Простой способ измерения емкости и времени обратного восстановления диода

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2016

На днях Линда из отдела снабжения зашла ко мне с проблемой: Лу из конструкторского отдела попросил ее найти замену для диода, сгоревшего в импульсном источнике питания. Чертова штука была маркирована странным номером, расшифровать который не помогло никакое гугление.

На корпусе был узнаваемый логотип изготовителя, но запросить у него справочные данные не представлялось возможным – маркировка типа осталась от давно проданной компании и в последующем никем не использовалась. Оставалось попытаться решить проблему самостоятельно.

По счастью в ЗиПе имелась вторая идентичная деталь, и Лу смог предоставить мне исправный диод того же типа. Теперь мне лишь оставалось выяснить, что же это такое. Обычный выпрямительный диод? Стабилитрон? Диод Шоттки? Какое обратное пробивное напряжение? Емкость перехода? Время восстановления?

Из размеров корпуса DO-41 несложно было заключить, что допустимая мощность составляет один ватт. Не составляло также труда пропустить различные токи и измерить прямое падение напряжения, чтобы убедиться, что это не диод Шоттки. Соединив последовательно несколько источников питания и постепенно увеличивая обратное напряжение (с токоограничительным резистором соответствующего сопротивления на случай достижения пробивного напряжения стабилитрона), я убедился, что это не стабилитрон – по крайней мере, в пределах испытательного напряжения 200 В.

Задача оценки требуемого максимально допустимого обратного напряжения могла быть решена путем первоначальной замены в схеме источника питания проверяемого прибора высоковольтным диодом и последующим измерением падающего на нем напряжения.

Таким образом, неизвестными остаются только емкость перехода C_J и время восстановления обратного сопротивления T_RR. Это время, в течение которого диод остается в проводящем состоянии после резкой смены прямого напряжения на обратное. Я должен был найти способ измерения этих параметров. И без какого-либо экзотического оборудования, лишь с тем, что необходимо для грубой оценки, другими словами, все, с чем я должен был работать – это функциональный генератор с временем спада 40 нс и 100-мегагерцовый осциллограф.

Измерительная установка была очень простой. На проверяемый диод подавались 5-вольтовые импульсы с таким постоянным смещением, чтобы диод открывался только на время положительных пиков импульсов. Осциллограф, подключенный к обоим выводам диода, синхронизировался отрицательным фронтом импульса генератора. Меняя постоянное напряжение смещения, можно было управлять прямым напряжением и током проводимости диода. Ток проводимости исследуемого диода измерялся по падению напряжения на последовательном сопротивлении 50 Ом.

Первые, что требовалось сделать – оценить работоспособность измерительной установки. Насколько адекватно эти доморощенные испытания отражают реальные характеристики диодов? Это было проверено путем измерений нескольких диодов с известными параметрами и сравнения результатов с информацией из технической документации. Я протестировал следующие диоды, и нашел результаты весьма интересными:

1. 1N4002 – используемый в повседневной практике стандартный выпрямитель с указанным значением C_J = 15 пФ и неизвестным T_RR;
2. 1N4148 – быстродействующий переключающий диод с указанными значениями C_J = 4 пФ и T_RR = 8 нс;
3. MUR880 – сильноточный выпрямительный диод с быстрым восстановлением и указанными значениями C_J = 300 пФ и T_RR = 200 нс;
4. Загадочный объект.

Для удобства сравнения масштаб по оси времени для всех осциллограмм выбран одинаковым и равным 100 нс/дел.

Начав с диода 1N4002, постоянное смещение генератора импульсов было установлено таким, чтобы вершина импульса находилась на уровне 0 В, на два деления ниже верха экрана, а спад импульса происходил до уровня –5 В. Исследуемый диод не переходил в проводящее состояние, а очень незначительный отрицательный ток (синяя осциллограмма) обусловлен небольшой емкостью CJ.

Для получения эталонных данных параллельно проверяемому диоду временно был подключен конденсатор емкостью 120 пФ, удаленный при выполнении последующих измерений. Ток на синей осциллограмме связанный, только с этой емкостью, следует отличать от обратного тока.

Установленное постоянное смещение генератора импульсов на 400 мВ превышало напряжение начала включения исследуемого диода. Высокий уровень сигнала в левой части желтой осциллограммы отображает прямое смещение 400 мВ. Большой скачок напряжения порождает незначительный обратный ток.

Постоянное прямое смещение, увеличенное на 100 мВ для лучшего открывания диода, стало равным 500 мВ. Обратный ток 2 В/50 Ом = 40 мА сохраняется в течение примерно 100 нс.

Прямое смещение увеличено еще на 100 мВ, и теперь равно 600 мВ. Обратный ток вырос до 60 мА, а время восстановления стало весьма значительным.

После очередного приращения на 100 мВ смещение достигло 700 мВ, а прямой ток – 16 мА. Хорошо видно, что чем сильнее открывается диод, тем больше время восстановления его обратного сопротивления. Как видно из осциллограммы выше, до начала закрывания проверяемый диод находится в состоянии проводимости в течение приблизительно 1200 нс при напряжении на переходе порядка 600 мВ.

Это наглядно демонстрирует, насколько хорошо стандартный выпрямительный диод подходит для частоты 50 или 60 Гц, где постепенное плавное изменение обратного смещения происходит за время, намного превышающее T_RR. Но вы можете видеть, что в режиме резких переключений диод становится виртуальным коротким замыканием на значительную часть периода. Нехорошо.

Теперь давайте, сравним предыдущие результаты с диодом 1N4148.

Для уверенного открывания диода 1N4148 постоянное смещение установлено равным 800 мВ; протекающий при этом прямой ток равен 20 мА. При такой скорости нарастания входного импульса время восстановления обратного сопротивления слишком мало для того, чтобы его можно было измерить с помощью осциллографа.

Постоянное смещение и амплитуда импульса установлены такими, чтобы через открытый 1N4148 протекал ток, предельный для используемого генератора. 50-омный согласующий резистор на входе испытываемого диода был на время удален, чтобы получить максимальный прямой ток 100 мА, однако даже при таких условиях обратный ток был настолько мал, что измерить его не представлялось возможным. Обратите внимание, что для этой осциллограммы масштаб по вертикали был временно изменен на 5 В/дел.

Далее переходим к MUR880.

Диод MUR880 при прямом напряжении 0 В. Основываясь на измерениях, сделанных выше для конденсатора 120 пФ, емкость CJ можно оценить величиной порядка 100 пФ – лучше указанного в справочных данных значения 300 пФ.

MUR880 при прямом напряжении 600 мВ и прямом токе 20 мА. Время TRR приблизительно равно 200 нс, как и указано в справочных данных.

MUR880, как и в предыдущем испытании, питается максимально допустимым током генератора. Прямой и обратный токи одинаковы и равны 100 мА. Масштаб по вертикали временно был изменен на 5 В/дел. Как и ожидалось, время восстановления обратного сопротивления по-прежнему равно 200 нс.

Небольшое время T_RR делает диод пригодным для использования в сильноточных переключающих схемах, но даже при этом одним из факторов, ограничивающих рабочую частоту, будет то, как быстро диод выходит из состояния проводимости. Обойти это ограничение можно заменой диодов синхронно управляемыми МОП-транзисторами.

И, наконец, мы возьмем неизвестный диод.

Неизвестный диод при прямом напряжении 0 В. На время я увеличил чувствительность синего канала и заменил исследуемый диод небольшим конденсатором, чтобы определить, что при нулевом смещении емкость CJ приблизительно равна 25 пФ.

Неизвестный диод при большом открывающем напряжении 600 мВ и прямом токе 20 мА. Время восстановления обратного сопротивления равно примерно 100 нс.

Как и в предыдущем опыте, неизвестный диод испытывался при предельном выходном токе генератора. Прямой и обратный токи одинаковы и равны 100 мА. Масштаб по вертикали на время был увеличен до 5 В/дел. Время восстановления обратного сопротивления осталось равным 200 нс.

Как и в предыдущем опыте, неизвестный диод испытывался при предельном выходном токе генератора. Прямой и обратный токи одинаковы и равны 100 мА. Масштаб по вертикали на время был увеличен до 5 В/дел. Время восстановления обратного сопротивления осталось равным 200 нс.

Опираясь на проведенные измерения, можно было заключить, что хорошим выбором для замены неизвестного диода с быстрым восстановлением могут быть UF4004 или UF4007. Я попросил Линду приобрести оба и предложить Лу первым испробовать 1000-вольтовый UF4007, чтобы, измерив падающее на нем обратное напряжение, определить, можно ли там использовать 400-вольтовый UF4004, чья вольтамперная характеристика ближе к неизвестному диоду.

Материалы по теме

1. Datasheet ON Semiconductor 1N4002
2. Datasheet Vishay 1N4148
3. Datasheet Vishay MUR880
4. Datasheet Vishay UF4004