В 25 диод характеристики: Диод в25 14 характеристики

alexxlab | 25.03.1975 | 0 | Разное

Содержание

Устройство светодиода принцип работы светодиода преимущества

Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели – все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.

Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.

Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions – часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен – не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.

1. Что такое светодиод?

Светодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

2. Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.

Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.

3. Как работает светодиод?

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую – донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?

Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

5. Чем хорош светодиод?

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и, теоретически, это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод – низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

6. Чем плох светодиод?

Только одним – ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2-3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?

Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.

В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо – не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.

8. От чего зависит цвет светодиода?

Исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?

Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны – карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)

У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения – нитрилы алюминия и индия – тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но… проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.

Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, однако руководство сказало: «Ну, это ж на сапфире – дорого и не так уж ярко, к тому же p-n-переход нехорош…» – и работы Панкова не поддержали.

Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.

Это сделали японцы – профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.

Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.

Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10-20 млн голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.

10. Что такое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход – это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электроннодырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний – в самом p-n-переходе, внешний – для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» – поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих – 35%.

Внешний квантовый выход – одна из основных характеристик эффективности светодиода.

11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый – смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

12. Какой из трех способов лучше?

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения – суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих – люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы – у них разные области применения.

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод – низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше – от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй – световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

Как видно из рисунка 2, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

Рис. 2. Зависимость силы тока от напряжения питания светодиода.

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?

Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода – то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

17. Можно ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания – этого-то как раз делать нельзя, – а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

18. Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20-50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?

Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо – доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.

Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский – крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».

21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?

Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.

Люминесценцию карбида кремния впервые наблюдал Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 г. и показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована профессором МГУ Г.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на основе арсенида галлия впервые исследовали в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и показали, что можно создать структуры с внутренним квантовым выходом близким к 100%. Разработки структур и светодиодов на основе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к созданию эффективных голубых светодиодов.

В 1995 году я прочел первые статьи Накамуры и понял, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я получил грант соросовского фонда. В декабре на эти деньги я смог поехать на конференцию в США, и там профессор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: мол, хочу приобщить студентов Московского университета к передовым достижениям в области голубых светодиодов и рассказать им о столь замечательном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я получил от д-ра Ш. Накамуры из Японии бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленого. Все потом оказалось просто – фирма Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и была заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их досконально исследовали, сняли все характеристики и получили новые научные результаты. Д-р Ш. Накамура дал любезное согласие на совместную публикацию наших первых статей.

Одновременно специалисты из группы Бориса Ферапонтовича Тринчука в Зеленограде продемонстрировали образцы зеленых светодиодов начальникам из ГАИ и получили положительный отзыв. Все дело в том, что эта группа сделала опытный образец светодиодного светофора, но у них не было хороших зеленых светодиодов. Светофоры с новыми сверхъяркими зелеными светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и московское правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Такое везение!

Как раз тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова – выпускница Московской консерватории, ученица моей жены, которая работала в Японии первым концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что место ее работы находится неподалеку от фирмы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дал ей тысячу долларов и попросил купить на них и прислать на мой адрес 200 зеленых светодиодов. Из них были изготовлены первые светофоры из той юбилейной тысячи. Москва стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров.

Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пытались повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства.

22. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология – металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок – в р-области.

Рис. 3. Схематическое представления светодиода.

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6-12 подложках диаметром 50-75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5-2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это технология, требующая высокой культуры.

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24 x 0,24 до 1 x 1 мм2/.

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.

Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details – поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора – в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.

Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?

Чтобы делать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей – электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти, менеджер по маркетингу из подразделения Opto Semiconductors компании Osram Sylvania, специализирующемуся на устройствах LED, производители светотехники сами уничтожают свой бизнес. Но если сегодня не «наступить на горло собственной песне», то завтра придут другие и сделают это куда более жестко.

Впрочем, существуют компании, специализирующиеся только на производстве чипов. Это предприятия радиоэлектронной промышленности, и они не занимаются светотехникой. К их числу относится Nichia Corporation.

24. Каковы основные производители светодиодных модулей и сборок и представленные ими модельные ряды?

Чипы и отдельные светодиоды производят компании Nichia Corporation, Сгее, LumiLeds Lighting, Opto Technology, Osram Opto Semiconductors, GEL Core. Массовое производство структур и чипов для светодиодов ведут тайваньские фирмы Lite-On, Taiwan Oasis и др.

В России светодиоды производят компании Корвет Лайт, Светлана Оптоэлектроника, Оптэл, Оптоника. По конструкции и технологическому исполнению наши светодиоды не уступают зарубежным, специалисты перечисленных компаний имеют соответствующие патенты. В Москве и Санкт-Петербурге есть возможность выращивать собственные чипы – например, эпитаксиальная установка имеется в Санкт-Петербургском физтехе, – но для промышленного производства необходимо крупное финансирование, и пока наши компании используют зарубежные чипы.

25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

26. Возможности и применение

Изобретение первых светодиодов – полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку – относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе – мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, – оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

27. Преимущества

Экономично…

Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения – максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.

За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!

Удобно…

Светодиодный модуль – многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.

Надежно…

Есть надежность совершенно особого рода – та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.

Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, – 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12 В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.

Красиво…

Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.

Представительно…

Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

Модуль диодов МД-4К | Электротехническая Компания Меандр

В одном корпусе расположено четыре диода с общим анодом или катодом
Используется для организации логического управления в схемах авто-матики, подключения импульсных реле и т.д.
Корпус шириной 13 мм.

НАЗНАЧЕНИЕ МОДУЛЯ

Модули диодов МД-4… (далее модули) предназначены для организации логического управления в схемах автоматики, например, подключения импульсных (бистабильных) реле типов РИО-1, РИО-2 и др.

Схемы подключения модулей в случае использования их с импульсными реле приведены в руководствах по эксплуатации реле.

Технические характеристики приведены в таблице.

КОНСТРУКЦИЯ МОДУЛЯ

Модуль выпускается в унифицированном пластмассовом корпусе с передним подключением коммутируемых электрических цепей. Крепление осуществляется на монтажную рейку-DIN шириной 35мм (ГОСТ Р МЭК 60715-2003) или на ровную поверхность. Для установки реле на ровную поверхность замки необходимо раздвинуть. Конструкция клемм обеспечивает надёжный зажим проводов сечением до 2,5мм². Катод (К) каждого диода подключается к соответствующему уровню системы освещения. Аноды диодов объединены и выведены на соответствующий выключатель.

**ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МД-4К УХЛ-4**
Параметр	Ед.изм.	Значение
U_мах, обратное DC	В	1000
U_мах, обратное импульсное	В	1200
I_мах (прямой) (каждый диод)	А	1
I_мах (прямой) импульсный (каждый диод)	А	30
I_мах (обратный), при t=25°C	мкА	5
Падение U (при I=1A)	В	1,1
Климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69 (без образования конденсата)		УХЛ4
Диапазон рабочих температур	⁰C	-25…+55
Температура хранения	⁰C	-40…+70
Степень защиты по корпусу/по клеммам по ГОСТ 14254-96		IP40/IP20
Степень загрязнения в соответствии с ГОСТ 9920-89		2
Относительная влажность	%	до 80 (при 25⁰C)
Высота над уровнем моря	м	до 2000
Рабочее положение в пространстве		произвольное
Режим работы		круглосуточный
Габаритные размеры	мм	13х93х62
Масса, не более	кг	0,1

СХЕМА МОДУЛЯ

Вариант защиты до IP40

ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ МОДУЛЯ

Изделия соответствуют требованиям ГОСТ 17465-80

СЭЛТ » Диоды выпрямительные на 25 А с укороченной резьбовой частью (до 8мм)

Диоды выпрямительные на 25 А с укороченной резьбовой частью (до 8мм)

ПАСПОРТ

ИДЖК.432312.011 ПС ГК

1 Общие сведения

1.1 Диоды типов 2Д422-25-К, 2Д422-25Х-К штыревого исполнения с жестким выводом предназначены для применения в авиационных генераторах, в электротехнической и радиоэлектронной аппаратуре общей техники.

2 Основные технические данные

2.1 Структура условного обозначения диодов.

2.2 Габаритные, установочные и присоединительные размеры и масса диодов.

Тип диода

D*_max

H*_max

H*₁

d*₂

l₁

a₁

h_max

Масса, гне более

2Д422-25-К, 2Д422-25Х-К

16,2

8_-0,7

М6

Ø3,2^+0,3

7,2

3 Основные параметры диодов

Тип диода	Максимально допустимый средний прямой ток		Повторяющееся импульсное обратное напряжение, В
	Ток, А	Температура корпуса, ºС
2Д422-25-К, 2Д422-25Х-К	25	160	400-1200

4 Предельно – допустимые электрические параметры и характеристики диодов

Наименование параметра, единица измерения	Тип диода	Норма		Условия установления норм
Наименование параметра, единица измерения	Тип диода	не менее	не более	Условия установления норм
Неповторяющееся импульсное обратное напряжение, В	2Д422-25-К,2Д422-25Х-К	См. табл.5		Температура перехода (200±5) ºС
Ударный прямой ток, А	2Д422-25-К,2Д422-25Х-К		500	Температура перехода (25±5) ºС
Импульсное прямое напряжение, В	Все типы		1,35	Температура перехода (25±5) ºС
Наименование параметра, единица измерения	Тип диода	Норма		Условия установления норм
Наименование параметра, единица измерения	Тип диода	не менее	не более	Условия установления норм
Повторяющийся импульсный обратный ток, мА	2Д422-25-К,2Д422-25Х-К		6	Температура перехода (200±5) ºС
Повторяющийся импульсный обратный ток, мА	2Д422-25-К,2Д422-25Х-К		0,6	Температура перехода (25±5) ºС
Тепловое сопротивление переход – корпус, ºС/Вт	2Д422-25-К,2Д422-25Х-К		1,3	Прямой постоянный ток
Температура хранения, ºС	Все типы	-60	70
Время обратного восстановления, мкс	2Д422-25-К,2Д422-25Х-К		8,0	Температура перехода (200±5) ºС
Содержание чистого серебра, г	2Д422-25-К,2Д422-25Х-К	0,03495

5 Диоды подразделяются на классы в соответствие с таблицей

Условное обозначение класса

Повторяющееся импульсное обратное напряжение, В

Неповторяющееся импульсное обратное напряжение, В

Импульсное рабочее обратное напряжение, В

Постоянное обратное напряжение, В

456

400500600

700

800

900

1000

1100

1200

460580700

810

930

1040

1160

1280

1400

320400480

560

640

720

800

880

960

240300360

420

480

540

600

660

720

6 Указания по применению и эксплуатации

6.1 Монтаж диодов проводить таким образом, чтобы исключить механическое влияние

токопроводящих проводов и крепежа на жесткий вывод.

6.2 При электрическом соединении пайкой максимально допустимая температура припоя должна быть не более 270 ºС. Время пайки паяльником мощностью до 60 Вт не более 5 с без применения кислотных флюсов.

6.3 Диоды, предназначенные для параллельной работы, должны отбираться по значениям

импульсного прямого напряжения с разбросом в партии не более 0,2 В.

7 Транспортирование и хранение

7.1 Транспортирование по ГОСТ В 25730-83.

7.2 Срок хранения в упаковке и консервации предприятия – изготовителя – 3 года.

При переупаковке и переконсервации срок хранения 25 лет.

8 Маркировка

8.1 Маркировка содержит следующие данные:

товарный знак предприятия-изготовителя;
условное обозначение прибора;
класс прибора;
климатическое исполнение и категорию размещения;
максимально допустимый средний прямой ток;
символ полярности;
дату изготовления;
отличительный знак представителя заказчика.

9 Комплектность

9.1 В комплект поставки входит:

диод или партия диодов;
паспорт 1 экз. на партию диодов, поставляемых в один адрес.

9.2 Диоды поставляются без охладителей.

9.3. По заявке Заказчика диоды поставляются с крепежом:

2Д422-25-К, 2Д422-25Х-К

● токоотвод ЖИАЕ.757470.221 – 1 шт.;

● гайка М6-6Н ЛС 59.036 ГОСТ 5927-70 – 1 шт.;

● шайба 6 1,6 Л63.036 ГОСТ 11371-78 – 1 шт.

10 Свидетельство о приемке

Партия диодов ___________________ в количестве ________________ штук изготовлена

в соответствии с требованиями ТУ ИДЖК.432.312.011. ТУ ГК и признана годной к эксплуатации.

Дата отгрузки « ____ » ______________ 20___ г.

Начальник ОТК ____________________ 3024 ВП МО РФ______________________

Перепроверка проведена в соответствии с требованиями ТУ ИДЖК.432.312.011. ТУ ГК

Дата перепроверки « ____ » ______________ 20___ г.

Начальник ОТК ____________________ 3024 ВП МО РФ ____________________

11 Гарантии изготовителя

11.1 Гарантии изготовителя по ГОСТ В 25730-83

11.2 Гарантийный срок эксплуатации 25 лет.

11.3 Гарантийный срок хранения 25 лет.

11.4 Суммарный срок хранения и эксплуатации в составе аппаратуры не должен превышать

гарантийного срока эксплуатации.

11.5 Гарантийная наработка равна 25000 ч в пределах гарантийного срока эксплуатации.

12 Сведения о рекламациях

12.1 В случае преждевременного выхода из строя диода, его необходимо вернуть предприятию-изготовителю с указанием следующих сведений:

общее число рабочих часов;
основные данные режима эксплуатации;
причины снятия диода с эксплуатации;
время хранения, если диод не был в эксплуатации;
адрес.

Vsp-mikron

ЗАО «ВЗПП-Микрон» разрабатывает и производит кристаллы ультрабыстрых диодов (УБД), предназначенные для использования в производстве импульсных источников питания, конверторах, в схемах защиты батарей от переполюсовки и др. Кристаллы УБД изготавливаются на кремниевых эпитаксиальных структурах по планарной технологии.

Обозначения и сокращения

– V_B (U_обр) – пробивное напряжение диода при заданном уровне обратного тока;

– V_F(U_пр) – постоянное прямое напряжение диода при заданном значении прямого тока;

– I_R (I_обр) – ток утечки диода (обратный ток) при заданном обратном напряжении;

– I_F₍_AV) (I_пр) – cредний прямой ток диода;

– t_rr (t_{вос.обр}) – время обратного восстановления диода.

Основные характеристики ультрабыстрых диодов

– Широкий диапазон рабочих токов и напряжений : I_F(_AV)= 1÷25A; V_RRM= 400÷1200В;

– Низкое прямое напряжение – V_F;

– Малые значения обратных токов – I_R;

– Низкая рассеиваемая мощность;

– Электрические характеристики подтверждаются тестированием 100% кристаллов в нормальных условиях (Т_А=25ºС) по основным параметрам: V_B,_{I_R, I_RRM, а также выборочным тестированием кристаллов на каждой пластине по параметру V_F при номинальном значении прямого тока I_F₍_AV).}

Значение обратного тока при повы�?енной температуре тестируется на выборках кристаллов на 100% пластин.

Соответствие остальных параметровтребованиям спецификаций гарантируется конструкцией кристаллов.

После тестирования электрических параметров проводится контроль вне�?него вида с выбраковкой потенциально ненадежных кристаллов на 100% пластин.

ЗАО «ВЗПП-Микрон» производит и поставляет кристаллы ультрабыстрых диодов. Металлизация катода -Ti-Ni-Ag позволяет проводить монтаж кристалла на кристаллодержатель методом пайки с применением PbSn припоев.

Потребителю также предоставляется возможность выбора подходящего ему размера кристалла, исходя из оптимального соотно�?ения цены и качества.

Возможна разработка УБД по требованиям заказчика с параметрами необходимыми для конкретного применения.

Каталог продукции – Диоды Д104, Д204, Д304

Наименование параметра	Обозн. пара-метра	Един. изме-рения	Значение параметра						Класс диода	Условия измерения
Наименование параметра	Обозн. пара-метра	Един. изме-рения	Д104-20 Д204-20		Д104-25 Д204-25	Д104-35 Д204-35	Д104-50		Класс диода	Условия измерения
Повторяющееся импульсное обратное напряжение	U_RRM	B	200 300 400 500 600 700						2 3 4 5 6 7	Т_j = -60÷+175°С
Средний прямой ток	I_F(AV)	A	20	25		35		50		Т_с = 150°С Т_с = 140°С
Ударный неповторяющийся прямой ток	I_FSM	A	300	300		400		500		T_j = 175°С
Импульсное прямое напряжение	U_FM	В	1,35							Т_j = 25°С I_F=3,14*I_F(AV)
Повторяющийся импульсный обратный ток	I_RRM	mA	3,0 2,5							Т_j = 175°С Т_j = 160°С
Тепловое сопротивление переход-корпус	R_THJK	°С/Вт	1,0	1,0		0,8		0,7		T_j = 25°С
Защитный показатель	∫i²dt	A²*C	450 800	450 800		850 1250		– –		T_j = 175°С T_j = 25°С
Температура перехода	T_j	°С	175
Усилие запрессовки	P	kH	5,0

снижение потерь в режиме жесткой коммутации

Замена кремниевых сверхбыстрых (Ultrafast) Si-диодов с плавной характеристикой восстановления, используемых в качестве оппозитных IGBT в режиме жесткой коммутации, на карбидокремниевые диоды Шоттки (SiC Schottky) позволяет снизить коммутационные потери в диоде на 80% и в IGBT на 50%.

Введение

Кремниевый (Si) IGBT, сочетающий в себе выходные и динамические характеристики биполярного транзистора и легкость управления MOSFET, стал основным силовым ключом, используемым в режиме жесткой коммутации в высоковольтных (более 500 В) и мощных (более 500 Вт) устройствах. К типичным областям применения относятся инверторы приводов, источники бесперебойного питания, сварочное оборудование и импульсные источники питания (SMPS).

Постоянно растущий спрос на повышение эффективности, упрощение системы охлаждения, уменьшение габаритов элементов силовой электроники, а также более строгие требования к уровню излучаемых помех EMI/RFI и качеству электроэнергии создают новые проблемы для разработчиков. Выполнение этих требований в значительной степени связано со снижением потерь включения IGBT при работе на индуктивную нагрузку в режиме жесткой коммутации. Ток обратного восстановления, наблюдаемый при выключении кремниевых оппозитных диодов, напрямую влияет на потери включения IGBT. Проблема усугубляется тем, что ток обратного восстановления увеличивается с повышением рабочей температуры, тока и di/dt.

Ток обратного восстановления диода и коммутационные потери IGBT могут быть существенно снижены при замене кремниевых оппозитных PiN-диодов на SiC-диоды с барьером Шоттки (SBD). Из-за особенностей кремния изготовить Si-диоды Шоттки с рабочим напряжением выше 200 В невозможно.

SiC-диоды Шоттки

SiC SBD выпускаются с номинальным напряжением 600 и 1200 В, 600-В диоды выпускаются с током 1, 4, 6, 10 и 20 А, 1200-В имеют номинальный ток 5 и 10 А. Основным преимуществом высоковольтных SiC SBD являются отличные динамические характеристики. Они имеют крайне низкий заряд обратного восстановления Q_rr, который обусловлен барьерной емкостью, а не накоплением заряда. Кроме того, в отличие от Si-PiN-диодов, этот заряд не зависит от di/dt, прямого тока и температуры. Максимальная температура кристалла +175 °C у SiC SBD является фактической рабочей температурой. Сверхнизкая величина Q_rr SiC SBD позволяет уменьшить уровень коммутационных потерь в типовых схемах на основе IGBT, работающих в режиме жесткого переключения. В результате снижается температура корпуса IGBT, повышается эффективность системы, что даже дает возможность использовать менее мощный IGBT. Для оценки преимуществ этих высокопроизводительных диодов была использована тестовая схема диодов с индуктивной нагрузкой, позволяющая измерить динамические потери IGBT и диодов. Это позволило провести сравнение потерь переключения сверхбыстрого кремниевого Si-диода с плавным восстановлением и SiC Cree Zero Recovery SBD и оценить влияние процесса их восстановления на потери переключения IGBT.

Измерительное оборудование

На рис. 1 показана схема, предназначенная для измерения характеристик переключения. В процессе работы на затвор IGBT подается двойной импульс. При тестировании 600-В прибора использовался резистор затвора 10 Ом для задания скорости коммутации 750 А/мкс. Для IGBT 12-го класса использовался резистор 22 Ом, при этом di/dt = 250 А/мкс.

В момент времени T1 IGBT включается, и ток через индуктор увеличивается до тех пор, пока не достигнет требуемого значения в момент T2. При этом IGBT выключается, и ток индуктивности перекоммутируется в диод. Потери включения IGBT и потери включения диодов измеряются в переходном процессе T2.

В момент T2 IGBT выключается, и ток индуктора переходит на оппозитный диод. Потери выключения IGBT и потери включения диодов измеряются в переходном процессе T2. Ток индуктора продолжает течь через диод до тех пор, пока IGBT не будет включен во время T3. Теперь ток индуктора передается из диода обратно в IGBT. Потери включения IGBT и потери выключения диода измеряются в переход- ном процессе T3.

Сравнение характеристик переключения

Параметры коммутации измерялись для 15-А/600-В Ultrafast Si-диода с плавной характеристикой восстановления (такой же используется совместно с 40-А Ultrafast IGBT) и 10-А SiC SBD вместе с потерями 40-А/600-В Si-IGBT. Измерение потерь проводилось при напряжении 500 В и токе 20 A.

На рис. 2 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности, измеренные при выключении Ultrafast Si-диода при температуре кристалла +150 °C. Пик тока обратного восстановления достигает 23 А,время восстановления — 100 нс, пиковая мгновенная мощность —7 кВт. На рис. 2 видно перенапряжение 200 В, вызванное высокой скоростью изменения тока di/dt при обратном восстановлении.

На рис. 3 показаны эпюры выключения SiC SBD при +150 °C. Пик тока обратного восстановления здесь 4 А (снижение на 83%), время восстановления 33 нс (снижение на 67%), максимальная мгновенная мощность — 0,5 кВт (снижение на 93%). Резкое сокращение мощности переключения обусловлено тем, что SiC SBD должен рассеять лишь небольшой емкостной заряд, и это происходит при низком напряжении на диоде. Перенапряжение, формируемое при коммутации Si-диода, полностью отсутствует у SiC SBD.

На рис. 4 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности при включении IGBT с Ultrafast Si-диодом, измеренные при температуре кристалла +150 °C. Во время включения транзистора ток обратного восстановления диода добавляется к току IGBT, что создает пик, достигающий 44 А. Пиковая мгновенная мощность 15 кВт рассеивается в IGBT. Кроме того, видны высокочастотные колебания на IGBT, возникающие при резком выключении кремниевого диода. Это является одной из основных причин генерации радиочастотных/ электромагнитных помех.

**Таблица 1.** Сравнение параметров SiC SDB и Ultrafast Si-диодов (600 В) при различных значениях *T_j*(*I_C*= 20 A, *V_CC* = 500 B,*R_g*= 10 Ом)
Параметр	Si Pin при +25/+150 °C	SiC при +25/+150 °C	% снижения при +25/+150 °C
Пик тока восстановления I_pr, A	13/23	4	69/83
Время обратного восстановления T_rr, нс	83/100	30/33	64/67
Заряд восстановления Q_rr, нс	560/1220	78/82	86/93
Потери выключения диода E_{off_d}, мДж	0,11/0,23	0,02	82/91
Потери включения диода E_{on_d}, мДж	0,03	0,02	33
Потери общие диода E_{is_d}, мДж	0,14/0,26	0,04	71/85
Потери выключения IGBT E_{off_IGBT}, мДж	0,63/0,94	0,23/0,24	63/74
Потери включения IGBT E_{on_IGBT}, мДж	0,46/0,89	0,32/0,64	30/29
Потери общие IGBT E_{is_IGBT}, мДж	1,09	0,55/0,64	50/28
Потери общие E_is, мДж	1,23/2,09	0,59/92	52/56

На рис. 5 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности при включении IGBT с SiC SBD, измеренные при температуре кристалла +150 °C. Использование SiC SBD позволяет снизить пик тока до 22 А (на50%), а максимальную мгновенную мощность до 7,5 кВт (снижение на 50%). Также видно, что при этом отсутствуют высокочастотные осцилляции, что приводит к уменьшению генерации помех RFI/EMI.

Сравнение параметров переключения SiC SDB и Ultrafast Si-диодов приведено для температур кристалла +25 и +150 °C в таблице 1. Можно видеть, что общее снижение потерь переключения (IGBT + диод) составляет 52% при +25 °C и 56% при +150 °С.

На рис. 6 показаны токи выключения Si Ultrafast и SiC SBD при +25 и +150 °C, наложенные в одном масштабе. Параметры SiC SBD не зависят от температуры, пиковый ток восстановления — 5 А. Ток восстановления Ultrafast Si-диода заметно меняется с температурой,увеличиваясь с 13 А при +25 °C до 23 А при +150 °С.

На рис. 7 показаны кривые токов включения IGBT с Si Ultrafast и SiCSBD при температуре +25 и +150 °С, наложенные друг на друга. Пиковый ток IGBT с SiC SBD не зависит от температуры. Вариант с диодомSi Ultrafast показывает сильную температурную зависимость, связанную с высокой термозависимостью тока обратного восстановления.

На рис. 8 показаны суммарные динамические потери диода (включение и выключение) при частоте коммутации от 10 до 100 кГц и температуре +50, +100 и +150 °C. SBD имеет значительно меньшие потери (снижение до 85%), не меняющиеся с ростом температуры.

На рис. 9 показаны суммарные динамические потери IGBT (включение и выключение) при частоте коммутации от 10 до 100 кГц и температуре +50, +100 и +150 °C. Потери транзистора с SiC SBD примерно в два раза ниже, чем с Ultrafast Si-диодом. Этот вариант также демонстрирует гораздо меньшую зависимость от температуры. Температурная зависимость потерь переключения IGBT с SiC SBD обусловлена увеличением времени выключения транзистора, при этом потери включения не меняются с нагревом прибора. Такое заметное улучшение динамических свойств IGBT объясняется, в первую очередь, отсутствием процесса обратного восстановления SiC SBD.

Сравнение характеристик переключения 1200-В приборов

Параметры переключения измерялись для 8 А/1200 В Ultrafast Si-диода (такой же используется совместно с 11-А сверхбыстрым IGBT) и 5-А SBD, вместе с потерями 11 А/1200 В IGBT. Измерение потерь проводилось при напряжении 1000 В и токе 5 A. Максимальная температура кристалла при испытаниях составляла +125 °С, поскольку при температуре +150 °С начинается тепловое «убегание» IGBT.

На рис. 10 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности при выключении Ultrafast Si-диода при температуре кристалла +125 °C. Пик тока обратного восстановления достигает 6 А, время восстановления — 148 нс, мгновенная пиковая мощность — 2,8 кВт. Перенапряжение на 600-В Si-диоде не является ярко выраженным, поскольку тестирование происходило при низком значении di/dt (250 вместо 750 А/мкс).

На рис. 11 показано выключение SiC SBD при температуре кристалла +125 °C.

Использование SiC SBD позволяет уменьшить пик тока до 1 А (снижение на 83%), время восстановления — до 30 нс (снижение на 80%), а максимальную мгновенную мощность — до 0,3 кВт (снижение на 89%).Такое значительное уменьшение пиковой мощности объясняется тем,что SBD рассеивает только емкостной заряд при низком напряжении.

На рис. 12 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности при включении IGBT с Ultrafast Si-диодом при температуре кристалла +125 °C. В процессе включения ток обратного восстановления диода добавляется к току IGBT, что создает пик 11,7 А. Мгновенная мощность, рассеиваемая при этом транзистором, составляет 11 кВт.

На рис. 13 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности при включении IGBT с SBD при температуре кристалла +125 °C. Использование SBD позволяет уменьшить пик тока до 6,7 А (снижение на 42%), а максимальную мгновенную мощность — до 6,2 кВт (снижение на 44%).

На рис. 14 показаны эпюры токов выключения Ultrafast Si-диода и SiC SBD при температуре +25 и +125 °C, наложенные друг на друга. Параметры SiC SBD неизменны с температурой, пиковый ток восстановления — 1 А. Диоды Si Ultrafast демонстрируют сильную температурную зависимость, ток увеличивается с 5 А при +25 °C до 6 А при +150 °С. Время обратного восстановления Si Ultrafast растет со 100 нс при +25 °C до 148 нс при +125 °С, в то время как параметр t_rr у SiC SBD при тех же условиях остается неизменным.

На рис. 15 показаны эпюры токов включения IGBT с Ultrafast Si-диодом и SiC SBD при температуре +25 и +125 °C, наложенные друг на друга. Пик тока IGBT с SiC SBD не зависит от температуры. Пиковый ток и время обратного восстановления IGBT с Ultrafast Si-диодом демонстрируют сильную температурную зависимость вследствие термозависимости процесса обратного восстановления.

На рис. 16 показаны суммарные динамические потери диода (включение и выключение) при частоте коммутации от 10 до 100 кГц и температурах +25, +75 и +125 °C. SiC SBD имеет значительно меньшие потери переключения (снижение до 75%), которые не зависят от температуры.

**Таблица 1.** Сравнение параметров SiC SDB и Ultrafast Si-диодов (600 В) при различных значениях *T_j*(*I_C*= 5 A, *V_CC* = 1000 B,*R_g*= 22 Ом)
Параметр	Si Pin при +25/+150 °C	SiC при +25/+150 °C	% снижения при +25/+150 °C
Пик тока восстановления I_pr, A	5,5/6	1	82/83
Время обратного восстановления T_rr, нс	100/148	30	70/80
Заряд восстановления Q_rr, нс	295/540	20	93/95
Потери выключения диода E_{off_d}, мДж	0,08/0,16	0,02	75/88
Потери включения диода E_{on_d}, мДж	0,03	0,02	33
Потери общие диода E_{is_d}, мДж	0,11/0,19	0,04	64/79
Потери выключения IGBT E_{off_IGBT}, мДж	0,73/0,98	0,28	62/71
Потери включения IGBT E_{on_IGBT}, мДж	0,33/0,57	0,25/0,41	24/28
Потери общие IGBT E_{is_IGBT}, мДж	1,06/1,55	0,53/0,69	50/55
Потери общие E_is, мДж	1,17/1,74	0,57/0,73	51/58

На рис. 17 показаны суммарные динамические потери IGBT (включение и выключение) при частоте коммутации от 10 до 100 кГц и температурах +25, +75 и +125 °C. Потери транзистора с SiC SBD примерно в два раза ниже, чем с Si Ultrafast. У этого варианта также меньше температурная зависимость потерь. Ее наличие объясняется тем, что с ростом температуры растет время выключения, а потери включения остаются при этом неизменными. Такое заметное улучшение динамических свойств IGBT объясняется, в первую очередь, отсутствием процесса обратного восстановления SiC SBD.

Потери проводимости и общие потери

На рис. 18 показана прямая вольт-амперная характеристика 1200-В Ultrafast Si-диода и SiC SBD при температурах +25 и +125 °С. При токе 5 А прямое падение напряжения SiC SBD меньше на 0,75 В при 25 °Си на 0,18 В при +125 °С, таким образом, SiC-диод имеет меньшие потери проводимости.

**Таблица 3.** Сравнение расчетных значений потерь конвертера с 1200-В Ultrafast Si-диодами и SiC SDB при Tj = +125 °C
Параметр	Si Pin	SiC	% снижения
Потери диода динамические, Вт	19	4	79
Потери диода статические, Вт	12,5	11,7	6
Потери общие диода, Вт	31,5	15,7	50
Потери IGBT динамические, Вт	155	69	55
Потери IGBT статические, Вт	14,5	14,5	0
Потери общие IGBT, Вт	169,5	83,5	51
Потери общие, Вт	201	99,2	51

В таблице 3 приведены расчеты суммарных потерь для преобразователя на модулях 12-го класса, работающего с частотой коммутации 100 кГц с коэффициентом заполнения 50% при среднем токе 2,5 А. Расчеты делались для температуры кристаллов +125 °С. Справочное значение потерь проводимости IGBT составляет 2,9 В при 5 А. При использовании SiC SBD общие потери диода уменьшаются на 50%, а потери IGBT — на 51%. Таким образом, простая замена Ultrafast Si-диодов на SiC SBD обеспечивает снижение потерь 1200-В конвертера на 51%.

Заключение

Потери включения IGBT в значительной степени зависят от характеристик обратного восстановления оппозитного диода. Параметры SiC SBD оказывают большое влияние на динамические свойства как самого диода, так и IGBT в режиме жесткой коммутации. Представленные выше результаты измерений демонстрируют значительные преимущества SiC-диодов Шоттки. В то время как ток обратного восстановления Ultrafast Si-диодов демонстрирует сильную зависимость от температуры, параметры SiC SBD остаются неизменными. При высоких значениях di/dt Ultrafast Si-диоды генерируют перенапряжение при выключении, в отличие от них SiC SBD практически не генерируют перенапряжения благодаря отсутствию тока обратного восстановления. Резкое выключение Si Ultrafast создает паразитные осцилляции напряжения на IGBT,что, в свою очередь, приводит к генерации радиочастотных/электромагнитных помех. Этот эффект также отсутствует у SiC SBD.

Снижение потерь переключения на 50% можно использовать для оптимизации характеристик устройства несколькими различными способами. Например, это дает возможность увеличения эффективности преобразователя, снижения требований к системе охлаждении или использования IGBT с меньшим номинальным током. Также это позволяет увеличить рабочую частоту и, соответственно, уменьшить размеры пассивных компонентов или улучшить акустические характеристики. Отсутствие коммутационных перенапряжений устраняет необходимость в снабберных цепях. Отсутствие высокочастотных осцилляций уменьшает требования к фильтрам RFI/EMI. Замена Ultrafast Si-диодов на SiC-диоды Шоттки, такие как Cree Zero Recovery SBD, приводит к существенному снижению коммутационных потерь как в диоде, так и в IGBT, что дает значительное улучшение характеристик всей системы.

Автор

Джим Ричмонд(Jim Richmond)

Перевод

Евгений Карташов

Валерия Смирнова – продакт-менеджер компании Макро Групп. [email protected]

Статья была опубликована в журнале “Силовая электроника”, № 1’2018.

Диоды Д112-10Х, Д112-16Х, Д112-25Х, ДЛ112-10Х, ДЛ112-16Х, ДЛ112-25Х

Силовые диоды Д112, ДЛ112 имеют широкий спектр использования, основной областью применения являются цепи постоянного / переменного тока с ограничением по частоте в 500 Гц.

Разновидности диодов
Силовые полупроводниковые диоды	Диодны обратной полярности	Лавинные диоды
Д112-10	Д112-10X	ДЛ112-25
Д112-16	Д112-16X	ДЛ122-32
Д112-25	Д112-25X	ДЛ122-40
Д122-32	Д122-32X	ДЛ132-50
Д122-40	Д122-40X	ДЛ132-63
Д132-50	Д132-50X	ДЛ132-80
Д132-63	Д132-63X	ДЛ142-80
Д132-80	Д132-80X	ДЛ142-100
Д142-80	Д142-80X
Д142-100	Д142-100X

Основные особенности

Диоды по своей износостойкости и устойчивости к применению механических нагрузок разрешается применение синусоидальных нагрузок вибрации с частотой в 50 Гц с ускорением 150 м/с, а также допустимы одиночные удары с длительностью импульса 50 мс и ускорением 40 м/с.

Диоды Д112; ДЛ112 полноценно эксплуатируются в атмосфере типов I и II согласно государственному стандарту 15150-69 при температуре -50 (или минус 60 для климатического исполнения УХЛ2.1) до максимальной температуры при условии, которое соответствует понижению максимально допустимого прямого тока. Климатическое исполнение и категория размещения У2, УХЛ2.1. Диоды предназначены для использования в безопасных и химически неактивных средах. Для нормальной работы диодов, необходимо исключить воздействие нейтронного излучения.

Совместно с диодами лучше всего использовать следующие модификации охладителей: О111, О221, О231, О231, О241 в соответствии с техническими условиями 16-729.377-83.

m1, m2 – контрольные точки измерения импульсного прямого напряжения ;

m1 – в одной из двух точек;

Lmin = 2,6 мм -расстояние по воздуху между анода и катодом диода. Длинна пути для тока утечки между этими электродами

Масса диода не более 6г.

Подробные технические характеристики и параметры диодов Д112-10, Д112-10Х, Д112-16, Д112-16Х, Д112-25, Д112-25Х, ДЛ112-10, ДЛ112-10Х, ДЛ112-16, ДЛ112-16Х, ДЛ112-25, ДЛ112-25Х вы можете посмотреть на нашем сайте в техническом описании диодов.

Уравнение диода

| PVEducation

Обзор

I ₀ напрямую связано с рекомбинацией и, следовательно, обратно пропорционально качеству материала.
Неидеальные диоды включают член “n” в знаменателе экспоненты. N – коэффициент идеальности в диапазоне от 1-2, который увеличивается с уменьшением тока.

Идеальные диоды

Уравнение диода дает выражение для тока через диод как функцию напряжения.{\ frac {q V} {k T}} – 1 \ right) $$

где:
I = чистый ток, протекающий через диод;
I ₀ = «ток темнового насыщения», плотность тока утечки диода в отсутствие света;
В = приложенное напряжение на выводах диода;
q = абсолютное значение заряда электрона;
k = постоянная Больцмана; и
T = абсолютная температура (K).

«Ток темнового насыщения» (I ₀) – чрезвычайно важный параметр, который отличает один диод от другого. {\ frac {q V} {n k T}} – 1 \ right) $$

где:
n = коэффициент идеальности, число от 1 до 2, которое обычно увеличивается при уменьшении тока.

Уравнение диода показано на интерактивном графике ниже. Измените ток насыщения и наблюдайте за изменением ВАХ. Обратите внимание, что, хотя вы можете просто изменять температуру и коэффициент идеальности, полученные кривые IV вводят в заблуждение. При моделировании подразумевается, что входные параметры независимы, но это не так. В реальных устройствах ток насыщения сильно зависит от температуры устройства. Аналогичным образом механизмы, изменяющие коэффициент идеальности, также влияют на ток насыщения.Температурные эффекты обсуждаются более подробно на странице «Влияние температуры».

Изменение тока темнового насыщения изменяет напряжение включения диода. Фактор идеальности изменяет форму диода. График не соответствует фактору идеальности. Это означает, что увеличение коэффициента идеальности увеличит напряжение включения. На самом деле это не так, поскольку любой физический эффект, увеличивающий коэффициент идеальности, существенно увеличил бы ток темнового насыщения, I ₀, так что устройство с высоким коэффициентом идеальности обычно будет иметь на более низкое напряжение включения .

Диодный закон для кремния проиллюстрирован на следующем рисунке. Повышение температуры заставляет диод «включаться» при более низких напряжениях.

Диодный закон для кремния – ток изменяется в зависимости от напряжения и температуры. При заданном токе кривая сдвигается примерно на 2 мВ / ° C. Голубая кривая показывает влияние на ВАХ, если I ₀ не изменяется с температурой. На самом деле I ₀ быстро меняется с температурой, что приводит к синей кривой.

% PDF-1.3 % 1 0 объект > поток конечный поток эндобдж 2 0 obj > эндобдж 4 0 obj > поток h ޴ Zn} WKӪ $ BŁqHFA`a4QCyfH _νU] = ŮrJn / ~ ws % n> \] Cv & J # n / 4,0 | o] et [- (ߛ777 ח Rw37 nZQQt} /:> E ([/ ^ O3: 38l6q1Yu | Y}; S} Pͫv 釴 hg3 ׯ d`LzR-niI) 7wb & Jjf˸ \ wQľV5: ӆNx} i ^] ^ | V “% – fË XCwѪbs = fyDXn [= – / 6nZ ~ qbd; ws & h’̕pw [ibqf = [wN> g @ 0v24 $) KFZ7 ݐ I = z [1ND? U 켶 ㆽ 1W0t0 @ o

Диоды – обзор | Темы ScienceDirect

8.4.2 Диоды

Диод представляет собой двухслойный двухконтактный полупроводниковый прибор. Когда полупроводниковые материалы n-типа и p-типа соединяются вместе, это образует PN-переход, который называется диодом. Полупроводниковый диод работает, позволяя току течь через него в одном направлении, но не в другом. Основная структура и обозначение схемы полупроводникового диода показаны на рисунке 8.34. Две клеммы называются анодом (A) и катодом (K).

Рисунок 8.34. Полупроводниковый диод

Обычный ток течет через диод от анода к катоду (электроны текут от катода к аноду).Носителями тока в полупроводниках p-типа являются дырки, а в полупроводниках n-типа – электроны. Нормальная диффузия на стыке двух материалов вызовет дрейф некоторых дырок в материал n-типа, а часть электронов – в материал p-типа. Это создает небольшой заряд на стыке, который отталкивает любую дальнейшую диффузию дырок и электронов. Заряженная область на стыке называется областью обеднения или барьерной областью.Работа диода рассматривается, когда диод смещен в прямом или обратном направлении, как показано на рисунке 8.35. Здесь прикладывается напряжение (В) и может быть измерен ток (I).

Рисунок 8.35. Работа полупроводникового диода

Типичные области применения полупроводникового диода включают выпрямление сигналов переменного тока в источниках питания, схемы пиковых детекторов, ограничение уровня сигнала (для предотвращения превышения уровня напряжения сигнала над безопасным уровнем, называемого защитой входных цепей), телекоммуникации и индуктивные цепи схемы захвата обратной ЭДС (для снятия больших напряжений, создаваемых быстро меняющимся током в катушке индуктивности).

Когда диод смещен в прямом направлении, это уменьшает область истощения. Если диод достаточно смещен (на достаточно высокое значение V), то начинает течь ток (I). Однако, если диод смещен в обратном направлении, это приводит к увеличению области обеднения и предотвращает протекание тока.

Идеальный диод проводит только тогда, когда диод смещен в прямом направлении, и тогда падение напряжения на диоде (Vd) равно нулю. Когда идеальный диод смещен в обратном направлении, ток не течет.

В реальном диоде, когда диод смещен в прямом направлении, на диоде имеется конечное падение напряжения (Vd): примерно 0,6 В для кремниевого диода и примерно 0,4 В для германиевого диода. Если приложенное напряжение ниже этого значения, ток не будет протекать. Когда реальный диод смещен в обратном направлении, будет небольшой, но конечный ток утечки. Вольт-амперная характеристика кремниевого диода показана на рисунке 8.36.

Рисунок 8.36. Характеристики полупроводникового диода (шкалы с прямым смещением и обратным смещением не равны)

При прямом смещении уравнение диода определяется следующим образом:

I = Is⋅ (ур.v / KT-1)

где I – ток, протекающий в диоде, Is – ток насыщения или утечки (обычно порядка 10 ^–14 A), V – напряжение на диоде (т. е. V _d), q – заряд электрона, k – постоянная Больцмана, а T – абсолютная температура (в градусах Кельвина). Для схемы, работающей при температуре около 20 ° C, k.T / q обычно принимается равным 25 м В.

Варианты полупроводникового диода, обычно встречающиеся в электронных схемах, включают стабилитрон, светоизлучающий диод (LED) и фотодиод.

Если напряжение обратного смещения превышает максимальное значение, напряжение пробоя диода будет проводить ток, и чрезмерный ток может вывести устройство из строя. Это называется лавинным срывом. Также может иметь место вторая форма пробоя, туннельный пробой (или пробой Зенера).

Стабилитрон имеет управляемое обратное напряжение пробоя. Туннелирование или пробой стабилитрона происходит при превышении управляющего напряжения. Символ стабилитрона показан на рисунке 8.37. Стабилитрон используется в таких приложениях, как источники питания и цепи опорного напряжения.

Рисунок 8.37. Обозначение стабилитрона

Светодиод – это диод, который заставляет устройство излучать свет при протекании через него тока (с прямым смещением). Доступные цвета: красный, зеленый, оранжевый, синий и белый. Символ светодиода показан на Рисунке 8.38.

Рисунок 8.38. Символ светодиода

Типичное применение светодиода показано на Рисунке 8.39. Здесь светодиод подключен к напряжению источника питания схемы и используется для индикации наличия питания в схеме. Напряжение питания +5 В постоянного тока.Прямое падение напряжения на светодиоде составляет 2 В (фактическое значение зависит от конкретного светодиода), а прямой ток для стандартных светодиодов составляет 20 мА (фактическое значение зависит от конкретного светодиода). Чтобы подключить светодиод к источнику +5 В, ток, протекающий через диод, должен быть ограничен резистором подходящего номинала.

Рисунок 8.39. Работа светодиода

Фотодиод может использоваться для измерения силы света, поскольку он производит ток, зависящий от количества света, падающего на pn переход.

Характеристики диода – динамическое сопротивление, время перехода

В этом руководстве мы узнаем о некоторых важных характеристиках диода. Изучив эти характеристики диода, вы лучше поймете принцип работы диода в целом.

Характеристики часто используемых диодов

Ниже приведены некоторые из часто используемых характеристик диодов.

Текущее уравнение
Сопротивление постоянному току
Сопротивление переменному току
Переходная емкость
Диффузионная емкость
Время хранения
Время перехода
Время восстановления

Теперь мы рассмотрим эти характеристики диода немного подробнее краткий.

Уравнение тока диода

Диод с PN-переходом широко известен тем, что пропускает электрический ток только в одном направлении. Величина тока, протекающего через диод с PN-переходом, в значительной степени зависит от типа используемого материала, а также от концентрации легирования при изготовлении диода с PN-переходом.

Основная причина протекания тока связана с генерацией или рекомбинацией основных носителей заряда в структуре диода с PN переходом.

У нас будет три области, ответственные за протекание тока основных носителей заряда. Эти области представляют собой квазинейтральную P-область, обедненную область, квазинейтральную N-область. Область квазинейтрального P-типа – это расстояние между краем обедненной области и краем диода на P-стороне.

Область квазинейтрального N – типа – это расстояние между краем обедненной области и краем диода на N – стороне. Для предположения, это расстояние разделения бесконечно.Концентрация носителей заряда не изменится по мере приближения к границам диода. В квазинейтральной области электрического поля не будет.

Δn _p (x → -∞) = 0

Δp _n (x → + ∞) = 0

Ток диода в прямом смещении обусловлен рекомбинацией основных носителей заряда . Рекомбинация носителей заряда происходит либо в квазинейтральных областях P – типа, либо в N – типах, в обедненной области или на омических контактах i.е., на контакте металла и полупроводника.

Ток при обратном смещении возникает из-за генерации носителей заряда. Этот тип процесса генерации носителей заряда дополнительно увеличивает ток как в прямом, так и в обратном смещении.

Протекание тока в диоде с PN-переходом определяется плотностью носителей заряда, электрическим полем в структуре диода с PN-переходом и энергиями квазиуровня Ферми P-типа и N-типа. Плотность носителей и электрическое поле используются для определения тока дрейфа и диффузионного тока PN-диода.

Предполагается, что энергии квазиуровней Ферми электронов и дырок в области обеднения и в квазинейтральных областях N-типа и P примерно равны при получении аналитического решения.

Если предположить, что уровни энергии Ферми постоянны в обедненной области, плотность неосновных носителей заряда на границе обедненной области будет следующей:

При отсутствии внешнего напряжения состояние теплового равновесия достигается по приведенным выше уравнениям.Расстояние между уровнями Ферми увеличивается с увеличением внешнего приложенного напряжения. Это внешнее напряжение умножается на заряд электрона.

Избыточные носители заряда, присутствующие в любой из квазиобластей, рекомбинируют сразу же, когда достигают контакта металл-полупроводник. Процесс рекомбинации происходит быстро на омическом контакте и дополнительно усиливается в присутствии металла. Следовательно, допустимые граничные условия могут быть сформулированы следующим образом:

p _n (x = w _n) = p _n0

n _p (x = -w _p) = n _p0

Рассмотрим уравнение диффузионного тока как для квазинейтральных областей N – типа, так и для P – типа, выражение для тока идеального диода будет получено с использованием граничных условий к рассматриваемому уравнению диффузионного тока.

Преобразование приведенных выше уравнений в гиперболические функции, переписывание приведенных выше уравнений как

p _n (x≥x _n) = p _n0 + A cosh {(xx _n) / L _p} + B sinh {(xx _n) / L _p}

n _p (x ≤ -x _p) = n _p0 + C cosh {(x + x _p) / L _n} + D sinh {(x + x _p) / L _n}

Здесь A, B, C и D – постоянные значения, которые необходимо определить.Если граничные условия применяются к вышеуказанным гиперболическим уравнениям, то мы будем иметь

Где ширина квазинейтральной области N – типа и P – типа задается как

w´ _n = w _n – x _n

w´ _p = w _p – x _p

Плотность тока носителей заряда в каждой квазинейтральной области рассчитывается из уравнения диффузионного тока как

. величина электрического тока, протекающего по всей структуре диода с PN-переходом, всегда должна быть постоянной, потому что никакой заряд не может исчезнуть или накапливаться во всей структуре диода.

Следовательно, полный ток через диод равен сумме максимального дырочного тока в n-области, максимального электронного тока в p-области и тока из-за рекомбинации носителей заряда в обедненной области. Максимальные токи в квазинейтральных областях возникают по бокам от обедненной области.

Постоянное или статическое сопротивление

Статическое сопротивление или постоянное сопротивление диода с PN-переходом определяет резистивную природу диода, когда к нему подключен источник постоянного тока.Если внешнее постоянное напряжение подается на схему, в которую входит полупроводниковый диод, это приводит к появлению точки Q или рабочей точки на характеристической кривой диода с PN переходом, которая не изменяется со временем.

Статическое сопротивление в изгибе кривой и ниже ее будет намного больше, чем значения сопротивления участка вертикального подъема характеристической кривой. Минимум – это ток, проходящий через диод, максимум – это уровень сопротивления постоянному току.

R _DC = V _DC / I _DC

AC или динамическое сопротивление

Динамическое сопротивление определяется по уравнению диода Шокли.Он определяет резистивную природу диода, когда к нему подключен источник переменного тока, который зависит от поляризации постоянного тока диода с PN переходом.

Если внешний синусоидальный сигнал подается на схему, состоящую из диода, изменяющийся вход будет немного сдвигать мгновенную точку Q относительно текущего положения в характеристиках, и, следовательно, он определяет определенное изменение напряжения и тока.

Когда внешний переменный сигнал не подается, рабочей точкой будет точка Q (или точка покоя), которая определяется уровнями подаваемого сигнала постоянного тока.Сопротивление диода переменному току увеличивается за счет понижения точки Q срабатывания. Короче говоря, это эквивалентно наклону напряжение-ток PN-диода.

r _d = ΔV _d / ΔI _d

Среднее сопротивление переменному току

Если входного сигнала достаточно, чтобы произвести большое колебание, тогда сопротивление, связанное с диодом для эта область называется средним сопротивлением переменного тока. Он определяется прямой линией, соединяющей точку пересечения минимального и максимального значений внешнего входного напряжения.

R _ср. = (ΔV _d / ΔI _d) _{pt to pt}

Переходная емкость

Переходную емкость также можно назвать емкостью обедненного слоя или емкостью пространственного заряда. Это в основном наблюдается в конфигурации с обратным смещением, где области P-типа и N-типа имеют более низкое сопротивление, а обедненный слой может действовать как диэлектрическая среда.

Этот тип емкости возникает из-за изменений внешнего напряжения, при которых неподвижные заряды изменяются на краях слоя обедненной области.Это зависит от диэлектрической проницаемости и ширины обедненного слоя. Если ширина обедненного слоя увеличивается, переходная емкость уменьшается.

C _T = ε _с / w = √ {[qε _с/2 (ϕ _i – V _D)] [N _a N _d / (N _a + N _d)]}

Диффузионная емкость

Диффузионная емкость также может быть названа как накопительная емкость, которая в основном наблюдается в конфигурации с прямым смещением.Это емкость, вызванная переносом носителей заряда между двумя выводами диода, то есть от анода к катоду в конфигурации с прямым смещением диода с PN переходом.

Если позволить электрическому току проходить через полупроводниковое устройство, в какой-то момент на нем будет образовываться заряд. В случае, если приложенное внешнее напряжение и ток изменятся на другое значение, при передаче будет создаваться другое количество заряда.

Отношение переходного заряда, созданного к дифференциальному изменению напряжения, будет диффузионной емкостью. Если уровень тока увеличивается, уровни диффузионной емкости автоматически увеличиваются.

Повышенные уровни тока приведут к снижению уровней сопутствующего сопротивления, а также постоянной времени, что важно в высокоскоростных приложениях. Значение диффузионной емкости намного больше, чем значение переходной емкости, и оно прямо пропорционально величине постоянного тока.

C _diff = dQ / dV = [dI (V) / dV] Γ _F

Время хранения

Диод с PN-переходом действует как идеальный проводник в конфигурации с прямым смещением и действует как идеальный изолятор в конфигурации с обратным смещением. Во время переключения из состояния прямого смещения в обратное поток тока переключается и остается постоянным на том же уровне. Это время, в течение которого ток меняет направление и поддерживает постоянный уровень, называется временем хранения (T _s).

Время, необходимое электронам, чтобы перейти от P-типа обратно к N-типу, и дыркам, чтобы перейти от N-типа обратно к P-типу, является временем хранения. Это значение можно определить по геометрии PN-перехода. В течение этого времени хранения диод ведет себя как короткое замыкание.

Время перехода

Время понижения тока до значения обратного тока утечки после того, как он остается на постоянном уровне, называется временем перехода. Обозначается, поскольку значение времени перехода определяется геометрией PN перехода и концентрацией уровней легирования материалов P – типа и N – типа.

Время обратного восстановления

Сумма времени хранения и времени перехода называется временем обратного восстановления. Это время, необходимое диоду для повышения подаваемого токового сигнала до 10% от значения постоянного состояния от обратного тока утечки. Значение времени обратного восстановления для диода с PN переходом обычно составляет порядка микросекунд.

Его значение для широко используемого диодного выпрямителя с малым сигналом 1N4148 обычно составляет 4 нс, а для выпрямительного диода общего назначения – 2 мкс.Высокая скорость переключения может быть достигнута за счет высокого значения обратных токов утечки и высоких падений прямого напряжения. Обозначается T _rr.

Анализ данных

Сводка

Здесь представлен краткий обзор различных характеристик диодов.

ПРЕДЫДУЩИЙ – PN ДИОД ПЕРЕХОДА

СЛЕДУЮЩИЙ – ТИПЫ ДИОДОВ

Схема идеального диода и ее характеристики

Как правило, мы обычно используем несколько типов основных электрических и электронных компонентов для построения схем, которые состоят из резисторов, диодов, конденсаторов, транзисторов, интегральных схем (IC), трансформаторов, тиристоров и так далее.Давайте подумаем о диоде, который представляет собой двухполупроводниковое твердотельное устройство, которое показывает нелинейные характеристики V-I и позволяет току течь только в одном направлении. Когда диод находится в прямом смещении, он дает очень низкое сопротивление. Точно так же он препятствует прохождению тока во время обратного смещения, что дает очень высокое сопротивление. Диоды подразделяются на различные типы в зависимости от принципа работы и характеристик, такие как стабилитрон, светодиоды, диоды постоянного тока, общие диоды, варакторные диоды, туннельные диоды, идеальные диоды, лазерные диоды, фотодиоды, диоды Пельтье и т. Д.

Что такое идеальный диод?

Идеальный диод – это один из видов электрического компонента, который работает как идеальный проводник, когда напряжение подается в прямом смещении, и как идеальный изолятор, когда напряжение подается в обратном смещении. Таким образом, когда на анод по направлению к катоду подается положительное напряжение, диод немедленно выполняет прямой ток. Когда напряжение подается в обратном смещении, ir вообще не производит тока. Этот диод работает как выключатель. Когда диод находится в прямом смещении, он работает как замкнутый переключатель.В то время как идеальный диод имеет обратное смещение, он работает как разомкнутый переключатель.

Обозначение цепи идеального диода

Идеальный диод состоит из двух выводов, как обычный диод. Соединения конца компонента и клемм поляризованы. Важно знать, что нельзя совмещать подключения на диоде вверх. Два вывода идеального диода называются анодом и катодом, где анод положительный, а катод отрицательный.

Символ схемы идеального диода – треугольник на фоне линии.На рынке доступны различные типы диодов, но обычно символ диода будет выглядеть, как на следующей диаграмме. Роковое попадание в гладкую кромку треугольника означает анод. Поток тока в направлении треугольника указывает, но не может идти в обратном направлении.

Схема идеального диода

Как уже говорилось выше, идеальный диод – это простейшее устройство. Обозначение схемы идеального диода показано выше и демонстрирует его двухполюсный характер.Это означает, что есть две клеммы для подключения диода к внешней цепи, а именно анод и катод. Вывод анода более положительный, чем вывод катода, и ток будет в указанном направлении.

Идеальный диод в цепи

Приведенные ниже схемы являются примерами пары простых идеальных диодных схем. В первой цепи диод D1 смещен в прямом направлении и пропускает ток через цепь. Итак, это похоже на короткое замыкание. В то время как во второй цепи диод D2 подключен с обратным смещением, ток не может течь в цепи, и это в основном выглядит как разомкнутая цепь.

Характеристики идеального диода

Вольт-амперная характеристика является наиболее важным соотношением для диода. Это определяет, как ток течет через компонент и как измеряется напряжение на нем. Дуга i-v идеального диода полностью нелинейна. Это похоже на следующий график.

Характеристики идеального диода

Пороговое напряжение

Идеальные диоды не имеют порогового напряжения. Как только на диод подается какое-либо прямое напряжение, он мгновенно проводит ток через свои переходы

Прямой ток

Идеальные диоды включают неограниченный прямой ток, когда любое прямое напряжение приложено к их клеммам.Это связано с идеальным состоянием, внутреннее сопротивление диода было бы нулевым. Идеальный диод вообще не имел бы внутреннего сопротивления. Поскольку ток (Закон Ома I = V / R), неограниченное количество тока будет проходить и подаваться в электрическую цепь с идеальным диодом .

Напряжение пробоя

Идеальные диоды не имеют напряжения пробоя . Это связано с тем, что диод имеет неограниченное сопротивление обратному напряжению. Когда напряжение подается в обратном направлении, он вообще не будет проводить никакого тока.

Обратный (утечка) Ток

Поскольку идеальный диод не имеет конца пробоя, он никогда не производит никакого обратного тока, называемого током утечки. Это идеальный изолятор при обратном приложении напряжения.

Итак, речь идет об идеальном диоде и его характеристиках. Мы надеемся, что вы получили основную информацию об этой концепции. Кроме того, любые сомнения или сведения о типах диодов, пожалуйста, оставьте свой отзыв, оставив комментарий в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, В чем разница между идеальным диодом и обычным диодом?

1N5820, 1N5821, 1N5822 – Выпрямители с осевым выводом

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > транслировать application / pdf

ON Semiconductor

1N5820, 1N5821, 1N5822 – Выпрямители с осевым выводом

2007-12-12T10: 56: 55-07: 00BroadVision, Inc.2020-08-11T14: 09: 13 + 02: 002020-08-11T14: 09: 13 + 02: 00 Acrobat Distiller 8.1.0 (Windows) uuid: 1a1ff9d3-4834-4ab0-a878-feb7fca15d3fuid: fbcbe52f-64e9-453a-9015-ff7b8990e508 конечный поток эндобдж 4 0 obj > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > эндобдж 16 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 18 0 объект > эндобдж 19 0 объект > транслировать HT6zWQ., .II $ [m4ȁ + 6SYR} ͥ0lY {3͈> d> o \ QR 賻 C, dEànb * Idá; CV5, SMW ~ gn3cN $ = dvmsV7) J} F (u 9nS’qggwkxxxNLeBTR W% HD (% * = 3’V “, OP 漒 pNPSVRh

Что такое диоды быстрого восстановления (FRD)? | Semiconductor

Что такое диоды быстрого восстановления (FRD)?

Этот диод с p-n переходом предназначен для уменьшения времени обратного восстановления (trr) и также называется высокоскоростным диодом.
По сравнению с обычными выпрямительными диодами, trr на 2–3 разряда меньше, потому что FRD разработан с импульсным источником питания для выпрямления высоких частот в десятки или сотни кГц.

Типовые характеристики

Выдерживаемое напряжение (В _RM)	Высокое напряжение, такое как 600 В, 800 В и 1000 В
Прямое напряжение (В _F)	Приблизительно от 1,3 до 3,6 В
Обратный ток (I _R)	Чрезвычайно малая, от нескольких мкА до десятков мкА
Время обратного восстановления (trr)	Примерно от десятков нСм до 100 нСм
Приложение	Выпрямление цепей переключения высокого напряжения (например, PFC)

Необходимо выбрать и использовать лучший тип диода в соответствии с каждым применением, потому что чем меньше время обратного восстановления, тем больше становится V _F.

Характеристики восстановления диода

Можно приравнять trr к «времени возвращения дырок», потому что движение дырок занимает больше времени по сравнению с движением электронов.

Взаимосвязь между прямым током (I

_F) и временем обратного восстановления (trr)

Когда прямой ток мал

Когда прямой ток большой

Как улучшить трр

Тяжелый металл рассеивается, или на диод с p-n-переходом облучается пучок электронов, чтобы создать ловушку для носителей, чтобы улавливать дырки, когда они возвращаются.TRR увеличивается на 2–3 цифры, но в результате V _F становится больше.

Диод с этой защитой называется высокоскоростным диодом и обычно называется FRD (диод быстрого восстановления).

Выбор и использование диодов быстрого восстановления

V _F -TRR компромисс для диодов, выдерживающих 600 В

Диоды выпрямительные общего назначения

Эти p-n диоды не быстродействующие.TRR большой, но V _F маленький, около 1 В (для продуктов на 600 В). Эти диоды предназначены для промышленных частот, таких как 50/60 Гц, и не используются в цепи переключения.

FRD

FRD – диоды с быстрым восстановлением. Они обеспечивают высокоскоростную поддержку и обычно имеют время от 50 до 100 нс. При напряжении V _F примерно 1,5 В это довольно много по сравнению с обычными выпрямительными диодами.
Еще один общий термин для типа FRD – «высокоскоростной диод.”

FRD (сверхбыстрый тип)

Даже среди диодов с быстрым восстановлением этот диод разработан специально для быстродействия. TRR составляет примерно 25 нс, что очень мало, но V _F довольно велик при напряжении от 3 до 3,6 В. Этот диод используется в приложениях, где особенно требуется высокая скорость. Даже если V _F больше, чем это, относительное преимущество trr невелико.
Этот тип важен не только из-за его высокой скорости, но и из-за его характеристик мягкого восстановления.

Форма кривой тока для режима критической проводимости PFC

Ток диода медленно переходит в состояние ВЫКЛ, как показано на рисунке. Ток восстановления также ограничен индуктором и не становится таким большим.
В этом типе применения сверхбыстрый диод не требуется, а использование обычного FRD, когда VF не очень большой, повышает эффективность.

трр быстродействующих диодов класса 600 В

Пример сверхскоростного типа
trr = 25 нс (макс.), V _F = 3.6 В (макс.)
Пример высокоскоростного типа
trr = 100 нс (макс.), В _F = 1,5 В (макс.)

Для этого приложения подходят высокоскоростные типы.

Форма кривой тока для режима непрерывной проводимости PFC

Как показано на рисунке, когда в диоде протекает ток и внезапно прикладывается обратное напряжение, при отключении тока в течение периода trr протекает чрезвычайно большой ток восстановления, что приводит к потерям.

При использовании в схемах этого типа необходимо использовать диод с наименьшим trr, даже если жертвовать V _F.

трр быстродействующих диодов класса 600 В

Пример сверхскоростного типа
trr = 25 нс (макс.), В _F = 3,6 В (макс.)

Пример высокоскоростного типа
trr = 100 нс (макс.), В _F = 1,5 В (макс.)

Вышеуказанные сверхвысокоскоростные типы подходят для этого приложения.

Мягкое восстановление и жесткое восстановление

Когда ток восстановления восстанавливается слишком внезапно, он производит больше шума. В результате trr должен быть не только маленьким, но и плавно или плавно восстанавливаться.
Номера 1 и 3 ниже могут иметь одинаковые значения trr в каталоге, но потери и шум совершенно разные. Кроме того, цифра 2 выглядит очень хорошо при просмотре каталога, но производит большой шум.

И потери мощности, и шум небольшие

Потеря мощности мала, но шум велик

И потери мощности, и шум большие