Исследование основных свойств и характеристик высокоэффективных импульсных блоков питания

Ещё одна особенность  диодов Шотки заключается в идеальности  прямой ветви ВАХ – прямая ветвь  ВАХ соответствует выражению: . При этом с изменением прямого тока в пределах нескольких порядков зависимость близка к линейной, или в показателе экспоненты при изменении тока не появляется дополнительных множителей. Учитывая эту особенность, диоды Шотки можно использовать в качестве быстродействующих логарифмических элементов.

На рис. 2 показаны ВАХ кремниевого диода Шотки 2Д219, рассчитанного на максимально допустимый прямой ток 10 А. Прямое напряжение на диоде при максимально допустимом прямом токе не более 0,6 В, максимально допустимое обратное напряжение для диода 2Д219Б 20 В. Эти диоды допускают прохождение импульсов тока длительностью до 10 мс с периодом повторения не менее 10 мин с амплитудой, в 25 раз превышающей максимально допустимый прямой ток. Диоды рассчитаны на частоту выпрямляемого тока 0,2 МГц.

диод устройство полупроводник шотки

 

Рис. 2. ВАХ кремниевого диода Шотки 2Д219 при разных температурах

 

 

Импульсные  диоды Шотки

Исходным  полупроводниковым материалом для  этих диодов может быть, так же как  и для выпрямительных диодов Шотки, кремний или арсенид галлия. Но предпочтение здесь должно быть отдано арсениду галлия, так как в этом материале время жизни неосновных носителей заряда может быть менее с. Несмотря на практическое отсутствие инжекции неосновных носителей заряда через переход Шотки при его включении в прямом направлении (что уже было отмечено ранее), при больших прямых напряжениях и плотностях прямого тока существует, конечно, некоторая составляющая прямого тока, связанная с инжекцией неосновных носителей заряда в полупроводник. Поэтому требование малости времени жизни неосновных носителей в исходном полупроводниковом материале остается и для импульсных диодов Шотки.

Арсенид галлия пока не удаётся получить с малой  концентрацией дефектов, в результате чего арсенид-галлиевые диоды имеют относительно малые значения пробивных напряжений, далёкие от теоретически возможных. Это является существенным недостатком для выпрямительных диодов, но не столь важно для импульсных диодов, так как большая часть импульсных схем – это низковольтные схемы.

Выпускаемые промышленностью арсенид-галлиевые  импульсные диоды Шотки (3А527А, 3А530Б  и др.) предназначены для использования  в импульсных схемах пико- и наносекундного диапазона. В отличие от выпрямительных диодов Шотки они имеют значительно меньшие площади выпрямляющих переходов. Поэтому общая емкость этих диодов не превышает 1 пФ даже при нулевом постоянном напряжении смещения.

В системных блоках питания, диоды  Шоттки используются для выпрямления  тока каналов +3.3В и +5В, а, как известно, величина выходных токов этих каналов составляет десятки ампер, что приводит к необходимости очень серьезно относиться к вопросам быстродействия выпрямителей и снижения их энергетических потерь. Решение этих вопросов способно значительно увеличить КПД источников питания и повысить надежность работы силовых транзисторов первичной части блока питания.

Итак, для уменьшения динамических коммутационных потерь и устранения режима короткого замыкания при  переключении, в самых сильноточных каналах (+3.3В и +5В), где эти потери наиболее значительны, в качестве выпрямительных элементов используются диоды Шоттки. Применение диодов Шоттки в этих каналах обусловлено следующими соображениями:

1) Диод Шоттки является  практически безынерционным прибором с очень малым временем восстановления обратного сопротивления, что приводит к уменьшению обратного вторичного тока и к уменьшению броска тока через коллекторы силовых транзисторов первичной части в момент переключения диода. Это в значительной степени снижает нагрузку на

 

 

Диоды Шоттки в блоках питания

силовые транзисторы, и, как результат, увеличивает надежность блока питания.

2) Прямое падение напряжения  на диоде Шоки также очень  мало, что при величине тока 15-30 А обеспечивает значительный  выигрыш в КПД.

Так как в современных блоках питания очень мощным становится и канал напряжения +12В, то применение диодов Шоттки в этом канале также  дало бы значительный энергетический эффект, однако их применение в канале +12В нецелесообразно. Это связано  с тем, что при обратном напряжении свыше 50В (а в канале +12В обратное напряжение может достигать величины и 60В) диоды Шоттки начинают плохо переключаться (слишком долго и при этом возникают значительные обратные токи утечки), что приводит к потере всех преимуществ их применения. Поэтому в канале +12В используются быстродействующие кремниевые импульсные диоды. Хотя промышленностью сейчас выпускаются диоды Шоттки и с большим обратным напряжением, но их использование в блоках питания считается нецелесообразным по разным причинам, в том числе и экономического плана. Но в любых правилах имеются исключения, поэтому в отдельных блоках питания можно встретить диодные сборки Шоттки и в каналах +12В.

В современных системных блоках питания компьютеров диоды Шоттки представляют собой, как правило, диодные сборки из двух диодов (диодные полумосты), что однозначно повышает технологичность и компактность блоков питания, а также улучшает условия охлаждения диодов. Использование отдельных диодов (рис.2), а не диодных сборок, является сейчас показателем низкокачественного блока питания.

Диодные сборки выпускается, в основном, в трех типах корпусов (рис.3):

1. - TO-220 (менее мощные сборки с рабочими токами до 20 А, иногда до 25-30А);
2. - TO-247 (более мощные сборки с рабочими токами 30 – 40 А);
3. - TO-3P (мощные сборки).

Электрическая схема  и цоколевка диодной сборки Шоттки представлены на (рис.4).

Электрические характеристики диодных  сборок, наиболее часто используемых в современных системных блоках питания представлены в табл.1.

Взаимозаменяемость диодных  сборок определяется, исходя из их характеристик. Естественно, что при невозможности  использовать диодную сборку с абсолютно  такими же характеристиками, лучше  проводить замену на прибор с большими значениями тока и напряжения. В  противном случае гарантировать стабильную работу блока питания будет невозможно. Известны случаи, когда производители применяют в своих блоках питания диодные сборки со значительным запасом по мощности (хотя чаще приходится наблюдать ситуацию, как раз, обратную), и при ремонте можно установить прибор с меньшими значениями тока или напряжения. Однако при такой замене необходимо самым тщательным образом проанализировать характеристики блока питания и его нагрузки, и вся ответственность за последствия такой доработки, естественно, ложится на плечи специалиста, производящего ремонт.

 

 

 

 

 

 

 

Практическая  часть

2.1   Объекты и методы исследования

Цель работы: измерение  вольтамперных характеристик (ВАХ)  диода Шоттки 1N5817, сравнительная оценка полученных характеристик и определение параметров диода.

2.2 Основные сведения из теории

Диод Шоттки (также  правильно Шотки, сокращённо ДШ) —  полупроводниковый диод с малым  падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В (MBR40250 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Свойства диодов Шоттки:

Достоинства

В то время, как обычные  кремниевые диоды имеют прямое падение  напряжения около 0,6—0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,2—0,4 вольт. Столь малое прямое падение напряжения присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением порядка десятков вольт, выше же падение напряжения становится сравнимым с аналогичным параметром кремниевых диодов, что ограничивает применение диодов Шоттки.

Барьер Шоттки (открыл нем. физик Вальтер Шоттки — Walter Schottky) также имеет меньшую электрическую  ёмкость перехода, что позволяет  заметно повысить рабочую частоту. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малое время восстановления позволяет строить выпрямители на частоты в сотни кГц и выше. Например, диод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимизированный под высокочастотное выпрямление, нормирован для работы при dV/dt до 10 кВ/мкс.

Благодаря лучшим временны́м характеристикам и малым ёмкостям перехода выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных диодных  выпрямителей пониженным уровнем помех, поэтому они предпочтительны в традиционных трансформаторных блоках питания аналоговой аппаратуры.

 

Недостатки

при кратковременном  превышении максимального обратного  напряжения диод Шоттки необратимо выходит  из строя (КЗ — короткое замыкание), в отличие от обычных кремниевых p-n диодов, которые переходят в режим обратимого[1] пробоя, и, при условии непревышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности после падения напряжения, диод полностью восстанавливает свои свойства.

диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых p-n диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Для вышеупомянутого 30CPQ150 обратный ток при максимальном обратном напряжении изменяется от 0,12 мА при +25 °C до 6,0 мА при +125 °C. У низковольтных диодов в корпусах ТО220 обратный ток может превышать сотни миллиампер (MBR4015 — до 600 мА при +125 °C). При неудовлетворительных условиях теплоотвода положительная обратная связь по теплу в диоде Шоттки приводит к его катастрофическому перегреву.

2.1.2   Расчетная часть

Паспортные данные исследуемых диодов:

Электрические параметры	1N5817
Постоянное прямое напряжение не более, В	0,45-0,6
Постоянный обратный ток не более, мкА	500
Максимальный выпрямительный ток, мА	1000
Предельно допустимое обратное напряжение, В	20

 

Схемы:

 

- прямое включение

 

 

 

 

 

 

 

 

- обратное включение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формулы:

 

 

Статическое сопротивление:

Дифференциальное сопротивление:

 

 

 

 

Прямое включение диода 1N5817

Uпр, В	0,218	0,265	0,317	0.349	0,368	0,391
Iпр, мА	0,52	1,23	3,05	5,14	7,01	10,1

 

 

 

Обратное включение  диода 1N5817

Uобр, В	1,8	3,13	5	7,62	10	14,9
Iобр, мА	0,001	0,001	0,001	0,002	0,004	0,021

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вольтамперная характеристика.

 

 

 

 

Рассчитаем статическое  сопротивление диодов на прямой и  обратной ветвях:

 

	Диод Шоттки (1N5817)
Прямая ветвь	Ro=0,317/(3,05*10-3)=103,93 Ом
Обратная ветвь	Ro=7,62/(0,002*10-3)=3,81*104Ом

 

 

Рассчитаем дифференциальное сопротивление диодов на прямой и обратной ветвях:

 

	Диод Шоттки (1N5817)
Прямая ветвь	Ri=(0,349-0,317)/(3,05-1,23)=17,58 Ом
Обратная ветвь	Ri=(7,62-5)/(0,002-0,001)=26,2*105 Ом

 

 

 

 

Вывод:

 

В данной работе мы  диод Шоттки.

Проведя исследования, мы пришли к выводу, что обратные токи намного меньше, чем прямые. Прямая ветвь вольтамперной характеристики диода идёт круто вверх, практически  параллельно вертикальной оси. Она  характеризует быстрый рост прямого тока при незначительном увеличении прямого напряжения. Обратная ветвь идёт почти параллельно горизонтальной оси, характеризуя незначительный рост обратного тока, при значительном увеличении обратного напряжения. По вольтамперной характеристике можно сделать вывод, о том, что диод имеет одностороннюю проводимость.