Diode redresoare

Diode redresoare

Diodele redresoare (rectifier diodes) sunt dispozitive electronice semiconductoare din siliciu, utilizate in circuitele de conversie c.a.-c.c., de limitare a amplitudinii tensiunilor etc.

Dioda redresoare este un dipol constituit dintr-o jonctiune PN abrupta, legata la doi electrozi externi, numiti anod (A) si catod (K). In fig. 1, sunt reprezentate simbolul grafic si structura schematica a unei diode redresoare. Contactele metal-semiconductor, care asigura legaturile intre regiunile neutre de tip P si de tip N ale jonctiunii PN si terminalele diodei, sunt contacte ohmice.

Fig. 1. Simbolul grafic si structura schematica a unei diode redresoare

Din studiul unei jonctiuni PN, s-a vazut ca, in functie de polaritatea tensiunii aplicate la bornele diodei, componenta se poate gasi in una din cele doua stari si anume :

- in stare de conductie, atunci cand dioda este polarizata in sens direct (

- in stare de blocare, atunci cand dioda este polarizata in sens invers (

In stare de conductie, dioda este caracterizata printr-un curent direct important, care circula de la anod spre catod. Dimpotriva, o dioda blocata este parcursa numai de un curent rezidual, de intensitate foarte scazuta, care circula de la catod spre anod. Dioda redresoare se comporta ca o supapa semiconductoare, care permite trecerea curentului intr-un singur sens, de la anod spre catod (sensul indicat de sageata din simbolul grafic).

1. Modele de semnal mare

Comportarea diodei in cele doua stari poate fi descrisa printr-o singura relatie functionala, care leaga curentul prin dioda de tensiunea aplicata la bornele componentei, de forma

(1)

Relatia (1), care evidentiaza principiul de functionare al unei diode redresoare, este denumita ecuatia caracteristica a diodei teoretice. Denumirea de dioda teoretica este atribuita unei diode idealizate, care nu prezinta nici o proprietate secundara (strapungere electrica, curenti de suprafata, rezistenta serie etc.) si in care se aplica legea jonctiunii PN. Modelul matematic (1) arata ca, pentru o dioda redresoare, dependenta curent-tensiune la borne este de tip exponential.

Curentul este curentul invers de saturatie al diodei care, in regim permanent, ar circula printr-o dioda teoretica polarizata cu o tensiune inversa infinita. O dioda ideala in stare de blocare este caracterizata prin curent rezidual nul. In mod practic, curentul invers de saturatie al unei diode redresoare este neglijabil fata de curentii directi care apar in circuitele de utilizare. Pentru diodele redresoare din Si, curentul este de ordinul picoamperilor-nanoamperilor, in cazul componentelor de mica putere, si poate atinge cativa miliamperi, in cazul componentelor de putere mare. Curentul invers de saturatie al diodelor din Ge este mai mare cu circa trei ordine de marime decat acela al diodelor din Si, cu aceleasi caracteristici. Acesta este unul dintre argumentele principale pentru care se utilizeaza siliciul la fabricarea dispozitivelor semiconductoare.

In general, diodele reale nu respecta ecuatia caracteristica a diodei teoretice. Ecuatia caracteristica a unei diode reale este de forma

(2)

Prin factorul empiric de corectie, se tine seama de recombinarile in exces din zona de tranzitie. Astfel, pentru diodele din Ge si pentru jonctiunile PN din tranzistoarele bipolare cu Si, , iar pentru diodele redresoare din Si, . Din motive de simplificare a scrierii, se va folosi modelul diodei teoretice (1), pentru toate diodele.

In regim static, comportarea diodei redresoare este descrisa de ecuatia caracteristica (1), in care curentul si tensiunea la borne sunt invariabile in timp,

(3)

Caracteristica statica a diodei teoretice se obtine prin reprezentarea grafica a relatiei (3), pentru o temperatura constanta a mediului ambiant. In fig. 2, aceasta caracteristica este reprezentata la scara liniara, pentru o dioda de mica putere, considerand tensiuni anod-catod foarte mici (a) si mari (b). Din cea de-a doua caracteristica (scara semilogaritmica), ca si din relatia (3), se observa ca, in cazul polarizarii directe cu , comportarea diodei in stare de conductie poate fi descrisa cu ajutorul modelului simplificat,

(4)

sau, echivalent,

(5)

De asemenea, in cazul unei polarizari inverse, cu , dioda in stare de blocare poate fi descrisa cu ajutorul modelului simplificat,

(6)

Caracteristica statica a unei diode reale se abate de la aceea a diodei teoretice (fig. 3). In stare de conductie, la intensitati importante ale curentului direct, tensiunea anod-catod include si caderea de tensiune pe regiunile neutre ale jonctiunii si pe contactele ohmice ale diodei. In acest caz, caderea de tensiune la bornele diodei reale poate fi scrisa ca

(7)

Prin aplicarea unor tensiuni inverse mari, intensitatea campului electric la nivelul jonctiunii PN poate sa atinga o valoare critica, peste care curentul invers creste brusc si abrupt, datorita multiplicarii in avalansa a purtatorilor de sarcina. Tensiunea la care se produce cresterea rapida a curentului invers prin dioda este denumita tensiune de avalansa sau de strapungere. Notatiile utilizate pentru aceasta tensiune sunt (Reverse Avalanche Voltage) sau (Breakdown Voltage). Atunci cand se produce efectul de avalansa, curentul care parcurge dioda este

(8)

unde este factorul de multiplicare in avalansa, dat de relatia empirica stabilita de Miller,

(9)

Pentru diodele din siliciu, exponentul

Fig. 2. Caracteristica statica a diodei teoretice: a. pentru U_AK foarte mici; b. pentru U_AK mari

In domeniul 200V¸1000V al tensiunilor de avalansa, diodele special construite si testate, denumite diode cu avalansa controlata, pot suporta, pentru un timp scurt, impulsuri de putere mare. Aceste diode sunt folosite in circuitele de redresare, ce functioneaza cu sarcina inductiva, sau in limitatoarele de amplitudine.

Fig. 3. Caracteristica statica a diodei reale

Diodele redresoare normale nu sunt proiectate sa functioneze pe portiunea de caracteristica corespunzatoare strapungerii electrice. Pentru acest tip de diode, patrunderea punctului de functionare in zona respectiva conduce la procese fizice ireversibile. Din aceasta cauza, tensiunea inversa pe care o poate sustine la borne o dioda redresoare normala este limitata, in valoare absoluta, la o valoare mai mica decat tensiunea de strapungere.

Caracteristica statica a diodei este foarte sensibila la temperatura, ca urmare a dependentei puternice a curentului rezidual si a tensiunii termice de temperatura. Teoretic, s-a stabilit o crestere exponentiala cu temperatura a curentului invers de saturatie al diodei, dupa legea

, (10)

unde , pentru diodele din Si. Aceasta inseamna o crestere relativa a curentului , de circa 7%/^oC. In practica, se admite ca isi dubleaza valoarea, la fiecare crestere a temperaturii cu 10^oC. Tinand seama de aceasta, relatia (10) se inlocuieste cu

(11)

Tensiunea termica creste liniar cu temperatura. La cresterea temperaturii, se constata o deplasare a caracteristicii statice a diodei si anume (fig. 4a):

ramura de conductie se deplaseaza in zona tensiunilor directe mai mici;

ramura de blocare se deplaseaza in zona curentilor reziduali mai mari.

Fig. 4. Influenta temperaturii asupra caracteristicii statice a diodei redresoare

Din fig. 4b, se observa ca, daca se mentine constanta tensiunea de la bornele diodei, cresterea temperaturii provoaca o crestere a curentului direct. Pentru obtinerea aceluiasi curent direct , la temperatura , va fi necesara o tensiune directa mai mica decat aceea ceruta la temperatura (fig. 4a). Aceasta ultima observatie poate fi exprimata prin relatia

(12)

Relatia (12) evidentiaza coeficientul de temperatura al tensiunii directe a diodei,

(13)

Pentru diodele din Si, Trebuie facuta precizarea ca temperatura , care intervine in discutiile referitoare la comportarea unui dispozitiv semiconductor, este temperatura a jonctiunii PN. In functionare, temperatura jonctiunii este mai mare decat temperatura mediului ambiant (), din cauza disipatiei de putere electrica. Se poate admite ca , numai pentru o disipatie de putere foarte slaba.

Modelul matematic al diodei redresoare arata ca dioda este un element neliniar de circuit. In studiul circuitelor cu diode, se evita utilizarea ecuatiei caracteristice, fiind preferate modelele cu circuite echivalente liniare, obtinute din insasi functionarea componentei. Este de la sine inteles, ca modelele elaborate vor putea fi utilizate numai atunci cand sunt indeplinite conditiile precizate la deducerea acestora. Pentru a exemplifica utilitatea modelelor, se considera problema determinarii p.s.f. al unei diode, caracterizat prin perechea de valori ( ). Fie circuitul din fig. 5a, pentru care se presupun cunoscute: caracteristica statica a diodei, rezistenta si tensiunea continua de alimentare. In acest caz, problema poate fi rezolvata pe cale grafica, trasand dreapta de sarcina statica (), a carei ecuatie

(14)

se obtine direct din circuit. P.s.f. se gaseste la intersectia acestei drepte cu caracteristica statica a diodei.

Fig. 5. a. Circuitul diodei; b. Determinarea grafica a p.s.f. Q

Pentru rezolvarea usoara pe cale analitica a aceleiasi probleme, trebuie stabilit un circuit echivalent al diodei polarizate direct. Acest model poate fi obtinut prin liniarizarea caracteristicii statice a diodei. Daca se traseaza tangenta la grafic, in p.s.f. , caracteristica statica a diodei poate fi aproximata prin doua semidrepte: semidreapta tangenta in si semidreapta suprapusa peste axa tensiunilor, cu originea in abscisa . In aceasta caracteristica liniarizata, se neglijeaza atat curentul rezidual al diodei polarizate invers, cat si curentul direct corespunzator tensiunilor de polarizare mai mici decat (fig. 6a). Se admite, astfel, ca o dioda polarizata direct se comporta ca o sursa de tensiune continua , in serie cu o rezistenta (fig. 6b), iar o dioda polarizata invers se comporta ca un intrerupator deschis (fig. 6c). Tensiunea , numita tensiune de prag a diodei, joaca rolul unui prag de conductie. Pe caracteristica liniarizata, pentru tensiuni directe inferioare acestui prag, dioda se comporta ca un circuit deschis. Rezistenta , data de inversa pantei caracteristicii statice in punctul

(15)

este denumita rezistenta diferentiala sau dinamica a diodei in conductie. Atat tensiunea de prag, cat si rezistenta diferentiala depind de parametrii constructivi ai diodei, de pozitia p.s.f. si, evident, de temperatura. Astfel, daca pentru diodele redresoare de mica putere, din Si, , pentru componentele de putere mare, . Tensiunea de prag a diodei are acelasi coeficient de temperatura ca si tensiunea directa,

(16)

cu . Relatia de calcul a rezistentei diferentiale arata ca va fi cu atat mai mica, cu cat punctul va fi fixat la un curent direct de intensitate mai mare.

Dupa inlocuirea diodei din circuitul dat in fig. 5, cu modelul liniar din fig. 6b, se obtine circuitul echivalent din fig. 7. Presupunand cunoscuti parametrii si ai diodei, se obtin marimile ce caracterizeaza p.s.f. :

, (17)

. (18)

Fig. 6. a. Liniarizarea caracteristicii statice a diodei; b. Modelul cu circuit echivalent al diodei in conductie; c. Modelul cu circuit echivalent al diodei blocate

Fig. 7. Circuitul echivalent obtinut dupa inlocuirea diodei cu modelul liniar

Adeseori, tinand seama de conditiile concrete din circuitul de utilizare al diodei, modelul liniar al diodei in conductie poate fi simplificat prin neglijarea fie a efectului sursei , fie a aceluia al rezistentei . Pentru un domeniu dat al curentului direct, tensiunea la bornele diodei variaza relativ putin, atunci cand curentul are o variatie de un ordin de marime (circa 60 mV), astfel ca se poate admite ca dioda in conductie se comporta aproximativ ca o sursa de tensiune continua . Atunci cand se stabileste un regim variabil de semnal mare si de joasa frecventa si amplitudinea semnalului aplicat este mult mai mare decat (cazul functionarii diodei intr-un circuit redresor), modelul initial al diodei in conductie se reduce la rezistenta . Dioda blocata va fi modelata printr-un intrerupator deschis.

Aceste modele cu circuit echivalent, obtinute prin liniarizarea pe portiuni a caracteristicii statice a diodei, sunt folosite in studiul circuitelor cu diode, atunci cand regimul de functionare al acestora este un regim static sau un regim variabil de semnal mare si frecvente joase.

2. Modele de semnal mic

In circuitele de procesare a semnalelor analogice, cum sunt unele divizoare de tensiune, detectoarele de semnal, dioda functioneaza in regim de variatii mici, in jurul unui punct de repaus (p.s.f.).

Regimul variabil de semnal mic este regimul variabil al diodei, in care este indeplinita conditia de semnal mic. Regimul variabil de semnal mic se suprapune intotdeauna peste un regim static.

Atunci cand tensiunea de la bornele diodei sufera variatii mici de frecvente joase (), in jurul unei valori de repaus (), caracteristica exponentiala a diodei poate fi asimilata cu tangenta trasata in punctul de repaus. In acest mod, poate fi stabilita o relatie liniara intre variatiile de frecvente joase ale tensiunii anod-catod () si curentului (). Pentru acest regim de lucru, expresia curentului care traverseaza dioda este

(19)

Admitand ca variatiile sunt intotdeauna mult mai mici decat , dezvoltarea in serie de puteri a functiei poate fi aproximata prin suma primilor doi termeni,

(20)

In aceste conditii, ecuatia (19) devine

(21)

Ecuatia (21) evidentiaza cele doua componente ale curentului anodic,

(22)

unde

(23)

Ultima relatie arata ca variatiile curentului anodic sunt proportionale cu variatiile de joasa frecventa ale tensiunii anod-catod, atunci cand este indeplinita conditia de semnal mic

, pentru (24)

Pentru o variatie a tensiunii anod-catod de forma sinusoidala, , conditia de semnal mic poate fi pusa in forma echivalenta

(25)

Fig. 8. Regim variabil de semnal mic si frecvente joase: a. traiectoria punctului de functionare al diodei; b. forma de unda a curentului anodic

Traiectoria punctului de functionare al diodei, pe durata unei perioade a semnalului sinusoidal , este aratata in fig. 8a. La frecvente joase, componenta variabila a curentului anodic este in faza cu (fig. 8b).

In (23), este rezistenta dinamica sau diferentiala a diodei,

. (26)

Dupa aceasta analiza, pot fi rezumate urmatoarele:

- conditia de semnal mic, pentru o dioda cu jonctiune PN a carei functionare este descrisa printr-o relatie functionala curent-tensiune de tip exponential, nu depinde de pozitia p.s.f. al diodei si este extrem de restrictiva (la indeplinirea conditiei de semnal mic impune ca );

- comportarea diodei intr-un regim variabil de semnal mic, de joasa frecventa, este descrisa de un model liniar, cu ajutorul rezistentei dinamice a diodei,

- parametrul dinamic de semnal mic, , depinde de datele tehnologice ale diodei, de temperatura si de pozitia p.s.f. .

Daca p.s.f. este fixat pe ramura de caracteristica corespunzatoare regimului de conductie, rezistenta dinamica va avea o valoare cu atat mai mica, cu cat curentul direct prin dioda este mai mare, intrucat

(27)

Dimpotriva, daca p.s.f. este fixat pe ramura de caracteristica corespunzatoare regimului de blocare, rezistenta dinamica va avea o valoare cu atat mai mare, cu cat tensiunea inversa de la borne este mai mare:

(28)

Modelul matematic al diodei in regim variabil de semnal mic si frecvente joase, exprimat prin relatia (23), poate fi transpus direct intr-un circuit echivalent, ca acela reprezentat in fig. 9a.

Fig. 9. Modele de semnal mic, cu circuit echivalent: a. pentru frecvente joase; b. pentru frecvente inalte

Atunci cand dioda functioneaza intr-un regim variabil de frecvente inalte, trebuie sa se tina seama de variatiile sarcinilor din regiunile neutre si din regiunea de tranzitie a jonctiunii PN. O variatie a tensiunii anod-catod provoaca o variatie a inaltimii barierei de potential si aceasta conduce la o variatie a sarcinii din regiunea de tranzitie. In acelasi timp, o variatie a tensiunii anod-catod induce o variatie a sarcinii din regiunile neutre. De aici, rezulta ca o dioda in regim de semnal mic, la frecvente inalte, ar putea fi inlocuita cu un circuit echivalent, obtinut prin punerea in paralel a unei rezistente , cu o capacitate si cu o capacitate .

Capacitatea jonctiunii PN , este data de suma celor doua capacitati,

(29)

Capacitatea totala a diodei , include si capacitatea parazita a capsulei (

Fig. 10. Dependenta valorilor parametrilor dinamici de pozitia p.s.f.

Modelul complet al diodei, pentru un regim variabil de semnal mic si frecvente inalte, este prezentat in fig. 9b, unde rezistenta serie reprezinta rezistenta regiunilor neutre ale

jonctiunii si a conductorilor de conexiune, iar inductivitatea serie este inductivitatea conductorilor de conexiune. Capacitatea de bariera (), capacitatea de difuzie (), ca si rezistenta dinamica (), sunt parametri dinamici de semnal mic ai diodei. Prin urmare, valorile acestor parametri sunt functie de datele tehnologice ale diodei, de temperatura si de pozitia p.s.f. . Pentru o temperatura constanta a mediului ambiant, dependenta valorilor celor trei parametri dinamici de tensiunea continua de polarizare este reprezentata grafic in fig. 10.

Pentru diodele redresoare, care contin jonctiuni PN abrupte, capacitatea de bariera se calculeaza cu ajutorul relatiei

(30)

Pentru capacitatea de difuzie, se foloseste relatia de calcul

(31)

Relatiile de calcul ale celor doua capacitati, ca si graficele din fig. 10, arata ca, in regim de conductie, capacitatea jonctiunii este determinata, in principal, de capacitatea de difuzie (). In regim de blocare, capacitatea de bariera are valori importante si

Valorile elementelor suplimentare ale modelului (rezistenta serie si inductivitatea serie ) depind de constructia efectiva a diodei, de curentii directi si de puterea pe care o poate disipa dioda. Astfel, poate avea valori de la cateva zecimi de ohm la cativa ohmi, in timp ce inductivitatea serie poate fi de la cativa nH la cativa mH. Valorile mai mici ale acestor parametri caracterizeaza, de regula, diodele de mica putere.

3. Solicitari maxime in curent si in tensiune

Valorile limita absoluta (VLA) de natura electrica, corelate cu valorile limita absoluta termice ( si ), exprima solicitarile maxime in curent si in tensiune ale diodelor. In timpul functionarii, o dioda redresoare poate sa se gaseasca in una din urmatoarele stari: blocata (polarizata invers), in conductie (polarizata direct), in regim de comutare de la conductie la blocare sau de la blocare la conductie, in regim de avalansa. In circuitele de utilizare, in fiecare din aceste stari ale dispozitivului electronic semiconductor, este posibila aparitia unei solicitari ce poate conduce la deteriorarea ireversibila a structurii, prin incalzire.

In starea de blocare, curentul invers ce strabate dioda este mic, dar puternic dependent de temperatura (uzual, , in functie de puterea diodei). Pentru regimul de polarizare inversa, solicitarea maxima in tensiune a diodelor redresoare este exprimata cu ajutorul urmatoarelor valori limita absoluta:

, tensiunea inversa continua (Maximum Reverse Voltage),

, tensiunea inversa de varf, de lucru (Maximum Working Peak Reverse Voltage),

, tensiunea inversa de varf, repetitiva (Maximum Repetitive Peak Reverse Voltage),

tensiunea inversa de varf, nerepetitiva (Maximum Non-repetitive Peak Reverse Voltage).

Semnificatiile acestor valori limita absoluta sunt exprimate prin graficul din fig. 11. Limita absoluta reprezinta valoarea instantanee maxima admisibila a tensiunii inverse, in regim permanent, iar este cea mai mare valoare instantanee a tensiunii inverse de la bornele diodei. Tensiunea contine un varf nerepetitiv de tensiune, care poate sa apara accidental si care se suprapune peste tensiunea sinusoidala de regim permanent. Tensiunea este valoarea instantanee maxima a tensiunii inverse, excluzand orice componenta tranzitorie. Functionarea diodei cu tensiuni inverse apropiate de va conduce la imbatranirea componentei. In schimb, o depasire a tensiunii poate provoca distrugerea imediata a dispozitivului.

Fig. 11. VLA ale tensiunii unei diode redresoare

In regim de conductie, limitarile se refera, in principal, la curentii directi prin dioda, pentru evitarea incalzirii puternice a structurii din siliciu sau a elementelor constructive ale capsulei. Producatorii stabilesc urmatoarele limite absolute pentru curentul continuu (regim static), pentru valorile de varf, medii si efective ale curentilor (regimuri variabile de semnal mare), ca si pentru cazul unei suprasarcini accidentale:

- , curentul direct continuu maxim (Maximum Forward Current),

- , curentul mediu redresat maxim (Maximum Average Forward Current),

- , curentul direct eficace maxim (Maximum Root-Mean-Square Forward Current),

- , curentul direct de varf, repetitiv (Maximum Repetitive Peak Forward Current),

- , curentul direct de suprasarcina predictibila (Maximum Short Term Overload Forward Current),

, curentul direct de suprasarcina accidentala (Surge Forward Current),

, integrala de curent (Current Integral).

Semnificatiile unor valori limita absoluta sunt aratate pe graficul din fig. 12. Curentul reprezinta valoarea instantanee cea mai ridicata a curentului direct, in regim permanent, incluzand toate componentele tranzitorii repetitive, in absenta oricarei polarizari continue. este valoarea de varf a curentului direct, care poate fi aplicata intermitent, in conditii specificate. Astfel, sunt precizate valoarea dinaintea impulsului de amplitudine si durata acestuia, in conditii cunoscute de racire. De regula, aceste date sunt furnizate sub forma grafica, la cererea beneficiarului. Curentul direct de suprasarcina accidentala, , este cea mai mare valoare de varf a curentului direct, care poate fi suportata de dioda, sub forma unui impuls singular, de regula semisinusoidal, cu durata de 10ms. Impulsul de suprasarcina poate fi aplicat de un numar limitat de ori, pe toata durata de functionare, dar recomandarea este de a evita aparitia acestuia in echipamentul care incorporeaza diodele, prin masuri luate chiar din faza de proiectare. Pentru , producatorul prezinta curbe care indica valoarea medie maxima calculata pentru un curent direct, definit prin forma de unda (sinusoidal, trapezoidal si dreptunghiular), unghi de conductie, cu precizarea conditiilor de racire (prin sau ) si a naturii sarcinii (pur rezistiva, rezistiv-capacitiva sau rezistiv-inductiva). In scopul alegerii sigurantelor fuzibile de protectie, se precizeaza valoarea maxima a integralei patratului curentului direct. Calculul se face, de regula, pentru un curent semisinusoidal, cu durata de 10ms.

Se limiteaza, de asemenea, tensiunea directa continua maxima la valoarea (Maximum Forward Voltage), in stransa corelatie cu

Fig. 12. VLA ale curentului unei diode redresoare

Toate valorile limita absoluta, curenti si tensiuni, sunt stabilite astfel incat sa nu fie depasita puterea disipata maxima admisibila, respectiv temperaturile limita absoluta, in conditiile concrete de functionare precizate (circuit de utilizare, sarcina circuitului, temperatura capsulei sau a mediului ambiant). Pentru orice dispozitiv electronic semiconductor, la o temperatura constanta a mediului ambiant, este o constanta. In cazul diodelor cu jonctiune PN, in regim de curent continuu,

(32)

ceea ce inseamna ca, in planul , ecuatia (32) reprezinta ecuatia unei hiperbole (fig. 13). Tinand seama ca este o valoare limita absoluta a dispozitivului electronic semiconductor, curba

(33)

reprezinta hiperbola de disipatie maxima admisibila.

Fig. 13. Hiperbola de disipatie maxima admisibila, pentru o dioda redresoare