Каким параметром диода определяются его частотные свойства

Промышленность выпускает плоскостные и точечные полупроводниковые диоды, отличающиеся конструкцией, технологией изготовления и значением характеризующих их параметров.

Измерение параметров диодов принципиально отличается от рассмотренных ранее измерений аналогичных параметров, что объясняется зависимостью свойств полупроводниковых приборов от внешних условий (главным образом, от температуры) и нелинейностью вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов.

В соответствии с первой причиной следует учитывать разогрев p-n-перехода проходящим током во время измерения, что требует обеспечения отвода тепла исследуемого диода (теплоотвод) и ограничения времени измерения.

Вторая причина обязывает выполнять измерения при определенных значениях напряжения и силы тока.

Параметры полупроводниковых диодов определяются свойствами p-n-перехода.

Сила тока, протекающего через диод, зависит от знака и значения приложенного напряжения. Эта зависимость наглядно представляется вольт-амперной характеристикой, где по оси ординат откладывают значение силы тока диода, а по оси абсцисс — приложенное напряжение. Поскольку прямой ток обычно превышает обратный в тысячи раз, то ВАХ диодов строят в разных масштабах: прямой ток откладывают в миллиамперах, обратный — в микроамперах. Масштаб обратного напряжения выбирают более крупным, чем масштаб прямого напряжения.

ВАХ полупроводникового диода представлена на рис. 6.1, а, где хорошо видно, что при большом обратном напряжении резко возрастает обратный ток. Это явление сопровождается тепловым необратимым пробоем диода и выходом его из строя. На ВАХ имеются области с различным дифференциальным сопротивлением Rдиф = , поэтому необходимая точность определения параметров может быть достигнута при соблюдении некоторых условий измерения. При измерении параметров на прямой ветви ВАХ (рис. 6.1, 6) следует задавать постоянный ток Iпр и измерять падение прямого напряжения Uпр . Это условие означает, что внутреннее сопротивление источника питания должно быть много больше сопротивления диода, чтобы изменение напряжения на диоде (VD) не вызывало изменений тока, выходящих за пределы заданной погрешности измерений, т.е. источник питания должен быть источником тока по отношению к диоду. Условие необходимо выполнять на всех участках ВАХ (при измерении напряжения), где дифференциальное сопротивление мало.

Рис. 6.1. ВАХ диода (а), схема измерения на прямой (6) И обратной (в) ветвях

Стабилизированный источник питания постоянного тока обеспечивает дискретные значения прямого тока в диапазоне изменения прямого напряжения для испытуемого диода. Измерение Uпрвыполняет высокоомный вольтметр постоянного тока; контроль дискретных значений тока обеспечивается миллиамперметром магнитоэлектрической системы.

При измерении параметров диода на обратной ветви ВАХ (рис. 6.1. в) необходимо задаваться силой обратного тока Iобри измерять обратное напряжение Uобр .При этом источник питания Е, которым задается режим измерения, должен иметь малое внутреннее сопротивление — в противном случае незначительные изменения обратного тока вызовут большую погрешность при измерении обратного напряжения.

Со стабилизированного источника на диод VD подаются заданные значения обратного напряжения, которые контролируются вольтметром магнитоэлектрической системы. Сила обратного тока диода измеряется микроамперметром постоянного тока.

Таким образом, в справочнике на диоды в качестве электрических характеристик указываются координаты точек характеристики на прямой и обратной ветвях.

Прямую ветвь характеризуют следующие параметры: Uпр— прямое падение напряжения на диоде при заданной силе постоянного прямого тока Iпр; Rдиф— дифференциальное сопротивление.

Обратную ветвь характеризуют следующие параметры: Uобр — постоянное обратное напряжение на диоде при заданной силе постоянного обратного тока, протекающего через диод: Iобр – сила постоянного обратного тока, протекающего через диод при подаче на него постоянного обратного напряжения Uобр ; Uобр. max— наибольшее допустимое обратное напряжение (предельное напряжение).

Эффективность выпрямления определяют расчетом коэффициента выпрямления по результатам измерений:

kвыпр = Iпр / Iобр = Rобр/ Rпр (6.1)

Исследование ВАХ диодов по точкам оказывается трудоемким и не всегда целесообразным. Поэтому на практике требуемые параметры измеряют в определенных точках. Например. Uпр, Iпр, Iобр измеряют с помощью специальных измерителей параметров диодов.

Для оценки частотных свойств диода снимают частотные характеристики Iвыпр( f ) (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схема измерения частотной характеристики диода

Основным параметром, определяющим частотные свойства диода, является граничная рабочая частота fгр, при которой сила выпрямленного тока уменьшается на 30% относительно номинального значения, измеренного на низкой частоте.

Для определения граничной рабочей частоты исследуемый диод VD включается в схему однополупериодного выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой. На вход схемы подается переменное напряжение неизменной амплитуды различной частоты, контролируемое на выходе генератора вольтметром. Резистор R1обеспечивает согласование сопротивления генератора и сопротивления нагрузки. Сила контролируемого выпрямленного тока измеряется миллиамперметром.

На высоких частотах (более 100 кГц) должны быть приняты меры для уменьшения погрешности, вносимой паразитными индуктивностями.

Значение емкости С конденсатора выбирается таким, чтобы емкостное сопротивление при минимальной частоте подводимого напряжения было значительно меньше сопротивления резистора R1.

Проходная емкость диода ограничивает применение полупроводниковых диодов на высоких частотах.

Емкость p-n-перехода диода измеряют при определенном напряжении смещения, так как она существенно зависит от этого напряжения (рис. 6.3).

Погрешность измерения емкости зависит от точности задания рабочей точки, в которой измеряется емкость, и точности измерения напряжения.

Все рассмотренные измерения выполняют при температуре окружающей среды +20… +50 °С. если это не оговорено особо.

Изменение температуры заметно влияет на все основные параметры диода. С повышением температуры уменьшается прямое и обратное сопротивление, увеличивается проходная емкость диода из-за уменьшения контактной разности потенциалов, что приводит к некоторому ухудшению частотных свойств диода. С повышением температуры особенно резко меняется обратное сопротивление, что является основным фактором, определяющим температурный предел работы диодов, а дальнейшее повышение температуры приводит к необратимому изменению его параметров. Исследуемый диод помещают в термостат, поддерживая заданную температуру (для германиевых — не выше 70 °С, для кремниевых — не выше 125 °С). На основании анализа полученных результатов определяют максимально и минимально допустимые температуры для диода конкретного типа.

У выпрямительных диодовизмеряют все указанные параметры, для которых необходимо знать предельно допустимые эксплуатационные режимы, при которых диод должен работать с заданной надежностью в течение установленного срока.

Предельно допустимые режимы выпрямительных диодов характеризуются максимальной силой прямого тока Iпр.maxи обратного напряжения Uобр.max , максимально допустимой мощностью Рmax , рассеиваемой на диоде, диапазоном температур окружающей среды.

Измерение силы прямого тока и обратного напряжения описано ранее, а значение рассеиваемой на диоде мощности определяется как сумма мощностей при протекании прямого и обратного токов:

Р = Рпр + Робр(6.2)

Из-за малости обратного тока значением Робробычно пренебрегают и тогда

Р = Рпр = 2Uпр.ср · Iпр.ср (6.3)

У высокочастотных диодовизмеряют практически все те же параметры, которые рассматривались ранее. Однако СВЧ-диоды из-за чувствительности к тепловым и электрическим воздействиям должны храниться в экранирующей защитной оболочке, и в процессе измерения параметров диод должен быть защищен от воздействия электромагнитного поля.

Уимпульсных диодов наряду с параметрами ВАХ измеряют специальные параметры (характеризующие инерционность диодов): время восстановления обратного сопротивления, заряд переключения, максимальное импульсное прямое падение напряжения.

У детекторных диодов измеряют чувствительность по току, сопротивление в рабочей точке, коэффициент стоячей волны, шумовое отношение.

У смесительных диодов измеряемыми параметрами являются потери преобразования, выходное сопротивление, коэффициент стоячей полны, шумовое отношение, нормированный коэффициент шума.

Упараметрическихиумножительных диодов с управляемой емкостью наряду с емкостью диода, силой обратного тока и предельно допустимым напряжением измеряют добротность диода на заданной частоте и собственную индуктивность диода.

У стабилитронов (стабисторов) измеряют напряжение стабилизации.

Источник

Что такое диод

Полупроводниковый диод или просто диод представляет из себя радиоэлемент, который пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует его прохождение в другом направлении. По аналогии с гидравликой диод можно сравнить с обратным клапаном: устройством, которое пропускает жидкость только в одном направлении.

обратный клапан

Диод – это радиоэлемент с двумя выводами. Некоторые диоды выглядят почти также как и резисторы:

диод 1N4007

А некоторые выглядят чуточку по-другому:

д226б диод д214 диод

Есть также и SMD исполнение диодов:

смд диод smd диод

Выводы диода называются – анод и катод. Некоторые по ошибке называют их “плюс” и “минус”. Это неверно. Так говорить нельзя.

На схемах диод обозначается так

диод обозначение на схеме

Он может пропускать электрический ток только от анода к катоду.

Из чего состоит диод

В нашем мире встречаются вещества, которые отлично проводят электрический ток. Сюда в основном можно отнести металлы, например, серебро, медь, алюминий, золото и так далее. Такие вещества называют проводниками. Есть вещества, которые ну очень плохо проводят электрический ток – фарфор, пластмассы, стекло и так далее. Их называют диэлектриками или изоляторами. Между проводниками и диэлектриками находятся полупроводники. Это в основном германий и кремний.

После того, как германий или кремний смешивают с мельчайшей долей мышьяка или индия, образуется полупроводник N-типа, если смешать с мышьяком; или полупроводник P-типа, если смешать с индием.

Теперь если эти два полупроводника P и N -типа приварить вместе, на их стыке образуется PN-переход. Это и есть строение диода. То есть диод состоит из PN-перехода.

строение диода

Полупроводник P-типа в диоде является анодом, а полупроводник N-типа – катодом.

Давайе вскроем советский диод Д226 и посмотрим, что у него внутри, сточив часть корпуса на наждачном круге.

диод Д226

Вот это и есть тот самый PN-переход

PN-переход диода

Как определить анод и катод диода

1) на некоторых диодах катод обозначают полоской, отличающейся от цвета корпуса

катод диода катод смд smd диода

2) можно проверить диод с помощью мультиметра и узнать, где у него катод, а где анод. Заодно проверить его работоспособность. Этот способ железный ;-). Как проверить диод с помощью мультиметра можно узнать в этой статье.

Где находится анод, а где катод очень легко запомнить, если вспомнить воронку для наливания жидкостей в узкие горлышки бутылок. Воронка очень похожа на схему диода. Наливаем в воронку, и жидкость у нас очень хорошо бежит, а если ее перевернуть, то попробуй налей-ка через узкое горлышко воронки ;-).

воронка диод диод обозначение на схеме

Диод в цепи постоянного тока

Как мы уже говорили, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Для того, чтобы это показать, давайте соберем простую схему.

прямое включение диода

Так как наша лампа накаливания на 12 Вольт, следовательно, на блоке питания тоже выставляем значение в 12 В и собираем всю электрическую цепь по схеме выше. В результате, лампочка у нас прекрасно горит. Это говорит о том, что через диод проходит электрический ток. В этом случае говорят, что диод включен в прямом направлении.

диод в прямом включении

Давайте теперь поменяем выводы диода. В результате, схема примет такой вид.

обратное включение диода

Как вы видите, лампочка не горит, так как диод не пропускает электрический ток, то есть блокирует его прохождение, хотя источник питания и выдает свои честные 12 Вольт.

обратное включение диода

Какой вывод можно из этого сделать? Диод проводит постоянный ток только в одном направлении.

Диод в цепи переменного тока

Кто забыл, что такое переменный ток, читаем эту статью. Итак, для того, чтобы рассмотреть работу диода в цепи переменного тока, давайте составим схему. Здесь мы видим генератор частоты G, диод и два клеммника Х1 и Х2, с которых мы будем снимать сигнал с помощью осциллографа.

диод в цепи переменного тока

Мой генератор частоты выглядит вот так.

генератор частоты генератор частот

Осциллограмму будем снимать с помощью цифрового осциллографа

цифровой осциллограф OWON

Генератор выдает переменное синусоидальное напряжение.

синусоидальный сигнал

Что же будет после диода? Цепляемся к клеммам X1 и X2 и видим вот такую осциллограмму.

переменное напряжение после диода

Диод вырезал нижнюю часть синусоиды, оставив только верхнюю часть.

А что будет, если мы поменяем выводы диода? Схема примет такой вид.

переменый ток после диода

Что же получим на клеммах Х1 и Х2 ? Смотрим на осциллограмму.

переменный ток после диода

Ничего себе! Диод срезал только положительную часть синусоиды!

Характеристики диода

Давайте рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете, вбивая в поиск “даташит КД411АМ”

параметры диода КД411

Для объяснения параметров диода, нам также потребуется его ВАХ

1) Обратное максимальное напряжение Uобр – это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток Iобр – сила тока при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение равняется 700 Вольт.

2) Максимальный прямой ток Iпр – это максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении. В нашем случае это 2 Ампера.

3) Максимальная частота Fd , которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.

Виды диодов

Стабилитроны

Стабилитроны представляют из себя те же самые диоды. Даже из названия понятно, чтоб стабилитроны что-то стабилизируют. А стабилизируют они напряжение. Но чтобы стабилитрон выполнял стабилизацию, требуется одно условие. Они должны подключатся противоположно, чем диоды. Анод на минус, а катод на плюс. Странно не правда ли? Но почему так? Давайте разберемся. В Вольт амперной характеристике (ВАХ) диода используется положительная ветвь – прямое направление, а вот в стабилитроне другая часть ветки ВАХ – обратное направление.

Снизу на графике мы видим стабилитрон на 5 Вольт. Сколько бы у нас не изменялась сила тока, мы все равно будем получать 5 Вольт ;-). Круто, не правда ли? Но есть и подводные камни. Сила тока не должны быть больше, чем в описании на диод, иначе он выйдет из строя от высокой температуры – Закон Джоуля-Ленца. Главный параметр стабилитрона – это напряжение стабилизации (Uст). Измеряется в Вольтах. На графике вы видите стабилитрон с напряжением стабилизации 5 Вольт. Также есть диапазон силы тока, при котором будет работать стабилитрон – это минимальный и максимальный ток (Imin, Imax). Измеряется в Амперах.

вах стабилитрона

Выглядят стабилитроны точно также, как и обычные диоды:

Диод

На схемах обозначаются вот так:

стабилитрон обозначение на схеме

Светодиоды

Светодиоды – особый класс диодов, которые излучают видимый и невидимый свет. Невидимый свет – это свет в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Но для промышленности все таки большую роль играют светодиоды с видимым светом. Они используются для индикации, оформления вывесок, светящихся баннеров, зданий а также для освещения. Светодиоды имеют такие же параметры, как и любые другие диоды, но обычно их максимальный ток значительно ниже.

Предельное обратное напряжение (Uобр) может достигать 10 Вольт. Максимальный ток (Imax) будет ограничиваться для простых светодиодов порядка 50 мА. Для осветительных больше. Поэтому при подключении обычного диода нужно вместе с ним последовательно подключать резистор. Резистор можно рассчитать по нехитрой формуле, но в идеале лучше использовать переменный резистор, подобрать нужное свечение, замерять номинал переменного резистора и поставить туда постоянный резистор с таким же номиналом.

светодиоды осветительные светодиоды

Лампы освещения из светодиодов потребляют копейки электроэнергии и стоят дешево.

Диод светодиодные лампочки

Очень большим спросом пользуются светодиодные ленты, состоящие из множества SMD светодиодов. Смотрятся очень красиво.

светодиодная лента

На схемах светодиоды обозначаются так:

обозначение на схеме светодиода

Не забываем, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды обладают слабым свечением и используются для индикации каких-либо процессов, происходящих в электронной цепи. Для них характерно слабое свечение и малый ток потребления

светодиоды

Ну и осветительные светодиоды – это те, которые используются в ваших китайских фонариках, а также в LED-лампах

Диод

Светодиод – это токовый прибор, то есть для его нормальной работы требуется номинальный ток, а не напряжение. При номинальном токе на светодиоде падает некоторое напряжение, которое зависит от типа светодиода (номинальной мощности, цвета, температуры). Ниже табличка, показывающая какое падение напряжения бывает на светодиодах разных цветов свечения при номинальном токе:

Как проверить светодиод можно узнать из этой статьи.

Тиристоры

Тиристоры представляют собой диоды, проводимость которых управляется с помощью третьего вывода – управляющего электрода (УЭ). Основное применение тиристоров – это управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Выглядят тиристоры примерно как диоды или транзисторы. У тиристоров параметров столько, что не хватит статьи для их описания. Главный параметр – Iос,ср. – среднее значение тока, которое должно протекать через тиристор в прямом направлении без вреда для его здоровья. Немаловажным параметром является напряжение открытия тиристор – (Uу), которое подается на управляющий электрод и при котором тиристор полностью открывается.

тиристор Диод

а вот так примерно выглядят силовые тиристоры, то есть тиристоры, которые работают с большой силой тока:

силовой тиристор

На схемах триодные тиристоры выглядят вот таким образом:

обозначение тиристора на схеме

Существуют также разновидности тиристоров – динисторы и симисторы. У динисторов нет управляющего электрода и он выглядит, как обычный диод. Динисторы начинают пропускать через себя электрический ток в прямом включении, когда напряжение на нем превысит какое-то значение. Симисторы – это те же самые триодные тиристоры, но при включении пропускают через себя электрический ток в двух направлениях, поэтому они используются в цепях с переменным током.

Диодный мост и диодные сборки

Производители также несколько диодов заталкивают в один корпус и соединяют их между собой в определенной последовательности. Таким образом получаются диодные сборки. Диодные мосты – одна из разновидностей диодных сборок.

маломощный диодный мост диодные мосты