PN Dioda, vodivost, průraz, lavinový průraz vs Schottkyho dioda

Při jak vysokém napětí reverzním směrem by mohl nastatprůraz?

LLM

Průrazové napětí (též nazývané jako závěrné napětí nebo průrazové napětí) je maximální reverzní napětí, které může dioda snést, aniž by došlo k průrazu. Pokud by bylo překročeno, může dojít k průrazu, což může vést k trvalému poškození diody nebo dokonce k jejímu zničení.

Pro diodu IN4007 je uveden maximální průrazový napětí 1000 V. To znamená, že dioda může bezpečně snést reverzní napětí až do této hodnoty bez průrazu. Je důležité dodržovat tuto hodnotu, aby se zabránilo poškození diody a dalším problémům v obvodu, ve kterém je použita.

Co se myslí pojmem high conduction?

LLM

Termín "high conduction" se obvykle používá k popisu zařízení, které má vysokou vodivost nebo nízký elektrický odpor v provozním stavu. V kontextu diod se tento termín obvykle odkazuje na diodu, která má nízký přechodový odpor při průchodu proudu v předním směru (forward direction).

(Poznámka blogera: PN diody mají vyskoké ztráty vodivosti, proto ta věta je zavádějící, protože jsem špatně položil otázku, viz další vstup pro LLM)

Když je dioda v provozním stavu a proud prochází od anody k katodě (v předním směru), vykazuje nízký přechodový odpor, což znamená, že má vysokou vodivost. To umožňuje snadný průchod elektrického proudu přes diodu s minimální ztrátou energie.

Důležité je, že dioda musí mít vysokou konduktivitu v předním směru, aby byla efektivní při usměrňování signálů a při provádění jiných funkcí v elektrických obvodech. Dioda IN4007, kterou jsme dříve diskutovali, je typickým příkladem diody s vysokou konduktivitou v předním směru.

Termín "high conduction losses" u diod

Omlouvám se za zmatek. Termín "high conduction losses" se skutečně používá k popisu situace, kdy dioda má vysoké ztráty vodivosti v předním směru. To znamená, že dioda má vyšší přechodový odpor než ideální dioda a spotřebovává více energie při průchodu proudu.

Když dioda má vysoké ztráty vodivosti, znamená to, že při průchodu proudu v předním směru se ztrácí více energie ve formě tepla kvůli vyššímu odporu diody. Tyto ztráty mohou být způsobeny různými faktory, jako jsou materiálové vlastnosti diody, konstrukce, teplota a proudové zatížení.

V praxi se snažíme minimalizovat ztráty vodivosti tím, že vybíráme diody s nízkým přechodovým odporem nebo volíme vhodné chlazení a provozní podmínky pro diodu. Vyšší ztráty vodivosti mohou vést k neefektivnímu využití energie a zahřívání diody, což může mít negativní dopad na výkon a spolehlivost elektronického zařízení.

Vysoká vodivost PN diody

High conduction se zvyšuje s narůstajícím proudem a vznikajícím teplem.

Ano, máte pravdu. Ztráty vodivosti (conduction losses) se obvykle zvyšují s narůstajícím proudem, a to kvůli dvěma hlavním faktorům:

1. Přechodový odpor (forward resistance): Při průchodu většího proudu přes diodu se zvyšuje její přechodový odpor, což vede k vyšším ztrátám vodivosti. To znamená, že dioda má tendenci ztrácet více energie ve formě tepla při vyšším proudu.

2. Jouleova ohřev: S narůstajícím proudem se zvyšuje i Jouleův ohřev v diodě. Jouleův ohřev je způsoben odporem materiálu diody a ztrátami vodivosti, které se přeměňují na teplo. Tento ohřev může způsobit zvýšení teploty diody, což dále zvyšuje ztráty vodivosti.

Tyto faktory jsou důležité při návrhu a použití elektronických obvodů, zejména při vysokých proudových zatíženích, kdy mohou ztráty vodivosti představovat významnou část celkových ztrát. Je proto důležité zvolit diody s nízkým přechodovým odporem a zajistit odpovídající chlazení pro udržení teploty diody na bezpečné úrovni.

Oproti PN diodě, Schottkyho dioda se chová jak odlišně?

 

LLM

Ano, Schottkyho diody se chovají odlišně než běžné pn přechodové diody, jako je například dioda IN4007, především v oblasti ztrát vodivosti a přechodového odporu.

Zde jsou některé hlavní rozdíly:

1. Nižší přechodový odpor: Schottkyho diody mají obvykle nižší přechodový odpor než tradiční pn přechodové diody. To znamená, že mají nižší ztráty vodivosti při průchodu proudu, což je důležité zejména při vysokých proudových zatíženích.

2. Nižší napěťový pokles: Schottkyho diody mají obvykle nižší napěťový pokles (forward voltage drop) než pn přechodové diody. To znamená, že při průchodu proudu mají menší ztráty napětí, což je žádoucí zejména v aplikacích, kde je důležité minimalizovat ztráty energie.

3. Rychlejší spínání: Schottkyho diody mají obvykle rychlejší spínací časy než pn přechodové diody. To znamená, že se rychleji zapínají a vypínají, což je výhodné pro aplikace vyžadující rychlé přechody mezi vodivým a nevodivým stavem.

4. Nižší průrazové napětí: Schottkyho diody obvykle mají nižší průrazové napětí než pn přechodové diody. To znamená, že jsou citlivější na nadměrné závěrné napětí a mohou být snadněji poškozeny při překročení jejich průrazového napětí.

Z těchto důvodů jsou Schottkyho diody často preferovány v aplikacích, kde je důležitá nízká ztráta napětí, rychlé spínání nebo nízký přechodový odpor, jako jsou například spínače, usměrňovače a stabilizátory napětí.

Jaký je rozdíl z hlediska materiálu a výroby?

Jaký je rozdíl z hlediska užití větší/menší proud...

Kdy je vhodná Schottkyho diody konkrétně?

Je upřednostňována před běžnou pn diodou od určité hodnoty proudu?

 

LLM

Rozdíly mezi Schottkyho diodami a tradičními pn přechodovými diodami jsou značné, jak z hlediska materiálu a výroby, tak z hlediska užití v různých aplikacích a proudových zatíženích.

Materiál a výroba:

• Schottkyho diody mají asymetrický strukturu s kovovou anodou (tzv. Schottkyho kontakt) a polovodičovou katodou. To zahrnuje kovovou vrstvu, která vytváří Schottkyho bariéru, která umožňuje rychlejší a efektivnější průchod proudu. Naopak, tradiční pn přechodové diody mají symetrickou strukturu s polovodičovou anodou a katodou.

Užití většího/menšího proudu:

• Schottkyho diody mají obvykle nižší přechodový odpor než tradiční pn přechodové diody. To znamená, že jsou vhodnější pro aplikace s vyššími proudovými zatíženími, kde jsou nižší ztráty vodivosti důležité.

Vhodnost Schottkyho diod:

• Schottkyho diody jsou vhodné pro aplikace, kde je důležitá nízká ztráta napětí (nízký napěťový pokles), jako jsou například spínače, usměrňovače, stabilizátory napětí, a výkonové zesilovače.
• Jsou také vhodné pro aplikace vyžadující rychlé spínání (například vysokofrekvenční aplikace), díky svému rychlému času přepnutí.
• Schottkyho diody jsou často upřednostňovány před tradičními pn přechodovými diodami v aplikacích s vyššími proudovými zatíženími, kde je důležitá nižší ztráta vodivosti a nižší napěťový pokles.

Nicméně, je důležité mít na paměti, že Schottkyho diody mají nižší průrazové napětí než tradiční pn přechodové diody, a proto jsou citlivější na nadměrné závěrné napětí. Při volbě mezi Schottkyho diodou a pn přechodovou diodou je tedy důležité zvážit specifické požadavky aplikace a provést odpovídající analýzu a návrh.

Průraz

Průraz znamená co?

Dioda přestane vést proud nebo se dostane do zkratu?

LLM

Průraz diody se vyskytuje, když je překročeno její průrazové napětí. To může mít různé důsledky v závislosti na typu diody a podmínkách obvodu:

1. Přechod do závěrného stavu: U běžných pn přechodových diod dochází k průrazu, když je překročeno průrazové napětí. V tomto případě se dioda dostane do závěrného stavu, kde prakticky přestane vést proud v opačném směru.

2. Zkrat nebo poškození diody: U některých typů diod, jako jsou například Schottkyho diody, může průraz způsobit zkrat nebo dokonce poškození diody. Pokud je překročeno průrazové napětí, může dioda začít nekontrolovaně vést proud v opačném směru a dojít k přetížení a poškození diody nebo obvodu, ve kterém je dioda použita.

Proto je důležité správně dimenzovat a chránit obvod proti průrazu, aby se minimalizovalo riziko poškození diody a zajišťovala se správná a spolehlivá funkce elektronických zařízení.

"V tomto případě se dioda dostane do závěrného stavu, kde prakticky přestane vést proud v opačném směru."

Myslíte zenerovu diodu?

 

LLM

Omlouvám se za zmatek. Ano, máte pravdu. Moje omluva za nesprávné uvedení. Většina běžných pn přechodových diod při dosažení průrazového napětí vstupuje do stavu zvaného Zenerův průraz (pro Zenerovy diody) nebo avalanche průraz (pro normální pn diody).

Při Zenerově průrazu se dioda dostává do stavu zpětného vedení, kde se malé změny napětí způsobené Zenerovým efektem výrazně zvětší proud přes diodu, což umožňuje průchod proudů v opačném směru při přesně definovaném průrazovém napětí. To je využíváno v Zenerových diodách pro stabilizaci napětí.

Je důležité poznamenat, že Zenerův průraz umožňuje proud v opačném směru, ale dioda zůstává v provozním stavu a je stále schopna vést proud v normálním směru (forward bias). Díky tomu jsou Zenerovy diody často využívány pro stabilizaci napětí v elektronických obvodech.

Nevysvětlil jste avalanche průraz

LLM

Omlouvám se za vynechání vysvětlení avalanche průrazu.

(Avalanche) Lavinový průraz je jev, který nastává v PN přechodových diodách při velmi vysokých elektrických polích v blízkosti průrazového napětí. Když je napětí na diodě zvýšeno nad určitou mez, elektrony získávají dostatečnou energii, aby překonaly energetickou bariéru a vytvořily další elektrony a díry prostřednictvím srážkové ionizace. Tento proces, který je podobný lavině (avalanche), vede k rychlému nárůstu proudu přes diodu.

Při avalanche průrazu dioda stále zůstává v provozním stavu, ale proud přes diodu se rapidně zvyšuje. To může vést k přetížení diody a v horším případě k jejímu poškození, pokud není obvod řádně navržen tak, aby zvládal tyto extrémní podmínky.

Avalanche průraz se využívá v některých aplikacích, jako je například výroba vysokonapěťových zdrojů, ale v mnoha případech se snažíme minimalizovat jeho vliv, aby nedošlo k poškození diod nebo obvodu.

 

Rozdíl mezi Schottkyho diodou a PN diodou

 

Schottkyho dioda se používá až do proudů 3A.

Ano, Schottkyho diody jsou často používány v aplikacích s vysokými proudy, včetně proudů až do 3A. Schottkyho diody mají nízký přechodový odpor a rychlé spínací časy, což je činí vhodnými pro aplikace vyžadující vysoké proudy a vysokou efektivitu.

Je důležité vybrat Schottkyho diodu s odpovídajícími parametry pro konkrétní aplikaci, včetně proudu, který bude diodou procházet. Ujištěte se, že Schottkyho dioda má dostatečnou proudovou kapacitu (v tomto případě 3A), aby byla schopna zvládnout proudy v daném obvodu bez nadměrného zahřívání nebo poškození.

Při použití Schottkyho diod do 3A je také důležité zohlednit správné chlazení a dimenzování obvodu, aby byla zajištěna spolehlivá a bezpečná funkce.

Co znamená když se řekne Schottky diode comes with higher leakage current. Co je Junction temperature. Je to prostor dielektrika mezi kovovou anodou a polovodičovou katodou?

Když se říká, že Schottkyho dioda má vyšší únikový proud (leakage current), znamená to, že dioda v klidovém stavu propouští určité množství proudů, i když je v závěrném směru (tj. při minimálním závěrném napětí). To může být způsobeno různými faktory, včetně konstrukce diody a materiálů, které se používají.

Junction temperature (teplota spoje) se vztahuje k teplotě v místě spojení mezi kovovou anodou a polovodičovou katodou v diodě. Je to důležitý parametr, který ovlivňuje vlastnosti diody, včetně prahového napětí, únikového proudu a spolehlivosti. Při vyšší teplotě může dojít k zvýšení únikového proudu a snížení spolehlivosti diody.

Váš popis "prostor dielektrika mezi kovovou anodou a polovodičovou katodou" se týká konstrukce diody, ale teplota spoje se obvykle vztahuje k oblasti, kde dochází k fyzickému spojení mezi kovovou a polovodičovou částí diody, což může být uvnitř samotného polovodiče a není nutně odděleno dielektrickým materiálem.

Takže u schottkyho diody není dielektrikum?

Ano, to je správně. U Schottkyho diody není mezi kovovou anodou a polovodičovou katodou dielektrikum. Schottkyho dioda má specifickou strukturu, ve které se vytváří metalurgická bariéra mezi kovem (nejčastěji hliník) a polovodičem (nejčastěji křemík).

Tato metalurgická bariéra umožňuje vytvoření Schottkyho spoje, který má výrazně nižší přechodový odpor než tradiční pn přechody v křemíkových diodách. Protože není použito dielektrikum, Schottkyho diody mají rychlejší spínací časy a nižší prahové napětí než klasické pn přechodové diody.

Tento typ diody je často využíván v aplikacích, kde jsou požadovány rychlé spínací časy a nízké ztráty vodivosti, jako jsou napájecí zdroje, měniče frekvence, usměrňovače a další aplikace, kde je důležitá vysoká účinnost a výkon.

Ale přesto má nějakou kapacitu?

Ano, i když Schottkyho dioda nemá dielektrikum mezi kovovou anodou a polovodičovou katodou, stále má určitou kapacitu spojenou s touto strukturou. Tato kapacita je obvykle označována jako Schottkyho kapacita nebo Schottkyho bariérová kapacita.

Schottkyho kapacita vzniká v důsledku rozhraní mezi kovem a polovodičem. Tato kapacita se projevuje jako kapacitní prvek v elektrickém obvodu a může mít vliv na rychlost spínání a další vlastnosti diody. I když je tato kapacita obvykle menší než kapacita dielektrika v tradičních pn přechodových diodách, stále může hrát roli při návrhu a analýze vysokofrekvenčních obvodů a aplikací, kde je důležitá rychlá odezva a minimální vliv parazitních prvků.

Mají vyšší kapacitu diody PN nebo schottkyho diody?

Tradiční PN přechodové diody mají obvykle vyšší kapacitu než Schottkyho diody. To je způsobeno rozdílnými mechanismy vytváření bariérové kapacity u těchto dvou typů diod.

Při tradičních PN přechodech v diodách vzniká kapacita mezi oblastí majoritních nosičů náboje (převažujících nositelů) v polovodiči a dopovacími zónami, které vytvářejí přechod. Tato kapacita je ovlivněna šířkou pásmové struktury a hladinou dopování, a proto může být relativně vysoká.

Naopak, u Schottkyho diod vzniká bariérová kapacita mezi kovem a polovodičem. Tato kapacita je závislá na vlastnostech kovu, polovodiče a povrchu rozhraní mezi nimi. Schottkyho diody mají obvykle menší bariérovou kapacitu než tradiční pn přechody, což z nich činí vhodnější pro aplikace vyžadující vysokofrekvenční provoz nebo rychlé spínání.

Ochrana pomocí PN diody, Schottky, MOSFET

Diodě se říká angl. rectifier diod, usměrňovací dioda, protože jedna z jejích hlavních funkcí je provádět usměrnění elektrického proudu, tj. převádět střídavý proud (AC) na stejnosměrný proud (DC). Rectifier diody jsou základními stavebními bloky v usměrňovacích obvodech a jsou klíčové pro mnoho aplikací, jako jsou například napájecí zdroje, měniče frekvence, nabíječky baterií atd.

 

RDSon - Drain Source on resistance

* * *

P channel MOSFET

 

Ochrana pomocí p channel mosfet, na source je připojen + pol baterie, na gate je zenerova dioda a rezistor proti zemi. Zenerova dioda je připojena na drain. Zátěž je na drain a proti zemi. Takže mezi gate drain je negativní napětí, protože je to minusový pol.

 

LLM

Ano, to je správný popis schématu ochrany pomocí P-kanálového MOSFETu. Zde je rozbor jednotlivých prvků:

1. P-kanálový MOSFET: MOSFET je zapojen s kanálem P-kanálu mezi source a drain. Když je na gate MOSFETu přivedeno záporné napětí (vzhledem k source), MOSFET se otevře a umožní průchod proudu mezi source a drain. To znamená, že při přítomnosti záporného napětí na hradle MOSFETu je propustný.

2. Zenerova dioda a rezistor: Zenerova dioda je připojena z gate na drain MOSFETu. Zenerova dioda funguje jako ochranný prvok, který udržuje napětí na gate MOSFETu pod určitou úrovní, i když napětí na zátěži stoupne nad určitou mez. Rezistor slouží k omezení proudu, který proteče přes zenerovu diodu a chrání ji tak před poškozením.

3. Zdroj napájení a zátěž: Zdroj napájení (baterie) je připojen k source MOSFETu, zatímco zátěž je připojena mezi drain MOSFETu a zemí. Když je MOSFET otevřen, umožňuje průchod proudu z baterie do zátěže.

Ano, mezi gate a drain MOSFETu bude negativní napětí, protože při normálním provozu bude napětí na hradle MOSFETu nižší než napětí na drainu, díky zenerově diodě a rezistoru připojeným mezi těmito body. Tato konfigurace umožňuje ochranu zátěže před příliš vysokým napětím, které by mohlo způsobit poškození.

Je důležité zmínit, že zenerka je v závěrném směru, tedy že anoda je na drain, katoda je na gate. Jen tak dochází k udržení správného napětí na gatu p channel mosfet.

 

LLM

Ano, máte pravdu, je důležité zdůraznit, že zenerova dioda je zapojena v závěrném směru. To znamená, že anoda zenerovy diody (která je připojena k vyššímu potenciálu) je připojena k drainu MOSFETu, zatímco katoda (která je připojena k nižšímu potenciálu) je připojena k hradlu MOSFETu.

Toto zapojení v závěrném směru zenerovy diody zajišťuje, že zenerova dioda bude normálně nevedoucí, dokud napětí na hradle MOSFETu nepřekročí určitou úroveň. Když napětí na hradle MOSFETu překročí tuto úroveň, zenerova dioda se zahájí a začne vést proud, což způsobí, že napětí na hradle MOSFETu se udrží na stanovené úrovni.

Tímto způsobem zenerova dioda a rezistor fungují společně jako regulátor napětí, který udržuje napětí na hradle MOSFETu na bezpečné úrovni, i když napětí na zátěži stoupne nad určitou mez. To chrání MOSFET před poškozením způsobeným příliš vysokým napětím na hradle a zajišťuje správné fungování ochranného obvodu. Děkuji za upozornění na toto důležité detail a doplnění informací.

N channel MOSFET

Dále máme odlišnou ochranu pomoc n channel mosfet. Rozdíl je v tom že proud tedy pozitivní pol baterie se přivádí na source. Proud protéká mezi GS ve směru od baterie a napětí je pozitivní. Toto zapojení umožňuje vyšší proudy mezi S-D.

 

LLM

Ano, toto je správný popis odlišné ochrany pomocí N-kanálového MOSFETu. Zde je rozbor jednotlivých prvků:

1. N-kanálový MOSFET: MOSFET je zapojen s kanálem N-kanálu mezi source a drain. Když je na gate MOSFETu přivedeno kladné napětí (vzhledem k source), MOSFET se otevře a umožní průchod proudu mezi source a drain. To znamená, že při přítomnosti kladného napětí na hradle MOSFETu je propustný.

2. Zenerova dioda a rezistor: Zde je zenerova dioda a rezistor také připojeny mezi gate a drain MOSFETu. Jejich funkce je stejná jako u předchozího schématu ochrany pomocí P-kanálového MOSFETu. Zenerova dioda udržuje napětí na hradle MOSFETu pod určitou úrovní a rezistor slouží k omezení proudu.

3. Zdroj napájení a zátěž: V tomto zapojení je zdroj napájení (baterie) připojen přímo k source MOSFETu, zatímco zátěž je připojena mezi drain MOSFETu a zemí. Když je MOSFET otevřen, umožňuje průchod proudu z baterie do zátěže.

Ano, v tomto zapojení je proud vedoucí mezi source a drain MOSFETu veden od baterie ke zátěži. Protože se používá N-kanálový MOSFET, je pro průchod tohoto proudu vyžadováno kladné napětí mezi gate a source MOSFETu. Toto zapojení umožňuje MOSFETu vést vyšší proudy mezi source a drain ve srovnání s P-kanálovým MOSFETem, což je vhodné pro aplikace vyžadující vyšší proudové zatížení.