Выпрямитель шоттки: MBR3045CT — Multicomp — Выпрямитель Шоттки, 45 В, 30 А

Содержание

Диод Шоттки. Особенности и обозначение на схеме.

Обозначение, применение и параметры диодов Шоттки

К многочисленному семейству полупроводниковых диодов названных по фамилиям учёных, которые открыли необычный эффект, можно добавить ещё один. Это диод Шоттки.

Немецкий физик Вальтер Шоттка открыл и изучил так называемый барьерный эффект возникающий при определённой технологии создания перехода металл-полупроводник.

Основной «фишкой» диода Шоттки является то, что в отличие от обычных диодов на основе p-n перехода, здесь используется переход металл-полупроводник, который ещё называют барьером Шоттки. Этот барьер, так же, как и полупроводниковый p-n переход, обладает свойством односторонней электропроводимости и рядом отличительных свойств.

В качестве материала для изготовления диодов с барьером Шоттки преимущественно используется кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), а также такие металлы как золото, серебро, платина, палладий и вольфрам.

На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так.

Как видим, его изображение несколько отличается от обозначения обычного полупроводникового диода.

Кроме такого обозначения на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки (сборки).

Сдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов у них объединены. Поэтому такая сборка, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сборки с общим катодом.

Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку они размещены в едином корпусе, то и температурный режим их одинаков. Это увеличивает надёжность и срок службы элемента.

У диодов Шоттки есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.

К сожалению, такое малое падение напряжения проявляется при приложенном напряжении не более 50-60 вольт. При дальнейшем его повышении диод Шоттки ведёт себя как обычный кремниевый выпрямительный диод. Максимальное обратное напряжение для Шоттки обычно не превышает 250 вольт, хотя в продаже можно встретить образцы, рассчитанные и на 1,2 киловольта (VS-10ETS12-M3).

Так, сдвоенный диод Шоттки (Schottky rectifier) 60CPQ150 рассчитан на максимальное обратное напряжение 150V, а каждый из диодов сборки способен пропустить в прямом включении 30 ампер!

Также можно встретить образцы, выпрямленный за полупериод ток которых может достигать 400А максимум! Примером может служит модель VS-400CNQ045.

Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.

К недостаткам диодов с барьером Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода. На большом обратном токе возникает тепловой пробой.

К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать их в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.

В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (IF(AV)) – 1 ампер и обратное напряжение (VRRM) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (VF) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop) у диодов с барьером Шоттки очень мало.

Также достаточно известным элементом является 1N5822. Он рассчитан на прямой ток в 3 ампера и выполнен в корпусе DO-201AD.

Также на печатных платах можно встретить диоды серии SK12 – SK16 для поверхностного монтажа. Они имеют довольно небольшие размеры. Несмотря на это SK12-SK16 выдерживают прямой ток до 1 ампера при обратном напряжении 20 – 60 вольт. Прямое падение напряжения составляет 0,55 вольт (для SK12, SK13, SK14) и 0,7 вольт (для SK15, SK16). Также на практике можно встретить диоды серии SK32 – SK310, например,

SK36, который рассчитан на прямой ток 3 ампера.

Применение диодов Шоттки в источниках питания.

Диоды Шоттки активно применяются в блоках питания компьютеров и импульсных стабилизаторах напряжения. Среди низковольтных питающих напряжений самыми сильноточными (десятки ампер) являются напряжения +3,3 вольта и +5,0 вольт. Именно в этих вторичных источниках питания и используются диоды с барьером Шоттки. Чаще всего используются трёхвыводные сборки с общим катодом. Именно применение сборок может считаться признаком высококачественного и технологичного блока питания.

Выход из строя диодов Шоттки одна из наиболее часто встречающихся неисправностей в импульсных блоках питания. У него может быть два «дохлых» состояния: чистый электрический пробой и утечка. При наличии одного из этих состояний блок питания компьютера блокируется, так как срабатывает защита. Но это может происходить по-разному.

В первом случае все вторичные напряжения отсутствуют. Защита заблокировала блок питания. Во втором случае вентилятор «подёргивается» и на выходе источников питания периодически то появляются пульсации напряжения, то пропадают.

То есть схема защиты периодически срабатывает, но полной блокировки источника питания при этом не происходит. Диоды Шоттки гарантированно вышли из строя, если радиатор, на котором они установлены, разогрет очень сильно до появления неприятного запаха. И последний вариант диагностики связанный с утечкой: при увеличении нагрузки на центральный процессор в мультипрограммном режиме блок питания самопроизвольно отключается.

Следует иметь в виду, что при профессиональном ремонте блока питания после замены вторичных диодов, особенно с подозрением на утечку, следует проверить все силовые транзисторы выполняющие функцию ключей и наоборот: после замены ключевых транзисторов проверка вторичных диодов является обязательной процедурой. Всегда необходимо руководствоваться принципом: беда одна не приходит.

Проверка диодов Шоттки мультиметром.

Проверить диод Шоттки можно с помощью рядового мультиметра. Методика такая же, как и при проверке обычного полупроводникового диода с p-n переходом. Но и тут есть подводные камни. Особенно трудно проверить диод с утечкой. Прежде всего, элемент необходимо выпаять из схемы для более точной проверки. Достаточно легко определить полностью пробитый диод. На всех пределах измерения сопротивления неисправный элемент будет иметь бесконечно малое сопротивление, как в прямом, так и в обратном включении. Это равносильно короткому замыканию.

Сложнее проверить диод с подозрением на «утечку». Если проводить проверку мультиметром DT-830 в режиме «диод», то мы увидим совершенно исправный элемент. Можно попробовать измерить в режиме омметра его обратное сопротивление. На пределе «20кОм» обратное сопротивление определяется как бесконечно большое. Если же прибор показывает хоть какое-то сопротивление, допустим 3 кОм, то этот диод следует рассматривать как подозрительный и менять на заведомо исправный. Стопроцентную гарантию может дать полная замена диодов Шоттки по шинам питания +3,3V и +5,0V.

Где ещё в электронике используются диоды Шоттки? Их можно обнаружить в довольно экзотических приборах, таких как приёмники альфа и бета излучения, детекторах нейтронного излучения, а в последнее время на барьерных переходах Шоттки собирают панели солнечных батарей. Так, что они питают электроэнергией и космические аппараты.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

что это такое, как проверить, характеристики

Развитие электроники требует все более высоких стандартов от радиодеталей. Для работы на высоких частотах используют диод Шоттки, который по своим параметрам превосходит кремниевые аналоги. Иногда можно встретить название диод с барьером Шоттки, что в принципе означает то же самое.

Конструкция

Отличается диод Шоттки от обыкновенных диодов своей конструкцией, в которой используется металл-полупроводник, а не p-n переход. Понятно, что свойства здесь разные, а значит, и характеристики тоже должны отличаться.

Действительно, металл-полупроводник обладает такими параметрами:

  • Имеет большое значение тока утечки,
  • Невысокое падение напряжения на переходе при прямом включении,
  • Восстанавливает заряд очень быстро, так как имеет низкое его значение.

Диод Шоттки изготавливается из таких материалов, как арсенид галлия, кремний, намного реже, но также может использоваться – германий. Выбор материала зависит от свойств, которые нужно получить, однако в любом случае максимальное обратное напряжение, на которое могут изготавливаться данные полупроводники, не выше 1200 вольт – это самые высоковольтные выпрямители. На практике же намного чаще их используют при более низком напряжении – 3, 5, 10 вольт.

На принципиальной схеме диод Шоттки обозначается таким образом:

Но иногда можно увидеть и такое обозначение:

Это означает сдвоенный элемент: два диода в одном корпусе с общим анодом или катодом, поэтому элемент имеет три вывода. В блоках питания используют такие конструкции с общим катодом, их удобно использовать в схемах выпрямителей. Часто на схемах рисуется маркировка обычного диода, но в описании указывается, что это Шоттки, поэтому нужно быть внимательными.

Диодные сборки с барьером Шоттки выпускаются трех типов:

1 тип – с общим катодом,

2 тип – с общим анодом,

3 тип – по схеме удвоения.

Такое соединение помогает увеличить надежность элемента: ведь находясь в одном корпусе, они имеют одинаковый температурный режим, что важно, если нужны мощные выпрямители, например, на 10 ампер.

Но есть и минусы. Все дело в том, что малое падение напряжения (0,2–0,4 в) у таких диодов проявляется на небольших напряжениях, как правило – 50–60 вольт. При более высоком значении они ведут себя как обычные диоды. Зато по току эта схема показывает очень хорошие результаты, ведь часто бывает необходимо – особенно в силовых цепях, модулях питания – чтобы рабочий ток полупроводников был не ниже 10а.

Еще один главный недостаток: для этих приборов нельзя превышать обратный ток даже на мгновение. Они тут же выходят из строя, в то время как кремниевые диоды, если не была превышена их температура, восстанавливают свои свойства.

Но положительного все-таки больше. Кроме низкого падения напряжения, диод Шоттки имеет низкое значение емкости перехода. Как известно: ниже емкость – выше частота. Такой диод нашел применение в импульсных блоках питания, выпрямителях и других схемах, с частотами в несколько сотен килогерц.

Вольтамперная характеристика светодиода (ВАХ)

ВАХ такого диода имеет несимметричный вид. Когда приложено прямое напряжение, видно, что ток растет по экспоненте, а при обратном – ток от напряжения не зависит.

Все это объясняется, если знать, что принцип работы этого полупроводника основан на движении основных носителей – электронов. По этой же самой причине эти приборы и являются такими быстродействующими: у них отсутствуют рекомбинационные процессы, свойственные приборам с p-n переходами. Для всех приборов, имеющих барьерную структуру, свойственна несимметричность ВАХ, ведь именно количеством носителей электрического заряда обусловлена зависимость тока от напряжения.

Миниатюризация

С развитием микроэлектроники стали широко применяться специальные микросхемы, однокристальные микропроцессоры. Все это не исключает использования навесных элементов. Однако если для этой цели использовать радиоэлементы обычных размеров, то это сведет на нет всю идею миниатюризации в целом. Поэтому были разработаны бескорпусные элементы – smd компоненты, которые в 10 и более раз меньше обычных деталей. ВАХ таких компонентов ничем не отличается от ВАХ обычных приборов, а их уменьшенные размеры позволяют использовать такие запчасти в различных микросборках.

Компоненты smd имеют несколько типоразмеров. Для ручной пайки подходят smd размера 1206. Они имеют размер 3,2 на 1,6 мм, что позволяет их впаивать самостоятельно. Другие элементы smd более миниатюрные, собираются на заводе специальным оборудованием, и самому, в домашних условиях, их паять невозможно.

Принцип работы smd компонента также не отличается от его большого аналога, и если, к примеру, рассматривать ВАХ диода, то она в одинаковой степени будет подходить для полупроводников любого размера. По току изготавливаются от 1 до 10 ампер. Маркировка на корпусе часто состоит из цифрового кода, расшифровка которого приводится в специальных таблицах. Протестировать на пригодность их можно тестером, как и большие аналоги.

Использование на практике

Выпрямители Шоттки используется в импульсных блоках питания, стабилизаторах напряжения, импульсных выпрямителях. Самыми требовательными по току – 10а и более – это напряжения 3,3 и 5 вольт. Именно в таких цепях вторичного питания приборы Шоттки используют чаще всего. Для усиления значений по току их включают вместе по схеме с общим анодом или катодом. Если каждый из сдвоенных диодов будет на 10 ампер, то получится значительный запас прочности.

Одна из самых частых неисправностей импульсных модулей питания – выход из строя этих самых диодов. Как правило, они либо полностью пробиваются, либо дают утечку. В обоих случаях неисправный диод нужно заменить, после чего проверить мультиметром силовые транзисторы, а также замерить напряжения питания.

Тестирование и взаимозаменяемость

Проверить выпрямители Шоттки можно так же, как и обычные полупроводники, так как они имеют похожие характеристики. Мультиметром необходимо прозвонить его в обе стороны – он должен показать себя так же, как и обычный диод: анод-катод, при этом утечек быть не должно. Если он показывает даже незначительное сопротивление – 2–10 килоом, это уже повод для подозрений.

Проверка диода Шоттки мультиметром

Диод с общим анодом или катодом можно проверить как два обычных полупроводника, соединенных вместе. Например, если анод общий, то это будет одна ножка из трех. На анод ставим один щуп тестера, другие ножки – это разные диоды, на них ставится другой щуп.

Можно ли его заменить на другой тип? В некоторых случаях диоды Шоттки меняют на обычные германиевые. К примеру, Д305 при токе 10 ампер давал падение всего 0,3 вольта, а при токах 2–3 ампера их вообще можно ставить без радиаторов. Но главная цель установки Шоттки – это не малое падение, а низкая емкость, поэтому заменить получится не всегда.

Как видим, электроника не стоит на месте, и дальнейшие варианты применения быстродействующих приборов будет только увеличиваться, давая возможность разрабатывать новые, более сложные системы.

Как проверить диод шоттки тестером

Развитие электроники требует все более высоких стандартов от радиодеталей. Для работы на высоких частотах используют диод Шоттки, который по своим параметрам превосходит кремниевые аналоги. Иногда можно встретить название диод с барьером Шоттки, что в принципе означает то же самое.

  • Конструкция
  • Миниатюризация
  • Использование на практике
  • Тестирование и взаимозаменяемость

Конструкция

Отличается диод Шоттки от обыкновенных диодов своей конструкцией, в которой используется металл-полупроводник, а не p-n переход. Понятно, что свойства здесь разные, а значит, и характеристики тоже должны отличаться.

Действительно, металл-полупроводник обладает такими параметрами:

  • Имеет большое значение тока утечки;
  • Невысокое падение напряжения на переходе при прямом включении;
  • Восстанавливает заряд очень быстро, так как имеет низкое его значение.

Диод Шоттки изготавливается из таких материалов, как арсенид галлия, кремний; намного реже, но также может использоваться – германий. Выбор материала зависит от свойств, которые нужно получить, однако в любом случае максимальное обратное напряжение, на которое могут изготавливаться данные полупроводники, не выше 1200 вольт – это самые высоковольтные выпрямители. На практике же намного чаще их используют при более низком напряжении – 3, 5, 10 вольт.

На принципиальной схеме диод Шоттки обозначается таким образом:

Но иногда можно увидеть и такое обозначение:

Это означает сдвоенный элемент: два диода в одном корпусе с общим анодом или катодом, поэтому элемент имеет три вывода. В блоках питания используют такие конструкции с общим катодом, их удобно использовать в схемах выпрямителей. Часто на схемах рисуется маркировка обычного диода, но в описании указывается, что это Шоттки, поэтому нужно быть внимательными.

Диодные сборки с барьером Шоттки выпускаются трех типов:

1 тип – с общим катодом;

2 тип – с общим анодом;

3 тип – по схеме удвоения.

Такое соединение помогает увеличить надежность элемента: ведь находясь в одном корпусе, они имеют одинаковый температурный режим, что важно, если нужны мощные выпрямители, например, на 10 ампер.

Но есть и минусы. Все дело в том, что малое падение напряжения (0,2–0,4 в) у таких диодов проявляется на небольших напряжениях, как правило – 50–60 вольт. При более высоком значении они ведут себя как обычные диоды. Зато по току эта схема показывает очень хорошие результаты, ведь часто бывает необходимо – особенно в силовых цепях, модулях питания – чтобы рабочий ток полупроводников был не ниже 10а.

Еще один главный недостаток: для этих приборов нельзя превышать обратный ток даже на мгновение. Они тут же выходят из строя, в то время как кремниевые диоды, если не была превышена их температура, восстанавливают свои свойства.

Но положительного все-таки больше. Кроме низкого падения напряжения, диод Шоттки имеет низкое значение емкости перехода. Как известно: ниже емкость – выше частота. Такой диод нашел применение в импульсных блоках питания, выпрямителях и других схемах, с частотами в несколько сотен килогерц.

Вольтамперная характеристика светодиода (ВАХ)

ВАХ такого диода имеет несимметричный вид. Когда приложено прямое напряжение, видно, что ток растет по экспоненте, а при обратном – ток от напряжения не зависит.

Все это объясняется, если знать, что принцип работы этого полупроводника основан на движении основных носителей – электронов. По этой же самой причине эти приборы и являются такими быстродействующими: у них отсутствуют рекомбинационные процессы, свойственные приборам с p-n переходами. Для всех приборов, имеющих барьерную структуру, свойственна несимметричность ВАХ, ведь именно количеством носителей электрического заряда обусловлена зависимость тока от напряжения.

Миниатюризация

С развитием микроэлектроники стали широко применяться специальные микросхемы, однокристальные микропроцессоры. Все это не исключает использования навесных элементов. Однако если для этой цели использовать радиоэлементы обычных размеров, то это сведет на нет всю идею миниатюризации в целом. Поэтому были разработаны бескорпусные элементы – smd компоненты, которые в 10 и более раз меньше обычных деталей. ВАХ таких компонентов ничем не отличается от ВАХ обычных приборов, а их уменьшенные размеры позволяют использовать такие запчасти в различных микросборках.

Компоненты smd имеют несколько типоразмеров. Для ручной пайки подходят smd размера 1206. Они имеют размер 3,2 на 1,6 мм, что позволяет их впаивать самостоятельно. Другие элементы smd более миниатюрные, собираются на заводе специальным оборудованием, и самому, в домашних условиях, их паять невозможно.

Принцип работы smd компонента также не отличается от его большого аналога, и если, к примеру, рассматривать ВАХ диода, то она в одинаковой степени будет подходить для полупроводников любого размера. По току изготавливаются от 1 до 10 ампер. Маркировка на корпусе часто состоит из цифрового кода, расшифровка которого приводится в специальных таблицах. Протестировать на пригодность их можно тестером, как и большие аналоги.

Использование на практике

Выпрямители Шоттки используется в импульсных блоках питания, стабилизаторах напряжения, импульсных выпрямителях. Самыми требовательными по току – 10а и более – это напряжения 3,3 и 5 вольт. Именно в таких цепях вторичного питания приборы Шоттки используют чаще всего. Для усиления значений по току их включают вместе по схеме с общим анодом или катодом. Если каждый из сдвоенных диодов будет на 10 ампер, то получится значительный запас прочности.

Одна из самых частых неисправностей импульсных модулей питания – выход из строя этих самых диодов. Как правило, они либо полностью пробиваются, либо дают утечку. В обоих случаях неисправный диод нужно заменить, после чего проверить мультиметром силовые транзисторы, а также замерить напряжения питания.

Тестирование и взаимозаменяемость

Проверить выпрямители Шоттки можно так же, как и обычные полупроводники, так как они имеют похожие характеристики. Мультиметром необходимо прозвонить его в обе стороны – он должен показать себя так же, как и обычный диод: анод-катод, при этом утечек быть не должно. Если он показывает даже незначительное сопротивление – 2–10 килоом, это уже повод для подозрений.

Проверка диода Шоттки мультиметром

Диод с общим анодом или катодом можно проверить как два обычных полупроводника, соединенных вместе. Например, если анод общий, то это будет одна ножка из трех. На анод ставим один щуп тестера, другие ножки – это разные диоды, на них ставится другой щуп.

Можно ли его заменить на другой тип? В некоторых случаях диоды Шоттки меняют на обычные германиевые. К примеру, Д305 при токе 10 ампер давал падение всего 0,3 вольта, а при токах 2–3 ампера их вообще можно ставить без радиаторов. Но главная цель установки Шоттки – это не малое падение, а низкая емкость, поэтому заменить получится не всегда.

Как видим, электроника не стоит на месте, и дальнейшие варианты применения быстродействующих приборов будет только увеличиваться, давая возможность разрабатывать новые, более сложные системы.

Проверка диода цифровым мультиметром

Чтобы определить исправность диода можно воспользоваться приведённой далее методикой его проверки цифровым мультиметром.

Но для начала вспомним, что представляет собой полупроводниковый диод.

Полупроводниковый диод – это электронный прибор, который обладает свойством однонаправленной проводимости.

У диода имеется два вывода. Один называется катодом, он является отрицательным. Другой вывод – анод. Он является положительным.

На физическом уровне диод представляет собой один p-n переход.

Напомню, что у полупроводниковых приборов p-n переходов может быть несколько. Например, у динистора их три! А полупроводниковый диод, по сути является самым простым электронным прибором на основе всего лишь одного p-n перехода.

Запомним, что рабочие свойства диода проявляются только при прямом включении. Что значит прямое включение? А это означает, что к выводу анода приложено положительное напряжение ( +), а к катоду – отрицательное, т.е. (). В таком случае диод открывается и через его p-n переход начинает течь ток.

При обратном включении, когда к аноду приложено отрицательное напряжение (), а к катоду положительное ( +), то диод закрыт и не пропускает ток.

Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на обратно включённом диоде не достигнет критического, после которого происходит повреждение полупроводникового кристалла. В этом и заключается основное свойство диода – односторонняя проводимость.

У подавляющего большинства современных цифровых мультиметров (тестеров) в функционале присутствует возможность проверки диода. Эту функцию также можно использовать для проверки биполярных транзисторов. Обозначается она в виде условного обозначения диода рядом с разметкой переключателя режимов мультиметра.

Небольшое примечание! Стоит понимать, что при проверке диодов в прямом включении на дисплее показывается не сопротивление перехода, как многие думают, а его пороговое напряжение! Его ещё называют падением напряжения на p-n переходе. Это напряжение, при превышении которого p-n переход полностью открывается и начинает пропускать ток. Если проводить аналогию, то это величина усилия, направленного на то, чтобы открыть «дверь» для электронов. Это напряжение лежит в пределах 100 – 1000 милливольт (mV). Его то и показывает дисплей прибора.

В обратном включении, когда к аноду подключен минусовой () вывод тестера, а к катоду плюсовой ( +), то на дисплее не должно показываться никаких значений. Это свидетельствует о том, что переход исправен и в обратном направлении ток не пропускает.

В документации (даташитах) на импортные диоды пороговое напряжение именуется как Forward Voltage Drop (сокращённо Vf), что дословно переводится как «падение напряжения в прямом включении«.

Само по себе падение напряжения на p-n переходе нежелательно. Если помножить протекающий через диод ток (прямой ток) на величину падения напряжения, то мы получим ни что иное, как мощность рассеивания – ту мощность, которая бесполезно расходуется на нагрев элемента.

Узнать подробнее о параметрах диода можно здесь.

Проверка диода.

Чтобы было более наглядно, проведём проверку выпрямительного диода 1N5819. Это диод Шоттки. В этом мы скоро убедимся.

Производить проверку будем мультитестером Victor VC9805+. Также для удобства применена беспаечная макетная плата.

Обращаю внимание на то, что во время измерения нельзя держать выводы проверяемого элемента и металлические щупы двумя руками. Это грубая ошибка. В таком случае мы измеряем не только параметры диода, но и сопротивление своего тела. Это может существенно повлиять на результат проверки.

Держать щупы и выводы элемента можно только одной рукой! В таком случае в измерительную цепь включен только сам измерительный прибор и проверяемый элемент. Данная рекомендация справедлива и при измерении сопротивления резисторов, а также при проверке конденсаторов. Не забывайте об этом важном правиле!

Итак, проверим диод в прямом включении. При этом плюсовой щуп ( красный) мультиметра подключаем к аноду диода. Минусовой щуп (чёрный) подключаем к катоду. На фотографии, показанной ранее, видно, что на цилиндрическом корпусе диода нанесено белое кольцо с одного края. Именно с этой стороны у него вывод катода. Таким образом маркируется вывод катода у большинства диодов импортного производства.

Как видим, на дисплее цифрового мультиметра показалось значение порогового напряжения для 1N5819. Так как это диод Шоттки, то его значение невелико – всего 207 милливольт (mV).

Теперь проверим диод в обратном включении. Напоминаем, что в обратном включении диод ток не пропускает. Забегая вперёд, отметим, что и в обратном включении через p-n переход всё-таки протекает небольшой ток. Это так называемый обратный ток (Iобр). Но он настолько мал, что его обычно не учитывают.

Поменяем подключение диода к измерительным щупам мультиметра. Красный щуп подключаем к катоду, а чёрный к аноду.

На дисплее покажется «1» в старшем разряде дисплея. Это свидетельствует о том, что диод не пропускает ток и его сопротивление велико. Таким образом, мы проверили диод 1N5819 и он оказался полностью исправным.

Многие задаются вопросом: «Можно ли проверить диод не выпаивая его из платы?» Да, можно. Но в таком случае необходимо выпаять из платы хотя бы один его вывод. Это нужно сделать для того, чтобы исключить влияние других деталей, которые соединены с проверяемым диодом.

Если этого не сделать, то измерительный ток потечёт через все, в том числе, и через связанные с ним элементы. В результате тестирования показания мультиметра будут неверными!

В некоторых случаях данным правилом можно пренебречь, например, когда чётко видно, что на печатной плате нет таких деталей, которые могут повлиять на результат проверки.

Неисправности диода.

У диода есть две основные неисправности. Это пробой перехода и его обрыв.

Пробой. При пробое диод превращается в обычный проводник и свободно пропускает ток хоть в прямом направлении, хоть в обратном. При этом, как правило, пищит буззер мультиметра, а на дисплее показывается величина сопротивления перехода. Это сопротивление очень мало и составляет несколько ом, а то и вообще равно нулю.

Обрыв. При обрыве диод не пропускает ток ни в прямом, ни в обратном включении. В любом случае на дисплее прибора – «1«. При таком дефекте диод представляет собой изолятор. «Диагноз» – обрыв можно случайно поставить и исправному диоду. Особенно легко это сделать, когда щупы тестера порядком изношены и повреждены. Следите за исправностью измерительных щупов, провода у них ох какие «жиденькие» и при частом использовании легко рвутся.

А теперь пару слов о том, как по значению порогового напряжения (падению напряжения на переходе – Forward Voltage Drop (Vf)) можно ориентировочно судить о типе диода и материале из которого он изготовлен.

Вот небольшая подборка, составленная из конкретных диодов и соответствующих им величин Vf, которые были получены при их тестировании мультиметром. Все диоды были предварительно проверены на исправность.

Определение пригодности радиодеталей – основная процедура, проводимая при ремонте или обслуживании радиоэлектронной аппаратуры. И если с пассивными элементами все более или менее понятно, то активные требуют специальных подходов. Проверить сопротивление резистора или целостность катушки индуктивности не составляет труда.

С активными компонентами дело обстоит немного сложнее. Необходимо отдельно разобраться в том, как проверить диод мультиметром своими руками, учитывая, что это простейший и наиболее часто встречающийся полупроводниковый элемент электронных схем.

Виды диодов и их предназначение

Вкратце можно сказать, что диод представляет собой полупроводниковый компонент электронной схемы, предназначенный для однонаправленного пропускания тока. Другими словами, прибор пропускает ток в одном направлении, запирая его течение в обратном, образуя своеобразный электрический вентиль.

На принципиальных схемах диод обозначается в виде стрелки-указателя, на конце которой изображена черта, означающая запирание. Стрелка указывает направление течения тока. Нужно помнить, что в теоретической физике ток образуют позитивно заряженные частицы. Поэтому для открытия p-n перехода положительный потенциал прикладывают к началу стрелки, а отрицательный к ее концу. При таких условиях через прибор потечет прямой ток.

Рассмотрим наиболее распространенные типы диодов, учитывая, что интерес в плане проверки представляют лишь некоторые, а именно:

  • обычные диоды, созданные на основе p-n перехода;
  • с барьером Шоттки, чаще называемые просто диоды Шоттки;
  • стабилитрон, служащий для стабилизации потенциала и другие виды.

Существует еще множество типов диодов – варикапы, светодиоды или фотодиоды, например. Но ввиду сходности проверки работоспособности или малой распространенности эти устройства здесь не рассматриваются.

Определение типа элемента

Хорошо если размер корпуса позволяет нанести на нем хоть сколько-нибудь понятную маркировку. Но чаще всего диоды настолько малы, что их трудно маркировать даже цветом. В этом случае отличить диод от стабилитрона, например, не представляется возможным, ведь они как близнецы-братья.

В подобных ситуациях поможет лишь принципиальная схема аппарата, из которого извлечен элемент. В соответствии с ней можно определить тип компонента и его марку. Если же отсутствует эта информация, можно попробовать поискать принципиальную схему ремонтируемого аппарата в интернете или сделать фотоснимок элемента и также обратиться в Сеть и провести поиск по изображению.

Проверка диодов мультиметром или другим тестером должна проводиться только после определения их типа и марки, потому что разные виды тестируются по-разному.

Применение тестера

Простейшим, но от этого ничуть не менее эффективным, прибором для тестирования элементов электронных схем, полупроводниковых диодов, в том числе, является тестер радиодеталей. Более того, этот инструмент наиболее распространен в среде радиомастеров по причине неприхотливости, малых массогабаритных параметров и возможности измерения практически любых характеристик радиоэлементов и цепей, важных при ремонте.

Считается, что цифровые мультиметры, благодаря своей точности и удобству в эксплуатации, постепенно вытесняют аналоговые. Однако не стоит грешить на точность старенькой «цешки». В ее состав уже входят микросхемы, а мостовые резисторы имеют погрешность 1-2% (это очень высокая точность даже для интегральных микросхем). Поэтому, чтобы проверить исправность диода или транзистора нет необходимости покупать новый мультиметр, при наличии аналогового.

Цифровая индикация прижилась из-за отсутствия механических узлов в мультиметре. Это повысило его удароустойчивость и срок эксплуатации.

Проверка диодов упростилась и с появлением звукового сигнала, позволяющего даже не обращать внимания на дисплей. В большинстве мультиметров существует специальный режим, позволяющий в прямом и переносном смысле прозвонить диод. Он отмечен на корпусе соответствующим знаком.

Достаточно вставить черный штекер в разъем COM, а красный в разъем измерения сопротивления (Ω), установить переключатель на режиме прозвонки диодов, и можно начинать проверку.

Методика проверки

Проверка диодов мультиметром заключается в выяснении работоспособности их p-n перехода. Вообще, в радиоэлектронике бывают лишь две неисправности. Первая представляет собой разрыв цепи (перегорание), когда ток не течет ни в одном из направлений. Вторая же вызвана коротким замыканием (пробой) электродов, что превращает компонент в кусок обычного провода.

Методика тестирования предельно проста. При соединении анода с плюсовым щупом мультиметра, а катода с минусовым, p-n переход должен быть открыт, следовательно, его сопротивление близко к нулю. Цифровые измерители должны подать характерный сигнал. При обратном подключении p-n переход обязан быть заперт, о чем должно свидетельствовать бесконечное (в теории) его сопротивление. На дисплее цифрового тестера индицируется цифра 1. Так звонится рабочий диод. Если же ток проходит, вне зависимости от полярности подключения, налицо короткое замыкание. В случае когда прибор не звонится ни в ту ни в другую сторону имеет место разрыв.

Нередко можно услышать вопрос о том, как проверить диод Шоттки. Действительно, эти компоненты принципиально отличаются от прочих. Дело в том, что p-n переход даже в открытом состоянии имеет сопротивление, хотя и небольшое. Это, в свою очередь, вызывает потери энергии, рассеиваемые в виде тепла. Для сокращения последних один из полупроводниковых электродов диода был заменен металлом. И хотя ток потерь в этом случае немного увеличивается, но в открытом состоянии сопротивление перехода очень низко, что обуславливает экономичность прибора. В остальном проверка диода Шоттки с использованием мультиметра ничем не отличается от тестирования обычного p-n перехода.

Стабилитроны

Особняком стоит вопрос о проверке стабилитронов. Проверять их по описанной выше методике нет смысла, разве что можно убедиться в целостности p-n перехода. В отличие от обычного выпрямительного диода, стабилитрон использует обратную ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ). Поэтому для исследования стабилизирующих свойств рабочую точку нужно сместить именно на этот участок графика.

Для этого используется простенькая схема из источника питания и токоограничительного резистора. В этом случае мультиметром измеряется не сопротивление перехода, а напряжение, при плавном повышении питающего потенциала. Стабилитрон считается рабочим, если при повышении напряжения питания разница потенциалов на его электродах остается постоянной и равной заявленной в документации на прибор.

Без выпаивания

Отдельно нужно рассмотреть вопрос о том, можно ли проводить тестирование мультиметром непосредственно на плате, не выпаивая из нее элемент.
Здесь все зависит от сложности схемы и квалификации мастера. Смонтированное на плате изделие может звониться через обмотки трансформатора, резистивные элементы, сгоревший конденсатор или что-то еще. Поэтому получить более или менее адекватные показатели чаще всего не удается.

Разумеется, если мастер читает принципиальную схему как открытую книгу или «набил руку» на подобных аппаратах, он может оценить работоспособность прибора. Существуют даже методики проверок без демонтажа для автомобильного питания, например.

Но лучше все же выпаивать элемент из схемы. К тому же достаточно «повесить в воздух» только одну ножку изделия, что занимает 2-3 секунды. А после тестирования мультиметром за тот же промежуток времени диод возвращается в первоначальное положение на плате.

Диоды Шоттки в низковольтных светодиодных лампах Е27 (12, 24, 36 вольт)

Использование диодов Шоттки

В первичной (входной) цепи драйверов наших низковольтных ламп на цоколе Е27 используются выпрямительные диоды с барьером Шоттки, имеющие структуру металл-полупроводник.

Их применение обусловлено многими задачами, основными из которых являются:

  1. повышение экономичности (эффективности) драйвера и лампы в целом;
  2. защита последующих деталей и цепей от перенапряжения.
Драйвер низковольтной светодиодной лампы с диодами Шоттки (кликните картинку для увеличения)

Данные диоды, как и любые другие радиоэлементы, обладают как неоспоримыми достоинствами, так и некоторыми недостатками. Познакомим вас с некоторыми из них.

Достоинства диодов Шоттки

По сравнению с обычным p-n-переходом, у таких диодов меньшее прямое падение напряжения (примерно на 0,2 Вольт), тогда как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6 – 0,7 Вольт.

За счет этого свойства применение диодов Шоттки в выпрямителях позволяет уменьшить потери электроэнергии в приборе примерно на 10-15%.

Но нужно учитывать, что столь малое прямое падение напряжения присуще диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением до 100-150 вольт. При обратных напряжениях, существенно превышающих эти величины, прямое падение становится сопоставимым с показателями кремниевых диодов, что нивелирует целесообразность применения диодов Шоттки.

Благодаря малым емкостям p-n перехода, выпрямители, выполненные на диодах Шоттки, отличаются от обычных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, что делает их использование в импульсных блоках питания аналоговой и цифровой аппаратуры максимально технически обоснованным, а, зачастую, просто необходимым.

Недостатки диодов Шоттки

При кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки с необратимостью выходит из строя. В отличие от них, обычные кремниевые диоды в аналогичных ситуациях переходят в режим обратного пробоя и, при условии некритического нагрева, после падения напряжения восстанавливают свои рабочие характеристики.

Это, на первый взгляд неудобное свойство диодов Шоттки используется в наших низковольтных светодиодных лампах Е27 как положительное, так как эти диоды, расположенные на входе цепей лампы, защищают все остальные, более дорогостоящие элементы от выхода из строя.

Диоды Шоттки, благодаря их физическим параметрам, легко удаляются с платы поверхностного монтажа драйвера пайкой и заменяются новыми. Таким образом, наши низковольтные светодиодные лампы Е27 являются ремонтопригодными, что позволяет экономить немалые денежные средства в случае выхода их из строя вследствие случайных ошибок или техногенных факторов, повлекших перенапряжение в питающей цепи.

Наши лампы специального назначения

Замечания по гарантии

Из вышесказанного следует, что

Выгорание диодов Шоттки на входном диодном мосту драйвера однозначно указывает на включение светодиодной лампы в электросеть с напряжением, превышающим разрешенную величину, и, поэтому, не может являться гарантийным случаем.

В сравнении с обычными кремниевыми диодами, диоды Шоттки характеризуются повышенными обратными токами, увеличивающимися с ростом температуры кристалла. У некоторых низковольтных диодов обратный ток может превышать величину в сотни миллиампер. При плохо организованном теплоотводе положительная обратная связь по тепловым возмущениям в диоде Шоттки приводит к его критическому перегреву.

Именно поэтому мы рекомендуем с осторожностью использовать наши низковольтные лампы в помещениях с повышенной температурой, таких как финские сауны и иные высокотемпературные парные и напоминаем [условия гарантии], что

Не покрывается гарантией эксплуатация светодиодных ламп в светильниках и помещениях, где недостаток вентиляции может привести к росту температуры окружающего лампу воздуха выше 40°С, а также в помещениях с относительной влажностью выше 80%.

Под это ограничение подпадают, например, все виды светильников в саунах, банях и т.п. помещениях.

Это правило распространяется на всё светодиодное оборудование, а не только на низковольтные светодиодные лампы.

У Вас есть вопрос? Спросите консультанта.

Позвоните нам.
Или кликните здесь и задайте свой вопрос — подробный ответ Вы получите очень быстро.
Мы всегда стараемся помочь.Каталог продукции

Выпрямитель для усилителя или сага о быстром диоде

Многие говорят что в выпрямителях усилителей должны использоваться только лишь диоды Шоттки, или сверхбыстрые диоды («суперфаст» — это если по-русски  ). Если поставить обычные «медленные» диоды, то Великий Аудиофильский Дух обидится и хорошего звука вам не видать!  На наше счастье, Великий Аудиофильский Дух может навредить только тем, кто в него верит. Давайте попробуем разобраться в необходимости применения таких диодов без привлечения эзотерики, а при помощи одной лишь науки и техники.

Единственная претензия, предъявляемая к диодам, состоит в том, что они медленно закрываются, и при этом через них будто бы протекает обратный ток, разряжающий конденсаторы фильтра. Говорят, что это происходит примерно так, как показано на рис.1 красной линией.

Рис. 1. Ток диода в выпрямителе. Черная линия — диод закрывается быстро, красная линия — диод закрывается медленно.

Называют две основных причины протекания обратного тока:

1. Рассасывание объемного заряда в базе диода, в течение которого диод еще не закрылся.

2. Заряд емкости обратно смещенного n-p перехода, когда диод уже закрылся.

Мы разберем обе эти причины. Но сначала давайте подумаем вот о чем: если бы через диод протекал бы большой обратный ток (даже такой, как на рисунке 1), то конденсаторы фильтра разряжались бы сразу после своей зарядки, и напряжения питания никакого бы и не было! Раз выпрямители работают даже на медленных диодах, то разряд этот не такой уж большой и страшный (и почему-то в профессиональных методах рассчета выпрямителей про этот самый обратный ток вообще ничего не говорится!).

Начнем с эксперимента — практика, как известно, — критерий истины. Соберем схему простейшего выпрямителя с обычным «медленным» диодом (рис.2):

Рис. 2. Схема тестового выпрямителя.

Вот как это выглядит в реальности:

Рис. 3. Фото тестового выпрямителя.

Посмотрим на осциллографе ток через диод, ток довольно большой — максимальная амплитуда 12 ампер, что соответствует работе диода в реальных условиях:

Рис. 4. Реальный ток через диод.

Чего-то не видно этих самых токов разряда. Для большей наглядности изменим масштаб и добавим на осциллограмму линию развертки, чтобы был виден ноль, и если бы график нырял вниз вследствие тока разряда, это было бы хорошо заметно (рис.5):

Рис. 5. Реальный ток через диод в увеличенном масштабе. Красная линия — ориентир.

Сравните рис.1 и рис.5. В реальности не хватает той части, которая соответствует разряду конденсатора обратным током диода. Значит ли это, что такого тока нет вообще? Нет, обратный ток есть, просто он настолько мизерный, что обнаружить его обычным осциллографом в таком простом эксперименте невозможно (я даже так с ходу и не скажу, как можно измерить ток разряда в моем выпрямителе).

Давайте попробуем прикинуть, какой разрядный ток будет протекать через диод и насколько этот ток разрядит конденсатор фильтра. Я использую упрощенный расчет, так как при полном правильном расчете не обойтись без интегралов и прочей высшей математики. Упрощение сильно снизит точность (и завысит результаты!), но порядок цифр будет более-менее верным, и мы его наглядно представим.

Для простоты давайте рассчитаем мой выпрямитель, который я исследовал.

Причина 1.

Рассасывание объемного заряда в базе диода, вследствие чего он остается некоторое время в открытом состоянии. Время рассасывания возьмем 10 микросекунд. Это весьма большое время и у большинства диодов оно заметно меньше. Принцип расчета показан на рис. 6.

Рис.6. Теоретический обратный ток диода и обратное напряжение, вызывающее этот ток.

Итак, какое-то время диод открыт в прямом направлении и проводит прямой ток. После чего он должен закрыться, чтобы не пропустить ток обратный. Но диод не закрывается, и начинает пропускать обратный ток, показанный на рис.6 внизу красной линией. Ток протекает в течение времени Δt, равному времени рассасывания, т.е. у нас Δt = 10 мкс. При этом к диоду приложено обратное напряжение ΔU, из-за которого на самом деле и протекает обратный ток (а из-за чего еще ему протекать?).

Если мы узнаем ΔU, то можно будет определить и ток, а зная ток и время, которое он протекает – определить разряд конденсатора фильтра.

Поехали. Посмотрим, что там делается на самом деле – реальная осциллограмма на рис.7 (а линии на ней довольно условны):

Рис. 7. Осциллограмма реальных напряжения и тока диода с необходимыми построениями.

Для нахождения ΔU определимся со временем и фазовыми углами. Находим цену деления по горизонтали: 360 градусов = 50 делений, значит одно деление 7,2 градуса. От начала периода напряжения до конца протекания тока диода:

Это начало обратного тока диода. Обратный ток длится Δt=10 мксек. Переведем секунды в градусы: один период синусоиды 360 градусов = 20 миллисек, а 10 мкс — Х. Из пропорции находим, что Х = 10 мкс = 0,18 градуса. Следовательно, конец протекания обратного ток диода – 136,98 градуса.

Итак, ΔU – это разность напряжений между точками «а» и «б» на рисунках 6 и 7. Напряжение в точке «а»:

Напряжение в точке «б»:

Теперь найдем ток через диод. Объемное сопротивление базы Rб мощных диодов примерно равно 0,05 Ом. Ток по закону Ома:

Ну а теперь посмотрим, насколько же разряжается конденсатор фильтра при разряде током 1,6 А в течение 10 мкс:

На самом деле конденсатор разрядится намного меньше (из-за того, что ток не все время остается максимальным). Но и то, сравните напряжение на заряженном конденсаторе = 28,2 вольта и эти несчастные 1,6 мВ! Конечно их будет незаметно, ведь это 0,006% от напряжения на конденсаторе.

Итак, можем ли мы пренебречь разрядом конденсатора на 0,006%? Я так думаю, что можем. Если же поставить быстрый диод с временем рассасывания 100 нс, то разряд конденсатора уменьшится раз в 100 и будет равен 0,00006%. Выигрыш – ну просто обалденный!!! А народ еще спорит, какие диоды лучше — с временем восстановления 50 нс или все же подойдут 70 нс диоды! 

В чем заключается упрощение расчета? В том, что на самом деле обратное напряжение на диоде растет медленно, и обратный ток тоже растет медленно и имеет примерно такую форму, как на рис. 6 (т.е. было неправильно делить максимальное напряжение на сопротивление). Поэтому максимальный ток на самом деле будет раз в пять-десять меньше, чем мы посчитали. И максимальным он будет не все время, а лишь чуть-чуть. И разряд конденсатора — тоже будет меньше в несколько раз.

Причина 2.

Обратный ток через емкость запертого диода.

Прежде чем рассуждать о емкостном токе, вспомним, что существует такая схема включения диодов моста (рис.8), и она имеет ряд преимуществ перед обыкновенной.

Рис.8. Диодный мост, шунтированный конденсаторами.

В этой схеме емкость конденсаторов раз в 30 превышает емкость диодов, значит и обратный ток через конденсаторы течет в 30 раз больше (т.е. как бы обратный ток через емкость диода повышается в 30 раз), но никто почему-то не плачет по этому поводу.

Но у нас просто одиночный диод, его емкость порядка 300 пикофарад. Для того, чтобы определить, насколько заряд этой емкости «посадит» конденсатор фильтра, воспользуемся формулой:

Тогда, учитывая, что максимальное напряжение конденсатора 28,2 В:

Это в 1000 раз меньше, чем из-за объемного заряда и на такой мизер внимания обращать вообще нельзя! Точно также, при подключении конденсаторов параллельно диодам, снижение напряжение на конденсаторе фильтра будет 30…50 мкВ — подключайте конденсаторы на здоровье!

Вот и все. Никаких других объективных причин влияния «медленности» диода на работу выпрямителя не существует! (разве что ВЧ помехи про которые ниже). Что там думает себе Великий Аудиофильский Дух — нам по барабану, давайте обсудим результаты.

Итак.

Итак, что же получается? Обыкновенные «медленные» диоды никакого заметного разряда конденсаторов фильтра и не вызывают! А как же тогда быть с утверждениями: «я заменил обычные диоды на ультрафаст, и усилитель зазвучал!»? Ну, во-первых, на это есть первый закон самовнушения: «Если в системе заменить даже самый маленький проводок, система сразу зазвучит лучше». Этот закон объясняет 80% всех наших улучшений звучания (так хорошо слышимых на слух). На самом деле, никакого ужасного разряда конденсаторов «медленными» диодами не происходит, и значит не происходит никакого изменения звука от применения ультрафаст диодов. Это все аудиофильские сказки. Кроме того — самое главное — разряд конденсаторов питания всего лишь уменьшает напряжение питания! Ну и как это скажестя на качестве звучания?

А как же быть с тем, что в импульсных блоках питания, например компьютерных, устанавливают ультрафасты или Шоттки? Все верно. На тех частотах, на которых работают импульсные блоки, время закрывания диода будет равно уже порядка 1/3 периода (а не 1/2000, как на частоте 50 Гц), и это слишком много. Кроме того, импульсные сигналы имеют крутые фронты, и там напряжение на диоде изменяется резко, поэтому высокое обратное напряжение появляется сразу, что вызывает высокие обратные токи.

Есть и отрицательная сторона «скорости» диода. Отпирание/запирание диодов создает импульсы тока с довольно резкими фронтами, а значит и создает широкий спектр помех, который излучается выпрямителем, проводами, идущими к нему от трансформатора и проводами, идущими к конденсатору фильтра. И эти помехи попадают в усилитель и подгружают его высокими частотами (до сотен килогерц). Поэтому некоторые специалисты (например, профессор Никитин) даже советуют подключать выпрямитель к трансформатору через небольшой дроссель, это замедлит процессы отпирания/запирания диодов и снизит помехи.

Мне нечем измерить высокочастотную помеху, вот низкочастотная часть спектра тока диода моего выпрямителя — до 20 кГц.

Рис. 9. Спектр тока диода.

Красная линия — спектр тока непосредственно выпрямителя, а синяя — при включении последовательно с диодом катушки с небольшой индуктивностью, что снижает уровень ВЧ составляющих тока, а как раз именно они хорошо излучаются в эфир в виде помех.

Более быстрое отпирание/запирание «быстрых» диодов даст импульсы тока с более резкими фронтами, а значит и спектр помех, излучаемых выпрямителем, станет более широким. И с этими помехами будет труднее бороться, а попав в усилитель, они сильнее перегрузят его высокими частотами, чем если бы использовать «обыкновенные» диоды. Эта перегрузка на ВЧ (теперь уже до мегагерц) дает интермодуляции с усиливаемым сигналом и вполне может быть заметна на слух как изменение звучания. Например именно таким способом (подмешиванием ультразвуковых сигналов частоты дискретизации) пользовались некоторые изготовители карманых CD плееров. При этом субъективно увеличивалось количество высоких частот и такую «фичу» даже называли что-то типа «живые высокие». Натуральность звука на самом деле при этом уменьшалась.

Но.

Но на самом деле, есть своя польза от применения в выпрямителях диодов Шоттки. Дело в том, что прямое падение напряжения на них гораздо меньше, чем на обычных диодах с n-p переходом, а значит потери напряжения в выпрямителе будут меньше и больше напряжения уйдет в питание усилителя. В моем тестовом выпрямителе на обычном диоде при токе 12 А падало 1,2 вольт, а на диоде Шоттки — 0,6 вольт. Значит на диодном мосте в первом случае теряется 2,4 В, а во втором только 1,2 В. Скажете: «Подумаешь мелочь, ерунда 1 вольт!». Не всегда мелочь и ерунда. Если у вас напряжение питания усилителя +-60 вольт, то этот самый 1 вольт действительно ерунда. А если питание +-24 вольта? Давайте посчитаем. Просадка напряжения выпрямителя под нагрузкой порядка 80% от хх. В вольтах это получается 19,2. Падение напряжения на диодах 2,4 вольта. Падение напряжения на выходом каскаде усилителя, допустим, 4 вольта. Значит, на выходе усилителя получаем 19,2 — 2,4 — 4 = 12,8 вольт амплитуды. На синусе, на нагрузке 6 Ом это будет всего лишь 13,6 Вт. Если же использовать диоды Шоттки, то максимальное напряжение на выходе: 19,2 — 1,2 — 4 = 14 В, и синусная мощность уже 16,3 Вт. Чуть-чуть, но больше. Посмотрим на это чуть-чуть повнимательнее.

Музыкальный сигнал имеет импульсную структуру с резкими всплесками:

Рис. 10. Осциллограмма музыкального сигнала.

Большей частью средний уровень сигнала невысокий и легко воспроизводится усилителем. А вот максимальные значения импульсов… В нашем примере если максимальная выходная мощность усилителя 16 Вт (с диодами Шоттки), то он полностью воспроизводит пики сигнала (рис.10). А с обычными диодами, когда выходная мощность 13 Вт, пики обрезаются, как показано на рис. 10 красной линией (ну не хватает мощности для них!). Психоакустика установила, что если эти редкие всплески вот так обрезать, то сознание этого не заметит, то есть мы не будем слышать явных искажений. Но с субьективной стороны при прослушивании мы будем ощущать, что «что-то не то» — отсутствует легкость, воздушность, естественность, прозрачность и прочие «чувственные» части звука. И в таком случае действительно замена обычных диодов на диоды Шоттки существенно улучшает звучание! И именно с той «необъяснимой» субъективной стороны!!! На самом же деле — никакой мистики, никакого волшебства, чистая физика! Такой вариант событий встречается, на самом деле, довольно часто, и довольно часто применение диодов Шоттки оправдано и технически, и с точки зрения улучшения звучания усилителей.

Выходит, что суперфаст диоды на самом деле в выпрямителе для усилителя и нафиг не нужны и никакой реальной пользы от них нет (зато они более «нежные» и хуже выдерживают перегрузки по току в отличие от «медленных»). А вот диоды Шоттки иногда бывают очень даже полезны, но не быстродействием своим, а низким прямым падением напряжения. Естествено, это справедливо только для «аналоговых» выпрямителей, работающих с частотой сети 50 Гц. Но с другой стороны, если говорить о высококачественных усилителях, то только такие источники питания туда и нужны — импульсные источники и Hi-Fi несовместимы! 

29.09.2009

Total Page Visits: 2027 — Today Page Visits: 4

Чем отличается диод шоттки от обычного диода

Многие неисправности в системных блоках питания возникают из-за неполадок вторичных цепей, работающих совместно с источниками питания. Если ранее очень часто выходили из строя силовые транзисторные ключи, то в настоящее время основной проблемой становятся поломки вторичных выпрямителей, основой которых являются диод Шоттки. В нем используется принцип перехода от металла к полупроводнику. Как правило, большая часть таких диодов используется в цепях с низким напряжением.

Положительные качества диода Шоттки

Если в обычных диодах значение прямого падения напряжения составляет примерно от 0,6 до 0,7 вольта, то применение диодов Шоттки позволяет снизить этот показатель от 0,2 до 0,4 вольта. При этом, максимальное обратное напряжение может составлять до нескольких десятков вольт. Этот показатель дает ограничение в применении диодов Шоттки и предполагает их использование только в низковольтных цепях.

При небольшой электрической емкости перехода, становится возможным произвести значительное увеличение рабочей частоты. Благодаря этому свойству, диод нашел довольно широкое применение для интегральных микросхем. В силовых электрических приборах переходы с малой емкостью имеют короткий восстановительный период, что позволяет выпрямителям работать на высоких частотах.

Улучшенные характеристики по сравнению с обычными выпрямителями позволяют эффективно использовать их для импульсных блоков питания и цифровой аппаратуры.

Недостатки

В том случае, когда максимальное обратное напряжение на короткое время превышает допустимый уровень, диод Шоттки полностью выходит из строя. Это необратимый процесс, после которого становится невозможным восстановление первоначальных свойств.

Кроме того наблюдаются повышенные обратные токи, которые возрастают при росте температуры самого кристалла. В случае некачественного тепло-отведения, действие положительной тепловой обратной связи может привести к аварийному перегреванию диода.

В блоках питания диод Шоттки эффективно применяются при выпрямлении токов в каналах. С учетом высокого значения выходного тока, возникает необходимость в быстром действии выпрямителей, для того, чтобы уменьшить их энергетические потери. Этот фактор приводит к значительному увеличению коэффициента полезного действия источников питания. Кроме того, обеспечивается надежная работа силовых транзисторов, установленных в первой части блоков питания.

Таким образом, диоды Шоттки применяются в тех случаях, когда необходимо уменьшить коммутационные динамические потери, а также при устранении коротких замыканий во время переключения. Это устройство является эффективным выпрямительным элементом.

Диод Шоттки – это полупроводниковый электрический выпрямительный элемент, где в качестве барьера используется переход металл-полупроводник. В результате приобретаются полезные свойства: высокое быстродействие и малое падение напряжения в прямом направлении.

Из истории открытия диодов Шоттки

Выпрямительные свойства перехода металл-полупроводник впервые замечены в 1874 году Фердинандом Брауном на примере сульфидов. Пропуская ток в прямом и обратном направлении, он отметил разницу в 30%, что в корне противоречило известному закону Ома. Браун не смог объяснить происходящего, но, продолжив исследования, установил, что и сопротивление участка пропорционально протекающему току. Что также выглядело необычно.

Опыты повторились физиками. К примеру, Вернер Сименс отметил похожие свойства селена. Браун установил, что свойства конструкции проявляются наиболее ярко при небольшом размере контактов, приложенных к кристаллу сульфида. Исследователь применял:

  • подпружиненную проволоку с давлением 1 кг;
  • ртутный контакт;
  • металлизированную медью площадку.

Так на свет появился точечный диод, в 1900 году помешавший нашему соотечественнику Попову взять патент на детектор для радио. В собственных работах Браун излагает исследования марганцевой руды (псиломелана). Прижав контакты к кристаллу струбциной и изолировав губки от токонесущей части, учёный получил превосходные результаты, но применения эффекту в то время не нашлось. Описав, необычные свойства сульфида меди, Фердинанд положил начало твердотельной электронике.

За Брауна практическое применение нашли единомышленники. Профессор Джагдиш Чандра Бос сообщил 27 апреля 1899 года о создании первого детектора-приёмника для работы в паре с радиопередатчиком. Он использовал галенит (оксид свинца) в паре с простым проводом и поймал волны миллиметрового диапазона. В 1901 году запатентовал своё детище. Не исключено, что под влиянием слухов о Попове. Детектор Боса использован в первой трансатлантической радиопередаче Маркони. Аналогичного рода устройства на кристалле кремния запатентовал в 1906 году Гринлиф Уиттер Пиккард.

Гринлиф Уиттер Пиккард

В своей речи на вручении Нобелевской премии в 1909 году Браун отметил, что не понимает принципов открытого им явления, зато обнаружил целый ряд материалов, проявляющих новые свойства. Это уже упомянутый выше галенит, пирит, пиролюзит, тетраэдрит и ряд прочих. Перечисленные материалы привлекли внимание по простой причине: проводили электрический ток, хотя считались соединениями элементов таблицы Менделеева. Прежде подобные свойства считались прерогативой простых металлов.

Наконец, в 1926 году уже появились первые транзисторы с барьером Шоттки, а теорию под явление подвёл Уильям Брэдфорд Шокли в 1939 году. Тогда же Невилл Франсис Мот объяснил явления, происходящие в на стыке двух материалов, вычислив ток диффузии и дрейфа основных носителей заряда. Вальтер Шоттки дополнил теорию, заменив линейное электрическое поле затухающим и добавив представление о донорах ионов, расположенных в приповерхностном слое полупроводника. Объёмный заряд на границе раздела под слоем металла назвали именем учёного.

Схожие попытки подведения теории под имеющийся факт предпринимал Давыдов в 1939 году, но неправильно дал лимитирующие факторы для тока и допустил прочие ошибки. Самые правильные выводы сделал Ханс Альбрехт Бете в 1942 году, увязавший ток с термоэлектронной эмиссией носителей сквозь потенциальный барьер на границе двух материалов. Таким образом, современное название явления и диодов должно бы носить имя последнего учёного, теория Шоттки обнаруживала изъяны.

Теоретические исследования упираются в сложность измерения работы выхода электронов из материала в вакуум. Даже для химически инертного и стабильного металла золота определённые показания разнятся от 4 до 4,92 эВ. При высокой степени вакуума, в отсутствие ртути от насоса или масляной плёнки, получаются значения в 5,2 эВ. С развитием технологии в будущем предвидятся значения точнее. Иным вариантом решения станет использование сведений об электроотрицательности материалов для правильного предсказания событий на границе перехода. Эти величины (по шкале Поллинга) известны с точностью до 0,1 эВ. Из сказанного понятно: сегодня правильно предсказать высоту барьера по указанным методикам и, следовательно, выпрямительные свойства диодов Шоттки не представляется возможным.

Лучшие способы определения высоты барьера Шоттки

Высоту допустимо определить по известной формуле (см. рис). Где С – коэффициент, слабо зависящий от температуры. Зависимость от приложенного напряжения Va, несмотря на сложную форму считается почти линейной. Угол наклона графика составляет q/ kT. Высоту барьера определяют по графику зависимости lnJ от 1/Т при фиксированном напряжении. Расчёт ведётся по углу наклона.

Формула для расчётов

Альтернативный метод состоит в облучении перехода металл-полупроводник светом. Используются способы:

  1. Свет проходит через толщу полупроводника.
  2. Свет падает прямо на чувствительную площадку фотоэлемента.

Если энергия фотона укладывается в промежуток энергий между запрещённой зоной полупроводника и высотой барьера, наблюдается эмиссия электронов из металла. Когда параметр выше обоих указанных величин, выходной ток резко возрастает, что легко заметно на установке для эксперимента. Указанный метод позволяет установить, что работы выхода для одинакового полупроводника, с разными типами типами проводимости (n и p), в сумме дают ширину запрещённой зоны материала.

Новым методом для определения высоты барьера Шоттки служит измерение ёмкости перехода в зависимости от приложенного обратного напряжения. График показывает вид прямой, пересекающей ось абсцисс в точке, характеризующей искомую величину. Результат экспериментов сильно зависит от качества подготовки поверхности. Изучение технологических методов обработки показывает, что травление в плавиковой кислоте оставляет на образце из кремния слой оксидной плёнки толщиной 10 — 20 ангстрем.

Неизменно отмечается эффект старения. Меньше характерен для диодов Шоттки, образованных путём скола кристалла. Высоты барьеров отличаются для конкретного материала, в отдельных случаях сильно зависят от электроотрицательности металлов. Для арсенида галлия фактор почти не проявляется, в случае с сульфидом цинка играет решающую роль. Зато в последнем случае слабое действие оказывает качество подготовки поверхности, для GaAs это крайне важно. Сульфид кадмия находится в промежуточном положении относительно указанных материалов.

При исследовании оказалось, что большинство полупроводников ведёт себя подобно GaAs, включая кремний. Мид объяснил это тем, что на поверхности материала образуется ряд формаций, где энергия электронов лежит в области трети запрещённой зоны от зоны валентности. В результате при контакте с металлом уровень Ферми в последнем стремится занять схожее положение. История повторяется с любым проводником. Одновременно высота барьера становится разницей между уровнем Ферми и краем зоны проводимости в полупроводнике.

Сильное влияние электроотрицательности металла наблюдается в материалах с ярко выраженными ионными связями. Это прежде всего четырёхвалентный оксид кремния и сульфид цинка. Объясняется указанный факт отсутствием формаций, влияющих на уровень Ферми в металле. В заключение добавим, что исчерпывающей теории по поводу рассматриваемого вопроса сегодня не создано.

Преимущества диодов Шоттки

Не секрет, что диоды Шоттки служат выпрямителями на выходе импульсных блоков питания. Производители упирают на то, что потери мощности и нагрев в этом случае намного ниже. Установлено, что падение напряжения при прямом включении на диоде Шоттки меньше в 1,5 – 2 раза, нежели в любом типе выпрямителей. Попробуем объяснить причину.

Рассмотрим работу обычного p-n-перехода. При контакте материалов с двумя разными типами проводимости начинается диффузия основных носителей за границу контакта, где они уже не основные. В физике это называется запирающим слоем. Если на n-область подать положительный потенциал, основные носители электроны моментально притянутся в выводу. Тогда запирающий слой расширится, ток не течёт. При прямом включении основные носители, напротив, наступают на запирающий слой, где активно с ним рекомбинируют. Переход открывается, течёт ток.

Выходит, ни открыть, ни закрыть простой диод мгновенно не получится. Идут процессы образования и ликвидация запирающего слоя, требующие времени. Диод Шоттки ведёт себя чуть по-иному. Приложенное прямое напряжение открывает переход, но инжекции дырок в n-полупроводник практически не происходит, барьер для них велик, в металле таких носителей мало. При обратном включении в сильно легированных полупроводниках способен течь туннельный ток.

Читатели, ознакомленные с темой Светодиодное освещение, уже в курсе, что первоначально в 1907 году Генри Джозеф Раунд сделал открытие на кристаллическом детекторе. Это диод Шоттки в первом приближении: граница металла и карбида кремния. Разница в том, что сегодня используют полупроводник n-типа и алюминий.

Диод Шоттки умеет не только светиться: для этих целей используют p-n-переход. Контакт металл-полупроводник не всегда становится выпрямляющим. В последнем случае называется омическим и входит в состав большинства транзисторов, где его паразитные эффекты излишни и вредны. Каким будет переход, зависит от высоты барьера Шоттки. При больших значениях параметра, превышающих температурную энергию, появляются выпрямительные свойства. Свойства определяется разностью работы выхода металла (в вакууме) и полупроводника, либо электронным сродством.

Свойства перехода зависят от применяемых материалов и от геометрических размеров. Объёмный заряд в рассматриваемом случае меньше, нежели при контакте двух полупроводников разного типа, значит, время переключения значительно снижается. В типичном случае укладывается в диапазон от сотен пс до десятков нс. Для обычных диодов минимум на порядок выше. В теории это выглядит как отсутствие повышения уровня барьера при приложенном обратном напряжении. Легко объяснить и малое падение напряжения тем, что часть перехода составлена чистым проводником. Актуально для приборов, рассчитанных на сравнительно низкие напряжения в десятки вольт.

Сообразно свойствам диодов Шоттки они находят широкое применение в импульсных блоках питания для бытовой техники. Это позволяет снизить потери, улучшить тепловой режим работы выпрямителей. Малая площадь перехода обусловливает низкие напряжения пробоя, что слегка компенсируется увеличением площади металлизации на кристалле, охватывающей часть изолированной оксидом кремния области. Эта площадь, напоминающая конденсатор, при обратном включении диода обедняет прилегающие слои основными носителями заряда, значительно улучшая показатели.

Благодаря быстродействию диоды Шоттки активно применяются в интегральных схемах, нацеленных на использование высоких частот — рабочих и частот синхронизации.

В электроустановках, как вы знаете, имеет огромное применение силовые полупроводниковые приборы — промышленные диоды. Это стабилитроны, диоды Зенера и гость нашей статьи — диод Шоттки.

Что такое диод Шоттки(наречен в честь немецкого физика Вальтера Шоттки), могу сказать кратко – он отличается от других диодов принципом работы основанный на выпрямляющем контакте металл – полупроводник. Этот эффект может получиться в двух случаях: для диода n-типа –если в полупроводнике работа выхода меньше чем металла, для диода р-типа – если работа выхода полупроводника больше чем металла. Наибольшей популярностью пользуются диоды Шоттки вида n-типа из-за высокой подвижностью электронов, сравнимо с подвижностью дырок.

Рис 1. Вид диода Шоттки в разрезе

Плюсы и минусы

Для сравнения берем биполярный диод. Как говорится: сразу в огонь, начнем с недостатка, а он считаю самый важный. У диодов Шоттки огромный обратный ток.

С минусами все, теперь хорошее, плюсы.

  • Во-первых, считаю, что диоды Шоттки являются наиболее быстродействующими. Так же можно учитывать плюсом прямое падение напряжения при таком же токе на несколько десятых вольта меньше как у биполярных.
  • Во-вторых, можно добавить, что у данных диодов не накапливается не основные носители заряда, так как ток в полупроводнике проходит по принципу дрейфа. Про этот механизм расскажу в следующих статьях.

Структура диода Шоттки.

Огромное количество диодов Шоттки изготавливаются по планарной технологии с эпитаксиальным n-слоем, на поверхности которого создают оксидный слой, в котором образуются окна для формирования барьера. В роли последнего используются такие металлы: молибден, титан, платина, никель. По всей площади контактной области формируется кольцо кремния р-типа( рис 2 а), которое будет служить уменьшением краевых токов утечки.

Рис 2 а.,б.

Работает «охранное» кольцо таким способом: степень легирования и размеры р-области проектируется таким образом, чтобы при перенапряжениях на приборе ток пробоя протекал именно через р-n-преход, а не через контакт Шоттки.

Здесь мы видим, что области р-типа сформированы непосредственно в активной области перехода Шоттки. Поскольку в такой конструкции имеется два типа перехода – переход металл-кремний и р-n-переход,- по своим свойствам и характеристикам она занимает промежуточное положение. Благодаря переходу Шоттки, она имеет минимальные токи утечки, а из наличия р-n-перехода — большие напряжения при прямом смещении.

Также конструкция, приведенная на рисунке 2 б, обладает повышенной устойчивостью к действию разряда статического электричества. Это следует из принципа работы, который заключается в том, что объемные токи утечки замыкаются на обедненной области р-n-перехода, тем самым уменьшая электрическое поле на границе раздела металл-полупроводник при прямом смещении, области пространственного р-n-переходов имеют минимальную ширину, и вольт-амперная характеристика (ВАХ) рис.3 диода близка к ВАХ типовой конструкции диода. При обратных же напряжениях область обеднения р-n-перехода увеличивается по мере увеличения прикладываемого напряжения и ОПЗ соседних р-n-переходов смыкается, образуя своего рода «экран», защищающий контакт Me-Si высоких напряжений, которые могут вызвать большие объемные токи утечки.

Рис.3 Вольт-амперная характеристика диода Шоттки

Принцип действия

Вольт-амперная характеристика диода Шоттки, смещенного в прямом направлении, определяется формулой

которая по форме совпадает с ВАХ р-n-перехода, однако ток J0 гораздо выше, чем Js (типовые значения диода Шоттки Al-Si при 25 С J0 = 1.6 *10 -5 А/см 2 , а для р-n-перехода при Nd=Na=10 16 А/см 3 , Js=10 -10 А/см 2 )

При прямом смещении диода Шоттки к прямому падению напряжения на переходе добавляется напряжение на самом полупроводнике. Сопротивление этой области содержит две составляющие: сопротивление слаболегированной эпитаксиальной пленки (n — ) и сопротивление сильнолегированной подложки (n + ). Для диода Шоттки с низким допустимым напряжением (менее 40 В) эти два сопротивления оказываются одного порядка, поскольку n + область значительно длиннее (n — ) области (примерно 500 и 5 мкм, соответственно). Общее сопротивление кремния площадью 1 см 2 составляет в таком случае от 0,5 до 1 мОм, создавая падение напряжения в полупроводнике от 50 до 100 мВ при токе 100А.

Если диод Шоттки выполняется на допустимое обратное напряжение более 40 В, сопротивление слаболегированной области возрастает очень быстро, поскольку для создания более высокого напряжения требуется более протяженная слаболегированная область и еще более низкая концентрация носителей. В результате оба фактора приводят к возрастанию сопротивления (n — ) области диода.

Конструкторско-технологические приемы.

Большое сопротивление является одной из причин того, что обычные кремниевые диоды Шоттки не выполняются на напряжение свыше 200 В.

Для снижения обратных токов утечки, повышение устойчивости к разрядам статического электричества используются различные приемы.

Так, для снижения токов утечки и выхода годных диодов Шоттки в окне под барьерный слой делают углубление 0,05 мкм, а после формировании углубления в эпитаксиальном слое проводят отжиг при температуре 650 град. В среде азота в течении 2-6 часов.

Снижение обратных токов молибденовых диодов Шоттки добиваются путем создания геттерирующего слоя перед нанесением эпитаксиального слоя полированием обратной стороны подложки свободным абразивом, а после металлизации электрода Шоттки удаляют геттерирующий слой.

При выдерживании оптимальных соотношений между шириной и глубиной охранного кольца также можно существенно обратные токи утечки и повысить устойчивость к статики.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

The virtual drink — LiveJournal

Разобравшись с первичной цепью системы питания «Арктур-006», пора переходить к вторичным цепям. Одним из самых демонизированных устройств является выпрямитель. В результате многие ведут подбор типов диодов, обвешивают их конденсаторами, выковыривают из хлама германиевые и даже селеновые выпрямители. А самые продвинутые смотрят на всю эту суету с высоты и греют руки над своими кенотронами.

Обычно источником проблем называют конечное время восстановления диодов и связанный с этим выброс обратного тока. Такая проблема действительно существует, но актуальна она только для импульсных источников, но не для выпрямителей 50 Гц. При желании процесс восстановления диодов можно посмотреть. Но для этого понадобится источник напряжения с крутыми фронтами, а также придется растянуть временную шкалу, чтобы наблюдать промежутки времени порядка десятков наносекунд. Даже у медленных диодов процесс восстановления длится менее микросекунды.

В сетевом выпрямителе диоды открываются только на пиках синусоиды, тогда конденсаторы фильтра подзаряжаются. Остальное время диоды закрыты. В таком выпрямителе даже не возникает условий, чтобы восстановление диодов себя проявило. Перед запиранием диода его ток плавно спадает в течение нескольких миллисекунд, затем наступает довольно длительный промежуток, когда все диоды выпрямительного моста закрыты. Здесь нет ситуации, когда один диод закрывается, а другой тут же открывается. Поэтому сквозных токов через диоды быть не может. Самое худшее, что может быть, это обратный ток диода немного разрядит емкость фильтра через вторичную обмотку трансформатора. Но величина просадки напряжения на емкости будет микроскопическая, а индуктивность рассеяния трансформатора не позволит обратному току нарастать с большой скоростью. На графике зеленая и красная линии — ток диодов, синяя — напряжение на конденсаторе фильтра.

Хотя нельзя сказать, что выпрямитель – это простая штука. Вряд ли кто-то сможет в точности нарисовать формы токов и напряжений, которые здесь наблюдаются. Обычно достаточно графиков типа тех, что приведены выше. Если рассмотреть процессы в выпрямителе более подробно, то можно обнаружить довольно причудливые осциллограммы, которые связаны с наличием паразитных емкостей (у диодов, в первую очередь). На графиках ниже осциллограммы сдвинуты по вертикали, чтобы их можно было рассмотреть все сразу и с хорошим увеличением.

Но все это не причиняет никакого вреда. Если искать какую-то проблему в выпрямителе, то найти ее можно совсем в другом. Диоды выпрямителя открыты лишь небольшой промежуток времени, остальное время вторичная обмотка трансформатора предоставлена самой себе. Если задать для модели трансформатора реальные параметры, включая индуктивность рассеяния, то прекрасно видны высокочастотные затухающие колебания после запирания диода. Частота этих колебаний определяется приведенной к вторичной обмотке индуктивности рассеяния трансформатора и суммой всех паразитных емкостей. В принципе, это особой проблемы не представляет, при правильной разводке на выходе фильтра ничего не останется. Но лучше колебания убрать. На графике показана работа выпрямителя на диодах 1N4001 (зеленая линия — ток диода, красная — напряжение на диоде). Выбросы — это затухающие паразитные колебания большой амплитуды.

Для диодов Шоттки получается немного другая картина:

Нечто похожее наблюдается и для 1N4001, если их зашунтировать емкостями:

Это обычное явление для импульсных источников, где есть отработанные способы борьбы. Вместо подбора диодов, что как-то влияет на картину, но полностью устранить проблему не может, нужно применить обычный снаббер. Картина со снаббером (1 мкФ + 330 Ом) приведена ниже.

Применять в сетевом выпрямителе диоды семейства Ultra Fast особого смысла нет. Хотя и хуже от этого не будет. Применять диоды Шоттки некоторый смысл есть, это снизит нагрев выпрямителя и добавит некоторый запас по напряжению, что может быть важно в случае готового трансформатора.

Есть еще одна проблема, связанная с выпрямителем. В этом журнале она недавно обсуждалась. Диоды работают как коммутатор высокочастотных помех со стороны сети. ВЧ-помехи из сети через паразитную емкость трансформатора и открытый диод попадают в устройство. Когда все диоды выпрямителя закрыты, эта цепь разрывается. В результате помехи оказываются промодулированными частотой 100 Гц. Этот эффект является причиной фона в радиоприемниках (Радио, 1980, №9, стр. 40 «Мультипликативный фон в радиоприемниках»). Сами по себе ВЧ-помехи, возможно, не принесли бы вреда для аудио, но при наличии модуляции они могут стать слышимыми. Устраняются эти помехи емкостями с вторичной обмотки на общий провод устройства.

Разница между обычным выпрямительным диодом и диодом Шоттки

Диод — это пассивное устройство или компонент, который позволяет току течь только в одном направлении, а полностью блокирует прохождение тока в другом. Но поскольку существует так много типов диодов, как различать их и, самое главное, какой из них использовать в соответствии с его требованиями в нашей схеме? Итак, в этом посте я попытался дать вам представление о «Различии между обычным выпрямительным диодом и диодом Шоттки »

Прежде чем перейти к основам выпрямителя или диода Шоттки, давайте рассмотрим некоторые из основных характеристик диодов.

Основные характеристики диода: —

Характеристики диода
Свойство диода Определение
В f Указывает на прямое падение напряжения , когда ток течет от вывода P к N диода.
I f Максимальный прямой ток диод может выдержать
В R Это обратное напряжение пробоя , когда ток течет от клеммы N к клемме P.
I R Величина тока, протекающего при обратном смещении диода.
т РУБ Когда диод внезапно выключается, прямому току, протекающему через диод, требуется некоторое время, чтобы утихнуть, и это время называется Время обратного восстановления .

Что такое выпрямительный диод?
  • Выпрямительный диод — это простейший диод с p-n переходом, который в основном используется для выпрямления в полумостовых и полномостовых выпрямителях.И это из-за высокого напряжения пробоя, обычно порядка 200–1000 вольт, что очевидно.
  • Прямое падение напряжения (Vf) выпрямительного диода составляет от 0,7 до 0,9 В.
Выпрямительные диоды в схеме полного мостового выпрямителя
  • В качестве примера предположим, что вы хотите разработать мостовой выпрямитель для своего проекта преобразователя переменного тока в постоянный. Для этого мостового выпрямителя диод выпрямительной серии 1N4 является оптимальным выбором.
  • Диод
1N4007 в схеме мостового выпрямителя

Диод Шоттки
  • В отличие от простого выпрямительного диода (1N4007), переход диода Шоттки находится между полупроводником n-типа и металлической пластиной.
  • Диод Шоттки
  • , также известный как барьерный диод . в основном используется в цепях низкого напряжения, потому что прямое падение напряжения диода Шоттки (Vf) меньше, чем у выпрямительного диода. Прямое падение напряжения на диоде Шоттки обычно находится в диапазоне от 0,25 до 0,5 В, тогда как V f выпрямительного диода составляет около 0,7 В.
  • Допустим, вы работаете с цепью низкого напряжения (скажем, 3 В), и в этой цепи используется диод. В этом случае лучше использовать диод Шоттки, потому что на нем будет меньше падение напряжения.И напряжения хватит для дальнейшего использования.
Диод Шоттки является униполярным устройством.
  • Кроме того, электроны являются основными носителями заряда с обеих сторон перехода, таким образом, это униполярное устройство .
  • В основном используется в высокочастотных приложениях, таких как SMPS. И это из-за небольшого повышения температуры и высокой скорости переключения при небольшом времени восстановления.
Диод Шоттки в ИИП

ВРЕМЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ:

Когда диод внезапно выключается, прямому току, протекающему через диод, требуется небольшое время, чтобы утихнуть, и это время называется Время обратного восстановления .по сравнению с обычным диодом время обратного восстановления диодов Шоттки намного меньше, что делает его пригодным для использования в схемах с быстрой коммутацией.

Недостатки диода Шоттки:

  • Недостатком Schottky является низкое напряжение пробоя (от 20 до 40 В), что делает его непригодным для выпрямительной схемы.
Недостаток диода Шоттки

Применение диода Шоттки:

  • В качестве примера предположим, что мы проектируем понижающий преобразователь.Поскольку Mosfet в понижающем преобразователе переключается с очень высокой частотой, диод в этой схеме должен иметь высокую скорость переключения. Таким образом, диод Шоттки является здесь оптимальным выбором.

И, заканчивая описанным выше приложением, теперь вы знаете все основные различия между диодом Шоттки и выпрямительным диодом.

Диодный выпрямитель мощности Шоттки »Электроника

Одно из основных применений диодов Шоттки — это выпрямительные диоды с низким падением напряжения — узнайте основные характеристики, преимущества, ограничения, методы и т. Д.. .


Учебное пособие по диоду с барьером Шоттки Включает:
Диод с барьером Шоттки Технология диодов Шоттки Характеристики диода Шоттки Выпрямитель мощности на диоде Шоттки

Другие диоды: Типы диодов


Диод Шоттки находит множество применений там, где требуется выпрямитель мощности.

Диодный выпрямитель Шоттки имеет ряд очень полезных преимуществ по сравнению с другими типами диодов и как таковой может быть использован с пользой.

Диод Шоттки в течение многих лет использовался в качестве выпрямителя в производстве источников питания, где его использование важно для многих конструкций.

Однако все же необходимо учитывать недостатки решения выпрямителя мощности на диодах Шоттки. Это означает, что он подходит не во всех случаях.

Преимущества использования выпрямителя на диоде Шоттки

Выпрямитель мощности на диоде Шоттки имеет ряд характеристик, которые делают эту технологию хорошим вариантом во многих случаях:

  • Низкое прямое падение напряжения: Низкое прямое падение напряжения, обеспечиваемое силовыми выпрямителями на диодах Скотки, является значительным преимуществом во многих областях применения.Это снижает потери мощности, обычно возникающие в выпрямителе и других диодах, используемых в блоке питания. В случае стандартных кремниевых диодов, являющихся основной альтернативой, их напряжение включения составляет от 0,6 до 0,7 вольт. Выпрямители с диодами Шоттки, имеющие напряжение включения от 0,2 до 0,3 В, позволяют добиться значительной экономии энергии. Однако необходимо помнить, что также будут потери, вызванные сопротивлением материала, и падение напряжения на диоде будет увеличиваться с увеличением тока.Во многих приложениях потери диодного выпрямителя Шоттки будут намного меньше, чем у эквивалентного кремниевого выпрямителя.
  • Высокая скорость переключения: Очень высокая скорость переключения диодного выпрямителя Шоттки означает, что этот диод подходит для использования в схемах импульсного стабилизатора, что позволяет достичь более высоких уровней эффективности, чем при использовании других типов диодов выпрямителя мощности .

Рекомендации по проектированию диодного выпрямителя Шоттки

Выпрямители с диодами Шоттки

обладают множеством преимуществ, но при их использовании необходимо учитывать ряд конструктивных особенностей.Это должно быть учтено в разрабатываемой схеме.

Некоторые моменты, которые следует принять во внимание, включают следующее:

  • Ограниченное обратное напряжение: В результате своей конструкции диодные выпрямители Шоттки имеют ограниченную возможность обратного напряжения. Максимальные значения обычно составляют около 100 вольт. Если бы устройства были изготовлены с цифрами выше этого, было бы обнаружено, что прямые напряжения возрастут и будут равны или больше, чем у эквивалентных им кремниевых диодов для разумных уровней тока.
  • Высокий обратный ток утечки: Диодные выпрямители Шоттки имеют гораздо более высокий обратный ток утечки, чем стандартные кремниевые диоды с PN переходом. Хотя это может не быть проблемой для некоторых конструкций, это может повлиять на другие.
  • Ограниченная температура перехода: Максимальная температура перехода диодного выпрямителя Шоттки обычно ограничивается диапазоном от 125 ° C до 175 ° C, но проверьте характеристики производителя для данного компонента.Для сравнения: температура кремниевых диодных выпрямителей составляет около 200 ° C.
  • Соответствующий радиатор: Несмотря на то, что диод Шоттки обеспечивает гораздо меньшее прямое падение напряжения, в некоторых силовых приложениях может рассеиваться значительный уровень мощности. Это необходимо помнить и не предполагать, что при меньшем падении напряжения радиаторы не потребуются. Максимально допустимые температуры перехода ниже, чем у аналогичных кремниевых диодов.

Диоды Шоттки — очень полезная опция, когда требуется выпрямитель мощности.Однако у них есть ограничения производительности, и это необходимо учитывать при выборе необходимой технологии для любого приложения выпрямления мощности.

Другие электронные компоненты: Резисторы
Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Работа выпрямителя с барьером Шоттки и его применение

Диод Шоттки или выпрямитель с барьером Шоттки назван в честь немецкого физика Вальтера Х. Шоттки. Это полупроводниковый диод, в конструкции которого используется металл на стыке полупроводников. Он имеет низкое прямое падение напряжения и очень быстрое переключение. На заре беспроводной связи использовались детекторы кошачьих усов, а в первых источниках питания использовались металлические выпрямители, которые можно было измерять на примитивных диодах Шоттки.Несмотря на то, что в сегодняшней перспективе высокотехнологичной электроники эти диоды имеют несколько применений. Фактически, это один из старейших реально существующих полупроводниковых приборов. Как устройство металл-полупроводник, его применение можно проследить до 1900 года, когда детекторы на кристаллах, детекторы кошачьих усов и тому подобное были, по сути, диодами с барьером Шоттки.


Выпрямитель с барьером Шоттки?

Выпрямительный диод с барьером Шоттки — это электронный компонент, который обычно используется в радиочастотных приложениях, таких как смеситель или детекторный диод.Этот диод также используется в силовых приложениях, таких как выпрямитель, из-за его особенностей, таких как низкое прямое падение напряжения, важное для более низких уровней потерь мощности по сравнению с обычными диодами с PN переходом.

Выпрямитель с барьером Шоттки

Символ диода Шоттки аналогичен условному обозначению основной схемы диода. Этот символ диода отличается от других типов диодов добавлением двух дополнительных ножек на полосе символа.


Выпрямитель с барьером Шоттки Символ

Конструкция барьерного диода Шоттки

В этом диоде создается соединение между металлом и полупроводником, образуя барьер Шоттки i.е. металлическая сторона выполняет функцию анода, а полупроводник n-типа работает как катод. Выбор комбинации металла и полупроводника определяет прямое напряжение диода. Полупроводники как p-типа, так и n-типа могут увеличивать барьеры Шоттки, но полупроводник p-типа имеет низкий контраст прямого напряжения по сравнению с полупроводником n-типа.

Конструкция диода с барьером Шоттки

Как мы знаем, прямое напряжение обратно пропорционально выходному току, то есть, если это напряжение низкое, то обратный ток утечки высок, что нежелательно.Вот почему в этом диоде мы используем полупроводниковый материал n-типа. Типичные металлы, используемые в сборке диода с барьером Шоттки, — это платина, вольфрам или хром, молибден, силицид палладия, силицид платины, золото и т. Д.

Работа диода с барьером Шоттки

Как показано на рисунке ниже, когда напряжение подается на диод таким образом, чтобы металл был + Ve по отношению к полупроводнику. Это униполярное устройство, поскольку в нем электроны в качестве основных носителей заряда по обе стороны от перехода.Когда эти два соприкасаются, электроны начинают течь в обоих направлениях через границу раздела металл-полупроводник.


Работа диода с барьером Шоттки

Следовательно, нет формы обедненной области около перехода, то есть нет большого тока от металла к полупроводнику при обратном смещении. Из-за времени электронно-дырочной рекомбинации задержка в переходных диодах отсутствует. Полупроводники N-типа обладают превосходящей потенциальной энергией по сравнению с электронами металлов.Повышенное напряжение на диоде будет против встроенного потенциала и упростит протекание тока.

Преимущества и недостатки

Диоды Шоттки используются во многих приложениях, где другие типы диодов также не работают. Они предлагают ряд преимуществ, в том числе следующие.

  • Низкое напряжение включения
  • Быстрое время восстановления
  • Низкая емкость перехода
  • Высокая эффективность и высокая плотность тока
  • Эти диоды работают на высоких частотах.
  • Эти диоды генерируют меньше ненужных шумов, чем диод с PN-переходом. рисунок ниже. Вертикальная линия на рисунке означает протекание тока в диоде, а горизонтальная линия означает напряжение, приложенное к диоду.
  • Вольт-амперные характеристики этого диода приблизительно соответствуют диоду с фазовым переходом.Но прямое падение напряжения на этом диоде очень мало по сравнению с диодом с P-N переходом.
  • Прямое падение напряжения диода Шоттки составляет от 0,2 до 0,3 вольт, тогда как прямое падение напряжения кремниевого диода с P-N переходом составляет от 0,6 до 0,7 вольт.
  • Если напряжение прямого смещения превышает 0,2 или 0,3 вольта, то через диод начинает течь ток.
  • В этом диоде обратный ток насыщения происходит при очень низком напряжении по сравнению с кремниевым диодом.
VI Характеристики диода Шоттки по сравнению с нормальным диодом
Применения диода Шоттки

Диоды Шоттки используются для многих целей, включая следующие:

  • Диоды Шоттки используются в качестве выпрямителей в схемах приложений большой мощности. такие приложения, как ВЧ, питание, обнаружение сигнала, логические схемы
  • Диоды Шоттки играют важную роль в схемах из GaAs
  • Диоды Шоттки, используемые в автономной фотоэлектрической системе, чтобы предотвратить разряд аккумуляторов через солнечные панели в ночное время как в системе сетевого подключения.
  • Диоды Шоттки используются в устройствах ограничения напряжения.

Итак, это все о работе выпрямителей с барьером Шоттки и их применении. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, при любых сомнениях относительно этой статьи или реализации каких-либо электрических проектов, пожалуйста, дайте свои ценные предложения в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какова основная функция диода Шоттки?

Диоды и выпрямители Шоттки | 1N4007

Диод Шоттки, иногда называемый барьерным диодом или диодом с горячим носителем, представляет собой металлический полупроводник с быстрым переключением и сопутствующим низким прямым падением напряжения с небольшим падением напряжения на клеммах, когда ток течет через диод. .Если у стандартного диода падение напряжения составляет от 0,6 до 1,7 вольт, то падение напряжения Шоттки составляет от 0,15 до 0,45 вольт. Это более низкое падение напряжения способствует высокой скорости переключения, а также повышению эффективности системы.

Компания RS Components предлагает широкий ассортимент диодов Шоттки от ведущих мировых производителей, включая DiodesZetex, Nexperia, ON Semiconductor, STMicroelectronics, Vishay и многих других.

Для чего используются диоды Шоттки?

Диоды Шоттки имеют множество применений в электронной и электротехнической промышленности из-за их чувствительности и эффективности.Они используются для ограничения напряжения в приложениях, а также для предотвращения насыщения транзисторов, а также могут использоваться в качестве выпрямителей в источниках питания для преобразования тока из переменного в постоянный. Диоды Шоттки используются в солнечных панелях и системах, подключенных к сети, для предотвращения разряда высокоэффективных солнечных элементов над низкоэффективными солнечными элементами, а также для предотвращения разряда батарей в ночное время.

Зачем нужен диод Шоттки?

Диоды Шоттки предпочитают за их быстрое время восстановления, что в конечном итоге приводит к небольшому накопленному заряду, который можно использовать для высокоскоростных переключателей.Они имеют низкое напряжение на витке от 0,15 до 0,45 В, более высокую эффективность, а встроенное защитное кольцо защищает внутренние компоненты от напряжения, обеспечивая их бесперебойную работу в течение более длительного времени. Низкая емкость перехода занимает мало места, после результатов, полученных для точечного контакта провода с кремнием, уровни емкости также очень малы.

Что такое выпрямительный диод?

Выпрямительный диод предназначен для выпрямления переменного тока. Он используется для протекания тока через цепь в одном направлении, в отличие от таких элементов, как резисторы, а ток выпрямителя имеет нелинейную зависимость от напряжения на нем.При подаче положительного напряжения на диод будет прямое смещение, и он будет делать все возможное, чтобы работать как короткое замыкание и позволять току свободно течь через диод. Его основная задача — преобразовать переменный ток (AC) в постоянный (DC) с помощью выпрямительных мостов. Выпрямительный диод иногда можно использовать в качестве выпрямителя Шоттки.

Динамическая страница продукта | Технология Microchip

Таблицы данных Таблицы данных Таблицы данных Таблицы данных Таблицы данных Таблицы данных Таблицы данных Таблицы данных Таблицы данных
VDS (on) VCE (sat) Измерение Примечания по применению Скачать
Введение в выпрямители Примечания по применению Скачать
MicroNote 005: уход, обращение и пайка диодов Примечания по применению Скачать
MicroNote 010: как быстро получить данные о специях Примечания по применению Скачать
MicroNote 020: покрытие и пайка погружением Примечания по применению Скачать
Micronote 1829: Обозначение в паспорте силовых диодов Примечания по применению Скачать
MicroNote 30: Методы оценки металлургической связи для диодов Примечания по применению Скачать
Характеристики обратного переключения выпрямителя Примечания по применению Скачать
APT100S20BG Дискретный выпрямитель SCHOTTKY 200 В 100 A TO-247 Лист данных Скачать
Обратное смещение при высоких температурах Примечания по применению Скачать
Введение в выпрямители Шоттки Примечания по применению Скачать
APT100S20LCTG SCHOTTKY Выпрямитель с центральным ответвлением 200 В 100 A TO-264 Лист данных Скачать
APT2X101S20J Дискретный выпрямитель SCHOTTKY, 200 В, 100 А, двойной параллельный SOT-227, техническое описание Скачать
APT2X31S20J Дискретный выпрямитель SCHOTTKY, 200 В, 310 А, двойной параллельный SOT-227, техническое описание Скачать
APT2X61S20J Дискретный выпрямитель SCHOTTKY, 200 В, 610 А, двойной параллельный SOT-227, техническое описание Скачать
APT30S20BCTG Выпрямитель с центральным ответвлением SCHOTTKY 200 В 30 A TO-247 Лист данных Скачать
APT30S20BG, APT30S20SG Дискретный выпрямитель SCHOTTKY 200 В 30 A TO-247 Лист данных Скачать
APT60S20B2CTG SCHOTTKY Выпрямитель с центральным ответвлением 200 В 60 A TO-247 MAX Лист данных Скачать
APT60S20BG, APT60S20SG Дискретный выпрямитель SCHOTTKY 200 В 60 А TO-247 Лист данных Скачать

Trench Technology улучшает выпрямитель Шоттки

За последние 40 лет многие из моих разработок включали коррекцию коэффициента мощности (PFC) в диапазоне от 50 Вт до более 5.0 кВт и работает от 30 кГц до 150 кГц с частотой переключения, используя режимы CCM, CrCM и DCM и входную мощность от 50 Гц до 850 Гц.

Недавно я проектировал модуль PFC для работы на 800 Гц и столкнулся с трудностями при разработке входного фильтра, который устраняет электромагнитные помехи, но не искажает коэффициент мощности, вызванный большими токами в конденсаторах X . Моя проблема заключалась в том, что я не мог отвести ток переключения от входного фильтра и направить его в другой контур. Затем я вспомнил семинары Ллойда Диксона для Unitrode, посвященные связанным индукторам и «управлению током».Это то, что мне было нужно, но в то время я не понимал теории. Итак, я вернулся и просмотрел множество статей по этой теме, обнаружив множество высших математических схем и схем замещения трансформаторов. Есть связанный индуктор, в котором одна обмотка имеет только переменный ток, а другая — постоянный. Почему все они использовали трансформаторные схемы для описания этой спаренной катушки индуктивности? В трансформаторах ток проходит через точку первичной обмотки и выходит из точки вторичной обмотки. В этой схеме ток разделяется (разделяется на переменный и постоянный) первичной и вторичной обмотками.

Итак, вернемся к стенду, заявив, что если две катушки индуктивности используют один и тот же сердечник, индуктивность либо взаимная, либо утечка. Я измерил общую индуктивность каждой катушки индуктивности и их взаимную индуктивность, и на Рисунке 5 (см. Все рисунки ниже):

Ldc = Lm + LdL (1)

Lac = Lm + LaL

Где:

Ldc = Полная индуктивность обмотки постоянного тока

Lm = Взаимная индуктивность между обмотками L AC и L DC

Lac = Полная индуктивность обмотки переменного тока

LdL = индуктивность утечки в обмотке L DC

LaL = Индуктивность утечки в обмотке переменного тока

Используя моделирование SPICE, я понял простоту этой конфигурации индуктора.Если это правда, то почему они не используются повсеместно, почему я не могу купить эти индукторы с резонансной связью (RCI) с полки? Катушки индуктивности PFC, которые я могу купить, представляют собой одиночные обмотки с высокой мощностью рассеивания из-за высокого сопротивления на частоте переключения (потери Rac). Дизайнер плохо разбирался в скин-эффекте и потерях близости. Я считаю, что предыдущие статьи сделали эту конструкцию очень трудной для понимания и отпугнули инженеров и производителей магнитов. Речь идет не только о индукторах PFC, но и о входных и выходных фильтрах.В любом месте, где есть компоненты переменного и постоянного тока в обмотке индуктора, мы должны смотреть на эту топологию, чтобы уменьшить количество компонентов фильтра.

Для решения этой проблемы дизайна я придумал решение и запатентовал его. Патент RCI в настоящее время находится на рассмотрении (US 62/170 844), и результаты поиска очень многообещающие. Я бы хотел передать этот дизайн нужной компании. Почему я запатентовал эту конфигурацию, когда о ней написано столько статей? Да, существует много предшествующего уровня техники, но изложенная теория очень сбивает с толку.Может быть, я смогу обучить инженерное сообщество и получить небольшую пользу.

Эта конструкция была смоделирована в SPICE и испытана на стенде на T.I. Доска для оценки. Улучшение Eval было очевидным, и все показания и форма сигналов соответствовали моделированию SPICE. Никакой магии, только прочная инженерия.

Патентные характеристики:

  1. RCI будет отклонять> 30 дБ коммутируемого тока от входного фильтра.
  2. Полученный магнитный корпус имеет примерно такой же объем, как и стандартный индуктор PFC, но с более низким профилем, что способствует упаковке системы, тепловому потоку и экранированию шума.
  3. Благодаря разделению переменного и постоянного токов, устройство с более высоким КПД может быть выполнено в том же объеме.
  4. Стоимость изготовления аналогична индуктору PFC.
  5. Магниты сердечника с некоторой необходимой режущей способностью легко доступны.
  6. Это устройство будет работать в режимах CCM, CrCM и DCM.
  7. Может использоваться в любой топологии, на входе или выходе, отводя коммутируемый ток на землю.

Фиг. 1 представляет собой известный уровень техники только для справки. Рисунок 2 показывает как двухобмоточную, так и трехобмоточную схему коррекции коэффициента мощности, чтобы помочь объяснить работу RCI, но это может иметь множество последствий, как показано на рис. 3 .

В рис. 4 , L2 имеет три обмотки, а в рис. 5 , L2 — двухобмоточное устройство. Как двух-, так и трехобмоточные устройства работают так же, как описано ниже:

Ldc и Lac, которые при слабой связи (0,5

Ldc = Lm + LdL (2)

Где:

K = коэффициент магнитной связи

А:

Lac = Lm + LaL (3)

Где:

Следовательно:

Ldc> Lac для достижения наилучших результатов

Lm = K (Lac × Ldc) 0.5

K = Lm / (Lac × Ldc) 0,5

Cr = Резонансный конденсатор

LdL препятствует прохождению переменного тока во внешнюю цепь, но имеет низкое сопротивление Idc, току в обмотке постоянного тока. LaL резонирует с резонансным конденсатором (Cr), образуя последовательный резонансный контур с низким импедансом на частоте переключения и шунтирует переменный ток на землю от выхода, а ток I DC блокируется Cr. Обмотка переменного тока пропускает высокий переменный ток, поэтому ее сопротивление на частоте переключения (Rac) должно быть как можно более низким, поэтому иногда используется литц-провод.Для обмотки постоянного тока требуется только низкое сопротивление постоянному току, поэтому используется обычный провод. Размещение зазоров в сердечнике также важно для Rac.

Ldc> Lac улучшает коэффициент подавления переменного тока на рабочей частоте Iac (ток в обмотке переменного тока). По мере уменьшения K-фактора Lm становится меньше, а индуктивности рассеяния увеличиваются. При уменьшении Lm составляющая I AC увеличивается, влияя на внешнюю цепь. K = 0,6 — хороший компромисс.

Размер обмотки переменного тока подбирается в соответствии с потребностями преобразователя, который известен специалистам в данной области техники.Он имеет типичные значения 500 мкГн для контроля пульсаций тока в обмотке и коммутационном устройстве.

Низкий коэффициент связи (K) достигается за счет размещения двух обмоток на противоположных сторонах сердечника и зазора. Зазор должен быть расположен подальше от обмоток, иначе окаймляющий поток повысит сопротивление обмотки. Связанные индукторы предшествующего уровня техники состояли из одной обмотки, содержащей как переменный, так и постоянный ток. Это привело к тому, что обмотка стала большой, и ее трудно было упаковать и сохранить в прохладном месте. Этот блок с двумя меньшими обмотками или тройными обмотками может быть упакован в корпус с более низким профилем, что обеспечивает лучший тепловой поток.Полные целые ряды намотки обеспечивают наилучшие результаты.

Расчет резонансных конденсаторов

Определите это значение конденсатора, чтобы оно резонировало с индуктивностью рассеяния Lac.

1. Используя измеритель LCR, измерьте L AC , Ldc и Lm. Вы можете напрямую измерить Lm с помощью большинства измерителей LCR с четырьмя выводами. Присоедините провода привода к Ldc, сенсор проведет через Lac и прочитайте Lm напрямую. Отображаемый знак — фаза.

2. LaL = Lac — Lm

Используйте LaL для расчета Cr на частоте переключения:

Cr = 1 / [(2pF) 2 × LaL] (4)

Важно отметить, что нестандартное устройство не обязательно для получения хороших результатов.Вы можете получить связанный индуктор (K> 0,95), который имеет подходящие обмотки переменного и постоянного тока с индуктивностью для поддержания правильной работы PFC. Затем добавьте низкочастотный индуктор (порошковое железо для работы на частоте 120 Гц), чтобы подключить обмотку постоянного тока к мосту. Затем добавьте к обмотке переменного тока высокочастотный (ферритовый) сердечник и подключите к ней резонансный конденсатор. Эти три устройства будут имитировать RCI. Не очень красивый пакет, но хорошее начало для понимания этой топологии.

Слово PFC (коррекция коэффициента мощности) используется в этом документе для обозначения одной конфигурации, которая широко известна специалистам, но RCI может использоваться во многих различных конфигурациях, как показано на рис.3 в двух- и трехобмоточном корпусах. Кроме того, для любого электронного устройства, потребляющего от сети более 25 Вт, необходимо скорректировать коэффициент мощности. RCI будет масштабироваться от 25 Вт до кВт и будет работать от 50 Гц до более 850 Гц, удовлетворяя потребности коммерческих и военных устройств.

Рисунки 6 и 7 представляют собой моделирование SPICE для RCI. Рисунки 8 14 — это данные, взятые с демонстрационной платы TI UCC3817 (250 Вт) версии 5 с оригинальной индуктивностью TI (L1) и двухобмоточным RCI.

1. Уровень техники для фильтра электромагнитных помех. (Щелкните для увеличения). 2. Двухобмоточная входная цепь PFC. 2а. Трехобмоточная входная цепь PFC. (Щелкните для увеличения). 3. Цепи индуктивности с резонансной связью. (Щелкните для увеличения). 4. Трехобмоточный резонансный индуктор с тремя обмотками для Lac. (Щелкните для увеличения). 5. Двухобмоточный резонансный индуктор с двумя обмотками для Lac. (Щелкните для увеличения). 6. Моделирование SPICE, содержащее измеренные значения со значениями K и Cr, рассчитанными, как показано выше.(Щелкните для увеличения). 7. Моделирование SPICE с использованием рассчитанных значений индуктивности рассеяния, как показано выше, и коэффициента связи, установленного на 1. Обратите внимание, что оба моделирования SPICE содержат одни и те же результаты, подтверждающие теорию. (Щелкните для увеличения). 8. Отображение трех полных циклов сигналов переключения. Обратите внимание на крутизну переменного тока: если Ton × Ein / dI = Lm, то: 4 мкГн × 400 В / 4,8 А = 333 мкГн (то же значение показано в 7). (Щелкните для увеличения). 9. Вверху — ток в обмотке LDC около 2,2 Adc с низкой пульсацией переключения.(Щелкните для увеличения). 10. Входной ток блока RCI. (Щелкните для увеличения). 11. Входной ток оригинального устройства. (Щелкните для увеличения). 12. Данные взяты из верхней части индуктора RCI и оригинального индуктора снизу. 13. Прототип RCI.

Fast, Ultrafast, Soft, Standard, Schottky: выбор правильного выпрямителя

Это вторая часть серии статей, состоящей из двух частей, в которой рассматриваются различные типы выпрямителей мощности, их статические и динамические характеристики, а также то, что разработчик схем должен понимать, чтобы сделать правильный выбор.Эта вторая статья посвящена более глубокому изучению характеристик восстановления выпрямителей, связанных со скоростью, и того, как это динамическое поведение оказывает значительное влияние на схемы, в которых находится выпрямитель.

Введение

Идея идеального диода может обмануть проектировщика, и он упустит из виду важность определения правильного выпрямителя мощности, отвечающего требованиям к характеристикам его / ее схемотехники. Реальные выпрямители — это не просто «односторонние клапаны для тока», они представляют собой набор характеристических параметров, влияющих на схему.

В этой серии статей, состоящей из двух частей, мы исследуем, как эти параметры определяют типы выпрямителей и способствуют развитию выпрямительной технологии. Попутно мы получим понимание, необходимое для правильного выбора наших дизайнерских проектов.

Во второй части мы исследуем динамическое поведение, определяющее «мягкое» восстановление и «прямое» восстановление, а затем сравниваем динамическое поведение барьера Шоттки и выпрямителей с PN-переходом. Мы также кратко рассмотрим прогресс выпрямительной технологии за последнее столетие.

Прежде чем продолжить, прочтите первую часть этой серии статей: Fast, Ultrafast, Standard, Soft, Schottky: Какой выпрямитель подходит для вашей схемы питания?

Быстро или сверхбыстро — как замедлить?

В первой части этой серии статей мы рассмотрели статические (установившиеся) параметры, важные для выпрямителей, а затем обсудили ключевой определяющий динамический параметр выпрямителей: t rr . Мы узнали, как t rr указывает, как быстро выпрямители прекращают работу в момент переключения из режима высокого прямого тока в состояние обратного смещения.Мы узнали, что этот параметр обратного восстановления, t rr , определяет выпрямитель как быстрое, сверхбыстрое или стандартное восстановление.

Сейчас мы узнаем, что важна не только скорость восстановления, но и то, насколько резко мы тормозим.

Мягкий? Что означает «мягкое восстановление»?

Из первой половины этой статьи вы узнали, что такое обратное восстановление и почему важна скорость восстановления. Но что мы подразумеваем под «мягким» восстановлением ?

Согласно стандарту JEDEC No.JESD282B.01, выпрямители мощности «могут обладать одним из двух типов характеристик восстановления. После того, как обратный ток достигнет своего пикового значения … он может сразу или через короткое время очень резко снизиться (резкое восстановление) или может уменьшиться медленно и плавно до своего установившегося значения блокировки обратного хода (мягкое восстановление) ».

Чтобы получить более интуитивное понимание того, что мы подразумеваем под «мягким восстановлением» и почему это важно, давайте рассмотрим грубую аналогию со скоростью ( v ), заменяющей текущим (I).Предположим, вы подумываете о прыжке с тарзанки с тарзанки на высоте 500 футов над землей, и, кроме того, предположим, что вам предложили два варианта остановки падения на землю: жесткая веревка длиной 100 футов или длиной 100 футов эластичный эластичный шнур. Оба предохранят ваше тело от удара о землю.

Однако выбор неэластичной веревки, конечно, приведет к катастрофическим и, вероятно, смертельным исходам из-за очень большого изменения вашей скорости d. падение.Вы, конечно же, выберете эластичный банджи, поскольку это приведет к возврату к нулевой скорости при d v / dt с большей вероятностью, чтобы выжить.

Так же, как высокое замедление d v / dt может повредить физические системы из-за ударных сил (поскольку Force = m (d v / dt)), высокие токи dI / dt могут вызвать скачки высокого напряжения в цепях с индуктивность, потому что напряжение = L (dI / dt). (И любая реальная схема будет иметь некоторую индуктивность, даже если это всего лишь паразитная индуктивность.)

Давайте еще раз посмотрим на нашу форму сигнала JEDEC t rr и сравним мягкое восстановление с резким восстановлением:

Формы сигналов плавного восстановления и внезапного восстановления (изображение адаптировано и перерисовано из стандарта JEDEC № JESD282B.01, рисунок 6.1)

На первый взгляд, у нас может возникнуть соблазн подумать, что мы можем определить «мягкость» нашей характеристики восстановления как простое отношение t rrr к t rrf . Мы видим, что это отношение будет небольшим для мягкого диода (например.g., ~ 1/3 или ~ 0,33) и большой (например, ~ 3/1 или ~ 3) для резкого диода в этих двух примерах сигналов. Конечно, сжатие времени восстановления тока с I rm обязательно сделает его более резким, при сохранении всех остальных параметров постоянными.

Но давайте взглянем на еще две формы сигнала обратного восстановления, обе из которых имеют соотношение t rrr / t rrf , близкое к таковому в нашем примере мягкого восстановления:

Еще два примера сигналов резкого восстановления (изображение адаптировано из стандарта JEDEC Standard No.JESD282B.01, рисунок 6.1)

Из этих двух последних сигналов видно, что при простом соотношении t rrr / t rrf не хватало бы ключевой точки физики: важен наклон кривой dI / dt!

Стандарт JEDEC, таким образом, определяет коэффициент плавности восстановления , обратный , (RRSF) для выпрямителей как отношение «максимальной абсолютной величины dI / dt в области t rrr к величине в t rrf . область.”

Чтобы продолжить аналогию с тарзанкой (каламбур не предназначен), некоторые производители называют это соотношение «коэффициентом привязки», а значения, считающиеся «мягкими» для сверхбыстрых выпрямителей, обычно представлены числами больше 0,5 (т. Е. 1/2 ).

При просмотре паспортов выпрямителя имейте в виду, что t rrr и t rrf часто обозначаются как «t a » и «t b » соответственно; и хотя это устаревшее обозначение, оно все еще встречается во многих недавних таблицах данных.

Прямое восстановление

В самом начале мы говорили, что существует два типа восстановления. Мы довольно подробно обсудили обратное восстановление, но не забудьте поговорить о другом типе: , прямое восстановление .

Возвращаясь к концепции теоретически идеального диода, такое устройство, конечно, будет проводить ток без какого-либо сопротивления или прямого падения напряжения в тот самый момент, когда анод становится положительным по отношению к катоду.Однако, как и в случае обратного восстановления, PN-переходу требуется определенное количество времени, чтобы установить себя в противоположном смещенном состоянии. Внешнее электрическое поле должно успевать инжектировать носители в зону обеднения (переводя переход в прямосмещенное состояние).

Прямое восстановление определяется как время, необходимое для того, чтобы напряжение на диоде достигло определенного уровня, близкого к его установившемуся значению V F , когда применяется резкий импульс прямого тока.Пока диод не достигнет конца времени прямого восстановления , t от , падение напряжения может на короткое время подняться до V FRM , что во много раз превышает его установившееся значение V F .

Рисунок ниже был адаптирован и перерисован из стандарта JEDEC № JESD282B.01, рисунок 5.13.

Форма сигнала прямого восстановления JEDEC

Но для того, чтобы прямое восстановление было проблемой, схема, в которой должен работать выпрямитель, должна иметь dI / dt не менее десятков ампер на микросекунду.Тем не менее, есть приложения, в которых это так, например, диоды с обратным ходом (также известные как обратные диоды, фиксирующие диоды, демпферы).

Выпрямитель Шоттки

На этом этапе нам нужно обсудить характеристики восстановления выпрямителя Шоттки. Проще говоря, их нет! По крайней мере, если мы определяем обратное восстановление как время, необходимое для очистки перехода от носителей заряда и восстановления и расширения зоны истощения.

До сих пор мы обсуждали характеристики восстановления кремниевого выпрямителя с PN переходом.Эти характеристики восстановления обусловлены физикой PN-полупроводникового перехода. Однако поведение выпрямителя Шоттки не основано на PN-переходе. Скорее, его способность к исправлению основана на переходе с барьером Шоттки (иногда известном как переход металл-кремний).

В отличие от PN-перехода, соединение Шоттки не имеет зоны истощения. Поэтому выпрямители Шоттки могут иметь типичные значения t rr 10 нс или меньше для некоторых устройств с умеренным током.В выпрямителях Шоттки переключение можно считать мгновенным, с единственной задержкой, связанной с емкостью перехода (которая обычно мала). А поскольку небольшое время восстановления, которое у них есть, в первую очередь связано с емкостью, это восстановление soft , а также fast .

Ограничения выпрямителей Шоттки

Итак, если выпрямители Шоттки такие сверхбыстрые и soft и low V F , почему они не всегда лучший выбор? К сожалению, ответ заключается в том, что они склонны к саморазрушению из-за теплового разгона , если рассеиваемая мощность, теплоотвод и условия эксплуатации не учитываются должным образом.Это связано с тем, что их обратная утечка экспоненциально увеличивается с температурой.

Например, типичный Schottky, который имеет I r 0,25 мА при 25 ° C, будет иметь этот баллон утечки до 30 мА при 125 ° C — это увеличение более чем в 100 раз!

Тем не менее, Schottky может быть хорошим выбором при следующих условиях:

  • , если ваши требования к V R невысоки (т.е. в цепи ожидаются только низкие напряжения)
  • , если вы можете допустить значительную утечку (и тепло, которое будет создавать продукт V R × I r )
  • , если вы уверены, что можете отводить тепло в достаточной степени для поддержания низкой рабочей температуры во всех прогнозируемых условиях

Сравнение основных параметров

Некоторые из них быстрее, некоторые мягкие, а некоторые дешевые, а некоторые могут быть дорогими.Что нам нужно, чтобы организовать наши мысли и избавиться от страха; Что нам сейчас нужно, я думаю, это таблица прямо здесь. (Приношу свои извинения за непонятный пентаметр с перевернутым ямбом, но эта таблица заслуживает особого введения.)

Мы представили здесь в матричной форме ключевые отличительные параметры (в виде типичных значений и типовых диапазонов) для широко доступных одноамперных выпрямителей в категориях, которые мы обсуждали.

Основные параметры для различных типов выпрямителей (типичные значения / диапазоны)

История технологии выпрямителей

Прежде чем мы закончим обсуждение того, как выбрать правильный выпрямитель мощности, я думаю, было бы полезно изучить варианты, доступные предыдущим поколениям инженеров и проектировщиков схем.В приведенной ниже таблице представлен общий обзор последнего столетия технического прогресса в области выпрямителей мощности.

Примечание. Для этой цели мы будем в узком смысле определять выпрямители как «силовые диоды» и игнорировать механические средства выпрямления конца 19 века, такие как резонансные герконовые вибраторы, синхронные контакты с приводом от двигателя и мотор-генераторы. Точно так же мы будем игнорировать современные схемотехники, такие как синхронное выпрямление, когда полевые МОП-транзисторы заменяют выпрямители.

С учетом этих оговорок, на диаграмме ниже по вертикальной оси отложены относительная эффективность (в%) и относительный физический объем (в см 2 ) в сравнении с технологией, а по горизонтальной оси — десятилетия использования.Шкала нормализована для устройств с мощностью 100 Вт, подаваемой на нагрузку.

Выпрямители ХХ века

Мы начинаем нашу диаграмму в начале 20 века с электролитических выпрямителей. Хотя электролитические выпрямители коммерчески производились и были легко доступны в начале 1900-х годов, самодельные самодельные версии обычно можно было найти в хижинах радиолюбителей и других предприимчивых энтузиастов электричества.Они были легко и экономично сконструированы путем смешивания буры (тетрабората натрия) в пинтовой банке с водой и погружения алюминиевой пластины и свинцовой пластины в электролит с противоположных сторон банки.

В течение первых нескольких минут пропускания переменного тока между двумя электродами происходит процесс формования, в котором алюминиевый электрод вступает в реакцию с раствором для получения тонкого поверхностного покрытия, которое позволяет току течь только в одном направлении и, таким образом, обеспечивает выпрямление. действие.(Свинцовый электрод не образует покрытия. Он просто обеспечивает соединение с электролитом.) Эффективность этих электролитических выпрямителей на самом деле была выше, чем у ламповых выпрямителей, которые в конечном итоге их вытеснили.

Ламповые выпрямители были немного меньше по объему и не были подвержены проливанию или утечке жидкости. Ламповые выпрямители были распространены в большинстве бытовой электроники в первой половине 20-го века, и действительно, они все еще имеют некоторых поклонников среди заядлых аудиофилов.

Выпрямители из оксида меди и оксида селена стали коммерческой альтернативой ламповым выпрямителям и часто выбирались конструкторами из-за их компактных размеров и механической прочности, а также их повышенной эффективности. Однако они со временем деградируют и при выходе из строя выделяют характерный неприятный запах и резкий запах.

Полупроводниковые выпрямители (сначала германий, затем кремний и выпрямители Шоттки) стали основой для коммерческих, промышленных и автомобильных применений на протяжении второй половины 20-го века, и они по-прежнему остаются основным набором деталей для конструкторов.

Заключение

Теперь вы должны понимать, как скорость переключения, dI / dt цепи и поведение диодов как в статических, так и в динамических рабочих условиях будут определять ваш выбор выпрямителя. Помните, что вам всегда нужно начинать с определения максимального устойчивого прямого тока I O , который ваш выпрямитель должен будет поддерживать, а также постоянного обратного напряжения блокировки V R .

Вооружившись этой информацией и пониманием характеристик восстановления выпрямителя, вы будете готовы погрузиться в таблицы данных различных производителей, сравнить и сопоставить их и сделать свой выбор.

Не то, чтобы он вам сейчас понадобится, но вот список, который послужит отправной точкой при выборе типа выпрямителей мощности, наиболее подходящих для использования в вашей следующей мощной конструкции.

  • Высоковольтные импульсные источники питания (SMPS): используйте быстрые и сверхбыстрые выпрямители с низким t rr .
  • Низковольтный ИИП: используйте выпрямители Шоттки.
  • Цепи зажима и демпфирования катушек реле и соленоидов: используйте быстрые выпрямители с низким t или .
  • Диодные схемы со свободным ходом: используйте сверхбыстрые выпрямители с низким t от и низким t rr .
  • Рулевое управление по току, замыкание питания и защита от обратной полярности: используйте стандартные выпрямители с выпрямителем для высоковольтных приложений и Schottky для низковольтных приложений.
  • Применение в сети переменного тока 50/60 Гц: используйте стандартные выпрямители.
  • Автомобильные, ветряные, микрогидравлические и другие трехфазные генераторы: используйте стандартные выпрямители с рекуперацией.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.