Fyzikálne vlastnosti spojenia pn
Hlavným prvkom použitým na vytvorenie uzla usmerňovača je dióda. Základom jeho práce je prechod elektrón-diera (pn).
Všeobecne akceptovaná definícia hovorí: pn junction je oblasť priestoru umiestnená na križovatke dvoch polovodičov rôznych typov. V tomto priestore sa vytvára prechod typu n na typ p. Hodnota vodivosti závisí od atómovej štruktúry materiálu, a to od toho, ako silne majú atómy elektróny. Atómy v polovodičoch sú usporiadané v mriežke a elektróny sú k nim pripojené elektrochemickými silami. Tento materiál je sám o sebe dielektrikom. On alebo zle vedie prúd, alebo ho vôbec nevykonáva. Ak sa však do mriežky (dopingu) pridajú atómy určitých prvkov, fyzikálne vlastnosti takéhoto materiálu sa dramaticky menia.
Zmiešané atómy sa začnú tvoriť v závislosti od ich povahy, voľných elektrónov alebo dier. Vytvorený nadbytok elektrónov vytvára záporný náboj a otvory - pozitívny.
Nadmerné zaťaženie jedného znaku spôsobuje, že sa dopravcovia navzájom odpudzujú, zatiaľ čo oblasť s opačným nábojom ich priťahuje. Elektrón, pohybujúci sa, zaberá priestor, dieru. Zároveň v jeho starom mieste tiež tvorí dieru. V dôsledku toho sa vytvárajú dva prúdy pohybu nábojov: jeden hlavný a jeden obrátený. Materiál s negatívnym nábojom využíva ako hlavné nosiče elektróny, nazýva sa polovodič typu n a kladný náboj, ktorý používa otvory typu p. V polovodičoch oboch typov tvoria malé náboje prúd opačný k pohybu hlavných nábojov.
V elektronike z materiálov na vytvorenie pn križovatky sa používa germánium a kremík. Keď sú tieto kryštály dopované, vzniká polovodič s rôznymi vodivosťami. Napríklad zavedenie bóru vedie k vzniku voľných dier a tvorbe vodivosti typu p. Pridanie fosforu naopak vytvorí elektróny a polovodič sa stane n-typom.
Princíp činnosti diódy
Dióda je polovodičové zariadenie, ktoré má nízky odpor prúdu v jednom smere a zabraňuje jeho prechodu v opačnom smere. Fyzicky sa dióda skladá z jedného spojenia pn. Štrukturálne je to prvok obsahujúci dva výstupy. Výstup pripojený k oblasti p sa nazýva anóda a spojenie s n-plochou sa nazýva katóda.
Keď je dióda v prevádzke, existujú tri jej stavy:
- na termináloch nie je žiadny signál;
- je pod vplyvom priameho potenciálu;
- je pod vplyvom reverzného potenciálu.
Priamy potenciál je taký signál, keď je kladný pól zdroja energie pripojený k polovodičovej oblasti typu p, inými slovami, polarita vonkajšieho napätia sa zhoduje s polaritou hlavných nosičov. Pri opačnom potenciáli je záporný pól pripojený k p-oblasti a pozitívny k n.
Existuje potenciálna bariéra v oblasti miešania materiálu typu n a p. Je tvorený rozdielom kontaktného potenciálu a je vo vyváženom stave. Výška bariéry nepresahuje desatiny voltu a bráni pohybu nosičov náboja do materiálu.
Ak je k zariadeniu pripojené jednosmerné napätie, potenciálna bariéra sa znižuje a nemá takmer žiadny odpor voči prúdu prúdu. Jeho hodnota sa zvyšuje a závisí len od odporu p- a n-oblasti. Keď sa použije reverzný potenciál, bariéra sa zvyšuje, keď elektróny opúšťajú n-oblasť a otvory opúšťajú p-oblasť. Vrstvy sú vyčerpané a odpor bariéry voči prúdu sa zvyšuje.
Hlavným indikátorom prvku je charakteristika prúdového napätia. Ukazuje vzťah medzi potenciálom, ktorý sa naň vzťahuje, a prúdom, ktorý cez ňu prúdi. Táto charakteristika je znázornená vo forme grafu, na ktorom je indikovaný prúd vpred a vzad.
Jednoduchý obvod usmerňovača
Sínusové napätie je periodický signál, ktorý sa časom mení. Z matematického hľadiska je opísaná funkciou, v ktorej počiatok súradníc zodpovedá času rovnému nule. Signál sa skladá z dvoch polovičných vĺn. Polvlna v hornej časti súradníc vzhľadom na nulu sa nazýva kladná polovica periódy av spodnej časti záporná.
Keď je na diódu privádzané striedavé napätie cez záťaž pripojenú k jej svorkám, prúd začne prúdiť. Tento prúd je spôsobený tým, že v okamihu prijatia kladnej polovice vstupného signálu sa dióda otvorí. V tomto prípade sa na anódu aplikuje pozitívny potenciál a na katódu sa aplikuje negatívny potenciál. Keď sa vlna zmení na zápornú polovicu, dióda sa zablokuje, pretože sa mení polarita signálu na jej svorkách.
Ukazuje sa teda, že dióda, ako keby rezala zápornú polvlnu, neprekračovala ju záťaž a na nej sa objavil pulzujúci prúd len jednej polarity. V závislosti od frekvencie použitého napätia a pre priemyselné siete je to 50 Hz, mení sa aj vzdialenosť medzi impulzmi. Tento typ prúdu sa nazýva rektifikovaný a samotný proces sa nazýva polovodičová rektifikácia.
Nápravou signálu pomocou jednej diódy je možné napájať záťaž, ktorá nevyžaduje špeciálne požiadavky na kvalitu napätia. Napríklad vlákno. Ale ak napríklad prijímač prijímate, potom sa objaví nízkofrekvenčný šum, ktorého zdrojom bude medzera, ktorá vzniká medzi pulzmi. Do určitej miery sa kondenzátor pripojený paralelne s diódou používa na odstránenie nevýhod polovodičovej rektifikácie spolu s diódou. Tento kondenzátor sa bude nabíjať, keď sa impulzy prijímajú a vybíjajú, keď nie sú prítomné v záťaži. To znamená, že čím vyššia je hodnota kapacity kondenzátora, tým viac prúdu sa pri záťaži vyhladí.
Najvyššiu kvalitu signálu však možno dosiahnuť, ak sa na opravu použijú súčasne dve polvlny. Zariadenie, ktoré umožňuje jeho realizáciu, sa nazýva diódový mostík alebo iným spôsobom - usmerňovač.
Diodový most
Takéto zariadenie je elektrické zariadenie používané na premenu AC na DC. Fráza „diódový mostík“ je tvorená slovom „dióda“, ktoré v sebe zahŕňa použitie diód. Premosťovací obvod usmerňovacej diódy závisí od siete AC, ku ktorej je pripojený. Sieť môže byť:
- jedna fáza;
- tri fázy.
V závislosti od toho sa mostík usmerňovača nazýva Gretzov most alebo usmerňovač Larionov. V prvom prípade sa použijú štyri diódy av druhom sa zariadenie zmontuje na šesť.
Prvý okruh usmerňovača bol zostavený na rádiových trubiciach a bol považovaný za ťažké a drahé riešenie. Ale s rozvojom polovodičovej technológie diódový most úplne nahradil alternatívne metódy opravy signálu. Namiesto diódy len zriedka, ale stále používa selénové kolóny.
Návrh a vlastnosti zariadenia
Štruktúrne je usmerňovací mostík vyrobený zo sady jednotlivých diód alebo lisovaného puzdra so štyrmi vodičmi. Teleso môže byť ploché alebo valcovité. Podľa prijatého štandardu sú kolíky pripojenia striedavého napätia a výstupného konštantného signálu vyznačené na skrinke prístroja. Usmerňovače s puzdrom s otvorom sú určené na montáž na chladič. Hlavné vlastnosti mostíka usmerňovača sú: \ t
- Najväčšie napätie vpred . Toto je maximálna hodnota, pri ktorej parametre zariadenia neprekračujú prípustné limity.
- Najväčšie prípustné spätné napätie . Toto je maximálne impulzné napätie, pri ktorom je most dlhý a spoľahlivý.
- Najväčšia náprava pracovného prúdu . Označuje priemerný prúd prúdiaci cez most.
- Maximálna frekvencia . Frekvencia napätia privádzaného na mostík, pri ktorom zariadenie pracuje efektívne a neprekračuje prípustné vykurovanie.
Prekročenie hodnôt charakteristík usmerňovača vedie k výraznému zníženiu jeho životnosti alebo poruche spojenia pn. Je potrebné poznamenať taký moment, že všetky parametre diód sú indikované pre okolitú teplotu 20 stupňov. Nevýhody použitia usmerňovacieho obvodu mosta zahŕňajú vyšší pokles napätia v porovnaní s polvlnovým obvodom a nižšiu hodnotu účinnosti. Na zníženie strát a redukciu vykurovacích mostov sa často používajú rýchle Schottkyho diódy.
Schéma zapojenia zariadenia
V prípade elektrických obvodov a dosiek s plošnými spojmi je diódový usmerňovač označený ako dióda alebo latinka. Ak je usmerňovač zostavený z jednotlivých diód, potom vedľa každého je umiestnené označenie VD a číslo udávajúce poradové číslo diódy v okruhu. VDS alebo BD nápisy sa používajú zriedka.
Diodový usmerňovač môže byť pripojený priamo k 220-voltovej sieti alebo po redukčnom transformátore, ale jeho spínací obvod zostáva nezmenený.
Keď príde signál v každom z polovičných cyklov, prúd môže prúdiť len cez dvojicu diód a protiľahlý pár bude uzamknutý. Pre kladnú polovicu periódy budú VD2 a VD3 otvorené a pre záporné VD1 a VD4. Výsledkom bude konštantný signál, ale jeho vlnová frekvencia sa zdvojnásobí. Aby sa zmenšilo zvlnenie výstupného signálu, používa sa, ako v prípade jednej diódy, paralelné spojenie kondenzátora C1. Tento kondenzátor sa tiež nazýva vyhladzovanie.
Stáva sa však, že diódový most je umiestnený nielen vo variabilnej sieti, ale aj pripojený k už rektifikovanej sieti. Prečo potrebujeme diódový most v takomto okruhu, bude jasné, či budeme venovať pozornosť tomu, aké systémy využívajú takéto začlenenie. Tieto schémy sú spojené s použitím citlivých rádiových prvkov na zmenu polarity napájania. Použitie mosta umožňuje jednoduchú, ale účinnú ochranu pred hlukom. V prípade chybného prepojenia polarity napájania, rádiové prvky nainštalované za mostom neuspejú.
Kontrola stavu
Tento typ elektronického zariadenia je možné kontrolovať bez spájkovania z okruhu, pretože v konštrukcii zariadenia sa nepoužíva posunutie. V prípade usmerňovača z diódy sa každá dióda kontroluje samostatne. V prípade monolitického prípadu sa uskutočňujú merania všetkých štyroch zistení.
Podstata testu je obmedzená na číselník s multimetrovou diódou pre skrat. Na tento účel sa vykonajú tieto akcie:
- Multimeter prepne na diódový stavec alebo odporový režim.
- Zástrčka jedného vodiča (čierna) sa zasunie do spoločnej zásuvky testera a druhá (červená) do zásuvky kontroly odporu.
- Dotknite sa čierneho vodiča, dotknite sa prvej nohy a sondy červeného vodiča k tretiemu kolíku. Tester by mal ukazovať nekonečno, a ak zmeníte polaritu vodičov, multimeter zobrazí odpor prechodu.
- Minus tester slúžil na štvrtej nohe, plus tretina. Multimeter zobrazí odpor, keď zmení polaritu nekonečna.
- Mínus na prvej nohe plus druhý. Testovací prístroj zobrazí otvorený prechod, pričom sa zmení a zatvorí.
Takéto svedecké výpovede hovoria o použiteľnosti usmerňovača. Ak nie je k dispozícii multimeter, môžete použiť konvenčný voltmeter. Ale bude musieť aplikovať energiu na obvod a zmerať napätie na vyhladzovacom kondenzátore. Jeho hodnota by mala prekročiť hodnotu 1, 4-násobku.