Schottkyho dioda. Jak správně zkontrolovat. – HAM-DMR

Schottkyho diody v systémových napájecích zdrojích. Charakteristika, aplikační vlastnosti a testovací metody.

Jak ukazují aktuální statistiky poruch moderních systémových napájecích zdrojů, k největšímu počtu poruch dochází v sekundárních okruzích napájecích zdrojů. Poruchy výkonových tranzistorových spínačů (nejtypičtější porucha napájecích zdrojů předchozích generací) se dnes vyskytují extrémně zřídka, což je ukazatelem úspěchů, kterých se za posledních pět let podařilo výrobcům výkonové polovodičové elektroniky dosáhnout. Jednou z nejproblematičtějších součástí moderních zdrojů jsou sekundární usměrňovače na Schottkyho diodách, což je způsobeno vysokými hodnotami výstupních proudů zdroje.

Schottkyho dioda (pojmenovaná podle německého fyzika Waltera Schottkyho) je polovodičová dioda s nízkým propustným poklesem napětí. Schottkyho diody používají jako Schottkyho bariéru přechod kov-polovodič (místo pn přechodu jako konvenční diody). Přípustné zpětné napětí průmyslově vyráběných Schottkyho diod je omezeno na 250 V (MBR40250 a podobně), v praxi se většina Schottkyho diod používá v nízkonapěťových obvodech se zpětným napětím v řádu jednotek a několika desítek voltů.

Výhody Schottkyho diod

Zatímco klasické křemíkové diody mají úbytek napětí v propustném směru asi 0.6 – 0.7 V, použití Schottkyho diod umožňuje tuto hodnotu snížit na 0.2 – 0.4 V. Takový nízký úbytek propustného napětí je vlastní pouze Schottkyho diodám s maximálním zpětným napětím v řádu desítek voltů. Při vysokých zpětných napětích se propustnost stává srovnatelnou s poklesem křemíkových diod, což omezuje použití Schottkyho diod na nízkonapěťové obvody. Například pro výkonovou diodu 30Q150 Schottky s maximálním možným zpětným napětím (150 V) při propustném proudu 15 A je úbytek napětí standardizován na úrovni od 0.75 V (T = 125 °C) do 1.07 V (T = -55 °C).

Schottkyho bariéra má také nižší přechodovou kapacitu, což umožňuje výrazně zvýšit pracovní frekvenci diody. Této vlastnosti se využívá v integrovaných obvodech, kde Schottkyho diody shuntují přechody tranzistorů logických prvků. Ve výkonové elektronice umožňuje nízká přechodová kapacita (tj. krátká doba zotavení) konstrukci usměrňovačů pracujících na frekvencích stovek kHz a vyšších. Například dioda MBR4015 (15 V, 40 A), optimalizovaná pro vysokofrekvenční usměrnění, je dimenzována pro provoz při dV/dt až 1000 V/ms.B.

Díky lepším charakteristikám časování a nízké kapacitě přechodu se Schottkyho diodové usměrňovače liší od tradičních diodových usměrňovačů v jejich snížené hladině šumu, což je činí nejvýhodnějšími pro použití v pulzních napájecích zdrojích pro analogová a digitální zařízení.

Nevýhody Schottkyho diod

Jednak při krátkodobém překročení maximálního zpětného napětí Schottkyho dioda nevratně selže, na rozdíl od křemíkových diod, které přejdou do reverzního průrazného režimu, a za předpokladu, že nebude překročen maximální výkon rozptýlený na diodě, po poklesu napětí dioda zcela obnoví své vlastnosti.

Za druhé, Schottkyho diody se vyznačují zvýšenými (ve srovnání s konvenčními křemíkovými diodami) zpětnými proudy, které se zvyšují s rostoucí teplotou krystalu. U výše uvedeného 30Q150 se zpětný proud při maximálním zpětném napětí pohybuje od 0.12 mA při +25 °C do 6.0 mA při +125 °C. U nízkonapěťových diod v pouzdrech TO-220 může zpětný proud překročit stovky miliampérů (MBR4015 – až 600 mA při +125°C). Kladná tepelná zpětná vazba ve Schottkyho diodě vede za nevyhovujících podmínek odvodu tepla k jejímu katastrofálnímu přehřátí.

Proudově napěťová charakteristika Schottkyho bariéry (obr. 1) má výrazný asymetrický vzhled. V oblasti předpětí se proud zvyšuje exponenciálně s rostoucím použitým napětím. V oblasti zpětného předpětí nezávisí proud na napětí. V obou případech, s dopředným a zpětným předpětím, je proud ve Schottkyho bariéře způsoben většinovými nosiči náboje – elektrony. Z tohoto důvodu jsou Schottkyho bariérové ​​diody vysokorychlostní zařízení, protože nezahrnují rekombinační nebo difúzní procesy. Pro bariérové ​​konstrukce je typická asymetrie proudově-napěťové charakteristiky Schottkyho bariéry. Závislost proudu na napětí v takových strukturách je způsobena změnou počtu nosičů účastnících se procesů přenosu náboje. Úlohou vnějšího napětí je změnit počet elektronů pohybujících se z jedné části bariérové ​​struktury do druhé.

Schottkyho diody v napájecích zdrojích

V systémových napájecích zdrojích se Schottkyho diody používají k usměrnění proudu kanálů +3.3V a +5V a jak známo, hodnota výstupních proudů těchto kanálů je desítky ampérů, což vede k nutnosti brát velmi vážně otázky rychlosti usměrňovačů a snižování jejich energetických ztrát. Řešením těchto problémů lze výrazně zvýšit účinnost napájecích zdrojů a zlepšit spolehlivost výkonových tranzistorů primární části napájecího zdroje.

Pro snížení dynamických spínacích ztrát a odstranění zkratového režimu při spínání se tedy v kanálech s nejvyšším proudem (+3.3V a +5V), kde jsou tyto ztráty nejvýznamnější, používají jako usměrňovací prvky Schottkyho diody. Použití Schottkyho diod v těchto kanálech je způsobeno následujícími úvahami:

1. 1) Schottkyho dioda je prakticky bez setrvačnosti zařízení s velmi krátkou dobou zotavení zpětného odporu, což vede k poklesu zpětného sekundárního proudu a ke snížení proudového rázu přes kolektory výkonových tranzistorů primární části v okamžiku sepnutí diody. To výrazně snižuje zatížení výkonových tranzistorů a v důsledku toho zvyšuje spolehlivost napájení.
2. 2) Úbytek napětí v propustném směru na Shoki diodě je také velmi malý, což při proudu 15-30 A poskytuje značné zvýšení účinnosti.

Protože napěťový kanál +12V se také stává velmi výkonným v moderních napájecích zdrojích, použití Schottkyho diod v tomto kanálu by také poskytlo významný energetický efekt, ale jejich použití v kanálu +12V je nepraktické. To je způsobeno skutečností, že při zpětném napětí nad 50V (a v kanálu +12V může zpětné napětí dosáhnout 60V) začnou Schottkyho diody špatně spínat (vznikají příliš dlouhé a zároveň značné zpětné svodové proudy), což vede ke ztrátě všech výhod jejich použití. Proto jsou v kanálu +12V použity vysokorychlostní křemíkové pulzní diody. Ačkoli průmysl nyní vyrábí Schottkyho diody s vysokým zpětným napětím, jejich použití v napájecích zdrojích je považováno za nepraktické z různých důvodů, včetně ekonomických. Existují však výjimky z jakéhokoli pravidla, takže v některých napájecích zdrojích můžete najít sestavy Schottkyho diod v kanálech +12V.

V napájecích zdrojích moderních počítačových systémů jsou Schottkyho diody zpravidla diodové sestavy dvou diod (diodové poloviční můstky), což jednoznačně zvyšuje technologickou účinnost a kompaktnost napájecích zdrojů a také zlepšuje podmínky chlazení diod. Ukazatelem nekvalitního napájení je nyní použití jednotlivých diod (obr. 2), spíše než sestav diod.

Sestavy diod se vyrábějí převážně ve třech typech pouzder (obr. 3):

1. — TO-220 (méně výkonné sestavy s provozními proudy do 20 A, někdy do 25-30 A);
2. — TO-247 (výkonnější sestavy s provozními proudy 30 – 40 A);
3. — TO-3P (výkonné sestavy).

Elektrický obvod a pinout sestavy Schottkyho diody jsou zobrazeny na (obr. 4).

Elektrické charakteristiky diodových sestav nejčastěji používaných v moderních systémových napájecích zdrojích jsou uvedeny v tabulce 1.

Zaměnitelnost sestav diod je určena na základě jejich charakteristik. Samozřejmě, pokud není možné použít sestavu diod s absolutně stejnými charakteristikami, je lepší ji nahradit zařízením s vyššími hodnotami proudu a napětí. V opačném případě nebude možné zaručit stabilní provoz napájecího zdroje. Jsou známy případy, kdy výrobci používají ve zdrojích diodové sestavy s výraznou výkonovou rezervou (i když častěji se setkáváme s opačnou situací) a při opravách je možné osadit zařízení s nižšími hodnotami proudu nebo napětí. Při provádění takové výměny je však nutné co nejpečlivěji analyzovat vlastnosti napájecího zdroje a jeho zatížení a veškerá odpovědnost za důsledky takových úprav samozřejmě leží na bedrech odborníka provádějícího opravu.

Projevy poruch Schottkyho diod

Jak již bylo uvedeno, selhání Schottkyho diody je jedním z hlavních problémů moderních napájecích zdrojů. Jaké jsou tedy předběžné známky, které lze použít k pravděpodobnému určení jejich poruchy? Existuje několik takových příznaků.

Za prvé, když se diody sekundárního usměrňovače porouchají a uniknou, ochrana se obvykle spustí a napájení se nespustí. To se může projevit různými způsoby:

1. 1) Při zapnutí napájení se ventilátor „škube“, tzn. provede několik otáček a zastavení; po tomto výstupní napětí zcela chybí, tzn. Napájení je zablokováno.
2. 2) Po zapnutí zdroje ventilátor neustále „cuká“, na výstupech zdroje lze pozorovat pulzace napětí, tzn. Ochrana se spouští periodicky, ale napájení není zcela zablokováno.
3. 3) Známkou vadných Schottkyho diod je extrémně silné zahřívání sekundárního radiátoru, na kterém jsou instalovány.
4. 4) Známkou netěsnosti Schottkyho diody může být samovolné vypnutí zdroje, potažmo počítače, při zvýšení zátěže (například při spouštění programů, které zajišťují 100% vytížení procesoru), a také nemožnost spustit počítač po „upgradu“, přestože je výkon zdroje dostatečný.

Navíc je nutné si uvědomit, že u zdrojů se špatným a nedomyšleným zapojením vede netěsnost usměrňovacích diod k přetížení primárního okruhu a k proudovým rázům přes výkonové tranzistory, které mohou způsobit jejich výpadek. Profesionální přístup k opravám napájecích zdrojů tedy vyžaduje povinné testování sekundárních usměrňovacích diod při každé výměně výkonových tranzistorů-klíčů primární části napájecího zdroje.

Diagnostika Schottkyho diod

V praxi je testování a přesná diagnostika Schottkyho diod poměrně obtížným úkolem, protože Zde je hodně dáno typem použitého měřicího zařízení a zkušenostmi s takovými měřeními, i když není nijak zvlášť obtížné určit obvyklý průraz jedné nebo dvou diod sestavy Schottkyho diod. K tomu je potřeba odpájet sestavu diod a zkontrolovat ji testerem stejně jako u běžných diod. Pro takovou diagnostiku musí být tester nastaven do režimu testu diod. Vadná dioda bude vykazovat v obou směrech stejný odpor (většinou velmi nízký, tj. bude vykazovat zkrat), což naznačuje, že je nevhodná pro další použití. Zjevné poruchy diodových sestav jsou však v praxi velmi, velmi vzácné.

V podstatě se musíte vypořádat s netěsnostmi (a často i tepelnými netěsnostmi) Schottkyho diod. Úniky ale takto odhalit nelze. Při testování testerem v režimu „dioda“ je „netěsná“ dioda v naprosté většině případů plně funkční. Zaručené diagnostické přesnosti lze podle našeho názoru dosáhnout pouze výměnou diody za známé, dobré podobné zařízení.

Přesto se můžete pokusit identifikovat „podezřelou“ diodu pomocí techniky, která zahrnuje měření odporu jejího zpětného spoje. K tomu nepoužijeme režim testování diod, ale běžný ohmmetr. Pozor! Při použití této techniky je třeba mít na paměti, že různé testery mohou poskytovat různé hodnoty, což je vysvětleno rozdíly v samotných testerech.

Nastavíme tedy mez měření na [20K] a změříme zpětný odpor diody (obr. 5). Jak ukazuje praxe, provozuschopné diody na tomto limitu měření by měly vykazovat nekonečně vysoký odpor. Pokud je však při měření detekován nějaký odpor, obvykle malý (2-10 kOhm), pak lze takovou diodu považovat za „velmi podezřelou“ a je lepší ji vyměnit, nebo alespoň zkontrolovat výměnou. Pokud provedete test na hranici měření [200K], pak i provozuschopné diody mohou vykazovat velmi malý odpor v opačném směru (jednotky a desítky kOhm), proto se doporučuje použít limit [20K]. Přirozeně, že při velkých rozsazích měření (2 Mohm, 20 Mohm atd.) se i zcela provozuschopná dioda ukáže jako zcela otevřená, protože Jeho pn přechod je vystaven příliš vysokému (u Schottkyho diod) zpětnému napětí. Na hranici [200K] je možné provést testování srovnávací metodou, tzn. vezměte diodu, která je zaručeně v dobrém stavu, změřte její zpětný odpor a porovnejte jej s odporem testované diody. Významné rozdíly v těchto měřeních budou indikovat nutnost výměny sestavy diod.

Někdy nastávají situace, kdy selže pouze jedna z diod v sestavě. V tomto případě lze poruchu také snadno identifikovat porovnáním zpětného odporu dvou diod stejné sestavy. Diody stejné sestavy musí mít stejný odpor.

Navrženou metodu lze doplnit zkouškou tepelné stability. Podstata tohoto testu je následující. V okamžiku, kdy je zkontrolován odpor zpětného přechodu na hranici měření [20K] (viz předchozí odstavec), je nutné se dotknout kontaktů sestavy diody nahřátou páječkou a tím zajistit ohřev jejího krystalu. Vadná sestava diod začne téměř okamžitě „plavat“, tzn. jeho zpětný odpor začíná velmi rychle klesat, zatímco provozuschopná diodová sestava si svůj zpětný odpor udržuje na nekonečně velké hodnotě po poměrně dlouhou dobu. Tato kontrola je velmi důležitá, protože Při provozu se diodová sestava hodně zahřívá (ne nadarmo je umístěna na radiátoru) a vlivem zahřívání se mění její charakteristika. Uvažovaná technika zajišťuje ověření stability charakteristik Schottkyho diod vůči teplotním výkyvům, protože zvýšení teploty pouzdra na 100 nebo 125 °C stonásobně zvyšuje hodnotu zpětného unikajícího proudu (viz údaje v tabulce 1).

Takto můžete zkusit zkontrolovat Schottkyho diodu, ale navrhované metody by neměly být zneužity, tzn. Neměli byste provádět testy při příliš vysokém limitu měření odporu a příliš zahřívat diodu, protože teoreticky to vše může vést k poškození diody.

Navíc z důvodu možnosti selhání Schottkyho diod vlivem teploty je nutné striktně dodržovat všechny doporučené podmínky pájení (teplotní podmínky a doba pájení). I když musíme uznat výrobce diod, protože mnozí z nich dosáhli toho, že montážní instalace může být provedena při vysoké teplotě 250 C po dobu 10 sekund.

• Blog uživatele d.alexej
• Zobrazení 28210

K velké rodině polovodičových diod pojmenovaných podle jmen vědců, kteří neobvyklý efekt objevili, můžeme přidat ještě jednu. Toto je Schottkyho dioda. Německý fyzik Walter Schottka objevil a studoval tzv. bariérový efekt, ke kterému dochází při určité technologii vytváření přechodu kov-polovodič.

Hlavním rysem Schottkyho diody je, že na rozdíl od konvenčních diod založených na pn přechodu využívá přechod kov-polovodič, kterému se také říká Schottkyho bariéra. Tato bariéra, stejně jako polovodičový pn přechod, má vlastnost jednosměrné elektrické vodivosti a řadu charakteristických vlastností.

Materiály používané pro výrobu Schottkyho bariérových diod jsou převážně křemík (Si) a arsenid galia (GaAs), stejně jako kovy jako zlato, stříbro, platina, palladium a wolfram.

Ve schématech zapojení je Schottkyho dioda znázorněna takto.

Jak vidíte, její obraz se poněkud liší od označení běžné polovodičové diody. Kromě tohoto označení lze ve schématech nalézt i obrázek duální Schottkyho diody (sestava).

Duální dioda jsou dvě diody namontované v jednom společném krytu. Vývody jejich katod nebo anod jsou kombinované. Proto má taková sestava zpravidla tři výstupy. Spínané zdroje obvykle používají společné katodové sestavy.

Vzhledem k tomu, že dvě diody jsou umístěny ve stejném pouzdře a vyrobeny v jediném technologickém procesu, jsou si svými parametry velmi blízké. Protože jsou umístěny v jediném krytu, jejich teplotní podmínky jsou stejné. Tím se zvyšuje spolehlivost a životnost prvku.

Schottkyho diody mají dvě pozitivní vlastnosti: velmi nízký úbytek napětí v propustném směru (0,2-0,4 voltu) na přechodu a velmi vysoký výkon.

Bohužel k tak malému poklesu napětí dochází, když použité napětí není větší než 50-60 voltů. Jak se dále zvyšuje, Schottkyho dioda se chová jako běžná křemíková usměrňovací dioda.

Nevýhody diod se Schottkyho bariérou zahrnují: чpak i při krátkodobém překročení zpětného napětí okamžitě selžou a hlavně nevratně. Zatímco křemíkové silové ventily se po zastavení nadměrného napětí dokonale samoléčí a pokračují v práci. Navíc zpětný proud diod velmi závisí na teplotě přechodu. Při velkém zpětném proudu dochází k tepelnému průrazu.

Kontrola Schottkyho diod pomocí multimetru.

Schottkyho diodu můžete zkontrolovat pomocí komerčního multimetru. Technika je stejná jako při kontrole běžné polovodičové diody s pn přechodem. Ale i zde jsou úskalí. Netěsná dioda se testuje obzvláště obtížně. Nejprve je nutné vyjmout prvek z obvodu pro přesnější kontrolu. Je docela snadné určit zcela rozbitou diodu. Při všech mezích měření odporu bude mít vadný prvek nekonečně malý odpor, a to jak v přímém, tak v opačném zapojení. To je ekvivalentní zkratu.

Je obtížnější zkontrolovat diodu s podezřením na „netěsnost“. Pokud zkontrolujeme multimetrem DT-830 v režimu „dioda“, uvidíme zcela provozuschopný prvek. Můžete zkusit změřit jeho zpětný odpor pomocí ohmmetru. Na hranici „20 kOhm“ je zpětný odpor definován jako nekonečně velký. Pokud zařízení vykazuje alespoň nějaký odpor, řekněme 3 kOhm, pak by tato dioda měla být považována za podezřelou a měla by být nahrazena známou dobrou. Kompletní výměna Schottkyho diod na napájecích sběrnicích +3,3V a +5,0V může poskytnout XNUMX% záruku.

Kde jinde se v elektronice používají Schottkyho diody? Lze je nalézt v poněkud exotických zařízeních, jako jsou přijímače záření alfa a beta, detektory neutronového záření a v poslední době se na spojích Schottkyho bariéry montují solární panely. Dodávají tedy elektřinu i kosmickým lodím.