Tehodiodi

Diodi on nykyään lähes aina puolijohde[1] . Puolijohdediodissa on pn-liitos, joka päästää virtaa lävitseen vain toiseen suuntaan[2] [3] . Tehodiodi
IMG_7481.jpg
Tehodiodi SW04PHR300
mahdollistaa suuremman virran hallinnan kuin signaalidiodi, tyypillisesti yli yhden ampeerin[4] . Koska tehodiodin pn-liitoksen koko on suurempi kuin signaalidiodin, on se myös koteloltaan usein suurempi. Tehodiodi voi olla myös epämiellyttävän kallis komponentti. Testissä käytetty SW04PHR300 on normaalihinnaltaan 75 USD[5] .

Diodien tekniikka

Diodeita voidaan valmistaa eri tekniikoilla. Tällöin puhuttaessa tehodiodista voidaan tarkoittaa
dy87.jpg
Putkitekniikalla toteutettu tehodiodi DY87. Maksimivirta 0.15mA, maksimijännite 18kV.
ominaisuuksiltaan hyvinkin erilaisia diodeja. Perinteisesti diodeita on valmistettu tyhjiöputkitekniikalla. Tällöin katodilta irroitetaan kuumentamalla elektroneja, jotka siirtyvät anodille mikäli se on korkeammassa potentiaalissa. Erilaisia mineraalidiodeja on valmistettu yli sata vuotta [6] . Puolijohdediodit ovat nykyään erittäin suosittuja. Myös nanotekniikalla on kyetty valmistamaan tasasuuntaava liitos[7] . Selvyyden vuoksi tästä eteenpäin diodilla tarkoitetaan puolijohdediodia.


Rakenne

Piikiekko on asennettu eristeiden avulla metallikoteloon niin, että mahdollisimman suuri osa lämmöstä siirtyy pois kiekolta. Suurilla virroilla ja virtojen nousunopeuksilla pyritään myös varauksenkuljettajien liikkuminen saamaan mahdollisimman tasaiseksi kiekossa.


.


tehodiodi-poikkileikkaus.png
1. Anodi, 2. Katodi, 3. Resistiivinen kerros, 4. PN-liitos, 5. Eriste


Erään tehodiodin testausta

Perustietoa:

Valmistaja: Westcode Semiconductors
Malli: SW04PHR300


Testitilanne
maksimi jatkuva virta
380 A
100 °C
sallittu toistuva jännite estosuuntaan
400 V

maksimi piikkivirta myötäsuuntaan
5800 A

kynnysjännite
1.83 V
1200 A, 180 °C
maksimi virta estosuuntaan

400 V
maksimi piikkivirta estosuuntaan
15 mA
180 °C
maksimi käyttölämpötila
180 °C


[8]

Kynnysjännite
IMG_7578.jpg
Kynnysjännitteen testausjärjestely.

Kynnysjännite muuttuu lämpötilan (yleensä noin -2 mV/°C[9] [10] ) ja virran funktiona (diodin ominaiskäyrä) [11] . Tässä on esitetty kynnysjännite muutamilla virran arvoilla. Diodin lämpötila oli kaikissa mittauksissa 21 °C.

Testivirta I
Kynnysjännite U
0.020 A
0.557 V
0.100 A
0.613 V
0.500 A
0.667 V
1.000 A
0.693 V
5.000 A
0.788 V
9 A
0.811 V
175 A
1.51 V

Jännite

Diodin yli kytkettiin lyhyen ajan 500 Vdc myötäsuuntaan. Tämä toistettiin useita kertoja. Testissä käytetyn teholähteen rajallisuudesta johtuen pulssin pituus oli noin 0,5 ms. Tällä ei havaittu vaikutusta toimintaan. Sama teholähde kytkettiin estosuuntaan toistuvasti 30 kertaa. Ei havaittua vaikutusta. Seuraavaksi teholähde kytkettiin estosuuntaan 10 minuutin ajaksi. Ei havaittavaa vaikutusta. Korkeampia jännitteitä en halunnut testata.

Käyttölämpötila
IMG_7584.jpg
Testijärjestely.

Testattu diodi on tarkoitettu käytettäväksi korkeintaan 180 °C lämpöisenä. Testissä diodia lämmitettiin sähkövirralla 175 Arms kunnes muutamat helposti havainnoitavat testilämmöt saavutettiin. Diodi oli asennettu hyvin pienikokoiseen, noin 120 cm², kokoiseen jäähdytyslevyyn. Ensimmäinen testipiste oli sormella kokeillen epämiellyttävän kuuma eli noin 60 °C.

Tämä saavutettiin noin minuutissa. Seuraava lämpötila oli kostean sormen sihahdus eli vähintään 100 °C. Tähän aikaa meni noin 4 minuuttia. Lyijyllinen juotostina sulaa hieman yli 180 °C asteessa, joten se oli testaamiseen sopiva materiaali ja helposti saatavilla. Tällä myös voitiin varmistaa luvatun toimintalämpötilan ylittyminen. Aikaa lämpötilan saavuttamiseen kului noin 10 minuuttia. Testin jälkeen diodin annettiin jäähtyä rauhassa huoneenlämpöön ja pienen virran (9 A) kynnysjännite mitattiin uudelleen. Muutosta ei havaittu.

Mekaaninen kestävyys

IMG_7493.jpg
Selvää kulumista.

Diodi asennettiin ruuvipuristimeen ja siihen aiheutettiin leikkaavia ja repiviä voimia 8mm tappijyrsimellä. Tämä aiheutti selvää kulumista diodissa. Tehoa oli käytössä noin 600 W.

IMG_7495.jpg
Hiekanjyvätesti.
Seuraavassa testissä diodin pintaa rasittivat useat hiekanjyväset. Tehoa oli käytössä 150 W. Diodi ei kestänyt tätäkään ilman kulumista. Tehonkestoksi on luvattu kynnysjännite (1.83 V) * maksimivirta (380 A) ~= 695W.

Huolellisen puhdistamisen jälkeen kynnysjännite mitattiin uudelleen. Vain vähäisiä muutoksia. On perusteltua olettaa, että virrankesto on heikentynyt kulumisen seurauksena.

Yhteenveto

Tehodiodilla on nykyisessä tehokkaassa yhteiskunnassa paljon käyttökohteita[12] . Tässä testattu tehodiodi SW04PHR300 on ominaisuuksiltaan sopiva useisiin harrasteprojekteihin, joissa ylimääräisen suunnittelun voi korvata vain hieman kestävämmällä komponentilla. Yksittäiskappaleita, vaikkapa tasasuuntaajasiltaa, tehtäessä hinta ei ole merkittävä komponenttien osalta, koska tuotantomäärät ovat alhaiset. Testattua diodia käytettäessä yksivaihetasasuuntaajakytkennän voi rakentaa vain 300 USD hintaan. Mikäli tehovaatimuksista voi joustaa jonkin verran, saman kytkennän voi tehdä myös noin 1 EUR hintaan. Lähes särkymätön rakenne on tosin korvaamaton. Kuten kuitenkin huomasimme, sähköinen kestävyys ei tuo välttämättä mekaanista kestävyyttä.
  1. ^ The Transistor and Diode Data Book for Design Engineers Volume 1, 1974, Motorola. s.33
  2. ^ http://www.tekniikka.info/?page=selite&word=12031&keyword=Teho&criteria=1&ID=f5dd786eda9d7d14bbf69867d057120a, katsottu 15.01.2010, tarkastettu 03.02.2010.
  3. ^ Ahonen, Pekka. Elektroniikka. 1967, Suomen teknillinen seura. s. 37, 44
  4. ^ http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_5.html, katsottu 18.01.2010, tarkastettu 03.02.2010.
  5. ^ http://store.americanmicrosemiconductor.com/sw04phr300.html, katsottu 22.01.2010, tarkastettu 03.02.2010.
  6. ^ http://www.avtechpulse.com/faq.html/IX/, katsottu 04.03.2010
  7. ^ http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TVS-4XHM1F1-B&_user=10&_coverDate=11%2F30%2F2009&_alid=1193798779&_rdoc=2&_fmt=high&_orig=search&_cdi=5542&_docanchor=&view=c&_ct=27717&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=cbcca25868277a77f7b1f06c3f82e58b, katsottu 04.02.2010
  8. ^ http://www.americanmicrosemi.com/information/spec/?ss_pn=sw04phr300#ixzz0buksToD6, katsottu 05.01.2010, tarkastettu 03.02.2010.
  9. ^ http://koti.mbnet.fi/~stinger/diodit.php, katsottu 22.01.2010, tarkastettu 03.02.2010.
  10. ^ Diodes, Zener Diodes, Rectifiers, Thyristors 1977/78. 1977, International Telephone and Telegraph Corporation. s. 19.
  11. ^ Storey, Neil. Electronics, a system approach. 1998. Pearson Education Limited. s. 164
  12. ^ The Transistor and Diode Data Book for Design Engineers Volume 1, 1974, Motorola. s.3