Właściwości fizyczne złącza pn
Głównym elementem używanym do tworzenia węzła prostownika jest dioda. Podstawą jego pracy jest przejście elektron-dziura (pn).
Ogólnie przyjęta definicja mówi: złącze pn jest obszarem przestrzeni usytuowanym na połączeniu dwóch półprzewodników różnych typów. W tej przestrzeni tworzy się przejście typu n na typ p. Wartość przewodnictwa zależy od struktury atomowej materiału, a mianowicie od tego, jak silnie atomy utrzymują elektrony. Atomy w półprzewodnikach są ułożone w sieć, a elektrony są do nich przyłączone siłami elektrochemicznymi. Sam materiał ten jest dielektrykiem. On lub źle prowadzi prąd lub wcale go nie prowadzi. Ale jeśli atomy pewnych pierwiastków zostaną dodane do sieci (domieszkowanie), fizyczne właściwości takiego materiału ulegną drastycznej zmianie.
Atomy mieszane zaczynają tworzyć się, w zależności od ich natury, wolnych elektronów lub dziur. Uformowany nadmiar elektronów tworzy ładunek ujemny, a dziury - dodatni.
Nadmierny ładunek jednego znaku powoduje, że nośniki odpychają się nawzajem, podczas gdy obszar o przeciwnym ładunku przyciąga je. Poruszający się elektron zajmuje przestrzeń, dziurę. Jednocześnie w jego starym miejscu również tworzy się dziura. W rezultacie powstają dwa strumienie ruchu ładunków: jeden główny i jeden odwrotny. Materiał z ładunkiem ujemnym wykorzystuje elektrony jako główne nośniki, nazywany jest półprzewodnikiem typu n, a ładunek dodatni wykorzystuje otwory typu p. W półprzewodnikach obu typów drobne ładunki tworzą prąd przeciwny do ruchu głównych ładunków.
W elektronice z materiałów do utworzenia złącza pn stosuje się german i krzem. Kiedy te kryształy są domieszkowane, powstaje półprzewodnik o różnych przewodnościach. Na przykład wprowadzenie boru prowadzi do pojawienia się wolnych dziur i tworzenia przewodności typu p. Natomiast dodanie fosforu spowoduje powstanie elektronów, a półprzewodnik stanie się typu n.
Zasada działania diody
Dioda jest urządzeniem półprzewodnikowym, które ma niski opór dla prądu w jednym kierunku i uniemożliwia jego przejście w przeciwnym kierunku. Fizycznie dioda składa się z jednego złącza pn. Strukturalnie jest to element zawierający dwa wyjścia. Wyjście połączone z obszarem p nazywa się anodą, a połączenie z obszarem n nazywa się katodą.
Gdy dioda działa, istnieją trzy jej stany:
- nie ma sygnału na terminalach;
- jest pod działaniem bezpośredniego potencjału;
- jest pod działaniem odwrotnego potencjału.
Bezpośredni potencjał jest takim sygnałem, gdy dodatni biegun źródła zasilania jest połączony z obszarem półprzewodnika typu p, innymi słowy, biegunowość napięcia zewnętrznego pokrywa się z polaryzacją głównych nośników. Na przeciwległym potencjale biegun ujemny jest połączony z regionem p, a dodatni do n.
W obszarze mieszania materiału typu n i p istnieje potencjalna bariera. Powstaje w wyniku różnicy potencjałów kontaktowych i jest w stanie zrównoważonym. Wysokość bariery nie przekracza dziesiątych części wolta i utrudnia ruch nośników ładunku w materiale.
Jeśli do urządzenia podłączone jest napięcie stałe, bariera potencjału maleje i nie ma prawie żadnego oporu dla przepływu prądu. Jego wartość wzrasta i zależy tylko od oporu regionu p i n. Gdy stosowany jest potencjał odwrotny, bariera wzrasta, gdy elektrony opuszczają obszar n, a dziury opuszczają region p. Warstwy są wyczerpane, a opór bariery na przejście prądu wzrasta.
Głównym wskaźnikiem elementu jest charakterystyka prądowo-napięciowa. Pokazuje związek między potencjałem zastosowanym do niego a prądem przez niego płynącym. Ta cecha jest przedstawiona w postaci wykresu, na którym wskazywany jest prąd do przodu i do tyłu.
Prosty obwód prostownika
Napięcie sinusoidalne jest sygnałem okresowym, który zmienia się w czasie. Z matematycznego punktu widzenia opisywana jest przez funkcję, w której początek współrzędnych odpowiada czasowi równemu zero. Sygnał składa się z dwóch półfal. Półfala w górnej części współrzędnych względem zera nazywana jest dodatnim okresem półokresowym, aw dolnej części ujemnym.
Gdy napięcie zmienne jest przykładane do diody przez obciążenie podłączone do jej zacisków, prąd zaczyna płynąć. Prąd ten wynika z faktu, że w momencie otrzymania dodatniego półokresu sygnału wejściowego dioda otwiera się. W tym przypadku do anody przykładany jest potencjał dodatni, a na katodę przykładany jest potencjał ujemny. Gdy fala zmienia się w ujemny okres połowiczny, dioda jest zablokowana, ponieważ zmienia się biegunowość sygnału na jego zaciskach.
Okazuje się więc, że dioda jakby przecina ujemną połowę fali, nie przekazując jej do obciążenia i pojawia się na niej pulsujący prąd tylko jednej polaryzacji. W zależności od częstotliwości przyłożonego napięcia i dla sieci przemysłowych wynosi on 50 Hz, zmienia się także odległość między impulsami. Ten typ prądu nazywany jest prostowaniem, a sam proces nazywany jest prostowaniem półfalowym.
Prostując sygnał za pomocą pojedynczej diody, możliwe jest zasilanie obciążenia, które nie nakłada specjalnych wymagań na jakość napięcia. Na przykład żarnik. Ale jeśli podasz na przykład odbiornik, pojawi się szum niskiej częstotliwości, którego źródłem będzie luka powstająca między impulsami. Do pewnego stopnia kondensator połączony równolegle z diodą służy do eliminacji wad prostowania półfalowego wraz z diodą. Kondensator ten zostanie naładowany, gdy impulsy zostaną odebrane i rozładowane, gdy nie będą obecne w obciążeniu. Oznacza to, że im większa wartość pojemności kondensatora, tym więcej prądu zostanie wygładzone przy obciążeniu.
Ale najwyższą jakość sygnału można osiągnąć, jeśli dwie półfale są używane jednocześnie do rektyfikacji. Urządzenie, które umożliwia realizację tego zadania, nazywane jest mostkiem diodowym, lub inaczej - prostownikiem.
Mostek diodowy
Takie urządzenie jest urządzeniem elektrycznym używanym do konwersji AC na DC. Wyrażenie „mostek diodowy” składa się ze słowa „dioda”, które obejmuje użycie w nim diod. Obwód mostka diody prostowniczej zależy od sieci prądu przemiennego, do której jest podłączony. Sieć może być:
- jedna faza;
- trzy fazy.
W zależności od tego mostek prostowniczy nazywany jest mostem Gretza lub prostownikiem Larionowa. W pierwszym przypadku używane są cztery diody, aw drugim urządzenie jest montowane na sześciu.
Pierwszy obwód prostownika został zamontowany na lampach radiowych i uznano go za trudne i kosztowne rozwiązanie. Jednak wraz z rozwojem technologii półprzewodnikowej mostek diodowy całkowicie zastąpił alternatywne metody prostowania sygnału. Zamiast diod rzadko, ale nadal używane kolumny selenu.
Budowa i właściwości urządzenia
Strukturalnie, mostek prostowniczy jest wykonany z zestawu pojedynczych diod lub formowanej obudowy mającej cztery przewody. Korpus może być płaski lub cylindryczny. Zgodnie z przyjętym standardem, szpilki połączenia napięcia przemiennego i stałego sygnału wyjściowego są zaznaczone na obudowie przyrządu. Prostowniki z obudową z otworem przeznaczone są do montażu na grzejniku. Głównymi cechami mostka prostowniczego są:
- Największe napięcie do przodu . Jest to maksymalna wartość, przy której parametry urządzenia nie wykraczają poza dopuszczalne limity.
- Największe dopuszczalne napięcie zwrotne . Jest to maksymalne napięcie impulsowe, przy którym mostek jest długi i niezawodny.
- Największa rektyfikacja bieżącej pracy . Wskazuje średni prąd płynący przez most.
- Maksymalna częstotliwość . Częstotliwość napięcia przyłożonego do mostka, przy którym urządzenie działa wydajnie i nie przekracza dopuszczalnego ogrzewania.
Przekroczenie wartości charakterystyk prostownika prowadzi do gwałtownego skrócenia jego żywotności lub awarii złącz pn. Należy zwrócić uwagę na taki moment, że wszystkie parametry diod są wskazywane dla temperatury otoczenia 20 stopni. Wady stosowania mostkowego obwodu prostującego obejmują wyższy spadek napięcia w porównaniu z obwodem półfalowym i niższą wartość wydajności. Aby zmniejszyć straty i zmniejszyć mostki grzewcze, często wytwarza się je przy użyciu szybkich diod Schottky'ego.
Schemat okablowania urządzenia
W obwodach elektrycznych i płytkach drukowanych prostownik diodowy jest oznaczony ikoną diody lub literami łacińskimi. Jeśli prostownik jest złożony z pojedynczych diod, to obok każdego z nich umieszcza się oznaczenie VD i numer wskazujący numer sekwencji diody w obwodzie. Napisy VDS lub BD są rzadko używane.
Prostownik diodowy można podłączyć bezpośrednio do sieci 220 V lub po transformatorze obniżającym napięcie, ale jego obwód przełączający pozostaje niezmieniony.
Gdy sygnał przychodzi w każdym z pół cykli, prąd może płynąć tylko przez parę diod, a przeciwna para zostanie do niego zablokowana. Dla dodatniego półokresu VD2 i VD3 będą otwarte, a dla ujemnego VD1 i VD4. W rezultacie będzie wyprowadzany stały sygnał, ale jego częstotliwość tętnienia zostanie podwojona. W celu zmniejszenia tętnienia sygnału wyjściowego stosuje się, jak w przypadku pojedynczej diody, połączenie równoległe kondensatora C1. Ten kondensator nazywany jest również wygładzaniem.
Zdarza się jednak, że mostek diodowy jest umieszczony nie tylko w sieci zmiennej, ale także podłączony do już wyprostowanej sieci. Dlaczego potrzebujemy mostka diodowego w takim obwodzie, stanie się jasne, jeśli zwrócimy uwagę na to, jakie schematy wykorzystują takie włączenie. Schematy te są związane z wykorzystaniem czułych elementów radiowych do odwrócenia biegunowości zasilania. Korzystanie z mostka pozwala na prostą, ale skuteczną i niezawodną ochronę. W przypadku błędnego podłączenia biegunowości zasilania elementy radiowe zainstalowane za mostem nie ulegną awarii.
Kontrola zdrowia
Ten typ urządzenia elektronicznego można sprawdzić bez lutowania z obwodu, ponieważ w projektach urządzeń nie stosuje się przetaczania. W przypadku prostownika zmontowanego z diod każda dioda jest sprawdzana oddzielnie. W przypadku monolitycznego przypadku dokonywane są pomiary wszystkich czterech wyników.
Istota testu jest zredukowana do tarczy z diodą multimetru dla zwarcia. W tym celu wykonywane są następujące czynności:
- Multimetr przełącza się w tryb kręgu diodowego lub rezystancji.
- Wtyczka jednego przewodu (czarna) jest wkładana do wspólnego gniazda testera, a druga (czerwona) do gniazda kontroli rezystancji.
- Dotknij czarnego drutu, dotknij pierwszej nogi, a czerwoną sondę przewodową do trzeciej szpilki. Tester powinien pokazywać nieskończoność, a jeśli zmienisz polaryzację przewodów, multimetr pokaże opór przejścia.
- Minus tester służył na czwartej odnodze plus jedna trzecia. Multimetr pokaże opór przy zmianie polaryzacji nieskończoności.
- Minus w pierwszym meczu, plus drugi. Tester pokaże otwarte przejście, zmieniając je i zamyka.
Takie zeznania testerów mówią o przydatności prostownika. W przypadku braku multimetru można użyć konwencjonalnego woltomierza. Ale będzie musiał zastosować zasilanie do obwodu i zmierzyć napięcie na kondensatorze wygładzającym. Jego wartość powinna przekraczać wartość wejściową 1, 4 razy.