Чем отличается импульсный диод от выпрямительного

Огромное количество современных электронных устройств используют в своей работе электрические импульсы. Это могут быть слаботочные сигналы или токовые импульсы (что гораздо серьезнее в техническом отношении) в цепях блоков питания и прочих импульсных преобразователей, инверторов и т.д.

А действие импульсов в преобразователях — это всегда критичность к длительности форнтов и спадов, имеющих временные границы примерно того же порядка, что и переходные процессы в электронных компонентах, в частности — в тех же диодах. Поэтому, при использовании в импульсных схемах диодов, следует обязательно принимать во внимание переходные процессы в самих диодах — во время их включения и выключения (во время открывания и закрывания p-n-перехода).

В принципе, чтобы сократить время переключения диода из неповодящего состояния — в проводящее и обратно, в некоторых низковольтных схемах целесообразно прибегать к использованию диодов Шоттки.

Диоды данной технологии отличаются от обычных выпрямительных диодов наличием перехода металл-полупроводник, который хоть и обладает выраженным выпрямительным эффектом, но в то же самое время имеет сравнительно малую проходную емкость перехода, заряд в которой накапливается в настолько некритичных количествах и так быстро рассасывается, что схема с диодами Шоттки может работать на достаточно высокой частоте, когда время переключения имеет порядок единиц наносекунд.

Еще один плюс диодов Шоттки — падение напряженя на их переходе составляет всего около 0,3 вольт. Итак, главное достоинство диодов Шоттки — в них не затрачивается времени на накопление и рассасывание зарядов, быстродействие здесь зависит только от скорости перезаряда небольшой барьерной емкости.

Что касается выпрямительных диодов, то изначальное предназначение данных компонентов вообще не предполагает работу в импульсных режимах. Импульсный режим для выпрямительного диода — это нетипичный, нештатный рижим, поэтому и особо высоких требований к быстродействию выпрямительных диодов разработчиками не предъявляется.

Выпрямительные диоды используются в основном для преобразования низкочастотного переменного тока в постоянный или пульсирующий, где вовсе не требуется малая проходная емкость p-n-перехода и быстродействие, чаще нужны просто большая проводимость и соответственно высокая стойкость к относительно длительному непрерываному току.

Итак, импульсные диоды — это специально разрабатываемые диоды для работы именно в импульсных режимах в высокочастотных цепях. Их принципиальной отличительной особенностью от выпрямительных диодов является кратковременность переходных процессов в силу очень малой емкости p-n-перехода, которая может доходить до единиц пикофарад и быть еще меньше.

Уменьшение емкости p-n-перехода в импульсных диодах достигается путем уменьшения площади перехода. Как следствие, рассеиваемая на корпусе диода мощность не должна быть очень большой, средний ток через переход малой площади не должен превышать максимально допустимого значения, указываемого к документации на диод.

Часто в качестве быстродействующих диодов используют диоды Шоттки, однако они редко отличаются высоким обратным напряжением, поэтому импульсные диоды выделены как отдельный тип диодов.

Источник

Импульсного и выпрямительного диодов, в чем разница в 2021 году?

Диод – элемент в системе электроники, необходимый для создания импульсивности и слаботочных сигналов. Его проводимость зависит от направленности тока. Является участником цепной реакции в преобразователях и инверторах. Классифицируется импульсивный и выпрямительный, их действие и принцип работы немного отличается друг от друга.

Выпрямительный

Необходим в электронной цепи для преобразования переменного тока в постоянный. Для него характерны следующие показатели:

Отличается он высокой емкостью, которая в рабочем режиме может достичь до десятков пФ. Обусловлено это большой площадью переходов. Используются в электронных цепях, где нужна высокая проводимость и стойкость к длительному непрерывному току.

Оба вида этих составляющих цепной реакции в электронике имеет проводимость только в одном направлении. При обратном движении он мгновенно блокирует поступаемую мощность.

Импульсивный

Его цель использования в электронной сети – для создания непрерывной поступающей связи между всеми элементами. Он определяется следующими свойствами:

Используются только в высокочастотных цепях, где не требуется большая проводимость и хорошая непрерывная мощность. Полученное электричества должно быть средним и не превышать максимально допустимых значений, которые определяются по инструкции диода.

Отличия

У обоих видов элементов электроники во время активного действия не происходит накопительного процесса зарядов и их рассасывания. Основные различия в них обусловлены тем, что для первого характерна малая емкость доли пикофарада, а рассеивание мощности у них составляет от 30 до 40 мВт.

Импульсивный осуществляет деятельность за счет принципа действия Шотки. Для него обусловлен более короткий промежуток времени, необходимый для переключения непроводящего состояние в проводящее и обратно. Падение напряжения при этом всего составляет не более 0,3 вольт.

Следовательно, импульсивный режим работы соответствует для соответствующего диода и он абсолютно не характерен для выпрямительного. Поэтому к первому часто предъявляются самые высокие требования, а ко вторым они разработчиками не предъявляются.

Источник

Билет 16: Импульсный диод. Требования к импульсным диодам. Параметры. УГО

Импульсные диоды

это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей.

Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд барьерной емкости в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе.

Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт) (рисунок 1.11 )При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению неосновных носителей заряда в области базы (это высокоомная n

При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток, ограниченный, в основном, объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через — переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время восстановления обратного сопротивления

– интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп: >500 нс; =150…500 нс;=30…150 нс, =5…30 нс; =1…5 нс и

Рисунок 1.11 — Процесс переключения диода из открытого состояния в закрытое

При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рисунок 1.12 ), что связано с повышением напряжением до тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается.

Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода – временем установления прямого напряжения

, равным интервалу времени от начала импульса тока до достижения заданного значения прямого напряжения.

Значения этих параметров зависят от структуры диода и от времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базу вводится небольшое количество примеси золота. Атомы золота служат дополнительными центрами рекомбинации, в результате их введения уменьшается время жизни носителей заряда, а следовательно, и диффузионная емкость — перехода. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Импульсные диоды изготавливаются на основе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (рисунок 1.13) в которых переход выполнен на основе контакта металл-полупроводник. Условное обозначение показано на рис.16.

Рисунок 1.13- Условное обозначение диода Шоттки

У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки напоминает характеристику диодов на основе — переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8 — 10 декад приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи — малы (доли-десятки наноампер).

Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

См. также

Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др. Выпрямительные диоды Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода. Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер). Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 — 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым). При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях. Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду. На рис. 1 показаны условное графическое обозначение (УГО) и характеристики выпрямительных диодов (их идеальная и реальная вольт-амперная характеристики). Видимый излом вольт-амперной характеристики диода (ВАХ) в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения. На вольт-амперная характеристика реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает. Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя. Рис. 1. Полупроводниковый выпрямительный диод: а – условное графическое изображение, б – идеальная вольт-амперная характеристика, в – реальная вольт-амперная характеристика Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды. Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150 — 200 °С против 80 — 100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60 — 80 А/см2 против 20 — 40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от германиевых диодов, который относится к редкоземельным элементам). К преимуществам германиевых диодов можно отнести малое падение напряжения при протекании прямого тока (0,3 — 0,6 В против 0,8 — 1,2 В). Кроме названных полупроводниковых материалов, в сверхвысокочастотных цепях используют арсенид галлия GaAs. Полупроводниковые диоды по технологии изготовления делятся на два класса: точечные и плоскостные. Точечный диод образуют Si- или Ge-пластина n-типа площадью 0,5 — 1,5 мм2 и стальная игла, образующая p–n-переход в месте контакта. В результате малой площади переход имеет малую емкость, следовательно, такой диод способен работать в высокочастотных цепях. Но ток через переход не может быть большим (обычно не более 100 мА). Плоскостной диод состоит из двух соединенных Si- или Ge-пластин с разной электропроводностью. Большая площадь контакта ведет к большой емкости перехода и относительно низкой рабочей частоте, но проходящий ток может быть большим (до 6000 А). Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток Iпр.max, – максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max, – максимально допустимая частота fmax. По первому параметру выпрямительные диоды делят на диоды:

– малой мощности, прямой ток до 300 мА, – средней мощности, прямой ток 300 мА — 10 А, – большой мощности – силовые, максимальный прямой ток определяется классом и составляет 10, 16, 25, 40, — 1600 А. Импульсные диоды применяются в маломощных схемах с импульсным характером подводимого напряжения. Отличительное требование к ним – малое время перехода из закрытого состояния в открытое и обратно (типичное время 0,1 — 100 мкс). УГО импульсных диодов такое же, как у выпрямительных диодов.

Рис.2. Переходные процессы в импульсных диодах: а – зависимость тока при переключении напряжения с прямого на обратное, б – зависимость напряжения при прохождении через диод импульса прямого тока К специфическим параметрам импульсных диодов относятся: – время восстановления Tвосст – это интервал времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток уменьшится до заданного значения (рис 2,а), – время установления Tуст – это интервал времени между началом протекания через диод прямого тока заданной величины и моментом, когда напряжение на диоде достигнет 1,2 установившегося значения (рис 2,б), – максимальный ток восстановления Iобр.имп.макс., равный наибольшему значению обратного тока через диод после переключения напряжения с прямого на обратное (рис 2,а). Обращенные диоды получают при концентрации примесей в p- и n-областях большей, чем у обычных выпрямительных диодов. Такой диод оказывает малое сопротивление проходящему току при обратном включении (рис.3) и сравнительно большое сопротивление при прямом включении. Поэтому их применяют при выпрямлении малых сигналов с амплитудой напряжения в несколько десятых вольта. Рис. 3. УГО и ВАХ обращенных диодов Диоды Шоттки получают, используя переход металл-полупроводник. При этом применяют подложки из низкоомного n-кремния (или карбида кремния) с высокоомным тонким эпитаксиальным слоем того же полупроводника (рис.4). Рис. 4. УГО и структура диода Шоттки: 1 – низкоомный исходный кристалл кремния, 2 – эпитаксиальный слой высокоомного кремния, 3 – область объемного заряда, 4 – металлический контакт На поверхность эпитаксиального слоя наносят металлический электрод, обеспечивающий выпрямление, но не инжектирующий неосновные носители в базовую область (чаще всего золото). Благодаря этому в этих диодах нет таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. Поэтому инерционность диодов Шоттки не высока. Она определяется величиной барьерной емкости выпрямляющего контакта (1 — 20 пФ). Кроме этого, у диодов Шоттки оказывается значительно меньшее, чем у выпрямительных диодов последовательное сопротивление, так как металлический слой имеет малое сопротивление по сравнению с любым даже сильно легированным полупроводником. Это позволяет использовать диоды Шоттки для выпрямления значительных токов (десятки ампер). Обычно их применяют в импульсных вторичных источниках питания для выпрямления высокочастотных напряжений (частотой до нескольких МГц). Потапов Л. А.

Источник информации: Школа для электрика: электротехника от А до Я. Образовательный портал по электротехнике.

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber

Источник

Что такое импульсный диод? Импульсные блоки питания

Диодом импульсного типа называют диод имеющий малую длительность переходных процессов и являющийся составной частью импульсной схемы, работающей на высокой частоте.

Для данных целей наиболее подходят диоды с оптимизированными собственными ёмкостью и временем, требующимся на то, чтобы обратное сопротивление восстановилось. Достижение необходимого показателя по первому параметру происходит при уменьшении длины и ширины p-n — перехода, это соответственно сказывается и на уменьшении допустимых мощностей рассеивания.

По второму — при использовании сильно легитированных полупроводниковых элементов (например, легитация кремниевых пластины используется золото).

Для диодов импульсного типа свойственно наличие:

Малых значений предельных импульсных токов (максимально исчисляются в нескольких сотнях мА);

Малых значений предельных обратных напряжений (максимально — десятки вольт).

Величина барьерной ёмкости у диода импульсного типа в большинстве случаев составляет меньше 1пФ (пико Фарад). Что до времени жизни неосновных носителей, то оно не превышает 4 нс.

Для диодов данного типа характерна способность к пропусканию импульсов продолжительностью не более микросекунды при токах с широкой амплитудой. Если диод точечный (в смысле конструкции), то ему свойственно работать на частотах около 1ГГц.

Типы импульсной диодной конструкции:

Диод (импульсный) имеет широкий спектр областей применения, в том числе, с его помощью можно сконструировать электронный ключ, генератор, модулятор, формирователь импульсов и демпфер.

По сути импульсный диод выполняет те же функции, что и стандартный диод полупроводникового типа, обладающий p-n — переходом. В момент воздействия прямого напряжения он демонстрирует хорошую электропроводность. Кроме того, в случае смены полярностей происходит перекрывание диода. Перекрывается он не в одно мгновение, а в несколько этапов:

По каким параметрам следует оценивать импульсный диод:

Феномен восстановительного периода обуславливается существованием заряда, накопившегося в диодной базе в то время, когда подавался импульс. Чтобы запереть диод, потребуется тем или иным способом избавиться от этого заряда.

Это может произойти благодаря рекомбинациям и возвращению ННЗ в зону эмиттера. Данное действие оказывает влияние на обратный ток, его сила возрастает. После смены полярностей напряжения в течение определённого временного интервала изменений обратного тока, который ограничивается лишь воздействием внешнего сопротивления цепи, практически не происходит. В то же время ННЗ, скопившиеся в диодной базе во время подачи импульса, рассасываются.

По завершении некоторого временного отрезка ННЗ рядом с переходом приобретают равновесную концентрацию, однако, в более глубинной части базы заряд по-прежнему остаётся неравновесным. Но на данный момент значение обратного диодного тока становится статическим. Полностью он перестанет изменяться, когда скопившийся внутри базы заряд полностью рассосётся.

Диод Шоттки

Для импульсных цепей быстрого действия характерно применение диодов с барьером Шоттки. В таких устройствах зона перехода располагается в месте сцепления металла и полупроводника. Сконструированные подобным образом диоды не требуют дополнительного времени, чтобы заряды внутри базы накапливались, а потом рассасывались. Ключевым параметром здесь становится лишь та скорость с которой перезаряжается барьерная ёмкость.

По своим вольт-амперным характеристикам диоды Шоттки весьма схожи с диодами, работа которых основана на действии p-n — перехода. Вся разница заключается в том, что на первых восьми — десяти десятках приложенного напряжения, график действия практически точно движется по экспоненте, при этом объёмы обратных токов крайне невелики (до нескольких десятков нА).

С точки зрения конструкции диоды данного типа представляют собой полупроводниковую пластину (материал: низкоомный кремний), покрытую эпитаксиальной плёнкой (высокоомной), имеющей аналогичную по типу электропроводность. Сама плёнка тоже имеет покрытие в виде вакуумного металлического напыления.

К сфере применения диодов Шоттки можно также отнести выпрямители больших токов и логарифмирующие устройства. Подробней про диод Шоттки здесь

Выпрямительный диод

Чтобы получить однополярное пульсирующее напряжение при выпрямлении переменного, обычно применяется выпрямительный диод. Действие пульсирующего напряжения сглаживается (обычно с помощью конденсатора) и на выходе оно становится постоянным. Конструирование выпрямительного диода аналогично конструированию его плоскостной разновидности. Это обусловлено их низкочастотным режимом работы и большой силой прямого тока, идущего по электронно-дырочному переходу.

Для выпрямительных диодов малой мощности свойственно рассеивание собственной тепловой энергии посредством собственной же внешней оболочки, как следствие, они не нуждаются в охлаждающих устройствах. Выпуск выпрямительных диодов возможен как в форме дискретного компонента, так и в виде диодных сборок.

Величина обратного напряжения для выпрямительного диода, превышающий максимально допустимый, может стать причиной пробоя. Предотвратить это возможно последовательным соединением группы предварительно шунтированных диодов (шунтирование при помощи высокоомного резистора позволяет равномерно распределить напряжение по всем компонентам).

Негативное действие прямого тока излишней силы можно минимизировать и даже предотвратить при помощи параллельно соединённых диодов. Показания по сопротивлению, даже для диодов от одного изготовителя и произведённых в одно время, могут сильно разниться. Поэтому, для сохранения целостности диода с более низкими показателями, производится последовательное подключение к низкоомным резисторам. Это способствует уравниванию силы проходящих внутри диодов прямых токов.

Лазерный диод

Под термином лазер понимается излучение монохроматического типа в оптическом волновом диапазоне, получаемое при помощи квантовых генераторов. Лазеры, конструкция которых базируется на полупроводниках выступают инструментом создания лазерных диодов. В качестве базы для конструирования диодов требуется использование плоскостного электронно-дырочного перехода. Он формируется при помощи полупроводника, имеющего проводимость электронного типа (к примеру, арсенид галлия).

Конструкция лазерного диода

Между гранями полупроводниковых пластин, выступающих в качестве основы образования электронно-дырочного перехода, служат для формирования резонатора Фабри-Перо. Фотоны внутри этого своеобразного «коридора» отражаются от стен тысячи раз, до того как покинуть его. Концентрированность электронов для более высоких энергетических уровней первоначально меньше, чем для более низких.

Электронную инжекцию в зону дырочной проводимости производят при осуществлении прямого включения от внешнего источника питания. Также это способствует осуществлению электронной рекомбинации на месте, где электронно-дырочный переход граничит с остальной частью диода (эта зона составляет меньше двух микрометров). Всё это происходит при параллельном выделении фотонов.

Далее электроны всё больше концентрируются в области верхних энергетических уровней, до того момента, пока не превысят уровень концентрации электронов внизу. После многократное отражение уже имеющихся и появление новых индуцирующих фотонов приведёт к формированию монохроматического светового излучения, покидающего стены лазерного диода посредством специального окошка.

Необходимо помнить, что лазер применим лишь в целях создания, но не увеличения силы импульсов

Сферы, в которых может применяться импульсный лазерный диод: спектрографы, лазерные прицелы, дальномеры, лазерные принтеры и медицинские приборы. Кроме того, это незаменимый компонент устройств стирающих, записывающих и считывающих информацию с любого лазерного диска.

Импульсные блоки питания

Схема мощного импульсного блока питания

Ввиду того, что использование трансформатора вне дома не несёт никакой пользы, то здесь импульсные преобразователи энергии оказываются весьма уместны. Ведь они способны используя абсолютно любую батарею или аккумулятор, формировать нужный уровень напряжения.

Диоды импульсных источников питания (импульсных силовых блоков, импульсных блоков питания), обеспечивающие их работоспособность, были описаны выше. Применение той или иной разновидности зависит от того, какие конкретно свойства и параметры требуется получить при создании конкретного блока питания. Самостоятельное конструирование подобных блоков не представляет особой сложности, но, тем не менее, это тема, требующая отдельного обсуждения.

Источник