2.2.3. Выпрямительные диоды

Выпрямительные полупроводниковые диоды – это полупроводниковые приборы, предназначенные для использования их в схемах выпрямления переменного тока. Их характерной особенностью является высокое значение предельно допустимого обратного напряжения U_{обр max} (сотни вольт и выше).

Условное графическое обозначение (УГО) и структура выпрямительных диодов показаны на рис. 2.4. Диод имеет два вывода: анод (А, р-область) и катод (К, n –область).

Следует отметить важное обстоятельство, которое следует учитывать при дальнейшем анализе работы различных полупроводниковых структур, в том числе, диодов, биполярных и полевых транзисторов и т. п. В реальном диоде на границе металлических контактов А и К с полупроводниковым материалом образуется дополнительные (паразитные) выпрямляющие p-n-переходы, негативно влияющие на работу той или иной структуры. Поэтому в реальных структурах металлические контакты, например, анода и катода, всегда примыкают к сильнолегированным (обогащенным) слоям полупроводника, обозначаемым n⁺ и р⁺. Электрофизические свойства этих слоев близки к свойствам металлов, поэтому и устраняется паразитный выпрямляющий p-n-переход (рис. 2.4, б). Именно поэтому говорится, что, несмотря на сложную реальную структуру диода, в нем присутствует только один выпрямляющий p-n-переход.

а) б)

Рис. 2.4. УГО диода (а) и его структура (б) с невыпрямляющими контактами

Выпрямительные диоды характеризуют набором статических и динамических параметров.

К статическим параметрам диода относят:

 среднее значение прямого тока I_пр.ср;

 среднее значение прямого напряжения на диоде U_a при некотором значении прямого тока;

 постоянный (среднее) прямой ток (допустимый выпрямленный ток) I_пр.ср;

 постоянное (допустимое) обратное напряжение U_{обр. max};

 средний обратный ток I_обр на частоте 50 Гц при заданном значении температуры кристалла;

 импульсное обратное напряжение U_обр.и и т. п.

Выпрямительные диоды можно условно разделить на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности (силовые).

К выпрямительным диодам малой мощности относятся диоды с допустимым выпрямленным током до 300 мА. Такие диоды выпускаются на максимальные напряжения - от десятков вольт до 1200 В. На более высокие напряжения выпускаются выпрямительные столбы, содержащие в одном корпусе последовательно соединенные диоды. Их обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых и 10 мкА для кремниевых диодов. По частотным свойствам диоды этого типа подразделяют на низкочастотные (до 400 Гц) и высокочастотные (10-20 кГц).

К выпрямительным диодам средней мощности относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в диапазоне 300 мА- 10 А. Больший прямой ток этих диодов по сравнению с маломощными достигается увеличением рабочей площади p-n-перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми, поэтому обратный ток у них достаточно мал (несколько десятков микроампер) при сравнительно большой площади p-n-перехода.

Конструкция и вольтамперные характеристики маломощных сплавных германиевых диодов Д7 (I_ср.доп = 300 мА, U_{обр. max} = 700 В) показаны на рис. 2.5.

Произведение величины обратного напряжения на диоде на величину обратного тока, протекающего через диод, характеризует потребляемую мощность, которая преобразуется в тепло, разогревающее p-n-переход. Следствием недопустимого повышения обратного напряжения (перенапряжения), и соответственно, превышение мощности свыше значений, указанных в паспорте прибора, и является необратимый тепловой пробой.

Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, обычно недостаточно рассеивается корпусом прибора. Поэтому для улучшения условий теплоотвода применяют дополнительные охладители-радиаторы. Корпус диода имеет стержень с винтовой нарезкой для крепления на радиатор. Диоды с плоским основанием крепят (прижимают) к радиатору с помощью фланцевого соединения. Пример возможной конструкции выпрямительных диодов средней мощности показан на рис. 2.6.

а) б)

Рис. 2.5. Конструкция маломощных германиевых выпрямительных диодов Д7А-Д7Ж (а) и их примерные вольтамперные характеристики (б)

1-внешний вывод A; 2-трубка (штенгель); 3-стеклянный изолятор; 4-корпус; 5- внутренний вывод анода; 6-таблетка In; 7-кристалл Ge; 8-кристаллодержатель; 9-внешний вывод K

а) б)

Рис. 2.6. Конструкция кремниевых выпрямительных диодов средней мощности 2Д202-2Д205 (а) и примерные вольтамперные характеристики Д205 (б)

1 - вывод A; 2 - трубка (штенгель); 3 - стеклянный изолятор; 4 - корпус; 5 - внутренний вывод анода; 6 - Al; 7 - кристалл Si; 8 - теплоотводящее основание; 9 - кристаллодержатель; 10 - вывод K

К выпрямительным диодам большой мощности (силовым диодам, вентилям) относятся диоды на токи от 10А и выше (Рис. 2.7). Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10, 16, 25, 40 и т. д., вплоть до 1000А, причем значения U_{обр. max} достигают 3500 В. Силовые вентили различаются по рабочей частоте и охватывают частотный диапазон до десятков килогерц.

Рис. 2.7. Конструкция мощного кремниевого диода ВЛ-200

1-гибкий вывод A; 2-стакан; 3-стеклянный изолятор; 4-внутренний гибкий вывод A; 5-корпус; 6-чашечка; 7-кристалл с p-n-переходом; 8-кристаллодержатель K;9-крепление к радиатору

Работа силовых диодов (вентилей) при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением большой мощности в р-n-переходе. Поэтому предусматриваются методы эффективного отвода теплоты, выделяемой в р-n-переходе. В установках с мощными вентилями применяют воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении отвод теплоты производится с помощью радиатора и проходящего вдоль его ребер потока воздуха. При этом охлаждение может быть естественным или принудительным, когда используется обдув радиатора с помощью вентилятора. При жидкостном охлаждении в радиаторе по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость, например, вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости.

Кремниевые диоды допускают эксплуатацию при более высокой температуре кристалла (135  140 °С против 50-60 °С у германиевых диодов). Кроме того, по этой же причине кремниевые диоды характеризуются более высокими значениями обратных напряжений U_{обр. max}, чем германиевые диоды.

В устройствах выпрямления переменного тока - выпрямителях, используемых на судах, чаще всего применяются плоскостные кремниевые диоды, реже – селеновые. Германиевые приборы обычно не рекомендуются к применению, прежде всего, из-за низкой допустимой температуры корпуса (Т < 70-85 ^oC) и существенной зависимостью прямых и, главным образом, обратных токов, этих диодов от температуры окружающей среды. Кремниевые диоды используются как в выпрямительных установках, так и в преобразователях электрической энергии. Их преимущества: большая плотность прямого тока, малый обратный ток (≈ 10 мкА), высокая допустимая температура корпуса ( более 125  170 ^oC), малая зависимость обратных токов от температуры, большое допустимое обратное напряжение (до 1,5 кВ), относительно малое падение напряжения в прямом направлении до 0,8 В (у германиевого – 0,3…0,4 В), высокая надежность.

Как показано ниже (см. импульсные диоды), в моменты включения-выключения диодов через структуры протекают значительные переходные тока, способный разрушить прибор. В связи с этим говорится, что кремниевые диоды имеют невысокую перегрузочную способность, как по прямому, так и по обратному напряжению. Поэтому в выпрямительных установках предусматривается быстродействующая защита от перегрузки и короткого замыкания с помощью токоограничительных предохранителей с малым временем срабатывания. От импульсного обратного перенапряжения (от импульсных помех) диоды также защищают с помощью шунтирующего резистора R_ш или шунтирующей R_шC_ш цепочки (рис. 2.8). Для равномерного распределения обратных напряжений между последовательно включенными диодами их шунтируют резисторами, сопротивления которых одинаковы, но меньше величины обратного сопротивления.

Рис.2.8. Шунтирование диодов