Перейти к содержанию

Диоды: виды, параметры и выбор

Диод пропускает ток в одну сторону и запирает его в другую — но за этим стоит десяток параметров даташита. Разбираем вольт-амперную характеристику, сигнальные и выпрямительные диоды, время восстановления, диоды Шоттки, стабилитроны и супрессоры на примерах Vishay.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Диод — прибор с двумя выводами, который проводит ток в одном направлении (от анода к катоду) и почти не проводит в обратном. Обычный диод — это p-n-переход в кремнии, диод Шоттки — переход металл–полупроводник. На диодах строят выпрямители, защиту от переполюсовки и выбросов, стабилизаторы напряжения, их ставят параллельно катушкам реле и обмоткам двигателей.

Коротко

1N4148
75 В, 150 мА, trr до 4–8 нс
1N4007
1000 В, 1 А, VF до 1,1 В
Классы по trr
> 500 нс, 100–500 нс, < 100 нс, Шоттки
Шоттки при 75 °C+
утечка — порядка мА
BZX55
2,4–75 В, 500 мВт
SMBJ
600 Вт, импульс 10/1000 мкс

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика диодаСправа от начала координат — прямая ветвь: пока напряжение мало, ток почти не растёт, а у прямого напряжения VF (у кремниевых выпрямителей — около 1 В) резко возрастает. Слева — обратная ветвь: при обратном напряжении течёт малый ток утечки, пока напряжение не достигнет напряжения пробоя, после чего обратный ток резко растёт. В этой области работают стабилитроны и супрессоры. Масштаб условный: ток утечки увеличен, чтобы его было видно.UIVFпрямой ток IFдиод открыт−VBRобратный ток IR (утечка)пробойстабилитрон, TVS

Работу диода описывает его вольт-амперная характеристика (ВАХ). У неё три области (Vishay, «Fundamentals of Rectifiers», рис. 1):

  • Прямая ветвь — на аноде плюс. Пока напряжение мало, ток почти не течёт; у прямого напряжения VF — у кремниевых выпрямителей около 1 В — ток резко растёт. В даташите VF задают при определённом токе и температуре.
  • Обратная ветвь — на аноде минус. Течёт небольшой ток утечки IR, который сильно растёт с температурой.
  • Пробой — при обратном напряжении больше напряжения пробоя VBR обратный ток лавинообразно растёт. Обычные диоды в эту область не заводят, а стабилитроны и TVS-диоды сделаны специально для работы в ней.

Vishay называет выпрямителями диоды на ток больше 0,5 А, а на меньший ток — просто диодами. Внутри выпрямителей деление идёт по времени обратного восстановления trr — о нём ниже:

КлассВремя восстановления trr
Стандартные выпрямителибольше 500 нс
Быстрые100–500 нс
Сверхбыстрые (ultrafast)меньше 100 нс
Шотткипереход металл–полупроводник, восстановления неосновных носителей нет

Параметры в даташите

Основные параметры выбора — наибольшее обратное напряжение, средний прямой ток и, для импульсных схем, время восстановления (Vishay, «Fundamentals of Rectifiers»):

ОбозначениеЧто означает
VRRMнаибольшее повторяющееся пиковое обратное напряжение, включая все повторяющиеся выбросы
VRпостоянное обратное напряжение
IF(AV)средний прямой ток — для синусоидальной полуволны 50 или 60 Гц и заданного монтажа (длина выводов, площадки на плате)
IFSMударный прямой ток — однократный импульс заданной формы, обычно полуволна 10 мс (50 Гц) или 8,3 мс (60 Гц)
VFпрямое напряжение при заданном токе и температуре кристалла
IRобратный ток при заданном напряжении и температуре
trrвремя обратного восстановления при заданных прямом и обратном токах

Вот как эти параметры выглядят у двух самых распространённых диодов:

Параметр1N4148 (сигнальный)1N4007 (выпрямительный)
Наибольшее обратное напряжениеVRRM 100 В, VR 75 ВVRRM 1000 В
Средний прямой ток150 мА1 А (выводы 9,5 мм, 75 °C)
Ударный ток2 А, 1 мкс30 А, полуволна 8,3 мс
Прямое напряжение, не более1 В при 10 мА1,1 В при 1 А
Обратный ток, не более25 нА при 20 В; 50 мкА при 20 В и 150 °C5 мкА при 25 °C; 50 мкА при 125 °C
Ёмкостьдо 4 пФ при 0 В15 пФ тип. при 4 В
Время восстановлениядо 4 нс (IF = 10 мА, VR = 6 В)не нормируется
КорпусDO-35, полоса у катодаDO-41, полоса у катода

Серия 1N4001–1N4007 различается только обратным напряжением: 50, 100, 200, 400, 600, 800 и 1000 В. Обратный ток растёт с температурой в десятки и сотни раз: у 1N4148 — с 25 нА до 50 мкА при нагреве до 150 °C.

Нагрев. Мощность потерь в диоде — примерно произведение прямого напряжения на ток. Через 1N4007 при постоянном токе 1 А и прямом напряжении 1,1 В рассеивается около 1,1 Вт. Тепловое сопротивление кристалл–воздух у него 50 °C/Вт при длине выводов 9,5 мм на плате, значит кристалл нагреется на 1,1 · 50 ≈ 55 °C выше окружающего воздуха. Поэтому средний ток 1 А указан при 75 °C и определённом монтаже — при плотной компоновке и горячем воздухе допустимый ток меньше.

Время восстановления

Пока через p-n-переход течёт прямой ток, в нём накапливаются носители заряда. Если резко сменить полярность, диод какое-то время проводит в обратную сторону, пока этот заряд не рассосётся, — это и есть время обратного восстановления trr. На частоте сети 50 Гц оно не играет роли, поэтому 1N4007 его даже не нормирует. А в импульсном преобразователе на сотни килогерц медленный диод каждый период пропускает обратный импульс тока, греется сам и нагружает ключ. Для таких схем берут быстрые, сверхбыстрые диоды или диоды Шоттки — подробнее в статье об импульсных преобразователях.

Диоды Шоттки

В диоде Шоттки ток идёт через переход металл–полупроводник, и накопления неосновных носителей нет. Отсюда два главных достоинства: переключение почти без задержки и низкое прямое напряжение. Поэтому диоды Шоттки ставят на выходе импульсных источников питания и там, где каждый десяток милливольт падения — это потери.

Платить за это приходится утечкой и ограниченным напряжением. По данным Vishay, при 75 °C и выше обратный ток диода Шоттки достигает нескольких миллиампер в зависимости от размера кристалла. Утечку и прямое напряжение задаёт высота барьера: у серии SBL с низким барьером (0,64 эВ) прямое напряжение меньше, но утечка больше, у серии MBR с высоким барьером (0,71 эВ) — наоборот. При температуре кристалла выше 125 °C низкобарьерному диоду грозит тепловой разгон: утечка нагревает кристалл, нагрев увеличивает утечку, и процесс идёт по кругу до отказа. Поэтому для горячих схем Vishay рекомендует диоды с высоким барьером.

Стабилитроны

Стабилитрон (диод Зенера) работает в области пробоя: обратное напряжение на нём почти не меняется при изменении тока. Им делают простой стабилизатор или источник опорного напряжения, ограничивают напряжение на входах. Главные параметры — на примере серии Vishay BZX55 (500 мВт, корпус DO-35, напряжения 2,4–75 В):

СтабилитронVZ мин.–макс. при 5 мАДифференциальное сопротивление ZZ, не болееТКН, %/К
BZX55C3V33,1–3,5 В85 Ом−0,08…−0,05
BZX55C4V74,4–5,0 В60 Ом−0,05…+0,02
BZX55C5V14,8–5,4 В35 Ом−0,02…+0,02
BZX55C6V25,8–6,6 В10 Ом+0,03…+0,06
BZX55C8V27,7–8,7 В7 Ом+0,03…+0,08
BZX55C1211,4–12,7 В20 Ом+0,03…+0,11
BZX55B5V15,0–5,2 В60 Ом−0,02…+0,02

Из таблицы видно три важные вещи:

  • Допуск. Буква C означает широкий разброс напряжения (BZX55C5V1 — от 4,8 до 5,4 В), буква B — узкий (BZX55B5V1 — от 5,0 до 5,2 В).
  • Резкость. Дифференциальное сопротивление показывает, насколько меняется напряжение с током. У низковольтных стабилитронов оно велико (до 85 Ом у 3,3 В), у стабилитронов на 6–9 В минимально (до 7 Ом у 8,2 В).
  • Температура. Температурный коэффициент у стабилитронов ниже 4,7 В отрицательный, у 5,1 В близок к нулю, а выше 6 В положительный. Стабилитрон на 5,1 В почти не дрейфует при нагреве.

Ток стабилитрона ограничивает мощность: по даташиту IZ = Ptot / VZ. У BZX55C5V1 это 500 мВт / 5,1 В ≈ 98 мА при температуре выводов 25 °C — в нагретом приборе меньше. Ток стабилитрону всегда задаёт внешний резистор: без него стабилитрон, включённый на источник с напряжением выше VZ, сгорит.

TVS-диоды (супрессоры)

TVS-диод (супрессор, transient voltage suppressor) тоже работает в области пробоя, но рассчитан на короткие мощные импульсы — разряды статического электричества, выбросы при коммутации индуктивной нагрузки, наводки от молнии. В рабочем режиме он закрыт и должен быть «невидим» для схемы, а при перенапряжении открывается и отводит импульс на землю (Vishay, «Find the Right ESD or TVS Diode»).

Тип (Vishay SMBJ)VWMVBR мин.–макс.Утечка при VWMIPPMVC при IPPM
SMBJ5.0A5 В6,40–7,07 В800 мкА65,2 А9,2 В
SMBJ12A12 В13,3–14,7 В5 мкА30,2 А19,9 В
SMBJ15A15 В16,7–18,5 В1 мкА24,6 А24,4 В
SMBJ24A24 В26,7–29,5 В1 мкА15,4 А38,9 В
  • VWM (stand-off) — наибольшее рабочее напряжение, при котором супрессор ещё закрыт. Его берут не меньше рабочего напряжения линии.
  • VBR — напряжение пробоя при тестовом токе: здесь супрессор начинает открываться.
  • VC — напряжение ограничения при пиковом токе IPPM. Оно заметно выше VBR, и именно его должна выдерживать защищаемая схема.
  • IPPM — пиковый ток импульса 10/1000 мкс. Произведение IPPM и VC у всей серии около 600 Вт: 65,2 А · 9,2 В ≈ 600 Вт.

Обратите внимание на утечку: у SMBJ5.0A она до 800 мкА при 5 В — на батарейной линии это заметный ток. Для симметричных сигналов (RS-485, линии переменного тока) берут двунаправленные супрессоры — у SMBJ это суффикс CA. Чтобы выбрать супрессор, Vishay советует заранее знать рабочее напряжение линии, допустимые утечку и ёмкость, наибольшее напряжение, которое выдержит схема, и импульс: его амплитуду, длительность и форму. Испытательные импульсы стандартизованы: разряд статического электричества по IEC 61000-4-2, импульс 8/20 мкс по IEC 61000-4-5, 10/1000 мкс, выбросы бортовой сети автомобиля по ISO 7637-2.

Типичные ошибки

  • Диод без запаса по напряжению. VRRM — это предел, включая выбросы. В выпрямителе сети 230 В амплитуда — около 325 В, и диод на 400 В берут уже с минимальным запасом.
  • Медленный диод в импульсной схеме. 1N4007 в преобразователе на сотни килогерц греется и портит КПД — нужны быстрые диоды или Шоттки.
  • Шоттки в горячем месте. Утечка растёт с температурой до миллиампер, а у низкобарьерных диодов выше 125 °C возможен тепловой разгон.
  • Стабилитрон без резистора. Стабилитрон не ограничивает ток сам — ток задаёт резистор, а мощность не должна превышать Ptot.
  • TVS по напряжению пробоя, а не ограничения. Защищаемая схема увидит VC, а не VBR: у SMBJ12A это до 19,9 В при пиковом токе.
  • Перепутанная полярность. Катод у диодов в корпусах DO-35 и DO-41 отмечен полосой.

Частые вопросы

Чем 1N4148 отличается от 1N4007?

1N4148 — быстрый сигнальный диод: время восстановления до 4–8 нс, ёмкость до 4 пФ, но ток всего 150 мА в среднем и обратное напряжение 75 В. 1N4007 — выпрямительный диод на 1 А и 1000 В, зато медленный: он рассчитан на сетевую частоту. Для защиты входов и логики берут 1N4148, для выпрямителя блока питания — 1N4007.

Какое падение напряжения на диоде?

Зависит от типа, тока и температуры. У 1N4148 по даташиту — не больше 1 В при 10 мА, у 1N4007 — не больше 1,1 В при 1 А. С ростом температуры прямое напряжение кремниевого диода уменьшается. У диодов Шоттки оно заметно ниже, поэтому их ставят там, где важны потери.

Можно ли заменить 1N4007 диодом Шоттки?

Только если напряжение в схеме ниже допустимого для Шоттки и утечка не мешает. Диапазон обратных напряжений у диодов Шоттки ограничен, а их обратный ток при нагреве достигает миллиампер. В сетевом выпрямителе на сотни вольт нужен обычный выпрямительный диод.

Как выбрать стабилитрон?

По напряжению стабилизации с учётом допуска (у BZX55C5V1 — от 4,8 до 5,4 В), по мощности (ток не больше Ptot / VZ) и по температурному коэффициенту. Стабилитроны примерно на 5 В почти не дрейфуют с температурой и стабилизируют резче, чем низковольтные на 2–4 В.

Чем TVS-диод отличается от стабилитрона?

Оба работают в области пробоя, но TVS рассчитан на короткие мощные импульсы: SMBJ выдерживает 600 Вт импульса 10/1000 мкс, а стабилитрон BZX55 — 500 мВт непрерывно. Стабилитрон держит напряжение, TVS ограничивает выбросы: в рабочем режиме он почти не проводит ток, а при перенапряжении открывается и замыкает импульс на землю.

Источники

  1. Vishay. Fundamentals of Rectifiers, Application Note (doc. 88867, 2015) — рис. 1 — характеристика выпрямителя, деление на стандартные, быстрые, сверхбыстрые и Шоттки по времени восстановления, основные параметры VRRM, IF(AV), IFSM, VF, IR, trr и условия их измерения
  2. Vishay. Design Guidelines for Schottky Rectifiers, Application Note (doc. 88840, 2015) — утечка при 75 °C и выше — порядка нескольких миллиампер, высота барьера 0,64 и 0,71 эВ у серий SBL и MBR, тепловой разгон выше 125 °C
  3. Vishay. 1N4148: Small Signal Fast Switching Diodes (doc. 81857, Rev. 1.6, 2024) — предельные режимы, тепловое сопротивление, VF, IR, ёмкость, время восстановления
  4. Vishay. 1N4001 … 1N4007: General Purpose Plastic Rectifier (doc. 88503, 2020) — VRRM 50–1000 В, IF(AV) 1 А, IFSM 30 А, VF, IR при 25 и 125 °C, ёмкость, тепловое сопротивление
  5. Vishay. BZX55-Series: Small Signal Zener Diodes (doc. 85604, Rev. 2.0, 2024) — мощность 500 мВт, IZ = Ptot/VZ, таблица напряжений стабилизации, дифференциального сопротивления и температурного коэффициента серий C и B
  6. Vishay. SMBJ5.0A thru SMBJ188A: Surface-Mount TRANSZORB Transient Voltage Suppressors (doc. 88392, 2024) — 600 Вт при импульсе 10/1000 мкс, таблица VWM, VBR, ID, IPPM и VC
  7. Vishay. Find the Right ESD or TVS Diode, Technical Note (doc. 85943, 2016) — требования к защитному диоду: невидимость в рабочем режиме (утечка, ёмкость), напряжение ограничения, ток и форма импульса, испытательные импульсы IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-5

Нашли ошибку?

Смотрите также