Принцип работы диода шоттки и сферы его применения

Достоинства и недостатки

Вышеописанные диоды имеют некоторые достоинства, которые заключаются в следующем:

• электроток отлично удерживается в цепи;
• небольшая емкость барьера Шоттки увеличивает срок службы изделия;
• низкое падение электронапряжения;
• быстродействие в электроцепи.

Что такое диод

Самым же существенным недостатком компонента является огромный обратный ток, что даже при скачке этого показателя в несколько единиц приводит к выходу диода из строя.

Обратите внимание! При эксплуатации электроэлемента Шоттки в цепях с мощным электротоком при неблагоприятных условиях теплового обмена случается теплопробой

Преимущества и недостатки

Кроме диодного моста существуют и другие способы преобразования переменного в постоянный ток. В сравнении с однополупериодным, двухполупериодное выпрямление обладает рядом преимуществ:

• И отрицательная, и положительная полуволна синусоиды преобразуются в выходное напряжение, поэтому вся мощность трансформатора используется в наиболее оптимальной степени.
• За счет большей частоты пульсации получаемое от диодного выпрямителя напряжение куда проще сглаживать при помощи фильтров.
• Использование электроэнергии под нагрузкой уменьшает потери мощности на перемагничивание сердечника, возникающее из-за процессов взаимоиндукции в обмотках питающего трансформатора.
• Гармоничное перераспределение кривой электротока и напряжения на выходе – за счет передачи каждого полупериода сразу двумя диодами в мосте, выходной параметр получается куда более равномерным.

К недостаткам диодного моста следует отнести и большее падение напряжения, в сравнении с однополупериодной схемой или выпрямителем с отводом из средней точки. Это обусловлено тем, что ток протекает сразу черед два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может оказывать существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампера могут решать значение сигналов, режимы работы агрегатов и т.д. В качестве решения могут применяться диодные мосты с диодами Шотки, у которых падение прямого напряжения относительно ниже.

Еще одним недостатком является сложность определения перегоревшего звена, так как при выходе со строя хотя бы одного диода вся схема будет продолжать работать. Понять, что один из полупроводниковых элементов выпал из цепи можно лишь с помощью измерений, далеко не всегда прибор или схема отреагируют при сбое видимой неисправностью.

Работа в ИБП

Подобные элементы очень широко используются в импульсных схемах, в приборах для стабилизации напряжения, а также в блоках питания. Преимущественно выбираются сдвоенные элементы, имеющие в одном корпусе общий катод.

Использование в ИБП сдвоенного диода Шоттки с общим катодом является признаком высокого качества и надежности блока питания.

При этом сгоревший элемент относится к частым и типовым неисправностям импульсного устройства. Нерабочее состояние возникает при:

• утечке на корпус;
• электроприборе.

Встроенная защита приводит к блокировке ИБП в обоих случаях. При утечке возможно присутствие незначительных нестабильных пульсаций напряжения на выходе, а также слабые «подергивания» вентилятора. В случае пробоя напряжения в блоке питания полностью исключены. Так можно определить вероятную причину нерабочего состояния диода Шоттки, но для окончательного решения понадобится диагностика.

Для диагностики следует выполнить шаги:

1. Выпаять элемент и схемы.
2. Осмотреть на предмет механических повреждений, присутствия следов разрушительных химических реакций.
3. Выполнить проверку мультиметром.

Проверка мультиметром

Отличие процедуры от диагностики обычных диодов заключается в необходимости демонтажа сборки или элемента, иначе проверить его состояние будет очень сложно. Утечку диагностировать сложнее. При использовании типичного мультиметра может отображаться полная работоспособность элемента при работе прибора в режиме «диод». Потому лучше устанавливать режим «омметр» и заменить элемент при демонстрации сопротивления. Показатель 5 кОм не устанавливает точно неисправность диода, но лучше считать его подозрительным и выполнить замену. Доступная стоимость диодов Шоттки позволяет сделать это практически в любой момент без особых трат.

Важно! Если для проверки работоспособности диода Шоттки используется типовой мультиметр, нужно учитывать указанный сбоку показатель электротока

Цветовая маркировка световых диодов

С одной стороны, цветовая маркировка позволяет определить вид и характеристики светодиода, с другой – единых обозначений не существует. Каждый производитель использует свои значения. В России есть цветовая маркировка, но ее редко используют – список элементов из цифр и букв слишком большой, запомнить достаточно сложно, расшифровка неудобна для обычного покупателя.

Более простое буквенное обозначение принимают за общепринятое (неофициально). Используют в основном для светодиодных лент. Кроме общих характеристик указывают степень защиты элемента от проникновения мусора и влаги – IP и цифры от 0 до 6.

Чтобы выбрать хороший вариант для замены устаревших лампочек, необходимо выяснить, какие бывают светодиоды, и установить параметры подключаемой электрической сети: соответствие напряжения, силы тока, сопротивления.

Область применение

ВАХ диода

Применение диодных конструкций с барьером Шоттки можно встретить во многих приборах и электротехнических структур. Наиболее часто они применяются на электросхемах в следующей технике:

• электроприборы для дома и компьютеры;
• блоки питания различного типа и стабилизаторы напряжения;
• теле,- и радиоаппаратура;
• транзисторы и батареи, работающие от солнечной энергии;
• прочая электроника.

Столь широкая область применения связана с тем, что такой электротехнический элемент увеличивает многократно эффективность и работоспособность конечного изделия, восстанавливает обратное сопротивление электротока, сохраняет его в электросети, снижает численность утерь динамики электронапряжения, а также вбирает в себя довольно много различного типа излучений.

Недостатки

Simatic step 7 professional/ basic v15 для totally integrated automation portal

Основной недостаток диода 1N5822 – это низкое обратное напряжение, равное 40 вольтам. Данная проблема свойственна всем барьерам Шоттки и объясняется особенностью их строения. Обычный диод после пробоя повышенным обратным напряжением в ряде случаев способен вернуться к нормальной работе. С диодами Шоттки, такими как 1N5822, подобного чуда уже не произойдёт, и деталь полностью выйдет из строя. Такая характеристика по обратному вольтажу обрекает эти электронные компоненты на работу только в низковольтных цепях. Значит, существенно снижаются их универсальность и количество устройств, в которых их можно встретить.

Второй минус 1N5822 состоит в высоком обратном токе утечки. Речь идёт о таком подключении детали, при котором на катод приложен больший потенциал, чем на анод. В идеале p-n переход не должен проводить ток в таком направлении. На деле некоторая часть зарядов всё-таки протекает и в обратную сторону. Поэтому данный ток называется утечкой, т.е. чем-то нежелательным и неправильным.

Данная проблема свойственна опять же всем барьерам Шоттки, а не только 1N5822. Конкретно для этого диода ток утечки сильно зависит от температуры и может достигать 0,2 ампер. При этом проблема имеет лавинообразный характер, т.е., если через диод начинает протекать обратный ток, то он нагревается. Повышение температуры, в свою очередь, приводит к возрастанию утечки. Это ещё сильнее увеличивает нагрев. Так по замкнутому кругу, пока деталь окончательно ни перегреется, и ни произойдёт её тепловой пробой, имеющий необратимый характер. Поэтому, если 1N5822 будет использоваться в режимах, близких к перегрузке, следует позаботиться об отводе лишнего тепла.

1N5822 диод характеристики которого позволяют использовать его в выходных цепях современных блоков питания. Он с каждым днём становится всё более востребованным. Объясняется это способностью работать на больших для такого корпуса токах до 3 ампер и при достаточно высоких частотах.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода состоит из прямой и обратной ветви. Расположены они в I и в III квадрантах, так как направление тока и напряжения через диод всегда совпадают. По вольт-амперной характеристике можно определить некоторые параметры, а также наглядно увидеть, на что влияют характеристики прибора.

Напряжение порога проводимости

Если к диоду приложить прямое напряжение и начать его увеличивать, то в первый момент ничего не произойдет – ток расти не будет. Но при определенном значении диод откроется, и ток будет увеличиваться в соответствии с напряжением. Это напряжение называется напряжением порога проводимости и на ВАХ отмечено, как Uпорога. Оно зависит от материала, из которого изготовлен диод. Для самых распространенных полупроводников этот параметр составляет:

• кремний – 0,6-0,8 В;
• германий – 0,2-0,3 В;
• арсенид галлия – 1,5 В.

Свойство германиевых полупроводниковых приборов открываться при малом напряжении используется при работе в низковольтных схемах и в других ситуациях.

Максимальный ток через диод при прямом включении

После того, как диод открылся, его ток растет вместе с увеличением прямого напряжения. Для идеального диода этот график уходит в бесконечность. На практике этот параметр ограничен способностью полупроводникового прибора рассеивать тепло. При достижении определенного предела диод перегреется и выйдет из строя. Чтобы этого избежать, производители указывают наибольший допустимый ток (на ВАХ – Imax). Его можно приблизительно определить по размеру диода и его корпусу. В порядке убывания:

• наибольший ток держат приборы в металлической оболочке;
• на среднюю мощность рассчитаны пластиковые корпуса;
• диоды в стеклянных оболочках используются в слаботочных цепях.

Металлические приборы можно устанавливать на радиаторах – это увеличит мощность рассеяния.

Обратный ток утечки

Если приложить к диоду обратное напряжение, то малочувствительный амперметр ничего не покажет. На самом деле только идеальный диод не пропускает никакого тока. У реального прибора ток будет, но он очень мал, и называется обратным током утечки (на ВАХ – Iобр). Он составляет десятки микроампер или десятые доли миллиампер и намного меньше прямого тока. Определить его можно по справочнику.

Напряжение пробоя

При определенном значении обратного напряжения возникает резкий рост тока, называемый пробоем. Он носит туннельный или лавинный характер и является обратимым. Этот режим используется для стабилизации напряжения (лавинный) или для генерации импульсов (туннельный). При дальнейшем увеличении напряжения пробой становится тепловым. Этот режим необратим и диод выходит из строя.

Паразитическая ёмкость pn-перехода

Уже упоминалось, что p-n переход обладает электрической ёмкостью. И если в варикапах это свойство полезно и используется, то в обычных диодах оно может быть вредным. Хотя ёмкость составляет единицы или десятки пФ и на постоянном токе или низких частотах незаметна, с повышением частоты её влияние возрастает. Несколько пикофарад на ВЧ создадут достаточно низкое сопротивление для паразитных утечек сигнала, сложатся с существующей ёмкостью и изменят параметры цепи, а совместно с индуктивностью вывода или печатного проводника образуют контур с паразитным резонансом. Поэтому при производстве высокочастотных приборов принимают меры для снижения ёмкости перехода.

Обозначение, применение и параметры диодов Шоттки

К многочисленному семейству полупроводниковых диодов названных по фамилиям учёных, которые открыли необычный эффект, можно добавить ещё один. Это диод Шоттки. Немецкий физик Вальтер Шоттка открыл и изучил так называемый барьерный эффект возникающий при определённой технологии создания перехода металл-полупроводник.

Основной «фишкой» диода Шоттки является то, что в отличие от обычных диодов на основе p-n перехода, здесь используется переход металл-полупроводник, который ещё называют барьером Шоттки. Этот барьер, так же, как и полупроводниковый p-n переход, обладает свойством односторонней электропроводимости и рядом отличительных свойств.

В качестве материала для изготовления диодов с барьером Шоттки преимущественно используется кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), а также такие металлы как золото, серебро, платина, палладий и вольфрам.

На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так.

Как видим, его изображение несколько отличается от обозначения обычного полупроводникового диода.

Кроме такого обозначения на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки (сборки).

Сдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов у них объединены. Поэтому такая сборка, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сборки с общим катодом.

Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку они размещены в едином корпусе, то и температурный режим их одинаков. Это увеличивает надёжность и срок службы элемента.

У диодов Шоттки есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.

К сожалению, такое малое падение напряжения проявляется при приложенном напряжении не более 50-60 вольт. При дальнейшем его повышении диод Шоттки ведёт себя как обычный кремниевый выпрямительный диод. Максимальное обратное напряжение для Шоттки обычно не превышает 250 вольт, хотя в продаже можно встретить образцы, рассчитанные и на 1,2 киловольта (VS-10ETS12-M3).

Так, сдвоенный диод Шоттки (Schottky rectifier) 60CPQ150 рассчитан на максимальное обратное напряжение 150V, а каждый из диодов сборки способен пропустить в прямом включении 30 ампер!

Также можно встретить образцы, выпрямленный за полупериод ток которых может достигать 400А максимум! Примером может служит модель VS-400CNQ045.

Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.

К недостаткам диодов с барьером Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода. На большом обратном токе возникает тепловой пробой.

К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать их в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.

В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (IF(AV)) – 1 ампер и обратное напряжение (VRRM) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (VF) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop) у диодов с барьером Шоттки очень мало.

Плюсы и минусы

При работе с устройствами, включающими в себя диод Шоттки, следует учитывать их положительные и отрицательные стороны. Если подключить его в качестве элемента электрической цепи, он будет прекрасно удерживать ток, не допуская его больших потерь.

К тому же, металлический барьер обладает минимальной емкостью. Это значительно увеличивает износостойкость и срок службы самого диода. Падение напряжения при его использовании минимально, а действие происходит очень быстро — стоит только провести подключение.

Однако большой процент обратного тока является очевидным недостатком. Поскольку многие электроприборы обладают высокой чувствительностью, нередки случаи, когда небольшое превышение показателя, всего лишь на пару А, способно надолго вывести прибор из строя. Также, при небрежной проверке напряжения полупроводника, может произойти утечка самого диода.

Можно ли сказать, что настало время попрощаться с диодом Шоттки?

Скорее всего, нет! ON Semiconductor продолжает финансировать исследования диодов Шоттки и уже имеет пригодные для массового производства полупроводниковые приборы малой мощности с использованием технологии Trench, которые найдут применение в ограниченных по энергоресурсам устройствах. С учётом того, что диоды типа Schottky Trench уже широко используются в энергоемких устройствах промышленного назначения, ON Semiconductor расширяет возможности этой технологии и для области малых энергий, выпуская усовершенствованные диоды Шоттки для светодиодного освещения, систем батарейного электропитания и беспроводной зарядки.

Новое семейство диодов небольшой мощности с использованием технологии Trench обладает небольшими VF и tRR (как у диодов Шоттки) и обеспечивает низкий ток утечки, который сопоставим с током утечки обычных диодов, близких по быстродействию к диодам Шоттки. Отличительный признак диодов малой мощности Schottky Trench – сочетание низких VF и IR, необходимое для оптимизации рассеиваемой мощности в энергочувствительных приборах. Эта технология позволяет инженерам использовать ее преимущества в ограниченных по энергоресурсам приложениях; например,в беспроводных зарядных устройствах.

Рис. 1. Мост на диодах Шоттки в беспроводном зарядном устройстве

Так как энергия, переданная беспроводным способом в приемный блок питания (RPU), относительно невелика, все дальнейшие потери в цепях преобразования энергии должны быть сведены к минимуму для того, чтобы максимально ускорить процесс зарядки. Важным элементом в этой цепочке является мостовой выпрямитель, который преобразует сигнал переменного тока в электрический сигнал постоянного тока (DC). Затем он обрабатывается с помощью преобразователя постоянного тока (DC/DC), чтобы привести напряжение к уровню, необходимому для зарядки аккумулятора беспроводного устройства. Таким образом, мостовой выпрямитель должен иметь минимальное влияние на потерю мощности: потери прямого напряжения и тока должны быть сведены к минимуму, так как они снижают ценную мощность, передаваемую блоком Power Transmitting Unit (PTU).

Рис. 2. Влияние VF и IR на общую эффективность полного моста

В качестве примера рассмотрим положительную полуволну на катушке приемной антенны. Падение напряжения на диоде D1 уменьшит амплитуду напряжения волны (Vwave); в результате, мы имеем эффективное напряжение (Vres= Vwave-VF), которое затем подается на преобразователь постоянного тока DC/DC. Однако, принятая полуволна тока (Iwave) будет урезанной, в основном, из-за тока утечки диода D4 (IR4) и частично за счет тока утечки диода D2.

Следовательно, полезный результирующий ток приемной цепи Ires=Iwave – (IR2+IR4). Выполненные с использованием технологии Trench, новые диоды Шоттки оптимизированы для этого случая таким образом, что прямое падение напряжения (VF) и потери за счет обратного тока (IR) обеспечивают минимальные потери по мощности.

Кремниевый диод и его ВАХ

Кроме шоттки, большой популярностью на данный момент пользуются кремниевые полупроводники. Для кремниевого типа диода вольт-амперная характеристика выгляди следующим образом.

ВАХ кремниевого и германиевого диода

Для таких полупроводников данная характеристика начинается примерно со значения 0,5-0,7 Вольт. Очень часто кремниевые полупроводники сравнивают с германиевыми. Если температуры окружающей среды равны, то оба устройства будут демонстрировать ширину запрещённой зоны. При этом кремниевый элемент будут иметь меньший прямой ток, чем из германия. Это же правило касается и обратного тока. Поэтому у германиевых полупроводников обычно сразу наступает тепловой пробой, если имеются обратное большое напряжение. В итоге, при наличии одинаковой температуры и прямого напряжения, потенциальный барьер у кремниевых полупроводников будет выше, а ток инжекции ниже.

Диод Шоттки: принцип работы

От классического вида вентиль Шоттки отличается тем, что основу его работы составляет пара полупроводник-металл. Зачастую эта пара упоминается как барьер Шоттки. Этот барьер, кроме схожей с p-n переходом способности проводить электричество в одну сторону, обладает несколькими полезными особенностями.

Арсенид галлия и кремний – основные поставщики материала для производства электронного элемента в промышленных условиях. В более редких случаях используют драгоценные химические элементы: платина, палладий и им подобные.

Его графическое условное выражение на электрических схемах не совпадает с классическими диодами. Маркировка электронных элементов похожа. Также встречаются двойные диоды в виде сборки.

Сдвоенный диод с барьером Шоттки

У сдвоенных вентилей выходы катодов или анодов совмещены. Отсюда следует, что такое изделие обладает тремя концами. Сборки с общим катодом, например, работают там, где требуются импульсные блоки питания. Диоды Шоттки с общим анодом используются существенно реже.

Диоды находятся в едином корпусе и используют для их изготовления одну технологию производства, поэтому по набору своих параметров они как близнецы-братья. Температура работы у них тоже одинаковая, т.к. находятся в общем пространстве. Данное свойство значительно уменьшает необходимость их замены из-за потери работоспособности.

Самые важные отличительные свойства рассматриваемых вентилей – это незначительное прямое падение напряжения (до 0,4 В) в момент перехода и высокое время срабатывания.

Однако упомянутая величина падения напряжения обладает узким диапазоном прикладываемого напряжения – не более 60 В. И сама эта величина мала, что задаёт достаточно узкий спектр применения данных диодов. Если напряжение превысит указанную величину, барьерный эффект исчезает, и диод начинает работать в режиме обычного выпрямительного диода. Обратное напряжение для большинства из них не выходит за рамки 250 В, однако существуют образцы с величиной обратного напряжения 1,2 кВ.

При проектировании электрических схем проектировщики частенько на принципиальных схемах диод Шоттки не выделяют графически, однако в спецификации к заказу указывают на его использование, прописывая в типе

Поэтому при заказе оборудования на это нужно обращать пристальное внимание

Диоды Шоттки в источниках питания

В компьютерных блоках питания очень часто расположены вентили Шоттки. Пятивольтовое напряжение обеспечивает серьёзный ток в десятки ампер, что для низковольтных систем питания является рекордом. Для этих блоков питания и применяют вентили Шоттки. В основном, используются сдвоенные диоды с единым катодом. Ни один качественный современный питающий блок компьютеров не обходится без такой сборки.

Диагноз. «Перегоревший» питающий блок электронного устройства чаще всего означает необходимость замены сгоревшей сборки Шоттки. Причины неисправности всего две: увеличенный ток утечки и электрический пробой. При наступлении описанных состояний электрическое питание на компьютер перестаёт подаваться. Защитные механизмы сработали. Рассмотрим, как это происходит.

Напряжение на входе компьютера отсутствует на постоянной основе. Блок питания полностью заблокирован вшитой в компьютер защитой.

После ремонта блока питания, связанного с заменой сдвоенных диодов Шоттки, необходимо «прозвонить» и транзисторы. При обратной процедуре диоды также требуют проверки. Особенно это правило актуально, если причиной ремонта стала утечка.

Отличия от обычного диода

Данный компонент пропускает электрический ток в одном направлении и не пропускает его в другом, как и другие классические диоды, но обеспечивает высокое быстродействие и малое падение напряжения при переходе.

Важнейшая особенность диода Шоттки – вместо привычного электронно-дырочного перехода применяется принцип контакта между металлическими и различными полупроводниковыми материалами, что положительно влияет на повышение рабочей частоты. Диффузная емкость и процесс рекомбинации не проявляются в области контакта, поскольку в так называемой переходной зоне отсутствуют неосновные носители заряда. Собственная емкость данного слоя при этом стремится к 0.

Таким образом, данные изделия являются СВЧ-диодами различного назначения:

• импульсными;
• лавинно-пролетными;
• смесительными;
• детекторными;
• умножительными;
• параметрическими.

Другая особенность заключается в том, что большая часть диодов Шоттки состоит из низковольтных и чувствительных к статическому напряжению моделей. Однако воспринимать это как категорический недостаток неверно, поскольку это дает возможность использовать данные средства для обработки радиосигналов малой мощности.

Наконец, такие изделия отличаются большей стабильностью при подаче электрического тока, чем прочие аналоги, поскольку в их корпус внедрены кристаллические образования (кремниевая подложка).

Описание и применение диода 1n4007

В даташите этого элемента указано, что он является выпрямительным маломощным кремниевым диодом, который производится в корпусе из негорючего пластика (тип D0-41). Конструкция, цоколевка и типовые размеры устройства приведены ниже.

Конструкция полупроводникового элемента

Допустимые отклонения в размерах приведены в таблице:

Обозначения на рисунке	Миллиметры	Дюймы
min	Max	min	max
A	4,10	5,20	0,161	0,205
В	2,00	2,70	0,079	0,106
С	0,71	0,86	0,028	0,034
D	25,40	—	1,000	—
E	—	1.27	—	0.05

Эти полупроводники также выпускаются в стандартном smd-корпусе (тип D0-214), что делает возможным их использование в миниатюрных электронных устройствах.

1N4007 (M7) в SMD исполнении (катод отмечен полоской на корпусе)

Типовые размеры в миллиметрах для элементов SMD исполнения приведены ниже.

Размеры корпуса D0-214

Основное назначение устройства – преобразование переменного напряжение с рабочей частотой не более 70 Гц. Данный вид кремневых полупроводниковых элементов применяется в цепях и блоках питания различных электронных приборов малой и средней мощности.