169. Диоды в деталях: падение по току и температуре, утечка Шоттки, восстановление, «ИЛИ» питания

Раздел 51 разобрал диод как вентиль, гасящий диод у катушки и стабилитрон, раздел 62 — ограничители на линиях. Здесь — свойства, которые определяют, какой диод куда ставить: падение зависит от тока и температуры, у Шоттки огромный обратный ток, медленный диод после выключения ещё какое-то время проводит в обратную сторону, а закрытый диод — конденсатор.

Все числа ниже — модели ngspice с явно заданными параметрами трёх диодов: кремниевого выпрямительного, кремниевого быстрого сигнального и Шоттки. У конкретного прибора цифры свои, а соотношения — такие.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
forward voltage (VF)	прямое падение напряжения
forward current (IF)	прямой ток
reverse current / leakage (IR)	обратный ток, утечка
reverse voltage (VR)	обратное напряжение
reverse recovery time (trr)	время обратного восстановления
junction capacitance (CJ)	ёмкость перехода
temperature coefficient of VF	температурный коэффициент прямого падения
Schottky barrier diode	диод Шоттки
fast recovery diode	быстровосстанавливающийся диод
clamp diode	ограничительный диод
diode OR-ing	диодное «ИЛИ»
ideal diode controller	контроллер «идеального диода»

169.1 Прямое падение зависит от тока

У диода нет «падения 0,7 В» — есть кривая. При 25 °C:

Падение растёт примерно на одну и ту же величину на каждую декаду тока: у кремниевого — около 0,11 В, у Шоттки — около 0,08 В; к амперу добавляется ещё сопротивление выводов и кристалла. На ампере диоды греются на 0,91 и 0,41 Вт: Шоттки экономит 0,50 Вт.

169.2 Прямое падение и температура

С нагревом падение уменьшается — у кремниевого сигнального диода:

Уход почти линейный и тем больше, чем меньше ток. Это и полезно, и вредно: - полезно — переход при постоянном токе сам по себе датчик температуры; на том же принципе работают встроенные датчики температуры микроконтроллеров; - вредно — два диода параллельно не делят ток поровну: тот, что теплее, открыт сильнее, берёт больше тока и греется ещё сильнее. Параллельно ставят только с резисторами в каждой ветви или не ставят.

169.3 Обратный ток: плата за низкое падение Шоттки

Закрытый диод при 5 В в обратном направлении:

Обратный ток Шоттки при комнатной температуре в двенадцать тысяч раз больше, чем у кремниевого, и с нагревом до 85 °C растёт ещё в 37 раз. Там, где закрытый диод должен именно отсекать — батарейное питание, высокоомные цепи, пиковые детекторы, — Шоттки может оказаться хуже «медленного» кремниевого.

169.4 Обратное восстановление

Диод, через который шёл прямой ток, не закрывается мгновенно: заряд в переходе нужно вывести, и какое-то время ток идёт в обратную сторону. Прямой ток около 100 мА, затем −5 В через 50 Ом:

Выпрямительный диод три микросекунды проводит обратно почти тем же током. На 50 Гц это ничего не значит, а в преобразователе на 100 кГц период — 10 мкс, и 3,02 мкс — это 30 % периода с обратным током, потерями и выбросами. У Шоттки накопленного заряда нет вовсе — только перезаряд ёмкости перехода, поэтому в импульсных схемах возвратный диод — Шоттки или быстровосстанавливающийся.

169.5 Ёмкость перехода: ограничитель режет полосу

Закрытый диод — конденсатор: обеднённый слой перехода работает как диэлектрик, и чем больше обратное напряжение, тем слой толще, а ёмкость меньше — у этих моделей C = C0 / √(1 + U / 1 В). У Шоттки это 150 пФ при 0 В, 92,1 пФ при 1,65 В и 61 пФ при 5 В; у кремниевого сигнального — 4 пФ при 0 В.

Где это видно: ограничитель из раздела 62 — два диода от входа АЦП к питанию и к земле. Шоттки там хорош тем, что открывается раньше внутренних диодов вывода (0,20 В при 10 мА, 169.1) и забирает ток инжекции на себя. Но в работе оба диода закрыты, и их ёмкость вместе с сопротивлением источника — фильтр:

Для делителя батареи или датчика температуры 86 кГц — с огромным запасом, а сигнал в сотни килогерц Шоттки-ограничитель уже заваливает. К тому же ёмкость зависит от напряжения: при большом размахе сигнала полоса «дышит» вместе с ним, а это искажения. Для быстрых линий берут ограничители с ёмкостью в единицы пикофарад — её указывают в документации.

Вторая цена Шоттки в ограничителе — утечка (169.3). В середине шкалы оба диода заперты одинаково, обратные токи у них равны и гасят друг друга: в модели вход 1,65 В не сдвигается вовсе. У края шкалы один диод заперт почти всем напряжением, а другой — лишь десятыми долями вольта, и его обратный ток меньше. Разность течёт через сопротивление источника и сдвигает вход к середине шкалы: за 10 кОм вход 0,3 В при 25 °C сдвигается на 0,6 мВ — меньше кода 12-разрядного АЦП, а при 85 °C — на 30 мВ, это 37 кодов; вход 0,1 В — на 12 и 112 мВ. В модели утечка от напряжения почти не зависит, у настоящего Шоттки она растёт с обратным напряжением, и разность у края шкалы только больше. Для высокоомных входов берут ограничители с утечкой в наноамперы и смотрят обратный ток при наибольшей температуре.

169.6 «ИЛИ» питания: USB или аккумулятор

Устройство питается от USB, а без него — от литиевого аккумулятора. Самая простая схема — два диода Шоттки на вход стабилизатора, нагрузка 100 мА:

Два недостатка видны в таблице. Первый — обратный ток в аккумулятор: при подключённом USB диод аккумулятора закрыт, но через него течёт утечка, и в тепле это 1,10 мА — 26,5 мА·ч в сутки неуправляемого заряда. Зарядом литиевого аккумулятора должен управлять контроллер заряда, а не утечка диода. Второй — падение: от аккумулятора 3,7 В на входе стабилизатора 3,3 В остаётся 3,41 В, стабилизатору — 0,11 В запаса (раздел 55.3), а разряженный аккумулятор его не даст вовсе.

Отсюда схема «идеального диода» — полевой транзистор, который открыт в прямом направлении и закрыт в обратном: падение — миллиомы канала, утечка — ток закрытого транзистора. Она же — защита от переполюсовки.

169.7 Грабли

Питание после диода выше расчётного на малой нагрузке и ниже на большой. Считали «0,7 В», а падение зависит от тока: 0,55 В при 1 мА и 0,91 В при 1 А у одного и того же диода.

Показания уходят с температурой в цепи с диодом. −2 мВ/°C прямого падения; компенсировать или вынести диод из измерительной цепи.

Батарейное устройство садится в тепле. Утечка Шоттки: 30 мкА при 25 °C превращаются в миллиампер при 85 °C.

Диод в преобразователе горячий, хотя прямое падение мало. Медленный выпрямительный диод: обратное восстановление занимает заметную долю периода.

После установки защиты сигнал датчика завален на высоких частотах. Ёмкость закрытых диодов ограничителя с сопротивлением источника — фильтр; нужны диоды с малой ёмкостью.

Аккумулятор подзаряжается от USB мимо контроллера заряда. Обратный ток диода в схеме «ИЛИ»; нужен «идеальный диод» или ключ.

Параллельные диоды: один горит, другой холодный. Отрицательный температурный коэффициент падения — ток уходит в горячий.

169.8 Итоги

• Падение кремниевого выпрямительного диода: 0,55 В при 1 мА и 0,91 В при 1 А; Шоттки — 0,12 и 0,41 В; на декаду тока — около 0,11 и 0,08 В.
• Кремниевый сигнальный диод: −2,4 мВ/°C при 100 мкА, −2,0 мВ/°C при 1 мА.
• Обратный ток при 5 В: кремний 2,5 нА → 214 нА, Шоттки 30 мкА → 1,10 мА (25 → 85 °C).
• Восстановление до −10 мА: выпрямительный 3,02 мкс, быстрый 8 нс, Шоттки 7 нс.
• Ограничитель на входе за 10 кОм: два Шоттки — 184 пФ и полоса 86 кГц, кремниевые сигнальные — 4,9 пФ и 3,2 МГц.
• «ИЛИ» на Шоттки: 4,71 В от USB, 3,41 В от аккумулятора и 1,10 мА утечки в аккумулятор при 85 °C.

Дальше: раздел 170 «Биполярный транзистор: режимы».