Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 5 6 ... 32

ная способность селенового вентиля в 500 раз выше, чем у германиевого.

Во всех случаях перегрузки селеновых вентилей должно быть учтено следуюш,ее: при температуре - 60° С сопротивление вентиля прямому току увеличивается 4на 5-8% от номинального, тем самым возрастает мощность потерь в вентиле и необходимо снижать перегрузку. Повышение температуры вентиля до 75 ч- 80° С (для некоторых типов вентилей до 125° С) приводит к перегреву вентиля за счет номинального тока нагрузки и его необходимо снижать приблизительно на 40%. Допустимая кратность перегрузки по току зависит от частоты повторения, длительности перегрузки и от интервалов между нагрузками вентиля, поскольку процессы выделения тепла на вентиле определяются этими величингми. Отсюда следует, что перегрузочная способность селеновых вентилей наиболее эффективна при импульсном режиме работы выпрямительного устройства.

Селеновые диоды можно соединять по последовательно-параллельным схемам без дополнительных элементов цепей, если при последовательном соединении диоды обладают одинаковыми характеристиками прямого тока, а при параллельном соединении - одинаковыми характеристиками обратного тока. Так как в процессе производства диоды получаются с различными характеристиками, то их разбраковывают на три группы и шесть классов.

Группа вентиля определяется величиной прямого падения напряжения при номинальном токе нагрузки:

1-я группа..................At/f,P0/i5 в

2-я- ..................AUnp=: 0,45-0,55 е

3-я ..................At/j,p = 0,55-0,65 G

Класс вентиля опреде;1яется величиной допустимого обратного напряжения. Различают классы вентилей В, Г, Д, Е, И, К, для которых обр.доп соответственно равны 20; 25, 30, 35, 40 и 45 в.

Здесь обратное допустимое напряжение измеряется как действующее значение. Классы Е, И и К характерны лишь для вентилей серии Г.

Б. Меднозакисные и титановые вентили

Меднозакисные (купроксные) вентили, подобно селеновым, комплектуются из необходимого числа диодов по последоса-тельно-параллельным схемам. Схематическое устройство медноза-кисного диода показано на рис. 1-9, а. Обычно диод представляет собой медную шайбу, диск, пластину или таблету /, покрытую путем термической обработки слоем закиси меди. Этот слой не однороден, так как часть его - 2, непосредственно прилегающая к меди, содержит атомы меди и обладает проводимостью типа п, а часть 5,

насыщенная атомами кислорода, обладает проводимостью типа р. Между этими двумя разнородными частями закиси меди в процессе изготовления диода и его электрической формовкой' образуется запорный слой 5С. Катодом такого диода служит медная пластина (основание), анодом - слой закиси меди.

В настоящее время меднозакисные вентили почти не используются в выпрямителях обычного назначения, но их применяют в схемах вспомогательных узлов измерительной и счетной аппара-

Рис. 1-9. Схематическое устройство к характеристики меднозакис-

ных и титановых вентилей.

туры, в устройствах автоматики и магнитных усилителях. Применение меднозакисных вентилей объясняется, главным образом, тем, что их параметры остаются неизменными в течение длительного времени. Стабильность параметров достигается искусственным старением. Для этого после изготовления вентилей их выдерживают в течение 24-60 ч при температуре 55 90° С.

Предельные рабочие температуры меднозакисных вентилей ограничены от - 30 до + 50° С. Удельная допустимая плотность прямого тока зависргг от условий охлаждения. Допускается плотность

2в

прямого тока 10-

Для вентилей

100 ма/см при обратном напряжении 6-

9 в на

измерительной аппаратуры 20 Аш/см при обратном напряжении до 1

эти величины

-2 б

снижаются до 10 на диод.

Влага и пары кислот сильно снижают надежность работы медно-закисных вентилей и могут служит причиной электрического пробоя. Для защиты вентилей применяют лакокрасочные покрытия и опрессовывание в пластмассу (рис. 1-9, б).

Титановые вентили имеют много общего с меднозакисными как по устройству, так и по методу комплектования последовательно-параллельных схем. Устройство титанового диода показано

1-9, е. Основайием диода служит титановая пластина 2, на которой путем окисления в паровоздушной среде создается пленка поликристаллической двуокиси титана TiOg. Эта пленка

: нижняя ее часть 3 насыщена атомами титана

на рис.

неоднород]

и обладает проводимостью типа п, а верхняя часть 3\ содержащая в избытке атомы кислорода, обладает проводимостью типа р. Между этими слоями пленки образуется запорный слой ЗС. Пленка / создается в процессе окисления по другую сторону основания диода.

Эту пленку затем снимают.

Поверх двуокиси титана наносится (напыляется в вакууме) слой серебра или золота. Иногда для этих же целей применяют слой висмута или никеля. После нанесения верхнего электрода 4 диод подвергается длительной термической обработке при температуре 240-260° С в парах кремнийорганического вещества (органосилок-

а) с целью повышения стабильности действия диода и увеличения срока службы. Затем нижнюю сторону титанового основания очищают от двуокиси титана и покрывают (напыляют в вакууме) слоем серебра для защиты от коррозии. Защитная пленка 5 наносится последней.

Семейство статических характеристик титанового диода приведено на рис. 1-9, г. Широкий интервал рабочих температур (от - 60 до + 250° С) и кратковременная температура до + 400 С выдерживается титановым вентилем безболезненно благодаря широкой ретной зоне двуокиси титана {AW = 2,8 - 3,1 эв).

1,аже при

максимальной рабочей температуре пробивное напряжение диода снижается не резко.

Например, вентиль типа ВТО, 04Е2800Б с допустимым током нагрузки 40 ма при температуре- 60° С имеет допустимое обратное напряжение 280 в, а при + 250° С всего лишь 140 в при обратном токе менее 4 ма.

В отличие от других поликристаллических вентилей титановые вентили не обладают такими отрицательными свойствами, как старение и расформовка.

Срок службы титановых вентилей меняется в зависимости от рабочей температуры: при нормальных климатических условиях

и + 20° С - не менее 5000 ч; при температуре 400 ч; при -f 250° - не менее 50 ч.

не менее

в. Германиевые вентили

Различают два вида германиевых дходов-вентилей: у о п е ч н ы е и плоскостные. Последние, в свою очередь, целесообразно подразделить на маломощные и мощные. Точечные диоды почти не применяются в устройствах электропитания; плоскостные маломощные диоды применяются широко, а мощные германиевые диодьТ-вен-тили почти целиком вытеснены более современными кремниевыми.

радиатор

Рис. 1-Ю. Плоскостные германиевые диоды: а - схематическое устройство и размеры диодов типа Д7А - Д7Ж; б - характеристики диодов типа Д7Ж;

в - размеры диодов типа Д302 - Д305.

/ - корпус; 2 - кристалл германия; 3 - кристаллодержатель; 4 - наружный вывод.

Плоскостные германиевые диоды, изготовленные методом сплавления, схематически представлены на рис. 1-10. Германиево-индиевый кристалл с п-р-переходом непосредственно соприкасается с металлическими электродами, причем контакты между кристаллом и электродами не обладают выпрямляющими свойствами.

Как известно, на основании анализа физических процессов в полупроводниковом диоде (л-р-переходе), уравнение вольт-амперной характеристики имеет вид:

(1-13)

ь -

I +

V

* L .4 . I .

. - - --

- f

где и - внешнее напряжение, приложенное к диоду; k - постоянная Больцмана; е - основание натуральных логарифмов; Т - температура; q - заряд электрона; - ток насьщения, определяемый концентрацией неосновных носителей зарядов.

При достаточно больших прямых напряжениях и ~ t/ p велики

чина е значительно больше единицы. В этом случае прямой ток

т. е. изменяется по экспоненциальному закону и показатель экспоненты в значительной мере определяется температурой Т; в известной мере меняется величина также от температуры.

При достаточно больших значениях обратного напряжения, при-

ложенного к диоду, -величина е шла и обратный ток можно считать равным и независимым от величины [/обр-

Если приложенное к вентилю внешнее напряжение (прямое или

обратное) мало, то величина е^ - 1 приблизительно равна и

и ток через диод/ =/ru оказывается одинаковым как в прямом,

так и в обратном направлении, т. е. диод теряет свои вентильные свойства. Это дает основание утвервдать, что при очень малых вы прямленных токах и приложенных к вентилю напряжениях нельзя применять подобные вентили.

Практически измеренная статическая характеристика германиевого диода отличается от аналитически построенной на основании (1-13). Семейство экспериментальных статических характеристик германиевого диода типа ДУД приведено на рис. 1-10, б. Из этих характеристик, в частности, можно установить большую зависимость обратного тока от температуры п-р-перехода. В обш^ем случае характер зависимости обратного тока от температуры для германиевого диода можно практически определять в виде:

окр - 20

/обр^ = /обр2 , (1-14)

W /обр - обратный ток диода, определяемый концентрацией неосновных носителей зарядов при температуре + 20 С; окр - температура п-р-перехоДа, при которой определяется величина обратного тока.

Соотношение (1-14) дает приближенное значение, поскольку вместо экспоненциальной зависимости, как это следовало бы принять в действительности, выбрана другая зависимость (вместо е = 2,73 взято 2,0),

При использовании вентилей часто приходится определять зависимости температур окружающей среды и п-р-перехода:

Т

окр

АТ = Г

окр

(1-15)

где Tfi o

жающей среды; в виде тепла;

температура п-р-перехода; Т^кр - температура окру-

т - мощн(х:ть потерь, рассеиваемая в вентиле

ОКр

о

р

С/вт- тепловое сопротивление

пот

электронно-дырочного перехода.

Из (1-15) следует, что чем лучше теплоотвод, тем меньше разница между температурами окружающей среды и перехода, а следовательно, и меньше величина теплового сопротивления п-р-перехода.

Легко-показать, что с повышением температуры окружающей среды и неизменном токе нагрузки необходимо снижать величину допустимого обратного напряжения диода. Практически для большинства маломощных германиево-индиевых диодов при изменении температуры от + 20 до + 70° С допустимое обратное напряжение должно быть снижено в 2-3 раза. Например, при + 20° С допустимое обратное напряжение для диода типа Д7Д равно 300 в, а при температуре + 70° С - лишь 90 е.

Величину допустимого обратного напряжения можно снижать не так резко, как указывалось выше, если диоды нагружаются током нагрузки неполностью или при улучшении теплоотвода. Например, плоскостные диоды типа Д302- Д305 благодаря системе охлаждения в виде дополнительных радиаторов (см. рис. 1-10, в) можно использовать при нагреве их корпусов до + 80 С при относительной влажности окружающей среды не выше 95%. При этом уменьшение величины допустимого обратного напряжения менее резкое, чем указывалось выше (эти условия оговариваются в паспортных данных вентилей).

Как и в других полупроводниковых вентилях, так и в германиевых существенную роль в режиме их работы играет собственная емкость, составляющая приблизительно 0,01 мкф/см рабочей поверхности диода. Собственная емкость маломощных германиевых диодов составляет около 50 пф, поэтому такие диоды практически можно использовать в цепях тока относительно низкой частоты (до 10 кгц).

Г. Кремниевые вентили

По своему устройству и принципу действия кремниевые вентили аналогичны германиевым. Они также подразделяются на точечные и плоскостные, а последние - на маломощные и мощные. Точечные кремниевые диоды практически не используются для выпрямления тока в установках электропитания.

Простейшим технологическим методом создания п-р-перехода в относительно маломощных кремниевых вентилях является метод сплавления кремния типа п с алюминием; за счет внедрения атомов алюминия создается проводимость типа р.

Сравним относительные свойства германиевых и кремниевых вентилей. Предельная рабочая температура кремниевых вентилей равна + 125 С, в то время как у германиевых + 70° С. Как известно, предельные рабочие температуры устанавливаются в связи с тем, что при повышении температуры растет собственная проводимость полупроводника и, когда она становится соизмеримой с примесной проводимостью, полупроводниковый прибор теряет способность быть управляемым. У кремния соизмеримость собственной и примесной проводимостей возникает приблизительно при + 250°С, а у германия - при -- 150° С.

При температуре + 20° С обратный ток кремниевых диодов на 1-2 порядка (в 10-100 раз) меньше, чем у германиевых при одном и том же обратном напряжении. С повышением температуры обратный ток кремниевых диодов возрастает сильнее, чем у германиевых диодов (на каждые 10° повышения температуры ток увеличивается в три раза).

Прямое падение напряжения у кремниевых диодов выше, чем у германиевых при одном и том же токе нагрузки. Однако поскольку прямое падение напряжения по абсолютной величине мало, то оно не играет существенной роли в выборе вентилей.

Промышленностью изготавливаются плоскостные кремниевые диоды в большом ассортименте. На рис. 1-11 показано схематическое устройство кремниевых диодов и их габариты. Диапазон рабочих температур кремниевых диодов составляет от -60 до + 125° С. Для лучшего их охлаждения используются металлические радиаторы. Во многих случаях радиаторы прикрепляются к металлическому шасси выпрямительного устройства. Например, при работе диодов Д202 - Д205 в предельном режиме нагрузки по току их следует крепить на алюминиевом радиаторе толщиной 1 мм с площадью охлаждения 40 см на каждый диод. При использовании любых радиаторов и способов охлаждения температура корпуса не должна превышать+ 135° С. При отсутствии радиатора допустимая рабочая температура снижается до + 80° С и величина допустимого прямого тока снижается в два раза по сравнению с номинально допустимым током, указанным в справочниках.

Номинальная рабочая частота тока, в цепи которого может включаться диод, ограничивается собственной (проходной) емкостью и не превышает 20-50 кгц.

Все современные кремниевые диоды герметизированы. Для них допустима относительная влажность окружающей среды до 98% при температуре + 40° С; изменение давления от 5 до 800 мм рт. ст.; они выдерживают кратковременные ускорения до 150 g.

М о щ ные кремниевые вентили различных типов, как правило, рассчитаны на принудительное охлаждение. Вентили типа ВК охлаждаются воздушной струей, а типа ВКВ - проточной водой. Эти два типа вентилей допускают ток нагрузки от 10 до 500 а при допустимых обратных напряжениях 50-1000 в.

Наряду с мощными вентилями типов ВК и ВКВ промышленпо стью серийно производятся мощные вентили типа ПВК, ВДК, ВКВД и др. Они рассчитаны для выпрямления.тока от 10 до 350 а при допустимых обратных напряжениях 100-700 в; их обратный ток составляет около 0,04% от номинального прямого тока. Интервал рабочих температур у этих вентилей более низкий, чем у маломощных вентилей и составляет: для вентилей типов'ВК, ПВК и

р Шасси-радиатор

Рис- ЫТ. OjiocKocTribie кремниевые диоды: а - схематическое устройство

диода типа Д205; б - размеры диодов типов Д206 - Д211.

/ - корпус; 2 -

кремний; 4 - сплав золото - сурьма; 5 кристаллодержатель.

60 до

65° С; для вентилей типов ВКД и ВКВД

от +5 до -Ь 40° С.

Во всех мощных кремниевых вентилях сильно сказывается собственная емкость, ограничивающая рабочую частоту выпрямляемого тока: для диодов типов ВК, ВКВ, ВКД и ВКВД - не выше 500 гц\ для диодов типа ПВК - ниже 2000 гц.

Все мощные кремниевые вентили допускают кратковременные перегрузки по току в пределах 125% в течение 5 мин и 200% в течение 5 сек.

Д. Новые неуправляемые вентили

К новым полупроводниковым неуправляемым вентилям большой мощности относятся кремниевые лавинные диоды и диоды из карбида кремния и на основе интерметаллических соединений.

Кремниевые лавинные диоды имеют ступенчатую форму п-р-перехода, благодаря чему у них пробивное напряжение по поверхности кристалла оказывается намного большим, чем у диода с переходом смычной конструкции. Благодаря этой особенности лавинные вентили оказываются способными выдерживать большие перенапряжения. Это дает также возможность включать такие вентили по последовательно-параллельным схемам без усложнения схем их включения. Промышленностью изготавливаются лавинные вентили типов ВКДЛ и ВКДЛВ. Первые из них предназначены для длительной работы с воздушным охлаждением при те1\1пературе окружающей среды от - 50 до + 125° С при прямом токе 10-200 а и обратном напряжении 300-1000 в в зависимости от группы и класса вентилей этой серии. Вентили серии ВКДЛВ предназначены для длительной работы в схемах выпрямления при водяном охлаждении и температуре окружающей среды +5 - - 65 С с номинальными токами нагрузки 350-1000 а при обрат* ных напряжениях 300- тилей.

-1000 в для разных групп и классов вен*

Выпускаются кремниевые лавинные вентили серии ПВКЛ четырех классов с токами нагрузки 50, 100 и 200 а при допустимых обратных напряжениях 400, 600, 800 и 1000 в, предназначенные для выпрямления тока частотой 50-2000 ец при температуре окружаю-

щей среды от Вентили из

60 до

100° С.

монокристаллического карбид & пока являются опытными. Они рассчитаны для ра-

500° С. Опи-

кремния

боты в схемах выпрямления при температурах до санные в периодической литературе вентили этого типа рассчитаны на допустимое обратное напряжение 150 в при допустимом прямом-токе 1,0 а. Несомненно, что эти вентили будут производиться и на другие значения токов и напряжений.

ысокая рабочая температура этих вентилей возможна благодаря большой ширине запретной зоны карбида кремния и высокой-температуре плавления. Технология производства этих вентилей еще недостаточно разработана. При изготовлении опытных вентилей вначалевыращивались электронно-дырочные переходы типа/г-р-п-структуры, а затем один слой с проводимостью типа п удалялся. Эти вентили весьма стойки против радиоактивного облучения № сохраняют свои параметры длительное время.

Вентили из интерметаллических соединений различают двух типов: с высокой и низкой рабочей температурой. Для диодов из интерметаллических соединений с широкой запретной зоной характерны следующие рабочие температуры: для фосфида индия 400° С; для арсенида галлия 450° С и для фосфида галлия 1000°С.

Вентили из интерметаллических соединений обладают высокой: электрической прочностью и допускают большую плотность прямого тока. Благодаря этому такие вентили оказываются малогабаритными с высокими допустимыми обратными напряжениями.

2 в. Ю. Рогинскиб

Прямое падение напряжения на таких вентилях намного больше, чем у кремниевых или германиевых.

Для работы вентилей из интерметаллических соединений при низких температурах изыскиваются материалы с малой шириной запретной зоны. Как правило, такие вентили плохо работают при высоких положительных температурах. По литературным данным, перспективными материалами для вентилей с необходимыми свойствами являются антимонид индия и арсенид индия, которые способны работать при температурах, соизмеримых с температурой жидкого гелия.

Е. Параллельно-последовательное соединение вентилей

Параллельное соединение нескольких диодов требуется в тех случаях, когда ток нагрузки превышает допустимый прямой ток отдельного диода, а применение более мощного диода по тем или иным соображениям нежелательно.

Uo6p \ o6p ! o6p

Рис. 1-12. Схемы параллельно-последовательных соединений вентилей

При параллельном соединении диоды должны обладать одинаковыми характеристиками прямого тока. В противном случае одни диоды будут перегружаться, а другие недогружаться. При этом возможно преждевременное повреждение перегруженных диодов. Подбор диодов с одинаковыми характеристиками прямого тока практически неосуществим, ибо мало подобрать идентичные начальные характеристики диодов, требуется еще обеспечить одинаковое изменение этих характеристик при различных рабочих температурах. Практически не рекомендуется параллельное соединение вентилей.

Если почему либо требуется соединять диоды параллельно, то можно применить схему рис. 1-12, а, где добавочное сопротивление /?доб может обеспечить выравнивание характеристик диодов. При этом выбор добавочного сопротивления может быть сделан на основании следующего равенства:

Unp - J\ {Rup + доб) = /2пр>

(1-16)

где /?пр и Rnp

сопротивления диодов прямому току 1х и обрат-

/д, определяемые по характеристикам диодов.

1 2 3 4 5 6 ... 32