Диоды – характеристики, обозначение и маркировка диодов
Под диодом обычно понимают электровакуумные или полупроводниковые приборы, которые пропускают переменный электрический ток только в одном направлении и имеют два контакта для включения в электрическую цепь. Односторонняя проводимость диода является его основным свойством. Это свойство и определяет назначение диода:
преобразование высокочастотных модулированных колебаний в токи звуковой частоты (детектирование);
выпрямление переменного тока в постоянный.
Под детектированием понимают еще кроме этого обнаружение сигнала.
Классификация диодов
По исходному полупроводниковому материалу диоды делят на четыре группы:
германиевые,
кремниевые,
из арсенида галлия,
из фосфида индия.
Германиевые диоды используются широко в транзисторных приемниках, так как имеют выше коэффициент передачи, чем кремниевые.
Это связано с их большей проводимостью при небольшом напряжении (около 0,1. 0,2 В) сигнала высокой частоты на входе детектора и сравнительно малом сопротивлении нагрузки (5. 30 кОм).
По конструктивно-технологическому признаку различают диоды:
По назначению полупроводниковые диоды делят на следующие основные группы:
выпрямительные,
универсальные,
импульсные,
варикапы,
стабилитроны (опорные диоды),
стабисторы,
туннельные диоды,
обращенные диоды,
лавинно-пролетные (ЛПД),
тиристоры,
фотодиоды, с
ветодиоды и оптроны.
Диоды характеризуются такими основными электрическими параметрами:
током, проходящим через диод в прямом направлении (прямой ток Іпр);
током, проходящим через диод в обратном направлении (обратный ток Іобр);
наибольшим допустимым выпрямленным ТОКОМ Івыпр.макс;
В соответствии с системой обозначений, разработанной до 1964 г., сокращенное обозначение диодов состояло из двух или трех элементов.
Первый элемент буквенный, Д — диод.
Второй элемент — номер, соответствующий типу диода: 1. 100 — точечные германиевые, 101. 200— точечные кремниевые, 201. 300 — плоскостные кремниевые, 801. 900 — стабилитроны, 901. 950 — варикапы, 1001. 1100 — выпрямительные столбы. Третий элемент — буква, указывающая разновидность прибора. Этот элемент может отсутствовать, если разновидностей диода нет.
В настоящее время существует система обозначений, соответствующая ГОСТ 10862-72. В новой, как и в старой системе, принято следующее разделение на группы по предельной (граничной) частоте усиления (передачи тока ) на:
низкочастотные НЧ (до 3 МГц),
средней частоты СЧ (от 3 до 30 МГц),
высокочастотные ВЧ (свыше 30 МГц),
сверхвысокочастотные СВЧ;
По рассеиваемой мощности:
маломощные (до 0,3 Вт),
средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт),
большой (свыше 1,5 Вт) мощности.
Новая система обозначений
Новая система маркировки диодов более совершенна. Она состоит из четырех элементов.
Первый элемент (буква или цифра) указывает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г или 1 — германий * К или 2 — кремний , А или 3 — арсенид галлия , И или 4 — фосфид индия .
Второй элемент — буква, показывающая класс или группу диода.
Третий элемент — число, определяющее назначение или электрические свойства диода.
Четвертый элемент указывает порядковый номер технологической разработки диода и обозначается от А до Я.
диод КД202А расшифровывается: К — материал, кремний, Д — диод выпрямительный, 202 — назначение и номер разработки, А — разновидность;
2C920 — кремниевый стабилитрон большой мощности разновидности типа А;
АИ301Б — арсенид галлиевый туннельный диод переключающей разновидности типа Б.
Иногда встречаются диоды, обозначенные по устаревшим системам: ДГ-Ц21, Д7А, Д226Б, Д18. Диоды Д7 отличаются от диодов ДГ-Ц цельнометаллической конструкцией корпуса, вследствие чего они надежнее работают во влажной атмосфере.
Германиевые диоды типа ДГ-Ц21. ДГ-Ц27 и близкие к ним по характеристикам диоды Д7А. Д7Ж обычно используют в выпрямителях для питания радиоаппаратуры от сети переменного тока.
В условное обозначение диода не всегда входят некоторые технические данные, поэтому их необходимо искать в справочниках по полупроводниковым приборам.
Одним из исключений является обозначение для некоторых диодов с буквами КС или цифрой вместо К (например, 2С) — кремниевые стабилитроны и стабисторы.
После этих обозначений стоит три цифры, если это первые цифры: 1 или 4, то взяв последние две цифры и разделив их на 10 получим напряжение стабилизации Uст.
КС107А — стабистор, Uст = 0,7 В,
2С133А — стабилитрон, Uст = 3,3 В.
Если первая цифра 2 или 5, то последние две цифры показывают Uст, например:
КС 213Б — Uст = 13 В,
2С 291А — Uст = 91 В.
Еесли цифра 6, то к последним двум цифрам нужно прибавить 100 В, например: КС 680А – Uст = 180 В.
Маркировка диодов
На корпусе диода обычно указывают материал полупроводника, из которого он изготовлен (буква или цифра), тип (буква), назначение или электрические свойства прибора (цифра), букву, соответствующую разновидности прибора, и дату изготовления, а также его условное обозначение.
Условное обозначение диода (анод и катод) указывает, как нужно подключать диод на платах устройств. Диод имеет два вывода, один из которых катод (минус), а другой — анод (плюс).
Условное графическое изображение на корпусе диода наносится в виде стрелки, указывающей прямое направление, если стрелки нет, то ставится знак «+».
На плоских выводах некоторых диодов (например, серии Д2) прямо выштамповано условное обозначение диода и его тип. При нанесении цветового кода, цветную метку, точку или полоску наносят ближе к аноду (рис. 1).
Для некоторых типов диодов используется цветная маркировка в виде точек и полосок (табл. 1). Диоды старых типов, в частности точечные, выпускались в стеклянном оформлении и маркировались буквой «Д» с добавлением цифры и буквы, обозначающих подтип прибора. Германиево-индиевые плоскостные диоды имели обозначение «Д7».
а) диоды малой мощности (прямой дополнительный ток до 0.3 А); б) средней мощности (от 0.3 А до 10 А); в) большой мощности (свыше 10 А).
Выпрямительные диоды.
Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называются выпрямительными. Для выпрямления низкочастотных сигналов применяются плоскостные низкочастотные выпрямительные диоды.
Импульсные диоды.
Диоды работают в импульсном режиме при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды.
Диоды Шотки.
Принцип действия основан на использовании выпрямительного перехода между металлом и полупроводником. Так как в металлической базе диода не происходит накопления и рассасывания неосновных носителей, то диоды Шотки обладают большим быстродействием и могут работать на частотах до 20ГГц.
Стабилитроны.
Стабилитроны – полупроводниковые приборы, имеющие на своей ВАХ при обратном включении в области электрического пробоя участок, на котором напряжение слабо зависит от изменения тока. Может быть использован для стабилизации напряжения. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.
ПП диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабилизаторов используется не обратное, а прямое напряжение, значение которого в среднем не более 0.7 В. Особенность стабисторов – отрицательный ТКН. Поэтому их применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН.
Варикапы.
Варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые изменением обратного напряжения. (Используется барьерная емкость p-n перехода.) Применяются главным образом для настройки колебательных контуров.
Туннельные диоды.
Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в p-n переходе границы всех энергетических зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера (в ЭВ). В обычных ПП диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещенной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины, т.к. они обычно изготавливаются из полупроводников с очень высокой концентрацией примесей.
Основные параметры туннельных диодов:ток максимума Imax; ток минимума Imin (или соотношение Imax/Imin);напряжение максимума U1; напряжение минимума U2; наибольшее напряжение U3, соответствующее току Imax на втором восходящем участке ВАХ (участок БВ). Разность DU = U3 – U1 называется напряжением переключения или напряжением скачка. Токи в современных диодах составляют единицы миллиампер. Напряжения – десятые доли вольта. На рисунке изображена ВАХ туннельного диода.
Обращенные диоды.
Принцип действия тоже основан на туннельном эффекте, причем высота потенциального барьера при отсутствии внешнего напряжения равна ширине запрещенной зоны, в результате чего при прямом напряжении обращенный диод работает как обычный выпрямительный диод, а при обратном – как туннельный. Поэтому обращенный диод при обратном включении обладает лучшей проводимостью, чем при прямом. Обращенные диоды могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, чем обычные диоды.
Классификация диодов .
Диоды можно условно представить в виде 2-х групп: выпрямительные и специальные
1.2. Выпрямительные диоды.
Выпрямительный диод использует вентильные свойства p-n перехода и применяется в преобразователях переменного тока – выпрямителях.
В названном устройстве диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном – разомкнут. Однако в обоих этих случаях ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения за счет падения напряжения Uпр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения. Значение Uпр открытых германиевых диодов порядка 0,5В, а для кремниевых –1,5В.
Основными параметрами выпрямительных диодов являются : Uср и Iср – среднее значение тока и напряжения выпрямителя;
Iпр ср max – максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;
Uобр.доп – наибольшее допустимое значение постоянного обратного напряжения диода;
Uпр – прямое падение напряжения на диоде при заданном прямом токе;
Umax – максимальное обратное напряжение на диоде. Uобр – максимальное значение обратного напряжения на диоде (при воздействии отрицательной полуволны); ε – коэффициент пульсации выходного напряжения;
Iд max – максимальное значение тока диода; f – частота.
В зависимости от количества включенных в схему выпрямителя диодов можно составить однополупериодную, двухполупериодную со средней точкой и мостовую схемы.
Однополупериодная схема выпрямител я представлена на (рис. 1.4.)
Основные формулы расчета однополупериодного выпрямителя:
Uср=Uвх* √ 2/π ≈ 0,45Uвх; Uвх=2,22*Uср;
Uобр max = √ 2*Uвх=π*Uср
Iд max = √ 2*Uвх/Rн = π* Iср.
Двухполупериодный со средней точкой представлен на (рис.1.5)
Uср=2*U2* √ 2/π=0,9*U2, где:
Рис.1.5. Схема эл. принципиальная
Uобр max=2* √ 2*U2=π*Uср;
Iд max = √ 2*U2/Rн = Iср*π/2;
В схеме (рис. 1.5) диод находится под тройным значением среднего выпрямленного напряжения, когда он не проводит ток.
Схема мостового двухполупериодного выпрямителя.
Самой применяемой на практике схемой является схема мостового двухполупериодного выпрямителя (рис.1.6).
Расчёт выпрямителя можно провести по следующим формулам:
Uобр max = √ 2*Uвх= Uср*π/2
Рис.1.6. Схема мостового двух –
Iд max= √ 2*Uвх/Rн= Iср*π/2;
По мощности и частоте выпрямительные диоды классифицируют:
– по мощности: маломощные (Iпр ср max 10A);
– по частоте: низкочастотные (fmax 1000Гц).
1.3. Специальные диоды Диод Шоттки выполнен на выпрямляющем переходе некоторых видов
металла с полупроводником. Его отличает меньшее, чем у диодов с p-n переходом напряжение Uпр и более высокие частотные характеристики. Диод применяется для увеличения быстродействия импульсных схем.
Стабилитрон – Если приложить к полупроводниковому диоду напряжение в обратной полярности, то собственное поле p-n перехода и поле внешнего источника действуют в одном направлении и поэтому складываются. Это приводит к увеличению обратного тока, который обусловлен неосновными носителями и, который по мере увеличения приложенного обратного напряжения медленно и плавно возрастает. Но при некотором значении напряжения внезапно увеличивается в сотни раз, происходит электрический пробой p-n перехода и ток резко возрастает. (Для кремниевого стабилитрона пробой наступает при Uобр ≈ – 5В).В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно (стабилизируется), точки A и B на ВАХ диода (рис.1.3).
К основным параметрам стабилитрона относятся:
Uст – номинальное напряжение стабилизации при заданном токе; Rддифференциальное сопротивление при заданном токе;
Iст. – ток стабилизации;
Pст. – рассеиваемая мощность; Е – ЭДС источника питания;
Варикап – полупроводниковый диод, который работает как переменная емкость. При подаче на него обратного напряжения в зоне перехода отсутствуют носители тока, в тоже время они имеются в n- и p- областях. Таким образом образуется плоский конденсатор , где p-n переход играет роль изолятора между двумя проводящими областями. Увеличение напряже-
приводит к расширению зоны перехода, уменьшение – к ее сужению, и соответственно уменьшается или увеличивается эквивалентная емкость p-n перехода. ВАХ приведена на (рис. 1.7)
Рис. 1.8. ВАХ туннельного диода
Туннельный диод – Для изготовления туннельных диодов используются полупроводники с большим содержанием примесей. У названных полупроводников ширина (толщина) p-n перехода на два порядка меньше, чем у обычных диодов. Это приводит к тому, что на p-n переходе действует сильное запирающее электрическое поле. При этом на p-n переходе наблюдается туннельный эффект, обусловленный волновой природой электронов – чем меньше энергия электрона, тем большей длиной волны он обладает. Это приводит к тому, что электроны малых энергий относительно легко огибают запертый p-n переход. При этом вероятность туннельного прохождения возрастает с уменьшением ширины перехода и увеличением напряженности электрического поля на нем.
Туннельные диоды в отличие от рассмотренных выше диодов, являющихся лишь преобразователями электрического тока, обеспечивают усиление электрических сигналов.
На (рис.1.8) приведена ВАХ туннельного диода. На ВАХ участок CD имеет отрицательное дифференциальное сопротивление. Туннельные диоды занимают особое место среди полупроводниковых диодов из-за свойственной ему положительной обратной связи по напряжению и хороших динамических свойств.
Излучающий диод (светодиод) – полупроводниковый диод, излучающий из области p-n перехода кванты световой энергии.
По характеристике излучения светодиоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра – светодиоды и диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие название ИКдиодов. Принцип действия обоих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последнего определяется типом исходного материала.
Светодиоды применяются в световых индикаторах, а ИК-диоды – в оптоэлектронных устройствах.
Фотодиод – полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта – генерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов) свободных носителей заряда.
Фотодиод используется для преобразования светового излучения в электрический ток.
Условные графические обозначения (УГО) диодов приведены на (рис. 1.9).
Светодиоды: классификация, назначение, основные характеристики
В данной статье собрана подробная информация о светодиодах. Описаны их характеристики, виды и спецификации.
Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.
ВОПРОС 1. Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.
Рис.1 Устройство и внешний вид индикаторных светодиодов.
Р ис.2 Обозначение светодиода на схеме
Существуют следующие основные характеристики светодиодов:
Эффективность (светоотдача).
Отношение светового потока к потребляемой мощности (Лм/Вт). Это та величина, которая в первую очередь попадает во внимание специалистов, потому что именно по эффективности определяется применимость светодиодов для систем освещения. Для сравнения:
Показатели очень хорошие, что позволяет успешно конкурировать с люминесцентными, натриевыми, галогеновыми лампами. Более того, светодиоды уже выигрывают по этому показателю у газоразрядных ламп, т.к. весь световой поток у них идет в одну полуплоскость, поэтому не требуются разного рода отражатели.
Цветовая температура.
Рис.3 Шкала световых температур
Цветовая температура используемых светодиодов: 2500 Кельвинов- 9500 Кельвинов.
2500-3000 Кельвинов: теплый белый свет. (warm white или сокращенно WW) Он ближе к лампам накаливания. 4000-5000 Кельвинов: нейтральный белый свет.( white neutral или сокращенно NW) 6500-9500 Кельвинов: холодный белый свет. (cold white или сокращенно CW)
По источникам независимых исследований, именно нейтральный белый свет является наиболее комфортным для офисной работы, и в нем предметы становятся наиболее четкими.Нашей компание используются светодиоды с нейтральным светом .Кроме того, в осветительных приборах мы используем цветные светодиоды (основные цвета : красный, синий, зеленый, желтый) и светодиоды RGB(полноцветный светодиод).
Как правило 120-140 градусов, в индикаторных 15-45 градусов.
Деградация (ресурс) светодиодов.
Очень важный показатель. Многие производители декларируют около 100 тысяч часов и даже более. Какие факторы оказывают влияние на ресурс светодиодов? В первую очередь это токовая деградация. Если через диод пропустить силу тока большую, чем та, на которую он рассчитан, то наступает быстрая деградация. Как правило: в пределах первых 1000 часов. Этим пользуются недобросовестные производители.
Следующий фактор – температурная деградация. Светодиод в процессе работы нагревается. И, если не отводить тепло, то диод быстро потускнеет. Для отвода тепла применяется много конструкторских решений. В наших светильниках применяется плата с алюминиевой подложкой. Подложка в свою очередь имеет механический контакт с корпусом светильника, что дополнительно отводит тепло. Главное: в точке пайки светодиода соблюдать температурный режим не более 65 градусов Цельсия. В наших светильниках это достигается. Соответственно, находясь в рабочем режиме, ресурс диодов в предлагаемых светильниках составляет декларируемые 40-50 тысяч часов.
ВОПРОС 2 . Индикаторные светодиоды (ILT) сегодня являются лидерами в повсеместном использовании. Появившись в 60-х годах, они быстро завоевали популярность, вытеснив лампы накаливания, используемых в качестве подсветки и индикации. А использование в данных светодиодах кристаллы с повышенной яркостью позволяют использовать их в мощных светоизлучающих устройствах (фонари, стоп-сигналы, индикаторные огни, светофоры, DIP-ленты и т.д.). На сегодняшний день практически ни одна бытовая техника не обходится без индикаторного светодиода. Существуют следующие стандартные типоразмеры индикаторных светодиодов : 3; 5; 4,8; 8 и 10мм.
Рис.10 Индикаторные светодиоды в схемотехнике
Рис.11 Индикаторные светодиоды в фонарях
Рис.12 Индикаторные светодиоды в светофорах
Рабочий ток таких светодиодов как правило 20-40мА , световая отдача может доходить для белого света 3-5Лм со светодиода. Угол излучения у данных светодиодов либо узкий (15-45 градусов) , либо широкий (110-140 градусов). Температура света и цветовая характеристика такая же как и у всех светодиодов. Возможно производство в 2-х цветной компоновке.
Рис.13 Индикаторный 2-х цветный светодиод.
Использование интегрированного резистора позволяет использовать индикаторные светодиоды для напряжения питания 12В.
Рис.14 Индикаторные светодиоды в DIPленте.
ВОПРОС 3. SMD-поверхностный монтаж — технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов.
Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMD-технология (от surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют чип-компонентами. Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным ее отличием от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы, однако преимущества технологии поверхностного монтажа печатных плат проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приемов изготовления печатных узлов.
Рис.15 Конденсатор поверхностного монтажа на плате, макрофотография
Наиболее популярные SMD(SLT) светодиоды это светодиод 3528 и 5050.
Светодиоды 3528
Рис.16 Светодиод 3528
Рабочий ток 20-25 мА;
Мощность 0,07 Вт;
Световой поток 3-7 Лм;
Напряжение питания 3-3,2 В (для белого светодиода);
Цвета: все оттенки белого, красный, зеленый, синий, желтый:
Норма упаковки – бабина 2000 штук.
Использование : Светодиодные ленты, лампы, автолампы, панели, светильники.
Рис.17 Светодиодная автолампа на светодиодах 3528
Светодиоды 5050
Рис.18 Светодиоды 5050
В светодиоды 5050 используются однотипные кристаллы как и в светодиоде 3528 , только в количестве 3-х штук. А использование 3-х кристаллов разных цветов (красного, зеленого и синего) позволяют получить маломощный RGB светодиод.
Основные характеристики: -Рабочий ток 60-75мА -Мощность 0,21Вт -Световой поток 10-21Лм -напряжение питания 3-3,2В (для белого светодиода) -цвета: все оттенки белого, красный, зеленый, синий , желтый, RGB -норма упаковки – бабина 1000 штук.
Использование : Светодиодные ленты, лампы, автолампы, модули, панели, светильники.
Рис.19 Светодиоды 5050 в светодиодном модуле
ВОПРОС 4. Для производства светодиодного оборудования компания HTF Светодиодное освещение использует светодиоды средней и большой мощности . Все они маркируются как светодиоды PLT. Сравнительная характеристики используемых светодиодов представлена в Таблице 1.
Потреб. Мощность, Вт
Световой поток, (эффективность) Лм/Вт
Выпрямительные диоды: устройство, конструктивные особенности и основные характеристики
Основное предназначение выпрямительных диодов — преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и управления, используют в каскадных генераторах и т.д. Начинающим радиолюбителям будет интересно узнать, как устроены эти полупроводниковые элементы, а также их принцип действия. Начнем с общих характеристик.
Устройство и конструктивные особенности
Основной элемент конструкции – полупроводник. Это пластина кристалла кремния или германия, у которого имеются две области р и n проводимости. Из-за этой особенности конструкции она получила название плоскостной.
При изготовлении полупроводника обработка кристалла производится следующим образом: для получения поверхности р-типа ее обрабатывают расплавленным фосфором, а р-типа – бором, индием или алюминием. В процессе термообработки происходит диффузия этих материалов и кристалла. В результате образуется область с р-n переходом между двумя поверхностями с различной электропроводимостью. Полученный таким образом полупроводник устанавливается в корпус. Это обеспечивает защиту кристалла от посторонних факторов воздействия и способствует теплоотводу.
Конструкция (1), внешний вид (2) и графическое отображение выпрямительного диода(3)
Обозначения:
А – вывод катода.
В – кристалладержатель (приварен к корпусу).
С – кристалл n-типа.
D – кристалл р-типа.
E – провод ведущий к выводу анода.
F – изолятор.
G – корпус.
H – вывод анода.
Как уже упоминалось, в качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Первые применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.
Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.
Классификация по мощности
Мощность элементов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:
Слаботочные выпрямительные диоды, они используются в цепях с током не более 0,3 А. Корпус таких устройств, как правило, выполнен из пластмассы. Их отличительные особенности – малый вес и небольшие габариты. Выпрямительные диоды малой мощности
Устройства, рассчитанные на среднюю мощность, могут работать с током в диапазоне 0,3-10 А. Такие элементы, в большинстве своем, изготавливаются корпусе из металла и снабжены жесткими выводами. На одном один из них, а именно на катоде, имеется резьба, позволяющая надежно зафиксировать диод на радиаторе, используемого для отвода тепла. Выпрямительный диод средней мощности
Силовые полупроводниковые элементы, они рассчитаны на прямой ток свыше 10 А. Производятся такие устройства в металлокерамических или металлостеклянных корпусах штыревого (А на рис. 4) или таблеточного типа (В). Рис. 4. Выпрямительные диоды высокой мощности
Перечень основных характеристик
Ниже приведена таблица, с описанием основных параметров выпрямительных диодов. Эти характеристики можно получить из даташита (технического описания элемента). Как правило, большинство радиолюбителей к этой информации обращаются в тех случаях, когда указанный в схеме элемент недоступен, что требует найти ему подходящий аналог.
Таблица основных характеристик выпрямительных диодов
Заметим, что в большинстве случаев, если требуется найти аналог тому или иному диоду, первых пяти параметров из таблицы будет вполне достаточно. При этом желательно учесть диапазон рабочей температуры элемента и частоту.
Принцип работы
Проще всего объяснить принцип действия выпрямительных диодов на примере. Для этого смоделируем схему простого однополупериодного выпрямителя (см. 1 на рис. 6), в котором питание поступает от источника переменного тока с напряжением UIN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.
Рис. 6. Принцип работы однодиодного выпрямителя
Во время положительного полупериода, диод находится в открытом положении и пропускает через себя ток на нагрузку. Когда приходит очередь отрицательного полупериода, устройство запирается, и питание на нагрузку не поступает. То есть происходит как бы отсечение отрицательной полуволны (на самом деле это не совсем верно, поскольку при данном процессе всегда имеется обратный ток, его величина определяется характеристикой Iобр).
В результате, как видно из графика (3), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.
Заметим, что импульсное напряжение, на выходе такого выпрямителя подходить только для питания малошумных нагрузок, примером может служить зарядное устройство для кислотного аккумулятора фонарика. На практике такую схему используют разве что китайские производители, с целью максимального удешевления своей продукции. Собственно, простота конструкции является единственным ее полюсом.
К числу недостатков однодиодного выпрямителя можно отнести:
Низкий уровень КПД, поскольку отсекаются отрицательные полупериоды, эффективность устройства не превышает 50%.
Напряжение на выходе примерно вдвое меньше, чем на входе.
Высокий уровень шума, что проявляется в виде характерного гула с частотой питающей сети. Его причина – несимметричное размагничивание понижающего трансформатора (собственно именно поэтому для таких схем лучше использовать гасящий конденсатор, что также имеет свои отрицательные стороны).
Заметим, что эти недостатки можно несколько уменьшить, для этого достаточно сделать простой фильтр на базе высокоемкостного электролита (1 на рис. 7).
Рис. 7. Даже простой фильтр позволяет существенно снизить пульсации
Принцип работы такого фильтра довольно простой. Электролит заряжается во время положительного полупериода и разряжается, когда наступает черед отрицательного. Емкость при этом должна быть достаточной для поддержания напряжения на нагрузке. В этом случае импульсы несколько сгладятся, примерно так, как продемонстрировано на графике (2).
Приведенное решение несколько улучшит ситуацию, но ненамного, если запитать от такого однополупериодного выпрямителя, например, активные колонки компьютера, в них будет слышаться характерный фон. Для устранения проблемы потребуются более радикальное решение, а именно диодный мост. Рассмотрим принцип работы этой схемы.
Устройство и принцип работы диодного моста
Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Схема включения полупроводниковых выпрямительных элементов продемонстрирована ниже.
Принцип работы диодного моста
Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них. Распишем подробно, как происходит процесс:
На схему приходит переменное напряжение Uin (2 на рис. 8). Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
На следующий период цикл повторяется.
Как видно по результату (график 3), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным. Его преимущества очевидны, перечислим их:
Поскольку задействованы в работе оба полупериода, существенно увеличивается КПД (практически вдвое).
Пульсация на выходе мостовой схемы увеличивает частоту также вдвое (по сравнению с однополупериодным решением).
Как видно из графика (3), между импульсами уменьшается уровень провалов, соответственно сгладить их фильтру будет значительно проще.
Величина напряжения на выходе выпрямителя приблизительно такая же, как и на входе.
Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.
Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.
Диодный мост в виде сборки
Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «
» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».
На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.
На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.
Для чего нужны выпрямительные диоды?
Выпрямительный диод особая разновидность диодов, созданные для трансформации переменного тока, если необходимо получить постоянный на входе или выходе. Это не единственная работа, которую выполняют данные диоды. Они нашли свое применение во всех сферах и направлениях радиоэлектроники. Они применяются для создания цепей управления, для коммутации, контроля напряжения, в цепях, где протекает сильный ток. От номинального значения тока, производится классификация выпрямительных диодов. Они бывают следующих видов:
По сфере применения на диоды из элементов германия (Gr) или кремния (Si). В статье будут описаны все особенности, технические характеристики устройства этих радиодеталей. Также читатель найдет познавательные видеоролики и интересный материал из научной статьи по данной теме.
Технология изготовления и конструкция
Конструкция выпрямительных диодов представляет собой одну пластину кристалла полупроводника, в объеме которой созданы две области разной проводимости, поэтому такие диоды называют плоскостными. Технология изготовления таких диодов заключается в следующем. На поверхность кристалла полупроводника с электропроводностью n-типа расплавляют алюминий, индий или бор, а на поверхность кристалла с электропроводностью p-типа расплавляют фосфор.
Под действием высокой температуры эти вещества крепко сплавляются с кристаллом полупроводника. При этом атомы этих веществ проникают (диффундируют) в толщу кристалла, образуя в нем область с преобладанием электронной или дырочной электропроводностью. Таким образом получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности — а между ними p-n переход. Большинство распространенных плоскостных кремниевых и германиевых диодов изготавливают именно таким способом.
Для защиты от внешних воздействий и обеспечения надежного теплоотвода кристалл с p-n переходом монтируют в корпусе. Диоды малой мощности изготавливают в пластмассовом корпусе с гибкими внешними выводами, диоды средней мощности – в металлостеклянном корпусе с жесткими внешними выводами, а диоды большой мощности – в металлостеклянном или металлокерамическом корпусе, т.е. со стеклянным или керамическим изолятором.
Электрические параметры
У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:
Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
Рабочая частота, кГц;
Рабочая температура, С.
Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.
Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде
На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).
В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.
Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.
Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.
Диодный мост
Диодный мост – это небольшая схема, составленная из 4-х диодов и предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный. В отличие от однополупериодного выпрямителя, состоящего из одного диода и пропускающего ток только во время положительного полупериода, мостовая схема позволяет пропускать ток в течение каждого полупериода. Диодные мосты изготавливают в виде небольших сборок заключенных в пластмассовый корпус. Из корпуса сборки выходят четыре вывода напротив которых расположены знаки «+», «—» или «
», указывающие, где у моста вход, а где выход. Но не обязательно диодные мосты можно встретить в виде такой сборки, их также собирают включением четырех диодов прямо на печатной плате, что очень удобно.
Например. Вышел из строя один из диодов моста, если будет стоять сборка, то ее смело выкидываем, а если мост будет собран из четырех диодов прямо на плате — меняем неисправный диод и все готово. На принципиальных схемах диодный мост обозначают включением четырех диодов в мостовую схему, как показано в левой части нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моста. Такое графическое обозначение моста можно встретить еще в старых журналах по радиотехнике. Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мост обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярность выходного напряжения. Теперь рассмотрим работу диодного моста на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.
Применение диодов
Не следует думать, что диоды применяются лишь как выпрямительные и детекторные приборы. Кроме этого можно выделить еще множество их профессий. ВАХ диодов позволяет использовать их там, где требуется нелинейная обработка аналоговых сигналов. Это преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и другие устройства. Диоды в таких устройствах используются либо непосредственно как преобразователь, либо формируют характеристики устройства, будучи включенными в цепь обратной связи. Широкое применение диоды находят в стабилизированных источниках питания, как источники опорного напряжения (стабилитроны), либо как коммутирующие элементы накопительной катушки индуктивности (импульсные стабилизаторы напряжения).
С помощью диодов очень просто создать ограничители сигнала: два диода включенные встречно – параллельно служат прекрасной защитой входа усилителя, например, микрофонного, от подачи повышенного уровня сигнала. Кроме перечисленных устройств диоды очень часто используются в коммутаторах сигналов, а также в логических устройствах. Достаточно вспомнить логические операции И, ИЛИ и их сочетания. Одной из разновидностей диодов являются светодиоды. Когда-то они применялись лишь как индикаторы в различных устройствах. Теперь они везде и повсюду от простейших фонариков до телевизоров с LED – подсветкой, не заметить их просто невозможно.
Параметры диодов
Параметров у диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен. Основные параметры выпрямительных диодов приведены в таблице ниже.
В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются. Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:
U пр.– допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.
U обр.– допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).
Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине.
Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.
I пр.– прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.
I обр.– обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.
U стаб.– напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.
Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.
Заключение
В статье описаны все тонкости и нюансы работы и устройства выпрямительных диодов и схема их устройства. Более подробно о них можно узнать из стать Что такое диоды.
Выпрямительные диоды. 
Принцип действия основан на использовании выпрямительного перехода между металлом и полупроводником. Так как в металлической базе диода не происходит накопления и рассасывания неосновных носителей, то диоды Шотки обладают большим быстродействием и могут работать на частотах до 20ГГц.
Стабилитроны – полупроводниковые приборы, имеющие на своей ВАХ при обратном включении в области электрического пробоя участок, на котором напряжение слабо зависит от изменения тока. Может быть использован для стабилизации напряжения. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.
Варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые изменением обратного напряжения. (Используется барьерная емкость p-n перехода.) Применяются главным образом для настройки колебательных контуров.
Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в p-n переходе границы всех энергетических зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера (в ЭВ). В обычных ПП диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещенной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины, т.к. они обычно изготавливаются из полупроводников с очень высокой концентрацией примесей.
Основные параметры туннельных диодов:ток максимума Imax; ток минимума Imin (или соотношение Imax/Imin);напряжение максимума U1; напряжение минимума U2; наибольшее напряжение U3, соответствующее току Imax на втором восходящем участке ВАХ (участок БВ). Разность DU = U3 – U1 называется напряжением переключения или напряжением скачка. Токи в современных диодах составляют единицы миллиампер. Напряжения – десятые доли вольта. На рисунке изображена ВАХ туннельного диода.
Обращенные диоды.
Выпрямительные диоды малой мощности
Выпрямительный диод средней мощности
Рис. 4. Выпрямительные диоды высокой мощности
Таблица основных характеристик выпрямительных диодов
Рис. 6. Принцип работы однодиодного выпрямителя
Рис. 7. Даже простой фильтр позволяет существенно снизить пульсации
Принцип работы диодного моста
