2.3. Выпрямительные диоды

Выпрямительный полупроводниковый диод предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Они дополнительно характеризуются электрическими величинами, определяющими их работу в выпрямительных устройствах:

1. Среднее за период значение обратного напряжения U_{обр. Ср.} ( до 3500 В.)

2. Среднее за период значение обратного тока I _{обр. Ср.} ( 300 мкА у германиевых и 10 мкА у кремниевых.)

3. Максимальное значение выпрямленного тока I_{вп.ср.макс.} ( до 1000 А.)

4. Среднее за период значение прямого напряжения при заданном среднем значении прямого тока.

Материалом для выпрямительных диодов служат германий, кремний, селен. Кремниевые диоды допускают больший перегрев и имеют малый обратный ток. Поскольку у кремния ₀ выше, падение напряжения при прямом смещении у них больше. Выше у кремниевых диодов U_обр и плотность прямого тока (60 - 80 А/см² против 20 - 40 А/см² у германиевых). В то же время, у германиевых меньше прямое падение напряжения (0,3 - 0,6 В против 0,8 - 1,2 В у кремниевых).

Выпрямительные свойства оцениваются коэффициентом выпрямления, определяемым при U _пр = U _обр= 1 В

k _выпр = I_пр / I_обр = r _обр. / r _пр (2.4)

Для получения больших значений обратных напряжений база выпрямительных диодов изготавливается из материала с низкой концентрацией примеси. Это приводит к расширению области пространственного заряда p - n перехода и увеличению пробивного напряжения. Однако, при этом растет сопротивление базы, что ведет к снижению прямого тока . Чтобы этот эффект снизить, увеличивают площадь p - n перехода. Такой переход получают методом диффузии.

Различают три группы выпрямительных диодов:

Маломощные диоды (Рис. 16,а) - германиевые (Д7) , ток до 300 мА, напряжение до 1200 В, обратный ток - 300 мкА у германиевых, 10 мкА у кремниевых, низкочастотные - до 400 Гц, высокочастотные - до 10 - 20 кГц.

Среднемощные диоды (Рис. 16,б) - в основном кремниевые (Д 200), ток до 10 А. Используют алюминиевые охладители.

Мощные диоды (Рис. 17) - в основном кремниевые, диффузионные, ток от 10 до 1000 А, напряжение до 3500 В. Обратный ток сравнительно большой за счет большей площади p - n перехода. Мощные диоды как правило предполагают использование охладителей, поскольку площади поверхности корпуса недостаточно для эффективного отвода тепла.

Рис.16. Маломощный (а) и среднемощный (б) диоды

Рис.17. Мощный диод

Мощные диоды требуют защиты от кратковременных перенапряжений, вызванных коммутацией нагрузки и атмосферными явлениями. При возникновении перенапряжений возникает электрический пробой на участках суженной области объемного заряда. При этом возникает обратный ток высокой плотности, что приводит к разогреву.

За счет определенной технологии (коническая обточка кристалла, создание колец пониженной концентрации) пробой с поверхностного переводят в глубь, по типу лавинного. При этом тепло лучше рассеивается. При выборе загрузки диода максимально допустимый средний токI_{а макс доп} должен быть меньше I_п - предельного прямого тока по справочнику (зависит от формы кривой тока). I_п соответствует максимальной температуре.

Ток рабочей перегрузки

I_pп > I_{а макс доп} . Это средний ток, при котором не превышается допустимая температура t₀ из-за кратковремен-ности его действия.

Ток аварийной перегрузки I_ап больше тока рабочей перегрузки I_рп, но он ограничен по повторяемости. Ударный ток - амплитуда синусо-идального импульса длительностью 10 мс.

I _уд > I _{а макс доп}

Рекомендуемое рабочее напряжение U _нп > U _пп > U_р ,

г

Рис.18. Вольт-амперная

характеристика в зоне пробоя

деU_пп – повторяющееся пере-напряжение, U_нп –неповторяющееся перенапряжение.

При необходимости обеспечить большие токи используют параллельное соединение диодов (Рис. 19)

Рис. 19. Параллельное соединение диодов. а) вольт-амперные характеристики диодов; б) схема соединения.

За счет ЭДС самоподмагничивания дросселей происходит выравнивание загрузки диодов.

Для увеличения обратных напряжений используют последовательное соединение диодов. Для выравнивания напряжений на вентилях их шунтируют резисторами (Рис. 20).

Рис. 20. Последовательное соединение вентилей. а) вольт-амперные характеристики; б) схема соединения.

Для роста U_обр ток через резисторы должен быть в 10 раз больше обратного тока диодов I_обр.