Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Используется свойство односторонней проводимости р-n -перехода. Электрод с большей концентрацией основных носителей называется эмиттером (Э), электрод с меньшей концентрацией основных носителей – базой (Б).

В большинстве случаев дискретные выпрямительные диоды являются плоскостными, причем р-n -переход германиевых диодов создают исключительно методом сплавления, а для изготовления кремниевых диодов используют сплавной и диффузионный методы. Для получения больших значений выпрямленных токов в выпрямительных диодах используют электронно-дырочные переходы с большой площадью, поскольку для нормальной работы диода плотность тока через переход не должна превышать 1…2 А/мм².

Кремниевые диоды сохраняют работоспособность при более высоких температурах до 125…150 °С, а германиевые теряют свои свойства при температурах, превышающих 85°С. Кремниевые диоды из-за низкой собственной электропроводности выдерживают максимально допустимое обратное напряжение до 1500 В, тогда как германиевые диоды – лишь 400…500 В. Однако у кремниевых диодов больше падение напряжения (до 2 В) при прямом смещении, чем в германиевых (менее 1 В).

Основной характеристикой выпрямительного диода является его вольт-амперная характеристика. На рисунке 4.1 приведены ВАХ р-n -перехода (1) или теоретическая и диода (2) или реальная.

Отличия реальной ВАХ от теоретической:

а) в области малых прямых токов характеристики совпадают, в области больших прямых токов становится значительным падение напряжения на сопротивлении полупроводников и электродов. Характеристика идет ниже и почти линейно;

б) при повышении обратного напряжения ток медленно растет в результате:

1) термической генерации носителей в переходе. С увеличением ширины перехода увеличивается его объем и увеличивается число генерируемых носителей, т.е. увеличивается тепловой ток. Обратное допустимое напряжение до 400 вольт, допустимая температура до (60-70)°С;

2) поверхностной проводимости р-n перехода за счет ионных и молекулярных пленок на поверхности перехода.

Различие ВАХ в зависимости от материала изготовления ‑ германия (Ge) и кремния (Si) ‑ показаны на рисунке 4.2. Видно, что при одном и том же значении напряжения ток через германиевый диод выше, чем через кремниевый. Это объясняется меньшей шириной запрещенной зоны в германии, чем в кремнии.

Влияние температуры на ВАХ германиевого диода показано на рисунке 4.3. Так как повышается концентрация неосновных носителей при повышении температуры, то повышается обратный ток I_обр.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

‑ постоянное прямое напряжение U_пр при заданном прямом токе I_пр;

‑ максимально допустимое обратное напряжение U_{обр max}, при котором диод еще может нормально работать длительное время;

‑ постоянный обратный ток I_обр, протекающий через диод при обратном напряжении U_{обр max};

‑ средний выпрямленный ток I_впср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре нагрева;

‑ максимально допустимая мощность P_max, рассеиваемая диодом, при котором обеспечивается заданная надежность диода.

По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока I_впср диоды делятся на маломощные (менее 0,3 А), средней мощности (0,3…10 А) и большой мощности (более 10 А). Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми.

 

Соединение диодов.

Иногда используется параллельное или последовательное соединение диодов:

а) если U_обр.>U_{обр. доп .}, то используется последовательное соединение (рисунок 4.4,а). Для выравнивания обратных сопротивлений диодов необходимо их шунтировать резисторами R_ш, чтобы равномерно разделить обратные напряжения на вентилях. R_ш=(0,1¸0,2)R_обр. Промышленностью выпускаются так называемые диодные столбы, в которых соединены последовательно от 5 до 50 диодов. Обратное напряжение U_обр таких столбов лежит в пределах 2…40 кВ;

б) если I_пр.>I_{прдоп .}, то применяется параллельное соединение диодов (рисунок 4.4,б). При этом для выравнивания прямых сопротивлений диодов последовательно с ними включаются резисторы с малым сопротивлением R_доб = (5¸10)R_{д. прям .}

Группы идентичных маломощных диодов часто выпускают в виде диодных матриц и диодных сборок. В диодных матрицах диоды присоединены к одному общему выводу, что облегчает их использование в логических устройствах и дешифраторах, в диодных сборках применяются параллельное, последовательное, мостовое и другие соединения.

Выпрямительные полупроводниковые диоды являются низкочастотными и способны работать на частотах 50…10⁵ Гц (силовые диоды – на частотах 50 Гц).