Výkonové diódy

Zmes elektrónových dier

Princíp činnosti väčšiny polovodičových súčiastok je založený na javoch a procesoch, ktoré sa vyskytujú na rozhraní dvoch oblastí polovodiča s rôznymi typmi elektrickej vodivosti – elektrónovej (n-typ) a dierovej (p-typ). V oblasti typu n prevládajú elektróny, ktoré sú hlavnými nositeľmi elektrických nábojov, v oblasti p sú to kladné náboje (diery). Hranica medzi dvoma oblasťami rôznych typov vodivosti sa nazýva pn prechod.

Funkčne možno diódu (obr. 1) považovať za neriadený elektronický spínač s jednostranným vedením. Dióda je vo vodivom stave (zatvorený spínač), ak je na ňu privedené dopredné napätie.

Ryža. 1. Bežné grafické označenie diódy

Prúd cez iF diódu je určený parametrami vonkajšieho obvodu a pokles napätia v polovodičovej štruktúre má malý význam. Ak je na diódu privedené spätné napätie, je v nevodivom stave (otvorený spínač) a preteká ňou malý prúd. Pokles napätia na dióde je v tomto prípade určený parametrami vonkajšieho obvodu.

Ochrana diód

Najtypickejšími príčinami elektrických porúch diódy sú vysoká rýchlosť nárastu priepustného prúdu diF / dt pri zapnutom stave, prepätie pri vypnutom stave, prekročenie maximálnej hodnoty priepustného prúdu a porušenie konštrukcie neprijateľne vysokým spätným napätím.

Pri vysokých hodnotách diF / dt sa v štruktúre diódy objavuje nerovnomerná koncentrácia nosičov náboja a v dôsledku toho lokálne prehriatie s následným poškodením štruktúry. Hlavným dôvodom vysokých hodnôt diF / dt je malá indukčnosť v obvode obsahujúcom dopredný zdroj napätia a zapnutú diódu. Na zníženie hodnôt diF / dt je do série s diódou zapojená indukčnosť, ktorá obmedzuje rýchlosť nárastu prúdu.

Na zníženie hodnôt amplitúd napätí aplikovaných na diódu, keď je obvod vypnutý, sa používa sériovo zapojený odpor R a kondenzátor C je takzvaný RC obvod zapojený paralelne s diódou.

Na ochranu diód pred prúdovým preťažením v núdzových režimoch sa používajú vysokorýchlostné elektrické poistky.

Hlavné typy výkonových diód

Podľa hlavných parametrov a účelu sa diódy zvyčajne delia do troch skupín: diódy na všeobecné použitie, diódy s rýchlou obnovou a diódy Schottky.

Univerzálne diódy

Táto skupina diód sa vyznačuje vysokými hodnotami spätného napätia (od 50 V do 5 kV) a dopredného prúdu (od 10 A do 5 kA). Masívna polovodičová štruktúra diód zhoršuje ich výkon. Preto sa doba spätného zotavenia diód zvyčajne pohybuje v rozmedzí 25-100 μs, čo obmedzuje ich použitie v obvodoch s frekvenciami nad 1 kHz.Spravidla pracujú v priemyselných sieťach s frekvenciou 50 (60) Hz. Trvalý pokles napätia na diódach tejto skupiny je 2,5-3 V.

Výkonové diódy sa dodávajú v rôznych baleniach. Najrozšírenejšie sú dva druhy prevedenia: špendlík a tableta (obr. 2 a, b).

Ryža. 2. Konštrukcia telies diód: a — kolík; b - tableta

Rýchle obnovovacie diódy. Pri výrobe tejto skupiny diód sa používajú rôzne technologické metódy na skrátenie času spätného zotavenia. Používa sa najmä kremíkové dopovanie pomocou difúznej metódy zlata alebo platiny, čo umožňuje skrátiť dobu zotavenia na 3-5 μs. To však znižuje prípustné hodnoty priepustného prúdu a spätného napätia. Prípustné hodnoty prúdu sú od 10 A do 1 kA, spätné napätie - od 50 V do 3 kV. Najrýchlejšie diódy majú reverznú dobu zotavenia 0,1-0,5 μs. Takéto diódy sa používajú v impulzných a vysokofrekvenčných obvodoch s frekvenciami 10 kHz a vyššími. Dizajn diód v tejto skupine je podobný ako pri diódach na všeobecné použitie.

Schottkyho dióda

Princíp činnosti Schottkyho diód je založený na vlastnostiach prechodovej oblasti medzi kovom a polovodičovým materiálom. Pre výkonové diódy sa ako polovodič používa vrstva ochudobneného kremíka typu n. V tomto prípade je v prechodovej oblasti na strane kovu záporný náboj a na strane polovodiča kladný náboj.

Zvláštnosťou Schottkyho diód je, že dopredný prúd je spôsobený pohybom iba hlavných nosičov - elektrónov. Nedostatok akumulácie minoritných nosičov výrazne znižuje zotrvačnosť Schottkyho diód.Doba zotavenia zvyčajne nie je väčšia ako 0,3 μs, pokles napätia v priepustnom smere je asi 0,3 V. Hodnoty spätného prúdu v týchto diódach sú o 2 až 3 rády vyššie ako v diódach p-n-junction. Obmedzujúce spätné napätie zvyčajne nie je väčšie ako 100 V. Používajú sa vo vysokofrekvenčných a nízkonapäťových impulzných obvodoch.