Rychlost diody

Dioda je typicky popisována jako součástka, která vede proud jen jedním směrem. Udělejme tedy experiment. Výstup z generátoru pracujícím (pro začátek) na kmitočtu 100Hz povedeme přes diodu 1N4007 na rezistor 100Ω, na který připojíme vstup osciloskopu, čili osciloskop nám bude zobrazovat proud tekoucí diodou, případně napětí na nějaké simulované zátěži. Dioda by měla propustit jen jednu půlvlnu a skutečně se tak děje:

Nyni se podíváme jak to dopadne, když budeme usměrňovač budit namísto harmonickým signálem obdelníkovým průběhem. Takový signál má teoreticky nekonečně široké spektrum, prakticky je spektrum omezeno šířkou pásma použitého generátoru, který není ničím zářným (šířka cca 40MHz).

Vidíme, že se nám tady začíná něco dít. Dioda viditelně nedokáže usměrňovat v celé kmitočtové šířce použitého generátoru, nebo, přenesu-li celou záležitost do časové oblasti, otevřené diodě viditelně chvíli trvá než se zavře. Podíváme se na to pochopitelně v detailu:

Otevřené diodě viditelně trvá cca 7μs než se obráceným proudem zavře. Tomuto času se říká recovery time a různé diody se pochopitelně zavírají různou rychlostí. Tento čas do značné míry určuje maximální kmitočet, na kterém se dioda chová ještě jako dioda, tj. dá se říci, že usměrňuje, neboli propouští proud jen jedním směrem. Celou věc tedy budeme vyšetřovat harmonickým signálem, kterému budeme měnit kmitočet. Začneme na kmitočtu 100Hz:

Tady je viditelně všechno v pořádku, dioda usměrňuje, proud teče pouze jedním směrem. Budeme zvyšovat kmitočet.

Na screenshotu vidíte co se začne dít při cca 3kHz. Dioda už začíná krátkodobě pouštět proud obráceným směrem, čili se přestává chovat jako usměrňovač, avšak energie tekoucí opačným směrem je víceméně zanedbatelná. Budeme tedy pokračovat ve zvyšování kmitočtu.

Na kmitočtu 15kHz už jev přestává být zanedbatelný. Nicméně budeme pokračovat.

Na kmitočtu 100kHz už začíná být otázkou, zda dioda ještě usměrňuje, nebo jen deformuje průběh. S rostoucím kmitočtem už to bude jedině horší, nemá smysl pokračovat, dioda už se prakticky nechová jako dioda. Nicméně konkrétní typ diody není tím jediným, co rychlost diody ovlivňuje. Znovu se tedy podíváme jak rychle se dioda 1N4007 zavírá při teplotě 25°C.

Obdrželi jsme čas nějakých cca 7μs. Tomuto stavu odpovídají všechna předchozí měření. Nyni ale zkusíme diodu zahřát na 150°C.

A vidíme, že diodě trvá uzavření déle. Ke změření času použijeme ještě kurzory.

A dostáváme se k cca 10μs, což je výrazně déle, takže prosté zahřátí diody způsobí, že se přestává chovat jako dioda při nižším kmitočtu. Čili i teplota diody je důležitým faktorem z hlediska nějakého kmitočtového limitu, na kterém je schopna dioda usměrňovat.

Pro porovnání ještě předvedu měření při pokojové teplotě na schottky diodě BAT46.

Tady už narážíme spíše na šířku hrany generátoru, nicméně je vidět, že dioda BAT46 potřebuje na svoje uzavření čas kolem 10ns, čili je asi o tři řády rychlejší. Dá se tedy říci, že pokud to s 1N4007 začala být tragedie na řekněme 100kHz, nastane stejný problém s BAT46 na kmitočtu cca 100MHz, což vysvětluje, proč je problém recovery time změřit, totiž generátor má šířku pásma cca 40MHz, čili je pomalejší než ta dioda. A ano, mohla jsem použít něco s větší šířkou pásma.

Jaké si z toho tedy vzít ponaučení. Různým diodám trvá různé doby než se z otevřeného stavu zpět uzavřou. Zahřátím diody se tento čas prodlužuje, což je důležité především u usměrňovačů na sekundárních stranách pulzních zdrojů, kde prosté přehřátí diody může snadno způsobit vytvoření nějakého signifikantního množství energie, které bude odebráno z výstupního filtru zpět do transformátoru jednoduše z toho důvodu, že se díky přehřátí nedokáže usměrňovací dioda dostatečně rychle zavřít. Tím je dále proudově namáhána, což znamená další ohřev a z toho plynoucí další zpomalení její funkce, tudíž i lehká nedostatečnost v chlazení dokáže velice snadno vygradovat v problém značného rozsahu. Totiž pozdě uzavřená dioda začne navíc zatěžovat filtrační kondenzátory cirkulačními proudy, čímž je začne přetěžovat a pádem tím i rozbíjet až je zničí. Odvážný opravář poté vymění filtrační kondenzátory a má záruku, že je bude měnit ještě mnohokrát, protože primární problém způsobený degradací chladicího systému usměrňovací diody zůstal nevyřešen. Jinými slovy, pokud měníte filtrační kondenzátory, zkontrolujte též stav chladičů, ztvrdlost různých past, případně i výrobní vady spočívající v nedotažení výkonového prvku k chladiči, chybně instalované izolační podložky, či podobném jevu majícím dopad na efektivitu chladicího systému zdroje. No a samozřejmě, při návrhu zdroje je třeba uvažovat i maximální oteplení usměrňovacího prvku.