Zasilacze radiowe i elektryczne prawie zawsze używają prostowników zaprojektowanych do konwersji AC na DC. Wynika to z faktu, że prawie wszystkie obwody elektroniczne i wiele innych urządzeń musi być zasilanych ze źródeł prądu stałego. Prostownik może obsługiwać dowolny element z nieliniową charakterystyką prądowo-napięciową, innymi słowy, inaczej płynący prąd w przeciwnych kierunkach. W nowoczesnych urządzeniach płaskie elementy półprzewodnikowe są zwykle stosowane jako takie elementy.
Obwodowa dioda półprzewodnikowa.
Planarne diody półprzewodnikowe
Wraz z dobrymi przewodnikami i izolatorami istnieje wiele substancji o pośredniej przewodności pomiędzy tymi dwiema klasami. Substancje te nazywane są półprzewodnikami. Opór czystego półprzewodnika zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, w przeciwieństwie do metali, których oporność wzrasta w tych warunkach.
Dodając niewielką ilość zanieczyszczeń do czystego półprzewodnika, można zasadniczo zmienić jego przewodnictwo. Istnieją dwie klasy takich zanieczyszczeń:
Rysunek 1. Dioda planarna: a. dioda urządzenia; b. oznaczenie diody w obwodach elektrycznych; w pojawienie się płaskich diod o różnej mocy.
- Dawca - przekształcenie czystego materiału w półprzewodnik typu n, zawierający nadmiar wolnych elektronów. Ten rodzaj przewodności nazywany jest elektronicznym.
- Akceptor - przekształcenie tego samego materiału w półprzewodnik typu p, który ma sztucznie wytworzony brak wolnych elektronów. Przewodność takiego półprzewodnika nazywa się dziurą. „Dziura” - miejsce, które opuściło elektron, zachowuje się jak ładunek dodatni.
Warstwa na granicy półprzewodników typu p i n (złącze pn) ma przewodność jednokierunkową - przewodzi prąd dobrze w jednym kierunku (do przodu) i bardzo słabo w kierunku przeciwnym (do tyłu). Urządzenie diody planarnej pokazano na rysunku 1a. Podstawą jest płyta półprzewodnikowa (german) z niewielką ilością zanieczyszczeń donora (typu n), na których umieszczony jest kawałek indu, który jest zanieczyszczeniem akceptora.
Po podgrzaniu ind dyfunduje do sąsiednich obszarów półprzewodnika, zamieniając je w półprzewodniki typu p. Na granicy regionów o dwóch typach przewodnictwa występuje połączenie pn. Wyjście podłączone do półprzewodnika typu p nazywane jest anodą powstałej diody, przeciwnie - jej katodą. Obraz diody półprzewodnikowej na schematach obwodów pokazano na ryc. 1b, wygląd płaskich diod o różnej mocy - na rys. 1c.
Najprostszy prostownik
Rysunek 2. Charakterystyki prądu w różnych obwodach.
Prąd płynący w konwencjonalnej sieci oświetlenia jest zmienny. Jego wielkość i kierunek zmieniają się 50 razy w ciągu jednej sekundy. Wykres jego napięcia w funkcji czasu pokazano na ryc. 2a Pozytywne półokresy są wyświetlane na czerwono, ujemne na niebiesko.
Ponieważ wartość prądu zmienia się od zera do wartości maksymalnej (amplitudy), wprowadzana jest koncepcja prądu i napięcia efektywnego. Na przykład, w sieci oświetleniowej, efektywna wartość napięcia 220 V - w grzejniku znajdującym się w tej sieci, to samo ciepło jest generowane przez te same okresy czasu, jak w tym samym urządzeniu w obwodzie prądu stałego 220 V.
Ale w rzeczywistości napięcie w sieci zmienia się w 0, 02 z następującymi:
- pierwszy kwartał tego czasu (okres) wzrasta od 0 do 311 V;
- drugi kwartał okresu - zmniejsza się z 311 V do 0;
- trzeci kwartał okresu - zmniejsza się od 0 do 311 V;
- ostatni kwartał okresu wzrasta z 311 V do 0.
W tym przypadku 311 V to amplituda napięcia U о . Napięcia amplitudowe i efektywne (U) są ze sobą powiązane wzorem:
U o = √2 * U.
Rysunek 3. Mostek diodowy.
Gdy prąd przemienny diody połączonej szeregowo (VD) i obciążenia jest podłączony do obwodu (rys. 2b), prąd przepływa przez niego tylko podczas dodatnich półokresów (rys. 2c). Dzieje się tak z powodu jednostronnego przewodzenia diody. Taki prostownik nazywany jest półfalą - połowa czasu prądu w obwodzie, podczas drugiego - jest nieobecna.
Prąd płynący przez obciążenie w takim prostowniku nie jest stały, ale pulsujący. Aby zamienić go prawie na stałą, można włączyć równolegle z filtrem kondensatora obciążenia Cf o wystarczająco dużej pojemności. W pierwszym kwartale okresu kondensator jest ładowany do wartości amplitudy, aw przerwach między pulsacjami jest rozładowywany do obciążenia. Napięcie staje się prawie stałe. Efekt wygładzania jest silniejszy, im większa pojemność kondensatora.
Obwód mostka diodowego
Bardziej doskonały jest schemat prostowania z pełną falą, gdy używane są zarówno dodatnie, jak i ujemne półokresy. Istnieje kilka odmian takich systemów, ale najczęściej używane chodniki. Schemat mostka diodowego pokazano na rys. 3c. Na nim czerwona linia pokazuje, jak prąd przepływa przez obciążenie podczas dodatniego, a niebieski - ujemne półokresy.
Rysunek 4. Obwód prostownika 12 V z mostkiem diodowym.
Zarówno pierwsza, jak i druga połowa okresu, prąd płynący przez obciążenie przepływa w tym samym kierunku (rys. 3b). Liczba pulsacji przez jedną sekundę nie wynosi 50, jak w przypadku prostowania półfalowego, ale 100. Odpowiednio, przy tej samej pojemności kondensatora filtrującego, efekt wygładzania będzie bardziej wyraźny.
Jak widać, do zbudowania mostka diodowego potrzebne są 4 diody - VD1-VD4. Wcześniej mostki diodowe były przedstawiane zasadniczo, jak pokazano na rys. 3c. Obecnie obraz pokazany na rys. 3g. Chociaż jest tylko jeden obraz diody, nie należy zapominać, że most składa się z czterech diod.
Obwód mostu jest często montowany z pojedynczych diod, ale czasami stosowane są monolityczne zespoły diod. Łatwiej je zamontować na planszy, ale jeśli zawiedzie jedno ramię mostu, cały zespół zostanie zastąpiony. Wybierz diody, z których zamontowany jest most, na podstawie wielkości przepływającego przez nie prądu i wielkości dopuszczalnego napięcia zwrotnego. Te dane pozwalają uzyskać instrukcje do diod lub podręczników.
Kompletny schemat prostownika 12 V wykorzystującego mostek diodowy pokazano na rys. 4. T1 jest transformatorem obniżającym napięcie, którego uzwojenie wtórne zapewnia napięcie 10-12 V. Bezpiecznik FU1 jest istotnym szczegółem z punktu widzenia bezpieczeństwa i nie należy go lekceważyć. Marka diod VD1-VD4, jak już wspomniano, zależy od ilości prądu, który będzie zużywany z prostownika. Kondensator C1 - elektrolityczny o pojemności 1000, 0 mikromadów lub większej dla napięcia nie niższego niż 16 V.
Napięcie wyjściowe jest stałe, jego wartość zależy od obciążenia. Im większy prąd, tym mniejsza wielkość tego napięcia. Aby uzyskać regulowane i stabilne napięcie wyjściowe, wymagany jest bardziej złożony obwód. Odbierz regulowane napięcie z obwodu pokazanego na rys. 4 na dwa sposoby:
- Przez zastosowanie do pierwotnego uzwojenia transformatora T1 regulowanego napięcia, na przykład od LATR.
- Po kilkukrotnym dotknięciu uzwojenia wtórnego transformatora i, odpowiednio, przełącznika.