Diode redresoare: dispozitiv, caracteristici de proiectare și caracteristici principale. Diode redresoare de comutare Diode de mare putere

Toate aceste componente diferă în funcție de scop, materiale utilizate, tipuri de joncțiuni p-n, design, putere și alte caracteristici și caracteristici. Redresor, diode cu impulsuri, varicaps, diode Schottky, SCR, LED-uri și tiristoare sunt utilizate pe scară largă. Să luăm în considerare principalele lor caracteristici tehnice și proprietăți generale, deși fiecare tip de aceste componente semiconductoare are mulți dintre parametrii săi pur individuali.

Acestea sunt dispozitive electronice cu o joncțiune p-n care au conductivitate unidirecțională și sunt concepute pentru a converti tensiunea alternativă în tensiune continuă. Frecvența tensiunii redresate nu este de obicei mai mare de 20 kHz. Diodele redresoare includ și diode Schottky.

Principalii parametri ai diodelor redresoare de putere redusă la temperaturi normale sunt prezentați în tabelul 1 diode redresoare de putere medie in masa 2și diode redresoare de mare putere în tabelul 3

Un tip de diode redresoare sunt . Aceste dispozitive de pe ramura inversă a caracteristicii curent-tensiune au o caracteristică de avalanșă similară cu diodele Zener. Prezența unei caracteristici de avalanșă le permite să fie utilizate ca elemente de protecție a circuitelor împotriva supratensiunilor, inclusiv direct în circuitele redresoare.

În acest din urmă caz, redresoarele bazate pe aceste diode funcționează în mod fiabil în condiții de supratensiuni de comutare care apar în circuitele inductive atunci când sursa de alimentare sau sarcina este pornită și oprită. Principalii parametri ai diodelor de avalanșă la temperaturi ambientale normale sunt dați în

Pentru a redresa tensiuni de peste câțiva kilovolți, au fost dezvoltate coloane redresoare, care sunt un set de diode redresoare conectate în serie și asamblate într-o singură structură cu două terminale. Aceste dispozitive sunt caracterizate de aceiași parametri ca și diodele redresoare. Principalii parametri ai coloanelor de rectificare la temperaturi ambientale normale sunt dați în

Pentru a reduce dimensiunile generale ale redresoarelor și pentru a ușura instalarea acestora, acestea sunt produse blocuri redresoare(ansambluri) având două, patru sau mai multe diode, independente electric sau conectate sub formă de punte și asamblate într-o singură carcasă. Sunt prezentați principalii parametri ai blocurilor și ansamblurilor redresoare la temperatura ambiantă normală

Diode cu impulsuri Ele diferă de redresoare prin timpul scurt de recuperare inversă sau curentul de impuls mare. Diodele din acest grup pot fi utilizate în redresoare la frecvențe înalte, de exemplu, ca detector sau modulatoare, convertoare, modelatori de impulsuri, limitatoare și alte dispozitive cu impulsuri, vezi tabelele de referință 7 Și 8

Diode tunelîndeplinesc funcțiile elementelor active (dispozitive capabile să amplifice semnalul de putere) ale circuitelor electronice ale amplificatoarelor, generatoarelor, comutatoarelor, în principal în domeniul microundelor. Diodele tunel au viteză mare de funcționare, dimensiuni și greutate reduse, sunt rezistente la radiații, funcționează fiabil într-o gamă largă de temperaturi și sunt eficiente din punct de vedere energetic

Sunt prezentați principalii parametri ai tunelului și diodelor inverse la temperaturi ambientale normale

- principiul lor de funcționare se bazează pe defalcarea electrică (avalanșă sau tunel) a joncțiunii p-n, în timpul căreia are loc o creștere bruscă a curentului invers, iar tensiunea inversă se modifică foarte puțin. Această proprietate este utilizată pentru a stabiliza tensiunea în circuitele electrice.Datorită faptului că defalcarea avalanșelor este caracteristică diodelor realizate pe baza unui semiconductor cu o bandă interzisă mare, materialul de pornire pentru diodele zener este siliciul. În plus, siliciul are un curent termic scăzut și caracteristici stabile pe o gamă largă de temperaturi. Pentru a funcționa în diode Zener, se utilizează o secțiune plată a caracteristicii I-V a curentului invers, în care modificările bruște ale curentului invers sunt însoțite de modificări foarte mici ale tensiunii inverse.

Parametrii diodelor zener și stabistori putere mică sunt date în , diode Zener și diode Zener de mare putere - în , diode Zener de precizie -

Parametrii limitatoarelor de tensiune sunt dați în

Carte de referință pentru varicaps

Acestea sunt diode semiconductoare cu capacitate de joncțiune de barieră controlată electric. Modificarea capacității se realizează prin schimbarea tensiunii inverse. Ca și în cazul altor diode, rezistența de bază a varicapului ar trebui să fie mică. În același timp, pentru a crește valoarea tensiunii de defalcare, este de dorit o rezistivitate ridicată a straturilor de bază adiacente joncțiunii. Pe baza acestui fapt, partea principală a bazei - substratul - are rezistență scăzută, iar stratul de bază adiacent tranziției este de înaltă rezistență. Varicaps se caracterizează prin următorii parametri principali. Capacitatea totală a varicap SB este o capacitate care include capacitatea barieră și capacitatea carcasei, adică capacitatea măsurată între bornele varicapului la o tensiune inversă dată (nominală).

Dioda electro luminiscenta este un dispozitiv semiconductor care transformă curentul electric direct în radiație luminoasă. Este format dintr-unul sau mai multe cristale plasate într-o carcasă cu cabluri de contact și un sistem optic (lentila) care generează fluxul luminos. Lungimea de undă (culoarea) de emisie a cristalului depinde de

Acestea sunt aceleași LED-uri care emit doar lumină în domeniul IR

Acesta este cel mai simplu laser semiconductor, a cărui bază este o joncțiune p-n standard. Principiul de funcționare al dispozitivului laser se bazează pe faptul că, după ce purtătorii de încărcare liberi sunt injectați în elementul din zona de joncțiune p-n, se formează o inversare a populației.

Un limitator de tensiune semiconductor este o diodă care funcționează pe ramura inversă a caracteristicii curent-tensiune cu defalcarea de avalanșă. Este utilizat în scop de protecție împotriva supratensiunii în circuitele de circuite integrate și hibride, elemente radio-electronice etc. Folosind limitatoare de tensiune, puteți proteja circuitele de intrare și de ieșire ale diferitelor componente electronice de efectele supratensiunilor pe termen scurt.

Informațiile din director sunt prezentate în formatul fișierelor PDF originale și, pentru ușurința de descărcare, sunt împărțite în colecții în conformitate cu alfabetul englez.

Carte de referință pentru diode domestice

Cartea de referință oferă informații generale despre diodele semiconductoare domestice, și anume redresoare, matrice de diode, diode și stabistori Zener, varicaps, dispozitive semiconductoare radiante și de ultra-înaltă tensiune. De asemenea, vorbește despre clasificarea și sistemul lor de simboluri. Denumirile grafice convenționale sunt date în conformitate cu GOST 2.730-73, iar termenii și desemnările de litere ale parametrilor în conformitate cu GOST 25529-82. Sunt oferite câteva informații despre utilizarea limitatoarelor de tensiune și regulile de instalare a diodelor. Anexa conține desene dimensionale ale carcaselor și un index alfanumeric pentru navigație.

Această bază de date nu este altceva decât o carte electronică de referință despre dispozitivele semiconductoare, inclusiv punți și ansambluri, precum și multe componente radio.

Directorul conține peste 65.000 de radioelemente. Există informații de la toți producătorii de top din decembrie 2016. Directorul conține următoarele funcții:

Sortarea după mai multe caracteristici în orice ordine a directorului
filtrare pentru aproape toate caracteristicile
editarea datelor din director
vizualizarea documentației și desenul carcasei elementului radio
vizualizarea de referință a fișelor de date în format PDF

În tabelele de referință sunt utilizate următoarele convenții:

U rev.max.	-	tensiune inversă constantă maximă admisă a diodei;
U rev.i.max.	-	tensiunea inversă a impulsului maxim admisibilă a diodei;
eu pr.max.	-	curent direct mediu maxim pentru perioada;
I pr.i.max.	-	curent maxim de impuls înainte pe perioadă;
eu prg.	-	curent de suprasarcină al diodei redresoare;
f max.	-	frecvența maximă admisă de comutare a diodei;
f sclav	-	frecvența de funcționare a comutării diodei;
U pr at I pr	-	tensiune directă constantă a diodei la curentul I pr;
am arr.	-	curent invers constant al diodei;
Tk.max.	-	temperatura maximă admisă a corpului diodei.
Tp.max.	-	temperatura maximă admisă a joncțiunii diodei.

Diode semiconductoare sunt numite dispozitive de conversie electrică cu o singură joncțiune (cu o singură joncțiune electrică) cu două cabluri de curent extern. Joncțiunea electrică poate fi o joncțiune electron-gaură, un contact metal-semiconductor sau o heterojoncțiune. Figura prezintă schematic dispozitivul unei diode cu o joncțiune electron-gaură 1, separând regiunile p-m n (2 și 3) cu diferite tipuri de conductivitate electrică.

Cristalul 3 este echipat cu cabluri de curent extern 4 și plasat într-o carcasă din metal, sticlă, ceramică sau plastic 5, care protejează semiconductorul de influențele externe (atmosferice, mecanice etc.). În mod obișnuit, diodele semiconductoare au joncțiuni electron-gaură asimetrice. O regiune a semiconductorului (cu o concentrație mai mare de impurități) servește ca emițător, iar cealaltă (cu o concentrație mai mică) servește ca bază. Când o tensiune externă este conectată direct la diodă, injectarea purtătorilor de sarcină minoritari are loc în principal din regiunea puternic dopată a emițătorului în regiunea ușor dopată a bazei.

Cantitatea de purtători minoritari care trec în direcția opusă este semnificativ mai mică decât injecția de la emițător. În funcție de raportul dintre dimensiunile liniare ale joncțiunii și lungimea caracteristică, se disting diode plane și punctiforme. O diodă este considerată plană dacă dimensiunile sale liniare, care determină aria de joncțiune, sunt semnificativ mai mari decât lungimea caracteristică.

Lungimea caracteristică din cartea de referință pentru diode este cea mai mică dintre două valori - grosimea bazei și lungimea de difuzie a purtătorilor minoritari în bază. Ele determină proprietățile și caracteristicile diodelor. Diodele punctiforme includ diode cu dimensiuni ale joncțiunii liniare mai mici decât lungimea caracteristică. O tranziție la interfața dintre regiuni cu diferite tipuri de conductivitate are proprietățile redresării curentului (conducție unidirecțională); neliniaritatea caracteristicii curent-tensiune; fenomenul tunelului purtătorului de sarcină printr-o barieră potențială atât sub polarizare inversă cât și directă; fenomenul de ionizare prin impact a atomilor semiconductori la tensiuni de tranziție relativ mari; capacitatea de barieră etc. Aceste proprietăți de tranziție sunt utilizate pentru a crea diferite tipuri de diode semiconductoare.

Pe baza intervalului de frecvență în care pot funcționa diodele, acestea sunt împărțite în frecvență joasă (LF) și frecvență înaltă (HF). În funcție de scopul lor, diodele LF sunt împărțite în diode redresoare, stabilizatoare, puls și HF - în detectoare, amestecare, modulare, parametrice, comutare etc. Uneori, diodele care diferă în procesele fizice de bază sunt împărțite într-un grup special: tunel, avalanșă-zbor, foto -, LED-uri etc.

Pe baza materialului principal al cristalului semiconductor, se disting germaniu, siliciu, arseniura de galiu și alte diode. Pentru a desemna diodele semiconductoare în director, se utilizează un cod alfanumeric de șase și șapte cifre (de exemplu, KD215A, 2DS523G).

Primul element - o literă (pentru dispozitivele utilizate pe scară largă) sau un număr (pentru dispozitivele utilizate într-un dispozitiv special) - indică materialul pe care este fabricat dispozitivul: G sau 1 - germaniu; K sau 2 - siliciu și compușii săi; A sau 3 - compuși de galiu (de exemplu, arseniura de galiu); Și sau 4 - compuși de indiu (de exemplu, fosfură de indiu).

Al doilea element este o literă care indică o subclasă sau un grup de dispozitive: D - redresor, diode de impuls; C - stalpi si blocuri de rectificare; B - varicaps; Și - diode tunel de impuls; A - diode cu microunde; C - diode zener.

Al treilea element - un număr - determină una dintre caracteristicile principale care caracterizează dispozitivul (de exemplu, scopul sau principiul său de funcționare).

Al patrulea, al cincilea și al șaselea element sunt un număr din trei cifre care indică numărul de serie al dezvoltării tipului tehnologic al dispozitivului.

Al șaptelea element - litera - determină condiționat clasificarea în funcție de parametrii dispozitivelor fabricate folosind o singură tehnologie. Exemplu de desemnare: 2DS523G - un set de dispozitive cu impulsuri de siliciu pentru dispozitive speciale cu un timp de stabilire a rezistenței inverse de la 150 la 500 ns; numărul de dezvoltare 23, grupa G. Dispozitive de dezvoltare înainte de 1973 în cărți de referință. au sisteme de notație cu trei și patru elemente.

Scopul principal al diodelor redresoare este conversia tensiunii. Dar acesta nu este singurul domeniu de aplicare pentru aceste elemente semiconductoare. Sunt instalate în circuite de comutare și control, utilizate în generatoare în cascadă etc. Radioamatorii începători vor fi interesați să învețe modul în care sunt structurate aceste elemente semiconductoare, precum și principiul lor de funcționare. Să începem cu caracteristicile generale.

Dispozitiv și caracteristici de design

Elementul structural principal este un semiconductor. Aceasta este o placă de siliciu sau cristal de germaniu, care are două regiuni de conductivitate p și n. Din cauza acestei caracteristici de proiectare, se numește planar.

La fabricarea unui semiconductor, cristalul este prelucrat astfel: pentru a obține o suprafață de tip p, este tratat cu fosfor topit, iar pentru o suprafață de tip p este tratat cu bor, indiu sau aluminiu. În timpul tratamentului termic are loc difuzia acestor materiale și a cristalului. Ca rezultat, o regiune cu o joncțiune p-n se formează între două suprafețe cu conductivitati electrice diferite. Semiconductorul astfel obținut este instalat în carcasă. Acest lucru protejează cristalul de influențele externe și promovează disiparea căldurii.

Denumiri:

A – ieșire catodică.
B – suport de cristal (sudat pe corp).
C – cristal de tip n.
D – cristal de tip p.
E – fir care duce la borna anodului.
F – izolator.
G – corp.
H – ieșire anod.

După cum sa menționat deja, cristalele de siliciu sau germaniu sunt folosite ca bază pentru joncțiunea p-n. Primele sunt folosite mult mai des, acest lucru se datorează faptului că în elementele de germaniu curenții inversi sunt mult mai mari, ceea ce limitează semnificativ tensiunea inversă admisă (nu depășește 400 V). În timp ce pentru semiconductori din siliciu această caracteristică poate ajunge până la 1500 V.

În plus, elementele de germaniu au un interval de temperatură de funcționare mult mai îngust, acesta variază de la -60°C la 85°C. Când pragul superior de temperatură este depășit, curentul invers crește brusc, ceea ce afectează negativ eficiența dispozitivului. Pentru semiconductori de siliciu, pragul superior este de aproximativ 125°C-150°C.

Clasificarea puterii

Puterea elementelor este determinată de curentul continuu maxim admisibil. În conformitate cu această caracteristică, a fost adoptată următoarea clasificare:

Lista principalelor caracteristici

Mai jos este un tabel care descrie principalii parametri ai diodelor redresoare. Aceste caracteristici pot fi obținute din fișa tehnică (descrierea tehnică a elementului). De regulă, majoritatea radioamatorilor apelează la aceste informații în cazurile în care elementul indicat în diagramă nu este disponibil, ceea ce necesită găsirea unui analog potrivit pentru acesta.

Rețineți că, în majoritatea cazurilor, dacă trebuie să găsiți un analog al unei anumite diode, primii cinci parametri din tabel vor fi destul de suficienți. În acest caz, este recomandabil să se țină cont de intervalul de temperatură de funcționare a elementului și de frecvență.

Principiul de funcționare

Cel mai simplu mod de a explica principiul de funcționare al diodelor redresoare este cu un exemplu. Pentru a face acest lucru, simulăm circuitul unui redresor cu jumătate de undă simplu (vezi 1 în Fig. 6), în care puterea vine de la o sursă de curent alternativ cu tensiunea U IN (graficul 2) și trece prin VD la sarcina R.

Orez. 6. Principiul de funcționare al unui redresor cu o singură diodă

În timpul semiciclului pozitiv, dioda este în poziție deschisă și trece curent prin ea către sarcină. Când vine rândul semiciclului negativ, dispozitivul este blocat și nu este furnizată energie încărcăturii. Adică, există un fel de tăiere a semiundei negative (de fapt, acest lucru nu este în întregime adevărat, deoarece în timpul acestui proces există întotdeauna un curent invers, valoarea acestuia este determinată de caracteristica I arr.).

Ca rezultat, după cum se poate observa din graficul (3), la ieșire primim impulsuri formate din semicicluri pozitive, adică curent continuu. Acesta este principiul de funcționare al elementelor semiconductoare de redresare.

Rețineți că tensiunea impulsului la ieșirea unui astfel de redresor este potrivită numai pentru alimentarea sarcinilor cu zgomot redus, un exemplu ar fi un încărcător pentru o baterie cu acid lanternei. În practică, această schemă este folosită numai de producătorii chinezi pentru a reduce cât mai mult costul produselor lor. De fapt, simplitatea designului este singurul său stâlp.

Dezavantajele unui redresor cu o singură diodă includ:

Nivel scăzut de eficiență, deoarece semiciclurile negative sunt întrerupte, eficiența dispozitivului nu depășește 50%.
Tensiunea de ieșire este aproximativ jumătate din cea de intrare.
Nivel ridicat de zgomot, care se manifestă sub forma unui zumzet caracteristic la frecvența rețelei de alimentare. Motivul său este demagnetizarea asimetrică a transformatorului descendente (de fapt, acesta este motivul pentru care pentru astfel de circuite este mai bine să folosiți un condensator de amortizare, care are și părțile sale negative).

Rețineți că aceste dezavantaje pot fi oarecum reduse, pentru a face acest lucru, este suficient să faceți un filtru simplu bazat pe un electrolit de mare capacitate (1 în Fig. 7).

Orez. 7. Chiar și un simplu filtru poate reduce semnificativ ondulația

Principiul de funcționare al unui astfel de filtru este destul de simplu. Electrolitul este încărcat în timpul semiciclului pozitiv și descărcat când are loc semiciclul negativ. Capacitatea trebuie să fie suficientă pentru a menține tensiunea pe sarcină. În acest caz, impulsurile vor fi oarecum netezite, aproximativ așa cum se arată în graficul (2).

Soluția de mai sus va îmbunătăți oarecum, dar nu mult, dacă alimentați, de exemplu, difuzoarele active ale computerului de la un astfel de redresor cu jumătate de undă, se va auzi un fundal caracteristic în ele. Pentru a remedia problema, va fi necesară o soluție mai radicală, și anume o punte de diode. Să ne uităm la principiul de funcționare al acestui circuit.

Proiectarea și principiul de funcționare a unei punți de diode

Diferența semnificativă între un astfel de circuit (de la un circuit cu jumătate de undă) este că tensiunea este furnizată sarcinii în fiecare jumătate de ciclu. Schema circuitului pentru conectarea elementelor redresoare semiconductoare este prezentată mai jos.

După cum se poate observa din figura de mai sus, circuitul utilizează patru elemente redresoare semiconductoare, care sunt conectate astfel încât doar două dintre ele să funcționeze în fiecare jumătate de ciclu. Să descriem în detaliu cum are loc procesul:

Circuitul primește o tensiune alternativă Uin (2 în Fig. 8). În timpul semiciclului pozitiv se formează următorul circuit: VD4 – R – VD2. În consecință, VD1 și VD3 sunt în poziția blocată.
Când se produce succesiunea semiciclului negativ, datorită faptului că polaritatea se modifică, se formează un circuit: VD1 – R – VD3. În acest moment, VD4 și VD2 sunt blocate.
În următoarea perioadă ciclul se repetă.

După cum se poate observa din rezultat (graficul 3), ambele semicicluri sunt implicate în proces și indiferent de modul în care se modifică tensiunea de intrare, aceasta curge prin sarcină într-o direcție. Acest principiu de funcționare al unui redresor se numește undă completă. Avantajele sale sunt evidente, le enumerăm:

Deoarece ambele semicicluri sunt implicate în lucru, eficiența crește semnificativ (aproape de două ori).
Ripple la ieșirea circuitului puntea dublează, de asemenea, frecvența (comparativ cu o soluție cu jumătate de undă).
După cum se poate observa din graficul (3), nivelul scăderilor scade între impulsuri, astfel încât filtrul va fi mult mai ușor să le netezească.
Tensiunea la ieșirea redresorului este aproximativ aceeași ca la intrare.

Interferența din circuitul punții este neglijabilă și devine și mai mică atunci când se folosește o capacitate electrolitică a filtrului. Datorită acestui fapt, această soluție poate fi utilizată în sursele de alimentare pentru aproape orice design de radio amator, inclusiv cele care utilizează electronice sensibile.

Rețineți că nu este deloc necesar să folosiți patru elemente semiconductoare redresor; este suficient să luați un ansamblu gata făcut într-o carcasă de plastic.

Această carcasă are patru pini, doi pentru intrare și același număr pentru ieșire. Picioarele la care este conectată tensiunea de curent alternativ sunt marcate cu semnul „~” sau cu literele „AC”. La ieșire, piciorul pozitiv este marcat cu simbolul „+”, respectiv, piciorul negativ este marcat cu „-”.

Pe o diagramă schematică, un astfel de ansamblu este de obicei notat sub forma unui romb, cu afișarea grafică a unei diode situată în interior.

Întrebarea dacă este mai bine să folosiți un ansamblu sau diode individuale nu poate fi răspuns fără ambiguitate. Nu există nicio diferență de funcționalitate între ele. Dar ansamblul este mai compact. Pe de altă parte, dacă eșuează, doar o înlocuire completă va ajuta. Dacă în acest caz sunt utilizate elemente individuale, este suficient să înlocuiți dioda redresoare defectă.