Обозначение, применение и параметры диодов Шоттки

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.

Также достаточно известным элементом является 1N5822. Он рассчитан на прямой ток в 3 ампера и выполнен в корпусе DO-201AD.
Диоды SK36, SK16Также на печатных платах можно встретить диоды серии SK12 – SK16 для поверхностного монтажа. Они имеют довольно небольшие размеры.
Несмотря на это SK12-SK16 выдерживают прямой ток до 1 ампера при обратном напряжении 20 – 60 вольт. Прямое падение напряжения составляет 0,55 вольт (для SK12, SK13, SK14) и 0,7 вольт (для SK15, SK16). Также на практике можно встретить диоды серии SK32 – SK310, например, SK36, который рассчитан на прямой ток 3 ампера.

Применение диодов Шоттки в источниках питания.
Диоды Шоттки активно применяются в блоках питания компьютеров и импульсных стабилизаторах напряжения. Среди низковольтных питающих напряжений самыми сильноточными (десятки ампер) являются напряжения +3,3 вольта и +5,0 вольт. Именно в этих вторичных источниках питания и используются диоды с барьером Шоттки. Чаще всего используются трёхвыводные сборки с общим катодом. Именно применение сборок может считаться признаком высококачественного и технологичного блока питания.

Выход из строя диодов Шоттки одна из наиболее часто встречающихся неисправностей в импульсных блоках питания. У него может быть два «дохлых» состояния: чистый электрический пробой и утечка. При наличии одного из этих состояний блок питания компьютера блокируется, так как срабатывает защита. Но это может происходить по-разному.Мощный сдвоенный диод Шоттки

В первом случае все вторичные напряжения отсутствуют. Защита заблокировала блок питания. Во втором случае вентилятор «подёргивается» и на выходе источников питания периодически то появляются пульсации напряжения, то пропадают.

То есть схема защиты периодически срабатывает, но полной блокировки источника питания при этом не происходит. Диоды Шоттки гарантированно вышли из строя, если радиатор, на котором они установлены, разогрет очень сильно до появления неприятного запаха. И последний вариант диагностики связанный с утечкой: при увеличении нагрузки на центральный процессор в мультипрограммном режиме блок питания самопроизвольно отключается.

Следует иметь в виду, что при профессиональном ремонте блока питания после замены вторичных диодов, особенно с подозрением на утечку, следует проверить все силовые транзисторы выполняющие функцию ключей и наоборот: после замены ключевых транзисторов проверка вторичных диодов является обязательной процедурой. Всегда необходимо руководствоваться принципом: беда одна не приходит.

Проверка диодов Шоттки мультиметром.
Проверить диод Шоттки можно с помощью рядового мультиметра. Методика такая же, как и при проверке обычного полупроводникового диода с p-n переходом. Но и тут есть подводные камни. Особенно трудно проверить диод с утечкой. Прежде всего, элемент необходимо выпаять из схемы для более точной проверки. Достаточно легко определить полностью пробитый диод. На всех пределах измерения сопротивления неисправный элемент будет иметь бесконечно малое сопротивление, как в прямом, так и в обратном включении. Это равносильно короткому замыканию. Однако явные пробои в практике встречаются очень и очень редко.

В основном же, приходится иметь дело с утечками (причем зачастую с тепловыми утечками) диодов Шоттки. А вот утечки, выявить таким способом невозможно. «Утекающий» диод при проверках тестером в режиме «диод» является в подавляющем большинстве случаев полностью исправным. Гарантированную точность диагностики, на наш взгляд, позволяет дать только такой метод, как замена диода на заведомо исправный аналогичный прибор.

Но все-таки, выявить «подозрительный» диод можно попытаться с помощью методики, заключающейся в измерении сопротивления его обратного перехода. Для этого будем пользоваться не режимом проверки диодов, а обычным омметром.

Итак, устанавливаем предел измерений на значение [20К] и измеряем обратное сопротивление диода. Как показывает практика, исправные диоды на этом пределе измерений должны показывать бесконечно большое сопротивление.
Если же при измерении выявляется некоторое, как правило, небольшое сопротивление (2–10 КОм), то такой диод можно считать «очень подозрительным» и его лучше заменить, или хотя бы проверить методом замены. Если же проводить проверку на пределе измерений [200К], то даже исправные диоды могут показывать в обратном направлении очень небольшое сопротивление (единицы и десятки кОм), поэтому и рекомендуется использовать предел [20К]. Естественно, что на больших пределах измерений (2 Мом, 20 Мом и т. д.) даже абсолютно исправный диод оказывается полностью открытым, т. к. его p-n переходу прикладывается слишком высокое (для диодов Шоттки) обратное напряжение. На пределе [200К] можно проводить проверку сравнительным методом, т. е. брать гарантированно-исправный диод, измерять его обратное сопротивление и сравнивать с сопротивлением проверяемого диода. Значительные отличия в этих измерениях будут указывать на необходимость замены

Предложенную методику можно дополнить еще и проверкой на термическую устойчивость. Суть этой проверки заключается в следующем. В тот момент времени, когда проверяется сопротивление обратного перехода на пределе измерений [20K] (см. предыдущий абзац), необходимо коснуться разогретым паяльником контактов диодной сборки, обеспечивая тем самым прогрев ее кристалла. Неисправная диодная сборка практически мгновенно начинает «плыть», т. е. ее обратное сопротивление начинает очень быстро уменьшаться, в то время как исправная диодная сборка достаточно долго удерживает обратное сопротивление на бесконечно большом значении. Эта проверка очень важна, т. к. при работе диодная сборка сильно нагревается (не зря же ее размещают на радиаторе) и вследствие нагрева изменяет свои характеристики. Рассмотренная методика обеспечивает проверку устойчивости характеристик диодов Шоттки к температурным колебаниям, ведь увеличение температуры корпуса до 100 или 125°C увеличивает значение обратного тока утечки в сто раз (см. данные табл. 1).

Вот так можно попытаться проверить диод Шоттки, однако предложенными методиками не стоит злоупотреблять, т. е. не следует проводить проверки на слишком большом пределе измерений сопротивления и слишком сильно разогревать диод, т. к. теоретически, все это может привести к повреждению диода.

Кроме того, из-за возможности отказа диодов Шоттки под действием температуры, необходимо строго соблюдать все рекомендуемые условия пайки (температурный режим и время пайки). Хотя надо отдать должное производителям диодов, так как многие из них добились того, что монтаж сборок можно осуществлять при высокой температуре 250 °C в течение 10 секунд.

Где ещё в электронике используются диоды Шоттки?
Их можно обнаружить в довольно экзотических приборах, таких как приёмники альфа и бета излучения, детекторах нейтронного излучения, а в последнее время на барьерных переходах Шоттки собирают панели солнечных батарей. Так, что они питают электроэнергией и космические аппараты.

Диоды Шоттки в низковольтных светодиодных лампах Е27 (12, 24, 36 вольт)

В первичной (входной) цепи драйверов наших низковольтных ламп на цоколе Е27 используются , имеющие структуру металл-полупроводник.

Их применение обусловлено многими задачами, основными из которых являются:

1. повышение экономичности (эффективности) драйвера и лампы в целом;
2. защита последующих деталей и цепей от перенапряжения.

Данные диоды, как и любые другие радиоэлементы, обладают как неоспоримыми достоинствами, так и некоторыми недостатками. Познакомим вас с некоторыми из них.

Достоинства диодов Шоттки

По сравнению с обычным p-n-переходом, у таких диодов меньшее прямое падение напряжения (примерно на 0,2 Вольт), тогда как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6 – 0,7 Вольт.

За счет этого свойства применение диодов Шоттки в выпрямителях позволяет уменьшить потери электроэнергии в приборе примерно на 10-15%.

Но нужно учитывать, что столь малое прямое падение напряжения присуще диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением до 100-150 вольт. При обратных напряжениях, существенно превышающих эти величины, прямое падение становится сопоставимым с показателями кремниевых диодов, что нивелирует целесообразность применения диодов Шоттки.

Благодаря малым емкостям p-n перехода, выпрямители, выполненные на диодах Шоттки, отличаются от обычных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, что делает их использование в импульсных блоках питания аналоговой и цифровой аппаратуры максимально технически обоснованным, а, зачастую, просто необходимым.

Недостатки диодов Шоттки

При кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки с необратимостью выходит из строя. В отличие от них, обычные кремниевые диоды в аналогичных ситуациях переходят в режим обратного пробоя и, при условии некритического нагрева, после падения напряжения восстанавливают свои рабочие характеристики.

Это, на первый взгляд неудобное свойство диодов Шоттки используется в наших низковольтных светодиодных лампах Е27 как положительное, так как эти диоды, расположенные на входе цепей лампы, защищают все остальные, более дорогостоящие элементы от выхода из строя.

Диоды Шоттки, благодаря их физическим параметрам, легко удаляются с платы поверхностного монтажа драйвера пайкой и заменяются новыми. Таким образом, наши низковольтные светодиодные лампы Е27 являются ремонтопригодными, что позволяет экономить немалые денежные средства в случае выхода их из строя вследствие случайных ошибок или техногенных факторов, повлекших перенапряжение в питающей цепи.

Замечания по гарантии

Из вышесказанного следует, что

В сравнении с обычными кремниевыми диодами, диоды Шоттки характеризуются повышенными обратными токами, увеличивающимися с ростом температуры кристалла. У некоторых низковольтных диодов обратный ток может превышать величину в сотни миллиампер. При плохо организованном теплоотводе положительная обратная связь по тепловым возмущениям в диоде Шоттки приводит к его критическому перегреву.

Именно поэтому мы рекомендуем с осторожностью использовать наши низковольтные лампы в помещениях с повышенной температурой, таких как финские сауны и иные высокотемпературные парные и напоминаем [условия гарантии], что

Под это ограничение подпадают, например, все виды светильников в саунах, банях и т.п. помещениях.

Это правило распространяется на всё светодиодное оборудование, а не только на низковольтные светодиодные лампы.

Диодные сборки Шоттки в компьютерных блоках питания

Основные типы и параметры современных диодных сборок Шоттки, которые используются в выпрямителях мощных импульсных источников питания.

Во время сборки блоков питания и преобразователей напряжения для автомобильных усилителей часто возникает проблема с выпрямлением тока с трансформатора. Раздобыть мощные импульсные диоды довольно серьезная проблема, поэтому решил напечатать статью, в которой приводится полный перечень и парметры мощных диодов Шоттки. Некоторое время назад лично у меня возникла проблема с выпрямителем преобразователя для авто усилителя. Преобразователь довольно мощный (500-600 ватт), частота выходного напряжения 60кГц, любой распространенный диод, который можно найти в старом хламе, сразу сгорит, как спичка. Единственным доступным вариантом в то время были отечественные КД213А. Диоды достаточно хорошие, держат до 10 Ампер, рабочая частота в пределах 100кГц, но и они под нагрузкой страшно перегревались.

На самом деле мощные диоды можно найти почти у каждого. Компьютерный БП является импульсным блоком питания, который питает целый компьютер. Как правило их делают с мощностью от 200 ватт до 1кВт и более, а поскольку компьютер питается от постоянного тока, значит в блоке питания должен быть выпрямитель. В современных блоках питания для выпрямления напряжения используют мощные диодные сборки Шоттки — именно у них минимальный спад напряжения на переходе и возможность работы в импульсных схемах, где рабочая частота намного выше сетевых 50 Герц. Недавно на халяву принесли несколько блоков питания, откуда и были сняты диоды для этого небольшого обзора. В компьютерных блоках питания можно найти самые разные диодные сборки, единичных диодов тут почти не бывает — в одном корпусе два мощных диода, часто (почти всегда) с общим катодом. Вот некоторые из них:

D83-004 (ESAD83-004) — Мощная сборка из диодов Шоттки, обратное напряжение 40 Вольт, допустимый ток 30А, в импульсном режиме до 250А — пожалуй, один из самых мощных диодов, который можно встретить в компьютерных блоках питания.

STPS3045CW — Сдвоенный диод Шоттки, ток выпрямленный 15A, прямое напряжение 570мВ, обратный ток утечки 200мкА, напряжение обратное постоянное 45 Вольт.

Основные диоды Шоттки, которые встречаются в блоках питания

Шоттки TO-220 SBL2040CT 10A x 2 =20A 40V Vf=0.6V при 10A
Шоттки TO-247 S30D40 15A x 2 =30A 40V Vf=0.55V при 15A
Ультрафаст TO-220 SF1004G 5A x 2 =10A 200V Vf=0.97V при 5A
Ультрафаст TO-220 F16C20C 8A x 2 =16A 200V Vf=1.3V при 8A
Ультрафаст SR504 5A 40V Vf=0.57
Шоттки TO-247 40CPQ060 20A x 2 =40A 60V Vf=0.49V при 20A
Шоттки TO-247 STPS40L45C 20A x 2 =40A 45V Vf=0.49V
Ультрафаст TO-247 SBL4040PT 20A x 2 =40A 45V Vf=0.58V при 20A
Шоттки TO-220 63CTQ100 30A x 2 =60A 100 Vf=0.69V при 30A
Шоттки TO-220 MBR2545CT 15A x 2 =30A 45V Vf=0.65V при 15A
Шоттки TO-247 S60D40 30A x 2 =60A 40-60V Vf=0.65V при 30A
Шоттки TO-247 30CPQ150 15A x 2 =30A 150V Vf=1V при 15A
Шоттки TO-220 MBRP3045N 15A x 2 =30A 45V Vf=0.65V при 15A
Шоттки TO-220 S20C60 10A x 2 =20A 30-60V Vf=0.55V при 10A
Шоттки TO-247 SBL3040PT 15A x 2 =30A 30-40V Vf=0.55V при 15A
Шоттки TO-247 SBL4040PT 20A x 2 =40A 30-40V Vf=0.58V при 20A
Ультрафаст TO-220 U20C20C 10A x 2 =20A 50-200V Vf=0.97V при 10A

Существуют и современные отечественные диодные сборки на большой ток. Вот их маркировка и внутренняя схема:

Также выпускаются высоковольтные диоды Шоттки, которые можно использовать например в БП ламповых усилителей и другой аппаратуры с повышенным питанием. Список приведён ниже:

Хотя более предпочтительным является применение диодов Шоттки в низковольтных мощных выпрямителях с выходными напряжениями в пару десятков вольт, на высоких частотах переключения.

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!

Диод. Часть 1

Как то я не особо расписывал эту незатейливую детальку. Ну диод и диод. Система ниппель. Пропускает в одну сторону, не пропускает в другую, чего уж проще. В принципе да, но есть нюансы. О них, да немного о прикидочном выборе данной детальки и будет эта статья.

▌Клапан
В двух словах, в нашей канализационной электрике для сантехников диод это клапан. Вот типа вот такого:

И да, будет большим допущением считать, что клапан пропускает в одну сторону, а не пропускает в другую. На самом деле все несколько сложней. На самом деле у клапана же есть некая упругость пружины, так вот пока прямое давление не преодолеет эту пружину никакого потока не будет, даже в прямом направлении.

Для диода это справедливо в той же мере. Есть у диода такой параметр как падение напряжения. Оно для диодов Шоттки составляет около 0.2…0.4вольт, а для обычных диодов порядка 0.6…0.8 вольт.

Из этого знания следует три простых вывода.

1) Чтобы ток шел через диод напряжение на диоде должно быть выше его падения напряжения.

2) Какой бы ток через диод не шел, на нем всегда будет напряжение примерно равное его падению напряжения (собственно потому его таки зовут). Т.е. сопротивление диода нелинейно и падает с ростом тока.

3) Включая в цепь диод последовательно с нагрузкой, мы потеряем на нагрузке напряжение равное падению напряжения диода. Т.е. если вы в батарейное питание на 4.5 вольт для защиты от переполюсовки поставите диод, то потеряете от батареек 0.7 вольт, что довольно существенно. Ваше устройство перестанет работать гораздо раньше чем реально сядут батарейки. А батареи не будут высажены до конца. В этом случае лучше ставить диод Шоттки. У него падение ниже чем у простого (но есть свои приколы). А лучше вообще полевой транзистор.

До кучи пусть будет еще и график:

Это вольт-амперная характеристика диода. По которой наглядно видно, что открывается он примерно от 0.7 вольт. До этого ток практически нулевой. А потом растет по параболе вверх с ростом напряжения. У резистора ВАХ была бы прямолинейной в прямом соответствии с законом Ома. А в обратку диод не то чтобы не пропускает, но ток там совсем незначительный, доли миллиампера. Но после определенного напряжения диод резко пробивает и он начинает открываться, падение напряжения устанавливается где-то на уровне предела по обратному напряжению, а после и вовсе сгорает. Ведь рост тока, да большое падение напряжения на диоде означают большие тепловые потери (P=U*I). А диод на них не рассчитан. Вот и сгорает обычно он после пробоя. Но если ограничить ток или время воздействия, чтобы тепловая мощность не превышала расчетную, то электрический пробой является обратимым. Но это касается только обычных диодов, не Шоттки. Тех пробивает сразу и окончательно.

А вот и реальная характеристика диода Vishay 1N4001

Прямая ВАХ, показан один квадрант, рабочий. Начинается гдето с 0.6 вольт. При этом ток там мизерный. А дальше, с ростом напряжения, диод начинает резко открываться. На 0.8 вольтах ток уже 0.2А, на 1 вольте уже под 2.5А и так далее, пока не сгорит 🙂

Вот вам и ответ на вопрос почему нельзя светодиоды втыкать последовательно на источник напряжения без токоограничения. Вроде бы падения скомпенсированы, ну что им будет то? А малейшее изменение напряжения вызывает резкое изменение тока. А источники питания никогда не бывают идеальными и разброс по питанию там присутствует всегда. В том числе и от температуры и нагрузки.

И обратная ВАХ, напряжение в процентах от максимального (т.к. даташит на все семейство диодов, от 4001 до 4007 и у них разное обратное напряжение). Тут токи уже в микроамперах и ощутимо зависят от температуры.

▌Выбор диодов. Быстрые прикидки.
В первом приближении у диода нам интересные три параметра — обратное напряжение, предельный ток и падение напряжения.

Т.е. если вы делаете выпрямитель в сетевое устройство, то диод вам хорошо бы вольт на 400, а лучше на 600 пробивного обратного напряжения. Чтобы с хорошим запасом было.

С предельным током все тоже просто. Он должен быть не меньше, чем через него потечет. Лучше чтобы был запас процентов в 30.

Ну, а падение обычно нужно учитывать для малых напряжений, батарейного питания.

Открываем даташит на … пусть это будет 1N4007 (обычный рядовой диод) и ищем искомые параметры. И сразу же видим искомое, табличку предельных значений Maximum Rating или как то так:

I_F(AV) прямой ток. Обозначается всегда как то так. Тут 1А. Предельный ток который этот диод тащит и не дохнет. Импульсно он протаскивает до 30А в течении 8.3мс (I_FSM), скажем заряд конденсаторов через себя переживет.

Предельное обратное напряжение определяется параметрами:
V_RRM — повторяющееся пиковое значение.
V_RMS — действующее значение синусоидального переменного напряжения. На западе принято называть его среднеквадратичным. У нас постепенно тоже приходят к такому обозначению.
V_DC — и просто обратное постоянное напряжение.

Ну, а падение смотрим по графикам в том же даташите под конкретный ток.

Есть еще диоды Шоттки, у них меньше внутренняя емкость и поэтому они во первых гораздо быстрей закрываются, что важно для импульсных преобразователей, работающих на большой частоте. А во вторых, имеют втрое ниже падение напряжение. Но, у них мало обратное пробивное напряжение. Классический диод Шоттки выглядит по даташитам примерно так:

Это 1N5819 стоящий в Pinboard II в преобразователе:

Падение напряжения можно измерить мультиметром, в режиме проверки диодов.

Он показывает падение в вольтах. И это падение обязательно надо учитывать, особенно в слаботочных цепях. Например, развязываете вы диодом какой-нибудь вывод микроконтроллера, с уходящим от него сигналом. Например, чтобы при подключении устройства в контроллер не потекло чего лишнего.

А сам контроллер (МК) должен подавать в устройство ХЗ логическую единицу. И, скажем, дает ее как 3.3 вольта. А если падение диода 0.6 вольт и у вас до Х.З. дойдет не 3.3 вольта, а меньше. А тут возникает вопрос, а воспримет ли Х.З. это как логическую единицу? Корректно ли это будет? Ну и, соответственно, решать проблемы если нет.

Светодиодов все это касается в той же мере. Только у них падение напряжения гораздо выше и зависит от цвета. Также, если хотите правильно вычислить ограничение резистора для светодиода, то измеряете его падение напряжения. Вычитаете из питания падение напряжения светодиода (или светодиодной цепи), а потом по полученному напряжению считаете по закону Ома сопротивление.

Например, имеем светодиод на с падением в 3 вольта. Его номинальный ток 10мА, а источник питания у нас 5 вольт. Итак, 5-3 = 2 вольта. Теперь на эти два вольта надо подобрать резистор, чтобы ток был 10мА. 2 / 0,01=200 ом.

Особенно важно правильно подбирать сопротивления для фонарей разных оптронов и прочих оптических датчиков. Иначе характеристики не предсказуемые.

Поэтому, кстати, нельзя включать светодиоды параллельно с общим токоограничивающим резистором. Т.к. диоды имеют разброс по характеристикам, даже если они из одной партии. А из-за малейшего отличия от соседей разница тока через один диод может быть весьма существенная. В результате один из диодов будет работать с перекалом, перегреется и сгорит. Токоограничивающий резистор ставят на каждый диод.

Во второй части этой статьи, которая уже написана, будет более детально расписаны остальные параметры и почему они образуются, исходя из полупроводниковой конструкции диода. А я пока картинки нарисую…

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.