Fizikalne lastnosti pn spoja
Glavni element, ki se uporablja pri izdelavi usmerjevalnega vozlišča, je dioda. Osnova njegovega dela je prehod elektron-luknja (pn).
Splošno sprejeta definicija pravi: pn spoj je območje prostora, ki se nahaja na stičišču dveh polprevodnikov različnih tipov. Prehodne oblike n-tipa do p-tipa v tem prostoru. Vrednost prevodnosti je odvisna od atomske strukture materiala, in sicer od tega, kako močno atomi držijo elektrone. Atomi v polprevodnikih so razporejeni v mrežico, elektroni pa so nanje povezani z elektrokemičnimi silami. Sam material je dielektrik. On ali slabo vodi tok ali ga sploh ne izvaja. Toda če se mrežam dodajo atomi določenih elementov (doping), se fizikalne lastnosti takega materiala dramatično spremenijo.
Mešani atomi se začnejo oblikovati, odvisno od svoje narave, prostih elektronov ali lukenj. Nastali presežek elektronov tvori negativen naboj, luknje pa pozitivne.
Presežek enega znaka povzroči, da se nosilci medsebojno odbijajo, medtem ko jih območje z nasprotnim nabojem privlači. Elektron, ki se premika, zavzema prostor, luknjo. Hkrati pa v njegovem starem kraju tvori tudi luknjo. Tako nastanejo dva toka gibanja naboja: en glavni in en vzvratni. Material z negativnim nabojem uporablja elektrone kot glavne nosilce, imenuje se polprevodnik n-tipa in s pozitivnim nabojem, ki uporablja luknje tipa p. V polprevodnikih obeh tipov manjši stroški tvorijo tok, ki je nasproten gibanju glavnih nabojev.
V elektroniki iz materialov za izdelavo pn spoja uporabljamo germanij in silicij. Ko so ti kristali dopirani, se tvori polprevodnik z različnimi prevodnostmi. Na primer, uvedba bora vodi do pojava prostih lukenj in tvorbe p-tipa prevodnosti. Dodajanje fosforja, nasprotno, bo ustvarilo elektrone, polprevodnik pa bo postal n-tip.
Načelo delovanja diode
Dioda je polprevodniška naprava, ki ima nizko upornost toka v eni smeri in preprečuje njen prehod v nasprotno smer. Fizično je dioda sestavljena iz enega pn spoja. Strukturno je element, ki vsebuje dva izhoda. Izhod, povezan z območjem p, se imenuje anoda, povezava z n-območjem pa se imenuje katoda.
Ko je dioda v delovanju, obstajajo tri njena stanja:
- na terminalih ni signala;
- deluje pod neposrednim potencialom;
- je pod dejanjem obrnjenega potenciala.
Neposredni potencial je tak signal, ko je pozitivni pol vira energije priključen na polprevodniško območje p-tipa, z drugimi besedami, polarnost zunanje napetosti sovpada s polarnostjo glavnih nosilcev. Pri nasprotnem potencialu je negativni pol povezan s p-regijo in pozitivno na n.
Obstaja potencialna pregrada v območju sestavljanja materialov n- in p-tipa. Nastane zaradi razlike v kontaktnem potencialu in je v uravnoteženem stanju. Višina pregrade ne presega desetine volta in ovira gibanje nosilcev naboja v material.
Če je na napravo priključena neposredna napetost, se potencialna pregrada zmanjša in nima skoraj nobene odpornosti na tok toka. Njegova vrednost se povečuje in je odvisna samo od upora p- in n-regije. Ko se uporabi povratni potencial, se pregrada poveča, ko elektroni zapustijo n-območje, in luknje zapustijo p-regijo. Plasti so izčrpane in odpornost pregrade proti prehodu toka narašča.
Glavni kazalnik elementa je karakteristika tokovne napetosti. Prikazuje razmerje med potencialom, ki je nanj uporabljen, in trenutnim tokom. Ta lastnost je predstavljena v obliki grafa, na katerem je prikazan tok naprej in nazaj.
Enostavno usmerniško vezje
Sinusna napetost je periodični signal, ki se sčasoma spreminja. Z matematičnega vidika je opisana s funkcijo, v kateri izvor koordinat ustreza času, ki je enak nič. Signal je sestavljen iz dveh pol valov. Polavas v zgornjem delu koordinat glede na nič se imenuje pozitivna polovica, v spodnjem delu pa negativna.
Ko se na diodo preko obremenitve, ki je povezana z njenimi sponkami, vključi izmenična napetost, začne tok teči. Ta tok je posledica dejstva, da se v trenutku prejema pozitivnega polovičnega obdobja vhodnega signala dioda odpre. V tem primeru se na anodo uporabi pozitivni potencial, na katodo pa se uporabi negativni potencial. Ko se val spremeni v negativno pol-obdobje, je dioda zaklenjena, saj se polarnost signala na njenih terminalih spremeni.
Tako se izkaže, da dioda, kot da reže negativni pol val, ne prenaša na obremenitev in se na njem pojavi pulzirajoči tok samo ene polarnosti. Odvisno od frekvence uporabljene napetosti, za industrijska omrežja pa 50 Hz, se tudi razdalja med impulzi spreminja. Ta vrsta toka se imenuje popravljena, sam proces pa se imenuje popravljanje pol valov.
S popravljanjem signala s pomočjo ene same diode je možno napajati tovor, ki ne zahteva posebnih zahtev glede kakovosti napetosti. Na primer, žarilna nitka. Toda, če se na primer napajate s sprejemnikom, se bo pojavil nizkofrekvenčni hum, vir katerega bo razlika, ki se pojavi med impulzi. V določeni meri se kondenzator, priključen vzporedno z diodo, uporabi za odpravo slabosti polvalovne rektifikacije in diode. Ta kondenzator se bo napolnil, ko bodo impulzi sprejeti in izpraznjeni, ko jih ni v bremenu. To pomeni, da je večja vrednost kapacitivnosti kondenzatorja, večji tok se bo obremenil.
Toda najvišjo kakovost signala lahko dosežemo, če se za popravek istočasno uporabita dve polovični valovi. Naprava, ki omogoča, da se to uresniči, se imenuje diodni most, ali na drug način - usmernik.
Diodni most
Takšna naprava je električna naprava, ki se uporablja za pretvorbo AC v DC. Izraz "diodni most" je nastal iz besede "dioda", ki vključuje uporabo diod v njem. Mrežno vezje usmerniške diode je odvisno od omrežja AC, s katerim je priključen. Omrežje je lahko:
- enofazni;
- tri faze.
Odvisno od tega se usmerniški most imenuje Gretzov most ali Larionov usmernik. V prvem primeru uporabljamo štiri diode, v drugem pa napravo na šestih.
Prvo usmerniško vezje je bilo sestavljeno na radijskih ceveh in se je štelo za težko in drago rešitev. Toda z razvojem tehnologije polprevodnikov je diodni most popolnoma nadomestil alternativne metode popravljanja signalov. Namesto diod redko, vendar še vedno uporabljajo selenske kolone.
Zasnova in značilnosti naprave
Strukturno je usmerniški most izdelan iz niza posameznih diod ali oblikovanega ohišja s štirimi vodili. Telo je lahko plosko ali valjasto. V skladu s sprejetim standardom so na ohišju instrumenta označeni zatiči povezave izmenične napetosti in izhodnega konstantnega signala. Usmerniki z ohišjem z luknjo so namenjeni za vgradnjo na radiator. Glavne značilnosti usmerniškega mostu so:
- Največja napetost naprej . To je največja vrednost, pri kateri parametri naprave ne presegajo dovoljenih omejitev.
- Največja dovoljena povratna napetost . To je maksimalna impulzna napetost, pri kateri je most dolg in zanesljiv.
- Največji delovni tok popravka . Označuje povprečni tok, ki teče skozi most.
- Največja pogostost . Frekvenca napetosti, uporabljene na mostu, pri kateri naprava deluje učinkovito in ne presega dovoljenega ogrevanja.
Prekoračitev vrednosti karakteristik usmernika vodi v močno zmanjšanje življenjske dobe ali okvare pn priključkov. Treba je omeniti, da so vsi parametri diod prikazani pri temperaturi okolice 20 stopinj. Slabosti uporabe mostnega rektifikacijskega vezja vključujejo višji padec napetosti v primerjavi s polvalnim krogom in nižjo vrednost učinkovitosti. Da bi zmanjšali izgube in zmanjšali ogrevalne mostove, so pogosto izdelani s hitrimi Schottky diode.
Diagram ožičenja naprave
Pri električnih vezjih in tiskanih vezjih je dioda usmernik označen z ikono diode ali z latinskimi črkami. Če je usmernik sestavljen iz posameznih diod, se poleg vsakega postavi oznaka VD in številka, ki označuje zaporedno številko diode v tokokrogu. Napisi VDS ali BD se redko uporabljajo.
Diodni usmernik se lahko priključi neposredno na 220-voltno omrežje ali po nizkonapetostnem transformatorju, vendar njegovo stikalno vezje ostaja nespremenjeno.
Ko signal prispe v vsakem od pol ciklov, lahko tok teče samo skozi svoj par diod in nasprotni par bo zaklenjen na to. Za pozitivno polovično obdobje bodo odprti VD2 in VD3, za negativne VD1 in VD4 pa. Rezultat bo konstanten signal, vendar se bo njegova frekvenca valovanja podvojila. Za zmanjšanje valovanja izhodnega signala se uporablja, kot v primeru ene diode, vzporedna povezava kondenzatorja C1. Ta kondenzator se imenuje tudi glajenje.
Vendar se zgodi, da je diodni most postavljen ne le v spremenljivo omrežje, ampak je povezan tudi z že odpravljenim omrežjem. Zakaj potrebujemo diodni most v takem krogu, bo postalo jasno, če bomo pozorni na to, kakšne sheme uporabljajo takšno vključitev. Te sheme so povezane z uporabo občutljivih radijskih elementov za povratno polarnost napajanja. Uporaba mostu omogoča preprosto, a učinkovito varovanje. V primeru napačne povezave napajalne polarnosti radijski elementi, nameščeni za mostom, ne bodo prekinili.
Pregled zdravja
To vrsto elektronske naprave lahko preverite brez spajkanja iz vezja, saj se pri načrtovanju naprave ne uporablja premikanje. V primeru usmernika, sestavljenega iz diod, se vsaka dioda preveri ločeno. V primeru monolitnega primera se meritve opravijo na vseh štirih ugotovitvah.
Bistvo testa je zmanjšano na številčnico z multimetrsko diodo za kratek stik. Za to se izvedejo naslednji ukrepi:
- Multimeter preklopi na diode na vretencah ali na način upora.
- Vtič ene žice (črna) se vstavi v skupno vtičnico preizkuševalca, drugi (rdeča) v vtičnico preverjanja upora.
- Dotaknite se črne žice, dotaknite se prve noge in rdečo žično sondo do tretjega čepa. Tester naj pokaže neskončnost in če spremenite polariteto žic, bo multimeter pokazal odpornost prehoda.
- Minus tester je služil na četrti nogi, plus tretjina. Multimeter bo pokazal upor, ko spreminjate neskončnost polarnosti.
- Minus na prvi nogi, plus drugi. Preizkuševalnik bo prikazal odprt prehod, medtem ko je spreminjanje zaprto.
Takšna pričevanja govornikov govorijo o uporabnosti usmernika. V odsotnosti multimetra lahko uporabite običajni voltmeter. Ampak to bo moral uporabiti moč v tokokrogu in izmeriti napetost na gladilnem kondenzatorju. Njegova vrednost bi morala preseči vhod 1, 4-krat.