Особенности и область применения быстрых диодов
Для многих силовых схем в настоящее время подходят диоды, которые известны под наименованием Шоттки. Их основное отличие от обыкновенных приборов заключается в том, что они изготавливаются по особым чертежам, поэтому в их конструкции почти полностью отсутствуют носители, обладающие зарядом неосновного типа. Именно данный тип зарядов во многом воздействует на показатель скорости обратного восстановления. В настоящее время в ассортименте многих производителей можно повстречать соответствующие диоды, способные функционировать с током в 240 А. Среди других достоинств подобных диодов можно привести достаточно низкое уменьшение напряжения в открытом состоянии. Поэтому они часто используются в низковольтных схемах.
В каких областях применяются быстрые или ультрабыстрые диоды
Несмотря на многие преимущества, которыми обладают диоды Шоттки, они имеют один серьезный минус: одни из лучших моделей подобных приборов силового типа обладают наивысшим обратным напряжением, не превышающим 150 В. Поэтому они практически не встречаются в оборудовании, оснащенном серьезными силовыми модулями. Для стабильной работы силовых модулей в настоящее время используются так называемые быстрые или ультрабыстрые диоды, продающиеся на сайте https://k206.net/catalog/609/. Интернет-магазин «K206» предлагает к покупке различные разновидности диодов, изготавливающихся известными современными производителями. Ультрабыстрые диоды, прежде всего, отличаются весьма высокой скоростью обратного восстановления. У отдельных моделей соответствующей разновидности оборудования показатель напряжения в не открытом состоянии может достигать 1200 В.
В инструкции, составленной производителем, часто можно найти данные по скорости восстановления, а также по пиковому току во время действия этого восстановления обратного вида. По представленной информации в теории можно вывести потери тепла, которые неизбежно возникают во время восстановления быстрого диода. Но на практике, к сожалению, применять соответствующие данные от производителей неудобно, ведь при работе устройства также необходимо учитывать показатель приложенного обратного напряжения.
В силовых конструкциях, в которых присутствуют ультрабыстрые диоды, потери теплового типа складываются из потерь статической проводимости и потерь, возникающих при обратном восстановлении прибора. Для расчета статических потерь необходимо использовать показатель прямого падения напряжения.
Выпрямитель для усилителя или сага о быстром диоде
Многие говорят что в выпрямителях усилителей должны использоваться только лишь диоды Шоттки, или сверхбыстрые диоды («суперфаст» — это если по-русски ). Если поставить обычные «медленные» диоды, то Великий Аудиофильский Дух обидится и хорошего звука вам не видать! На наше счастье, Великий Аудиофильский Дух может навредить только тем, кто в него верит. Давайте попробуем разобраться в необходимости применения таких диодов без привлечения эзотерики, а при помощи одной лишь науки и техники.
Единственная претензия, предъявляемая к диодам, состоит в том, что они медленно закрываются, и при этом через них будто бы протекает обратный ток, разряжающий конденсаторы фильтра. Говорят, что это происходит примерно так, как показано на рис.1 красной линией.
Называют две основных причины протекания обратного тока:
1. Рассасывание объемного заряда в базе диода, в течение которого диод еще не закрылся.
2. Заряд емкости обратно смещенного n-p перехода, когда диод уже закрылся.
Мы разберем обе эти причины. Но сначала давайте подумаем вот о чем: если бы через диод протекал бы большой обратный ток (даже такой, как на рисунке 1), то конденсаторы фильтра разряжались бы сразу после своей зарядки, и напряжения питания никакого бы и не было! Раз выпрямители работают даже на медленных диодах, то разряд этот не такой уж большой и страшный (и почему-то в профессиональных методах рассчета выпрямителей про этот самый обратный ток вообще ничего не говорится!).
Начнем с эксперимента — практика, как известно, — критерий истины. Соберем схему простейшего выпрямителя с обычным «медленным» диодом (рис.2):
Вот как это выглядит в реальности:
Рис. 3. Фото тестового выпрямителя.
Посмотрим на осциллографе ток через диод, ток довольно большой — максимальная амплитуда 12 ампер, что соответствует работе диода в реальных условиях:
Чего-то не видно этих самых токов разряда. Для большей наглядности изменим масштаб и добавим на осциллограмму линию развертки, чтобы был виден ноль, и если бы график нырял вниз вследствие тока разряда, это было бы хорошо заметно (рис.5):
Сравните рис.1 и рис.5. В реальности не хватает той части, которая соответствует разряду конденсатора обратным током диода. Значит ли это, что такого тока нет вообще? Нет, обратный ток есть, просто он настолько мизерный, что обнаружить его обычным осциллографом в таком простом эксперименте невозможно (я даже так с ходу и не скажу, как можно измерить ток разряда в моем выпрямителе).
Давайте попробуем прикинуть, какой разрядный ток будет протекать через диод и насколько этот ток разрядит конденсатор фильтра. Я использую упрощенный расчет, так как при полном правильном расчете не обойтись без интегралов и прочей высшей математики. Упрощение сильно снизит точность (и завысит результаты!), но порядок цифр будет более-менее верным, и мы его наглядно представим.
Для простоты давайте рассчитаем мой выпрямитель, который я исследовал.
Причина 1.
Рассасывание объемного заряда в базе диода, вследствие чего он остается некоторое время в открытом состоянии. Время рассасывания возьмем 10 микросекунд. Это весьма большое время и у большинства диодов оно заметно меньше. Принцип расчета показан на рис. 6.
Итак, какое-то время диод открыт в прямом направлении и проводит прямой ток. После чего он должен закрыться, чтобы не пропустить ток обратный. Но диод не закрывается, и начинает пропускать обратный ток, показанный на рис.6 внизу красной линией. Ток протекает в течение времени Δt, равному времени рассасывания, т.е. у нас Δt = 10 мкс. При этом к диоду приложено обратное напряжение ΔU, из-за которого на самом деле и протекает обратный ток (а из-за чего еще ему протекать?).
Если мы узнаем ΔU, то можно будет определить и ток, а зная ток и время, которое он протекает – определить разряд конденсатора фильтра.
Поехали. Посмотрим, что там делается на самом деле – реальная осциллограмма на рис.7 (а линии на ней довольно условны):
Для нахождения ΔU определимся со временем и фазовыми углами. Находим цену деления по горизонтали: 360 градусов = 50 делений, значит одно деление 7,2 градуса. От начала периода напряжения до конца протекания тока диода:
Это начало обратного тока диода. Обратный ток длится Δt=10 мксек. Переведем секунды в градусы: один период синусоиды 360 градусов = 20 миллисек, а 10 мкс — Х. Из пропорции находим, что Х = 10 мкс = 0,18 градуса. Следовательно, конец протекания обратного ток диода – 136,98 градуса.
Итак, ΔU – это разность напряжений между точками «а» и «б» на рисунках 6 и 7. Напряжение в точке «а»:
Напряжение в точке «б»:
Теперь найдем ток через диод. Объемное сопротивление базы Rб мощных диодов примерно равно 0,05 Ом. Ток по закону Ома:
Ну а теперь посмотрим, насколько же разряжается конденсатор фильтра при разряде током 1,6 А в течение 10 мкс:
На самом деле конденсатор разрядится намного меньше (из-за того, что ток не все время остается максимальным). Но и то, сравните напряжение на заряженном конденсаторе = 28,2 вольта и эти несчастные 1,6 мВ! Конечно их будет незаметно, ведь это 0,006% от напряжения на конденсаторе.
Итак, можем ли мы пренебречь разрядом конденсатора на 0,006%? Я так думаю, что можем. Если же поставить быстрый диод с временем рассасывания 100 нс, то разряд конденсатора уменьшится раз в 100 и будет равен 0,00006%. Выигрыш – ну просто обалденный. А народ еще спорит, какие диоды лучше — с временем восстановления 50 нс или все же подойдут 70 нс диоды!
В чем заключается упрощение расчета? В том, что на самом деле обратное напряжение на диоде растет медленно, и обратный ток тоже растет медленно и имеет примерно такую форму, как на рис. 6 (т.е. было неправильно делить максимальное напряжение на сопротивление). Поэтому максимальный ток на самом деле будет раз в пять-десять меньше, чем мы посчитали. И максимальным он будет не все время, а лишь чуть-чуть. И разряд конденсатора — тоже будет меньше в несколько раз.
Причина 2.
Обратный ток через емкость запертого диода.
Прежде чем рассуждать о емкостном токе, вспомним, что существует такая схема включения диодов моста (рис.8), и она имеет ряд преимуществ перед обыкновенной.
В этой схеме емкость конденсаторов раз в 30 превышает емкость диодов, значит и обратный ток через конденсаторы течет в 30 раз больше (т.е. как бы обратный ток через емкость диода повышается в 30 раз), но никто почему-то не плачет по этому поводу.
Но у нас просто одиночный диод, его емкость порядка 300 пикофарад. Для того, чтобы определить, насколько заряд этой емкости «посадит» конденсатор фильтра, воспользуемся формулой:
Тогда, учитывая, что максимальное напряжение конденсатора 28,2 В:
Это в 1000 раз меньше, чем из-за объемного заряда и на такой мизер внимания обращать вообще нельзя! Точно также, при подключении конденсаторов параллельно диодам, снижение напряжение на конденсаторе фильтра будет 30…50 мкВ — подключайте конденсаторы на здоровье!
Вот и все. Никаких других объективных причин влияния «медленности» диода на работу выпрямителя не существует! (разве что ВЧ помехи про которые ниже). Что там думает себе Великий Аудиофильский Дух — нам по барабану, давайте обсудим результаты.
Итак, что же получается? Обыкновенные «медленные» диоды никакого заметного разряда конденсаторов фильтра и не вызывают! А как же тогда быть с утверждениями: «я заменил обычные диоды на ультрафаст, и усилитель зазвучал!»? Ну, во-первых, на это есть первый закон самовнушения: «Если в системе заменить даже самый маленький проводок, система сразу зазвучит лучше». Этот закон объясняет 80% всех наших улучшений звучания (так хорошо слышимых на слух). На самом деле, никакого ужасного разряда конденсаторов «медленными» диодами не происходит, и значит не происходит никакого изменения звука от применения ультрафаст диодов. Это все аудиофильские сказки. Кроме того — самое главное — разряд конденсаторов питания всего лишь уменьшает напряжение питания! Ну и как это скажестя на качестве звучания?
А как же быть с тем, что в импульсных блоках питания, например компьютерных, устанавливают ультрафасты или Шоттки? Все верно. На тех частотах, на которых работают импульсные блоки, время закрывания диода будет равно уже порядка 1/3 периода (а не 1/2000, как на частоте 50 Гц), и это слишком много. Кроме того, импульсные сигналы имеют крутые фронты, и там напряжение на диоде изменяется резко, поэтому высокое обратное напряжение появляется сразу, что вызывает высокие обратные токи.
Есть и отрицательная сторона «скорости» диода. Отпирание/запирание диодов создает импульсы тока с довольно резкими фронтами, а значит и создает широкий спектр помех, который излучается выпрямителем, проводами, идущими к нему от трансформатора и проводами, идущими к конденсатору фильтра. И эти помехи попадают в усилитель и подгружают его высокими частотами (до сотен килогерц). Поэтому некоторые специалисты (например, профессор Никитин) даже советуют подключать выпрямитель к трансформатору через небольшой дроссель, это замедлит процессы отпирания/запирания диодов и снизит помехи.
Мне нечем измерить высокочастотную помеху, вот низкочастотная часть спектра тока диода моего выпрямителя — до 20 кГц.
Рис. 9. Спектр тока диода.
Красная линия — спектр тока непосредственно выпрямителя, а синяя — при включении последовательно с диодом катушки с небольшой индуктивностью, что снижает уровень ВЧ составляющих тока, а как раз именно они хорошо излучаются в эфир в виде помех.
Более быстрое отпирание/запирание «быстрых» диодов даст импульсы тока с более резкими фронтами, а значит и спектр помех, излучаемых выпрямителем, станет более широким. И с этими помехами будет труднее бороться, а попав в усилитель, они сильнее перегрузят его высокими частотами, чем если бы использовать «обыкновенные» диоды. Эта перегрузка на ВЧ (теперь уже до мегагерц) дает интермодуляции с усиливаемым сигналом и вполне может быть заметна на слух как изменение звучания. Например именно таким способом (подмешиванием ультразвуковых сигналов частоты дискретизации) пользовались некоторые изготовители карманых CD плееров. При этом субъективно увеличивалось количество высоких частот и такую «фичу» даже называли что-то типа «живые высокие». Натуральность звука на самом деле при этом уменьшалась.
Но.
Но на самом деле, есть своя польза от применения в выпрямителях диодов Шоттки. Дело в том, что прямое падение напряжения на них гораздо меньше, чем на обычных диодах с n-p переходом, а значит потери напряжения в выпрямителе будут меньше и больше напряжения уйдет в питание усилителя. В моем тестовом выпрямителе на обычном диоде при токе 12 А падало 1,2 вольт, а на диоде Шоттки — 0,6 вольт. Значит на диодном мосте в первом случае теряется 2,4 В, а во втором только 1,2 В. Скажете: «Подумаешь мелочь, ерунда 1 вольт!». Не всегда мелочь и ерунда. Если у вас напряжение питания усилителя +-60 вольт, то этот самый 1 вольт действительно ерунда. А если питание +-24 вольта? Давайте посчитаем. Просадка напряжения выпрямителя под нагрузкой порядка 80% от хх. В вольтах это получается 19,2. Падение напряжения на диодах 2,4 вольта. Падение напряжения на выходом каскаде усилителя, допустим, 4 вольта. Значит, на выходе усилителя получаем 19,2 — 2,4 — 4 = 12,8 вольт амплитуды. На синусе, на нагрузке 6 Ом это будет всего лишь 13,6 Вт. Если же использовать диоды Шоттки, то максимальное напряжение на выходе: 19,2 — 1,2 — 4 = 14 В, и синусная мощность уже 16,3 Вт. Чуть-чуть, но больше. Посмотрим на это чуть-чуть повнимательнее.
Музыкальный сигнал имеет импульсную структуру с резкими всплесками:
Рис. 10. Осциллограмма музыкального сигнала.
Большей частью средний уровень сигнала невысокий и легко воспроизводится усилителем. А вот максимальные значения импульсов… В нашем примере если максимальная выходная мощность усилителя 16 Вт (с диодами Шоттки), то он полностью воспроизводит пики сигнала (рис.10). А с обычными диодами, когда выходная мощность 13 Вт, пики обрезаются, как показано на рис. 10 красной линией (ну не хватает мощности для них!). Психоакустика установила, что если эти редкие всплески вот так обрезать, то сознание этого не заметит, то есть мы не будем слышать явных искажений. Но с субьективной стороны при прослушивании мы будем ощущать, что «что-то не то» — отсутствует легкость, воздушность, естественность, прозрачность и прочие «чувственные» части звука. И в таком случае действительно замена обычных диодов на диоды Шоттки существенно улучшает звучание! И именно с той «необъяснимой» субъективной стороны. На самом же деле — никакой мистики, никакого волшебства, чистая физика! Такой вариант событий встречается, на самом деле, довольно часто, и довольно часто применение диодов Шоттки оправдано и технически, и с точки зрения улучшения звучания усилителей.
Выходит, что суперфаст диоды на самом деле в выпрямителе для усилителя и нафиг не нужны и никакой реальной пользы от них нет (зато они более «нежные» и хуже выдерживают перегрузки по току в отличие от «медленных»). А вот диоды Шоттки иногда бывают очень даже полезны, но не быстродействием своим, а низким прямым падением напряжения. Естествено, это справедливо только для «аналоговых» выпрямителей, работающих с частотой сети 50 Гц. Но с другой стороны, если говорить о высококачественных усилителях, то только такие источники питания туда и нужны — импульсные источники и Hi-Fi несовместимы!
Русские Блоги
В чем разница между диодами Шоттки и диодами быстрого восстановления?
Диоды с быстрым восстановлением относятся к диодам с очень коротким временем обратного восстановления (менее 5 мкс.) При этом в основном используются меры, легированные золотом. В некоторых структурах используются структуры PN-перехода, а в некоторых используются улучшенные структуры PIN-кода. Его прямое падение напряжения выше, чем у обычных диодов (1-2 В) (почему бы не упомянуть, какой материал здесь?), А обратное выдерживаемое напряжение в основном ниже 1200 В. По производительности его можно разделить на два уровня: быстрое восстановление и супер быстрое восстановление. Первое обратное время восстановления составляет сотни наносекунд или дольше, а второе меньше 100 наносекунд.
Диоды шотткиЭто диод на основе барьера, образованного контактом между металлом и полупроводником, называемый барьерным диодом Шоттки (Shottky Barrier Diode), с прямым понижением напряжения (0,4-0,5 В) (этот метод может использоваться для оценки устройства), обратное восстановление Время очень короткое (10-40 наносекунд), и ток обратной утечки велик, а выдерживаемое напряжение низкое, как правило, ниже 150 В, что в основном используется в случаях низкого напряжения.
Эти две трубки обычно используются для переключения электропитания.
Диоды шотткиРазница с диодами с быстрым восстановлением: время восстановления первого примерно в сто раз короче последнего, а время обратного восстановления первого составляет около нескольких наносекунд
Преимущества первого — низкое энергопотребление, большой ток и сверхвысокая скорость
! Конечно, электрические характеристики всех диодов
Диоды с быстрым восстановлением используют легирование золотом, простую диффузию и другие процессы в процессе производства для получения более высоких скоростей переключения и более высокого сопротивления напряжению.В настоящее время диоды с быстрым восстановлением в основном используются в качестве компонентов выпрямителя в источниках питания инвертора.
Диоды шоттки: Значение обратного выдерживаемого напряжения ниже 40 В — 50 В, падение напряжения во включенном состоянии составляет 0,3-0,6 В, а время обратного восстановления составляет менее 10 нс. Это диод "металлический полупроводниковый переход" с характеристиками Шоттки. Его прямое пусковое напряжение ниже. В дополнение к материалу металлического слоя также могут быть использованы золото, молибден, никель, титан и другие материалы. Его полупроводниковый материал использует арсенид кремния или галлия, в основном полупроводники N-типа. Это устройство управляется основной несущей, поэтому его обратный ток насыщения намного больше, чем PN-переход, проводимый неосновной несущей. Поскольку эффект запоминания неосновных несущих в диоде Шоттки очень мал, его частотная характеристика ограничена только постоянной времени RC, поэтому он является идеальным устройством для высокочастотного и быстрого переключения. Его рабочая частота может достигать 100 ГГц. И, MIS (металл-изолятор-полупроводник) диоды Шоттки могут быть использованы для изготовления солнечных элементов или светодиодов.
Диод с быстрым восстановлением: падение напряжения прямой проводимости 0,8-1,1 В, время обратного восстановления 35-85 нс, быстрое переключение между включением и отключением, повышение частоты использования устройства и улучшение формы сигнала. Диод с быстрым восстановлением использует в процессе производства легирование золотом, простую диффузию и другие процессы, которые могут обеспечить более высокую скорость переключения и более высокое напряжение. В настоящее время диоды с быстрым восстановлением в основном используются в качестве компонентов выпрямителя в источниках питания инвертора.
Я хотел бы спросить, почему существует обратное время восстановления
В чем разница между диодом Шоттки и диодом быстрого восстановления?
Для высокочастотных импульсных источников питания, из-за высокой частоты (смена фазы), когда положительный полупериод включен, диод не действует в это время. Если обратное восстановление диода Шоттки происходит медленно, когда отрицательный полупериод происходит из-за Шоттки Диод не изменился из включенного состояния, когда он положительно смещен в выключенное состояние, что эквивалентно короткому замыканию. Оно равно напряжению отрицательного полупериода и напряжению положительного полупериода, наложенному на два конца диода Шоттки. Из-за высокой частоты время обратного хода очень короткое (Эквивалентно времени короткого замыкания). Таким образом, при нормальных обстоятельствах диод Шоттки не сгорает сразу, но потребляет энергию короткого замыкания при падении напряжения на диоде Шоттки, вызывая серьезное выделение тепла, и эффект выпрямления значительно уменьшается
Чтоо такое быстрые диоды? Что они делают?
Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.
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 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.
Дурацкий вопрос. Непонята фраза «что они делают». Быстро работают.
Кол посту выше за бестолковый копипаст.