Содержание
Очень часто в электротехнике или различных схемах электрических цепей встречается такое понятие, как диод Шоттки. Прежде всего, это специальный диод-полупроводник, имеющий при прямом включении маленькое падение напряжения,и состоящий из полупроводника и металла. Свое название получил в честь изобретателя из Германии Вальтера Шоттки, который изобрел этот электронный элемент.
Допустимое обратное напряжение в электронном элементе в промышленных целях ограничено 250 вольтами. На практике применяется в основном в низковольтных цепях, чтобы предотвратить течение тока в обратную сторону. По своей мощности разделяются на несколько групп: маломощные, среднемощные и мощные.
Само устройство состоит из металла — полупроводника, пассивации стеклом, защитного кольца и металла. Когда по цепи начинает идти электрический ток, то на защитном кольце и по всей области барьера-полупроводника будут скапливаться положительные и отрицательные заряды, но в разных частях корпуса, при котором будет возникать электрическое поле и выделяется тепло, что является большим плюсом для некоторых опытов в физике.
Отличие от других полупроводников
Этот электронный элемент отличается от других тем, что в нем в качестве преграды используется металл — полупроводник, который имеет одностороннюю электропроводимость, и обладающий многими другими отличительными свойствами. Такими металлами-полупроводниками могут быть арсенид галлий, золото, карбид кремния, вольфрам, германий, палладий, платина и так далее.
От выбранного металла будет зависеть и вся работа электронного элемента Шоттки. Особенно часто используют кремний, потому что он надежнее других, хорошо работает на больших мощностях. Также чаще других металлов используют полупроводник на основе арсенида галлия (GaAs) — химическое соединение мышьяка и галлия, реже — на основе германия (Ge). Технология изготовления этих электронных элементов очень проста, поэтому он и является самым дешевым.
Также диод Шоттки отличается от других стабильной работой при подаче тока. Для стабильности используют внедрение в корпус этого электронного элемента специальных кристаллов, что является очень тонкой работой, потому что халатность или невнимательность может привести к неисправности устройства. Этим редко занимаются люди, чаще всего эту работу выполняет специальный робот — автомат, запрограммированный для такой операции.
Диод Шоттки обозначение и маркировка
Как и все электронные детали и элементы имеют обозначения, на принципиальных схемах этот электронный элемент изображается вот так (см. рис. 1), что несколько отличается от обозначения обычного полупроводника.
Еще на схемах можно встретить изображение сдвоенного диода Шоттки (см. рис. 2). Это два смонтированных электронных элемента в одном общем корпусе. Аноды или катоды у них спаяны, поэтому имеют три вывода.
Этот электронный элемент, как и большинство, маркируется сбоку. И если непонятны буквы и цифры на обозначении, то можно посмотреть по радиотехническому справочнику их расшифровку.
Достоинства и недостатки
У этого устройства есть свои положительные стороны и свои недостатки.
- Хорошо удерживает электрический ток в цепи;
- Маленькая емкость барьера из металлов — полупроводников, что увеличивает долгосрочную работоспособность диода;
- В отличие от других полупроводников, в диоде Шоттки наблюдается низкое падение напряжения;
- В электрической цепи данный диод Шоттки быстро действует.
Большой минус в том, что бывает очень большим обратный ток. В некоторых случаях, например, превышение нужного уровня обратного тока даже на несколько ампер, электронный элемент просто ломается или выходит из строя в самый неподходящий момент вне зависимости от того, новый он или старый. Также часто можно наблюдать утечки диодов, что может привести в некоторых случаях к печальным последствиям, если относится к проверке полупроводников с пренебрежением.
Диод Шоттки применение
Эти электронные элементы, представленные выше, можно встретить в нашем мире практически везде: в компьютерах, стабилизаторах, бытовой технике, радиовещании, телевидении, блоках питания, солнечных батареях, транзисторах и во многих других приборах из всех сферах жизни.
Во всех случаях поднимает эффективность и работоспособность, уменьшает численность потерь динамики напряжения, восстанавливает обратное сопротивление тока, принимает на себя излучение альфа, бета и гамма- зарядов, позволяет работать достаточно много времени без пробоев, удерживает ток в напряжении электрической цепи.
Диагностика диодов Шоттки
Можно провести диагностику электронного элемента Шоттки, если возникнет такая необходимость, но на это уйдет немного времени. Прежде всего, необходимо выпаять один элемент из диодного моста или электронной схемы. Осмотреть визуально и проверить тестером. В результате этих простых технических операций узнаете исправный ли полупроводник или нет. Хотя и необязательно выпаивать всю сборку, ведь это лишняя работа, а самое главное — затраты времени.
Также можно проверить данный диод или диодный мост мультиметром, при этом учитывайте то, что на приборе изготовитель пишет ток сбоку. Мы включаем мультиметр и подводим его щупы к концам анода и катода, и он покажет нам напряжение диода.
Иногда бывает так, что диод Шоттки может стать неисправным по некоторым причинам. Рассмотрим их:
Если в полупроводниковом элементе возникнет пробоина, то он просто перестает держать ток и становится проводником.- Если в полупроводнике или диодном мосту возникнет обрыв, тогда он вообще перестанет пропускать ток.
Причем в обоих случаях запаха гари вы не почувствуете и дыма не увидите, так как в корпусе встроена специальная защита против таких происшествий. Если вдруг в одном транзисторе сгорел вышесказанный диод, то убедитесь, что это единственное устройство, где вы нашли неисправность, потому что диоды обязательно нужно проверять все.
Хотя иногда может и не быть такой возможности для того, чтобы проверить диоды на исправность, когда это будет необходимо. Иногда бывает так, что компьютер начинает тормозить, включаться очень долго, «зависает». Возможно, дело связано именно с диодами, и каждый может разобрать процессор и посмотреть, что внутри случилось.
Нужно, прежде всего, обесточить компьютер и открыть блок питания в системном блоке. Сразу же можно заметить диоды. Проверьте, есть ли в них пробоины или обрывы. Если есть, то нужно их достать и заменить новым полупроводником, устранив неполадки самостоятельно, но лучше обратиться за помощью к профессионалам.
Полупроводники Шоттки в современном мире
Диоды Шоттки получили широкую популярность и распространение во всех сферах современной жизни, особенно в электронике. Их можно найти как сдвоенные выпрямительные диоды, где два полупроводника установлены в одном корпусе и концы анодов или катодов связаны между собой, так и простые, также бывают очень маленькими (например, очень часто встречается в мелких электрических деталях).
Этот полупроводник очень часто используют в импульсных блоках питания в бытовой технике, что значительно снижает потери и улучшает тепловой режим работы. Также данные электронные элементы используются в транзисторах в качестве выпрямителей тока, и в таких специальных диодах, которые используют для объединения параллельных 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.
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.
Также 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.
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.
Сложнее проверить диод с подозрением на "утечку". Если проводить проверку мультиметром DT-830 в режиме "диод", то мы увидим совершенно исправный элемент. Можно попробовать измерить в режиме омметра его обратное сопротивление. На пределе "20кОм" обратное сопротивление определяется как бесконечно большое. Если же прибор показывает хоть какое-то сопротивление, допустим 3 кОм, то этот диод следует рассматривать как подозрительный и менять на заведомо исправный. Стопроцентную гарантию может дать полная замена диодов Шоттки по шинам питания +3,3V и +5,0V.
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.
