Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego

ghost666 04 Cze 2018 15:27 1656 1
  • W poprzedniej, czwartej części cyklu omawialiśmy mostki prostownicze - cztery scalone diody prostownicze w mostku Graetza. W tej części zajmiemy się innego rodzaju diodą - diodą Schottkiego.

    To, co wyróżnia diody Schottkiego, to niezwykle niski spadek napięcia na nich. Jak pamiętamy, spadek napięcia na diodzie miał istotny wpływ na moc, jaka się na niej wydziela. Najlepiej byłoby mieć diody o zerowym spadku napięcia, ale takie idealne układy nie istnieją.

    Jak pamiętamy z poprzednich części spadek napięcia na diodach prostowniczych - dyskretnych i scalonych w mostek - wynosił około 1 V. O ile dla napięć rzędu 230 V to niewiele, to zaczyna być to problematyczne, gdy pracujemy z niskim napięciem, takim jak 5 V czy 3 V.

    Aby zrozumieć, na czym polega ten problem, prześledźmy działanie prostego układu przełączającego źródła napięcia. Zbudowany jest on z dwóch diod, przez które odbiornik (obciążenie pobierające prąd I1 = 10 mA) połączony jest z dwoma źródłami zasilania.

    Na tym etapie warto zadać sobie jeszcze pytanie czemu potrzebna jest dioda w takim systemie. Wszystkie napięcia, jakie dostarczają źródła zasilania, są stałe, więc po co dioda? W tej aplikacji służy ona do przełączania pomiędzy źródłami zasilania. Więcej informacji o tych systemach i ich aplikacjach znaleźć można w tym artykule na Elektrodzie.

    Rozważmy najprostszy układ - dwie diody łączące odbiornik z źródłami napięcia 5 V oraz 3 V. Gdy układ zasilamy z 5 V, to pobiera on pełne 10 mA z źródła 5 V i analogicznie przy napięciu 3 V.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego
    Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego
    Na rysunku po lewej stronie zaprezentowano schemat ideowy omawianego układu.

    Po prawej stronie widzimy zasymulowane przebiegi napięcia na obciążeniu w czasie przełączania pomiędzy zasilaniem 5 V a 3 V. Widzimy, że napięcie ze źródła 5 V spadło do około 4,35 V a z 3 V do 2,35 V. Spadek napięcia wynosi więc 0,65 V - istotnie mniej niż 0,8..1 V, jakie pokazywaliśmy w poprzednich artykułach dla diod w typie 1N4001.





    Mniejszy spadek napięcia w tym przypadku wynika z niewielkiego prądu, jaki płynie w tym przypadku przez diodę. Jeśli spojrzymy do karty katalogowej diody prostowniczej 1N4001 to widzimy, że spadek napięcia zmienia się wraz z prądem. Dla prądu równego 0,01 A (10 mA) istotnie wynosi on około 0,65 V.

    Jednocześnie, warto zanotować że jesteśmy niemalże na samym końcu tej charakterystyki. Wynika to w dużej mierze z faktu, że dioda 1N4001 zoptymalizowana jest do pracy z dużym prądem, kosztem parametrów pracy przy małym prądzie. Nie jest ona też w pełni scharakteryzowana dla tego zakresu i na dobrą sprawę nie wiemy, jak układ będzie się zachowywać, jeśli prąd spadnie jeszcze niżej.

    Poniżej pokazano zależność płynącego prądu od spadku napięcia (dane odczytywać możemy także oczywiście w drugą stronę).

    Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego


    Zastanówmy się teraz nad przykładową aplikacją takiego układu. Tego rodzaju układy często stosuje się w zegarach czasu rzeczywistego, które podtrzymywane są bateryjnie. Przez większość czasu, układ taki zasilany jest z tego samego źródła sygnału, co pozostała część urządzenia - załóżmy, iż jest to 5 V. Jednakże, gdy urządzenie zostaje wyłączone, system przełącza się na zasilanie z baterii tak, aby cały czas mógł odliczać czas.

    Zegar czasu rzeczywistego musi być zasilany z napięcia 5 V, gdyż taki poziom logiczny wykorzystuje nasz układ. Aby zrozumieć, dlaczego tak jest spójrzmy w kartę katalogową przykładowego układu zegara czasu rzeczywistego - DS1347. Na stronie drugiej karty katalogowej tego układu znaleźć możemy tabelę z maksymalnymi wartościami napięć etc. jakie mogą występować w systemie z tym układem - inaczej może ulec on uszkodzeniu. Przyjrzyjmy się dokładnie tej tabeli:

    Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego


    W szczególności istotna jest jedna uwaga: "All Other Pins to GND... -0.3V to (Vcc + 0.3V)", czyli informacja o tym, że napięcie na wszystkich pozostałych pinach układu (liczone względem GND) nie może przekroczyć VCC + 0,3 V. Dlatego też układ musi być zasilany napięciem nie niższym niż napięcie układu sterującego (5 V) minus 0,3 V.

    Oznacza to, że aby nasz układ przełączający napięcie działał poprawnie, spadek napięcia na diodzie musi być mniejszy niż 0,3 V. Wybieramy zatem diody o możliwie najmniejszym spadku napięcia - diody Schottkiego.

    Nazwa tych urządzeń półprzewodnikowych pochodzi od fizyka Waltera H. Schottkiego, który odkrył złącze PN wykonane z półprzewodnika z jednej strony i metalu z drugiej (a nie dwóch kawałków półprzewodnika, jak w zwykłej diodzie prostowniczej). Jako że w strukturze tej prąd płynie przez mniejszy odcinek półprzewodnika, to i spadek napięcia na złączu takiego elementu jest mniejszy.

    Typową diodą tego rodzaju jest 1N5817, produkowana między innymi przez ON Semiconductor. Kartę katalogową tego elementu znaleźć można tutaj. Dobrze jest mieć ją otwartą lub nawet wydrukowaną w czasie czytania tego artykułu - istotnie przyspieszy to odnajdywanie odpowiednich fragmentów dokumentu.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego
    Dioda ta, podobnie jak 1N4001, ma prąd maksymalny równy 1 A i jest częścią rodziny diod o różniącym się napięciu wstecznym. Warto jednakże zwrócić uwagę, że elementy te mają znacznie mniejsze napięcie wsteczne niż diody 1N400x - 1N5817 ma maksymalne napięcie wsteczne równe jedynie 20 V w impulsie.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego
    Z całą pewnością elementy te nie są dedykowane do prostowania napięcia sieciowego. Niskie maksymalne napięcie wsteczne jest charakterystyczne dla diod Schottkiego i jest jedną z przyczyn z powodu których diody te nie są szerzej stosowane (inne to wyższa cena i spory prąd wsteczny).

    Czytając specyfikację dalej, napotykamy w tabeli na napięcie w kierunku przewodzenia - widzimy tutaj trzy wartości. Dla prądu 0,1 A spodziewamy się spadku napięcia w kierunku przewodzenia na poziomie maksymalnie 0,32 V. To dobra wiadomość dla naszego systemu, jednakże dalej następują gorsze - dioda ma do 1 mA prądu w kierunku wstecznym w temperaturze pokojowej i do 10 mA w temperaturze 100°C. Z pewnością nie brzmi to dobrze, jeśli chcemy wykorzystać te diody do pobrania zaledwie 10 mA. Parametry te podane są dla maksymalnego napięcia w kierunku przewodzenia - 20 V. Jak zmienią się, jeśli przyłożymy do diody 2 V, 3 V albo 5 V?

    Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego
    Aby odpowiedzieć na to pytanie przejść musimy do strony piątej karty katalogowej, gdzie znajdujemy między innymi wykres typowego prądu wstecznego (po prawej). Z wykresu tego, odczytać możemy że dla temperatury 25°C i napięcia wstecznego poniżej 5 V prąd wsteczny jest poniżej 0,1 mA i spada on wraz z spadkiem napięcia. Oczywiście, cały czas pamiętajmy, że jest to wartość typowa, a nie maksymalna, więc w naszym układzie spadek napięcia może być większy. By ocenić wartość maksymalną załóżmy, że kształt krzywej się nie zmieni. Po przeskalowaniu ocenić możemy go na około 0,5 mA przy 5 V i 25°C.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego
    Będąc jeszcze na tej stronie warto spojrzeć na wykres numer 7 (po lewej). Na tym wykresie zaprezentowany jest typowy spadek napięcia w zależności od pobieranego prądu. Z tego wykresu odczytamy, że typowy spadek napięcia dla 100 mA wyniesie 0,28 V. Wcześniej podawana wartość - 0,32 V to maksymalny spadek napięcia przy tym prądzie.

    Punkt, który nas interesuje jest na samym dole krzywej. Przy prądzie w kierunku przewodzenia równym 20 mA typowy spadek napięcia wynosić będzie 0,22 V. Fakt, że wartości przy których chcemy pracować, znajdują się przy dolnej części wykresu, sugeruje że powinniśmy poszukać innego, mniejszego elementu do naszego układu.

    Wymieńmy teraz diody 1N4001 na 1N5817 w naszej symulacji. Po podmiance sprawdźmy co się stało (wyniki na oscylogramie poniżej po prawej).

    Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego
    Jak czytać karty katalogowe? Część 5 - diody Schottkiego
    Widzimy teraz, że napięcie ze źródła 5 V to teraz 4,79 V a z 3 V 2,79 V - spadek napięcia wniósł 0,21 V. To wartość bliska odczytanej z karty katalogowej. Dobrze, gdy wartości rzeczywista czy też symulowana pokrywa się z kartą katalogową (o bardziej złożonych metodach sprawdzania czy model SPICE pokrywa się z specyfikacją z karty katalogowej pisałem tutaj, tutaj oraz tutaj - przyp.red.).

    Oznacza to, że moglibyśmy wykorzystać ten element w tej aplikacji (0,21 V jest mniejsze od 0,3 V), jednakże dobrze jest jednak wykorzystać element o niższym prądzie wstecznym. Wpływ prądu wstecznego jest szerzej omówiony w karcie katalogowej tego elementu, więc jeśli interesuje on nas mocniej możemy do niej zajrzeć. Dokumentacja ta całkiem dobrze objaśnia ten parametr.

    W przypadku diody 1N4001 zupełnie zignorowaliśmy prąd wsteczny, w momencie gdy obliczaliśmy ilość ciepła wydzielanego przez element. Ma to sens, ponieważ dla tego elementu prąd ten jest o wiele niższy niż prąd w kierunku przewodzenia - dla 50 V jest to 50 ?A, co przekłada się an 2,5 mW wydzielanego ciepła - o wiele mniej niż 0,8 W wydzielane przez prąd płynący w kierunku przewodzenia.

    Dla diody 1N5817 prąd wsteczny pi 20 V wynosi 10 mA, co przekłada się na 0,2 W - istotnie więcej, szczególnie jeśli spojrzymy na ciepło wydzielane podczas przewodzenia maksymalnego prądu (1 A) w kierunku przewodzenia - 0,45 W. To kolejny istotny czynnik, jaki należy brać pod uwagę, czytając kartę katalogową diod Schottkiego.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-schottky-diodes


    Fajne!
  • #2 11 Cze 2018 11:26
    Janusz_kk
    Poziom 15  

    Akurat przykład podtrzymania bateryjnego w który stosuje się diody mocy jest bez sensu, wiadomo że do mikromocowych zastosowań
    one mają parametry do d.. Tam trzeba zastosować diody małej mocy i je porównywać, np 1N4148 i bat82.
    Dla diody BAT82 max prąd wsteczny to 200nA a dla warunków pracy podtrzymania bateryjnego w 25st wynosi 20nA.