отключения демпфирующих диодов GTO», в Power Conversion, июнь

1997 Proc., Стр. 29-33.

[7] А. Вебер, Н. Галстер, Э. Цыплаков, «Новое поколение асимметричных и обратнопроводящих ГТО и

их демпфирующих диодов», в Power Conversion, июнь 1997 г. Proc.С. 475-485.

[8] MT Rahimo, WJ Findlay, L. Coulbeck, «Улучшенная конструкция сверхмягко-быстрых восстанавливающихся диодов, подходящая

для приложений IGBT (600–1200 В)», в Power Conversion, May 1998 Proc., Стр. 409-417.

[9] Н. Галстер, Х. Ветч, М. Рот, Э. Цыплаков, Э. Кэрролл, «Разработка, применение и производственные испытания мощных диодов

с быстрым восстановлением

», Power Conversion, май 1998 Proc., Стр. 55-65.

[10] М. Паскуалетти, М. Портезине, Р.Шиколоне, Б. Зербинати, Р. Меноцци, А. Беллини, П. Кова, «Влияние физической структуры

на мягкость восстановления PIN-диодов: экспериментальный и численный анализ», in Proc. 7-я

Европейская конференция. Power Electronics and Applications (EPE’97), pp. 4.013–4.017, 1997.

[11] Х. Б. Ассалит, Л. О. Эрикссон, С. Дж. Ву, «Проектирование и применение диодов с мягким восстановлением высокой мощности»,

в Proc. Symp. (IAS), стр. 1056-1061, 1979.

[12] М. Т. Рахимо, Н. Ю. А. Шаммас, «Оптимизация режима обратного восстановления быстрых силовых диодов

с использованием методов контроля эффективности инжекции и срока службы», в Proc. 7-я Европейская конф. Power Electronics and

Applications (EPE’97), стр. 2.099-2.104, 1997.

[13] Р. Бартельмес, М. Бойерманн, Н. Винтер, «Новые диоды с контактом давления для жестко коммутируемого высокого уровня

преобразователи энергии », в сб. 8-я Европейская конф. Силовая электроника и приложения (EPE’99), 1999.

[14] Л. Фрателли, Дж. Боккетти «Преобразователь IGBT пресс-пакета для тяжелых локомотивов и высокоскоростных поездов»: Международная конференция

по системам тяги железных дорог, Капри, Италия, 15-17 мая 2001 г.

Power коммутационные цепи

Цепи переключения питания
Развлечения и игры с синхронным выпрямители

---

“Zero Volt Diode” – схема синхронного выпрямителя. Вильф Ригтер:

Zero Volt Diode (ZVD) – это схема, полезная в множество приложений, включая солнечные зарядные устройства всех типы.Это новая схема, в которой действует силовой полевой МОП-транзистор. как диод с очень низким падением напряжения, который переключает состояние при 0 В и который используется для проведения отрицательного тока от слив в источник.

В солнечных двигателях типа D1 диод с малыми потерями может использоваться для зарядите крышку до напряжения холостого хода солнечного элемента и используется в зарядных устройствах солнечных батарей, аккумулятор заряжается с максимальной скоростью, когда напряжение источника самое высокое.В диод должен использоваться последовательно с солнечной панелью, иначе крышка или батарея разряжались через солнечную панель когда напряжение на панели падает ниже сохраненного напряжения. В диод или эквивалентный переключатель, чувствительный к полярности. необходим для солнечных зарядных устройств.

Большинство диодов, используемых в BEAM SE и солнечных зарядных устройствах Кремниевые диоды, такие как 1N4001, у которых падение напряжения составляет 0.От 6В до 1В при токах до 1А. Более эффективные диоды для токи от> 100 мА до десятков ампер Выпрямители типа Шоттки с падением напряжения от 200 мВ до 1000 мВ в зависимости от текущего уровня. Для <100 мА применения германиевый диод может использоваться с 200 мВ или меньше уронить.

Эта проблема падения напряжения важна в соревнованиях по солнечной энергии. двигатели, так как вы хотите, чтобы максимальное напряжение зарядите крышку и подайте нагрузку (низкое падение диода) и держите заряд накапливается на крышке, когда уровень освещенности падает (отключение тока утечки) и срабатывает SE.Более того, поскольку энергия в крышке пропорциональна квадрату напряжение даже небольшое падение напряжения на диоде снижает доступная энергия. Одно очевидное простое улучшение по сравнению с оригинальная конструкция D1 предназначена для замены диода Ge 1N34A (Радио Shack) вместо диода Si 1N4001.

Идеальный диод имел бы нулевое падение напряжения. Хотя прямое подключение солнечного элемента имеет минимальное падение напряжения он протекает, если свет падает, и у любого реального диода есть вперед падение напряжения.Что делать?

Решение – использовать полевой МОП-транзистор в качестве выпрямителя. точно так же, как приложения синхронного выпрямителя в преобразователи напряжения. MOSFET должен быть переключен ВКЛ, когда солнечное напряжение больше, чем конденсатора или батареи и выключить, когда солнечное напряжение ниже сохраненного Напряжение. Вот небольшая конструкция для зарядки конденсаторов от солнечных батарей с нулевым падением напряжения на конце цикла зарядки. Его можно легко масштабировать до более высокие токи, заменив 2N7000 на больший МОП-транзистор. Если присутствует параллельная нагрузка, цепь также обеспечивает максимальное напряжение при минимальном вносимые потери от солнечного элемента.МОП-транзистор включается, когда разность напряжений равна нулю и выключается, когда солнечное напряжение падает ниже 100мВ ниже крышки или аккумулятора. Транзистор NPN нормально включен, когда крышка напряжение больше 0,6 В, и это зажимает затвор выключенного 2N7000. PNP транзистор подключен к отрицательной клемме солнечная панель, и когда напряжение на ней клемма падает ниже 0 В, PNP включается.Это в Turn выключает NPN, и 2N7000 включается. У полевых МОП-транзисторов есть интересная особенность: они действуют как двунаправленные переключатели, поэтому 2N7000 вполне доволен стоком провести отрицательный ток к линии 0 В. Когда напряжение на минусовой клемме солнечной панели более положительный, чем 0 В, PNP отключается и NPN ON и 2N7000 отключается со стоком положительное напряжение по отношению к напряжению источника и линия 0В.Поскольку 2N7000 не включается пока напряжение затвора не станет более 2 В (в практика: выше по справочнику) а логический полевой транзистор с более низким напряжением включения затвора будет быть предпочтительнее. В любом случае MOSFET имеет интегральный обратный диод от стока к истоку, который будет нести ток до тех пор, пока напряжение на цоколе не достигнет 2В в этот момент включается MOSFET и передний напряжение падает до нескольких десятков мВ.

.