Параметры диодов

Раздел даташита Absolute Maximum Ratings перечисляет режимы, за пределами которых производитель уже не гарантирует сохранность компонента. Эти значения не описывают нормальную эксплуатацию и обычно задаются при определённой температуре корпуса, окружающей среды или длительности импульса.

Предельные показатели нельзя рассматривать независимо. Диод может выдерживать заявленный ток только при достаточном охлаждении, а допустимая мощность уменьшается с ростом температуры. Одновременное приближение к пределам по току, напряжению и температуре оставляет слишком мало запаса для разброса компонентов и переходных процессов.

Рабочий запас выбирают с учётом:

• возможного повышения входного напряжения;
• пусковых токов и выбросов;
• максимальной температуры внутри устройства;
• ухудшения охлаждения;
• разброса параметров и старения.

Допустимый ток диода указывают несколькими величинами, которые нельзя подменять друг другом. Их смысл зависит от формы тока, длительности импульса, коэффициента заполнения и температуры.

Значение IFSM часто приводят для полуволны заданной длительности. Оно описывает редкое аварийное или пусковое воздействие и не разрешает повторять такой импульс в каждом периоде.

Для выпрямителя с ёмкостным фильтром средний ток нагрузки не равен форме тока через диод. Заряд конденсатора проходит короткими высокими импульсами, поэтому проверяют среднее, действующее и пиковое значения, а также нагрев корпуса.

Прямое напряжение VF измеряют при заданном прямом токе IF и температуре. Запись «VF = 1 В» без этих условий неполна: при другом токе тот же диод покажет другое падение.

На графике Forward Voltage обычно видно семейство кривых для нескольких температур. У кремниевого p-n-диода напряжение при фиксированном токе, как правило, уменьшается с нагревом. Однако рост температуры одновременно повышает утечку и может ухудшать общий тепловой режим.

Потери проводимости в первом приближении оценивают так:

Для импульсной формы тока точнее усреднять мгновенное произведение напряжения и тока за период. В мостовом выпрямителе ток одновременно проходит через два диода, поэтому в расчёте выходного напряжения учитывают два прямых падения.

Типовое VF подходит для предварительной оценки, а максимальное при требуемом токе – для проверки худшего режима. Практические вычисления собраны в разделе «Расчёт диодных цепей».

Параметр VRRM задаёт повторяющееся пиковое обратное напряжение, которое диод способен блокировать в оговорённых условиях. В документации также встречаются VR, VRWM и неповторяющееся пиковое значение VRSM. Их определения зависят от типа компонента, поэтому обозначение сверяют с таблицей производителя.

Для синусоидального напряжения действующее и пиковое значения различаются:

Запас по обратному напряжению должен учитывать не только расчётный пик, но и выбросы от индуктивностей, коммутацию и изменение сетевого напряжения. Распределение напряжения между диодами зависит от топологии выпрямителя.

Ток утечки IR измеряют при заданных обратном напряжении и температуре. Он может отличаться на порядки при нагреве, особенно у диодов Шоттки. Утечка создаёт потери в закрытом состоянии и влияет на высокоомные или маломощные цепи.

Температура перехода Tj ограничивает допустимую электрическую нагрузку. Она может быть значительно выше температуры корпуса или окружающего воздуха, поскольку тепло проходит через кристалл, выводы, корпус, плату и радиатор.

Для предварительной оценки установившегося режима используют тепловую модель:

Здесь Ta – температура окружающей среды, P – средняя рассеиваемая мощность, RθJA – тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде. Формула применима только тогда, когда RθJA указано для сопоставимых условий монтажа.

В даташите могут приводиться RθJC от перехода к корпусу и RθJL от перехода к выводу. Эти величины нельзя автоматически подставлять вместо RθJA: дальнейший путь тепла через радиатор или плату нужно учитывать отдельно.

График derating показывает, как допустимые ток или мощность уменьшаются после определённой температуры. Для SMD-корпуса результат сильно зависит от площади меди, количества слоёв платы и тепловых переходных отверстий. Поэтому значение мощности на первой странице даташита не гарантируется при любом монтаже.

После смены полярности p-n-диод некоторое время проводит обратный ток из-за накопленного заряда. Время обратного восстановления trr показывает длительность переходного процесса по принятому производителем критерию, а Qrr – суммарный заряд, прошедший в обратном направлении.

Короткое trr не всегда означает меньшие потери. На работу схемы одновременно влияют Qrr, пиковый обратный ток IRRM, мягкость восстановления, скорость изменения тока и напряжение, приложенное при закрывании. Жёсткое восстановление может усиливать выбросы и электромагнитные помехи.

Оценку потерь, связанных с зарядом восстановления, иногда записывают так:

Это приближение помогает сравнить порядок величины, но не заменяет анализ формы тока и переключения ключа. Значения trr и Qrr сопоставляют только при близких условиях измерения.

У диода Шоттки нет обычного накопления неосновных носителей, однако ток перезаряда барьерной ёмкости сохраняется. Выбор технологии для импульсной схемы подробнее рассмотрен на странице о быстрых диодах и диодах Шоттки.

Закрытый переход обладает барьерной ёмкостью, которую обозначают Cj, Cd или CT. Её значение зависит от обратного напряжения, частоты измерения и конструкции диода. Чем шире обеднённый слой при обратном смещении, тем меньше ёмкость перехода.

В сигнальной цепи эта ёмкость образует фильтр с сопротивлением источника и способна пропускать высокочастотную составляющую через закрытый диод. В силовом преобразователе она перезаряжается при каждом переключении и создаёт дополнительный импульсный ток.

Энергию заряженной ёмкости приближённо оценивают выражением:

При высокой частоте даже небольшая энергия одного переключения превращается в заметную среднюю мощность. Для точного расчёта постоянное значение Cj может быть недостаточным, поскольку ёмкость нелинейно изменяется вместе с напряжением.

Малая ёмкость особенно важна для ограничителей сигнала, детекторов, радиочастотных переключателей и входных защитных цепей. Сравнивать компоненты следует при одинаковых обратном напряжении и частоте измерения.

В обычном выпрямительном диоде напряжение пробоя определяет границу недопустимого обратного режима. У стабилитронов и TVS-диодов обратная область является рабочей, поэтому одного значения пробоя для их описания недостаточно.

Напряжения VBR и VC нельзя считать одинаковыми. При большом импульсном токе TVS ограничивает линию на уровне выше напряжения начала пробоя. Защищаемый компонент должен выдерживать именно фактическое напряжение ограничения вместе с допусками и паразитными выбросами.

У стабилитрона напряжение зависит от рабочего тока, динамического сопротивления, допуска и температуры. Эти зависимости и расчёт ограничения тока разобраны на странице «Стабилитрон и TVS-диод».

Таблица электрических характеристик даёт отдельные контрольные точки, а графики показывают изменение параметров в более широком диапазоне. Оба источника нужно читать вместе с примечаниями и схемой испытания.

Последовательность проверки может быть такой:

1. Найти точное обозначение компонента и корпуса.
2. Отделить предельные значения от гарантированных электрических характеристик.
3. Проверить ток, напряжение и температуру, при которых измерен параметр.
4. Изучить графики VF, IR, derating, восстановления и ёмкости, относящиеся к рабочему режиму.
5. Сопоставить тепловые условия испытания с реальным монтажом.

Линия Typical Characteristics обычно отражает характерное, но не гарантированное поведение. Для проверки худшего случая используют минимальные и максимальные значения, если производитель их нормирует. Отсутствующее максимальное значение нельзя заменять типовым без оценки риска.

Номер корпуса, суффикс заказа или класс напряжения могут менять часть характеристик внутри одной серии. Перед окончательным выбором проверяют полный код детали и актуальную редакцию документа. Связь параметров с условиями конкретной схемы раскрыта на странице «Как выбрать диод».