Физични свойства на pn прехода
Основният елемент, използван при създаването на изправителния възел, е диод. В основата на неговата работа е електрон-дупката преход (pn).
Общоприетата дефиниция казва: pn възел е пространство от пространство, разположено на кръстопътя на два полупроводника от различен тип. Преходни форми n-тип до p-тип в това пространство. Стойността на проводимостта зависи от атомната структура на материала, а именно от това колко силно атомите задържат електроните. Атомите в полупроводниците са подредени в решетка, а електроните са прикрепени към тях чрез електрохимични сили. Сам по себе си този материал е диелектрик. Той или лошо провежда ток или изобщо не го провежда. Но ако към решетката (допинг) се добавят атоми на определени елементи, физическите свойства на такъв материал се променят драстично.
Смесени атоми започват да се образуват, в зависимост от тяхната природа, свободни електрони или дупки. Образуваният излишък на електрони образува отрицателен заряд, а дупките - положителен.
Излишният заряд на един знак кара превозвачите да се отблъскват, докато областта с противоположния заряд се стреми да ги привлече. Електронът, който се движи, заема място, дупка. В същото време в неговото старо място също се образува дупка. В резултат на това се създават два потока на движение: един главен и един обратен. Материал с отрицателен заряд използва електрони като основни носители, той се нарича n-тип полупроводник и с положителен заряд, който използва отвори тип p. В полупроводниците на двата типа малки такси образуват ток, противоположен на движението на основните заряди.
В електрониката от материали за създаване на pn преход се използват германий и силиций. Когато тези кристали са легирани, се образува полупроводник с различни проводимости. Например, въвеждането на бор води до появата на свободни отвори и образуването на р-тип проводимост. Добавянето на фосфор, напротив, ще създаде електрони и полупроводникът ще стане n-тип.
Принцип на действие на диода
Диодът е полупроводниково устройство, което има ниско съпротивление на ток в една посока и предотвратява преминаването му в обратна посока. Физически диодът се състои от един pn възел. Структурно това е елемент, съдържащ два изхода. Изходът, свързан с p-областта, се нарича анод, а връзката с n-зоната се нарича катод.
Когато диодът работи, има три от неговите състояния:
- на терминалите няма сигнал;
- тя е под действието на пряк потенциал;
- то е под действието на обратния потенциал.
Пряк потенциал е такъв сигнал, когато положителният полюс на захранващия източник е свързан с областта на полупроводника р-тип, с други думи, полярността на външното напрежение съвпада с полярността на основните носители. В противоположния потенциал, отрицателният полюс е свързан с р-областта, а положителният към n.
Има потенциална бариера в областта на смесване на n- и p-тип материал. Той се формира от контактната потенциална разлика и е в балансирано състояние. Височината на преградата не надвишава десети от волта и възпрепятства движението на носителите на заряда в материала.
Ако към устройството е свързано директно напрежение, потенциалната бариера намалява и няма почти никакво съпротивление на потока на тока. Неговата стойност се увеличава и зависи само от съпротивлението на p- и n-областта. Когато се приложи обратен потенциал, бариерата се увеличава с напускането на електрони от n-областта и дупките напускат р-областта. Слоевете се изчерпват и съпротивлението на бариерата за преминаване на ток се увеличава.
Основният индикатор на елемента е характеристиката на токовото напрежение. Тя показва връзката между потенциала, приложен към него, и текущия през него ток. Тази характеристика е представена под формата на графика, върху която е посочен предният и обратният ток.
Обикновена токоизправителна верига
Синусоидалното напрежение е периодичен сигнал, който се променя с времето. От математическа гледна точка, тя се описва с функция, при която произходът на координатите съответства на времето, равно на нула. Сигналът се състои от две полу-вълни. Полу-вълната в горната част на координатите по отношение на нулата се нарича положителен полупериод, а в долната - отрицателен.
При подаване на променливо напрежение към диода през товар, свързан с неговите изводи, започва да тече ток. Този ток се дължи на факта, че в момента на получаване на положителен полупериод на входния сигнал диодът се отваря. В този случай към анода се прилага положителен потенциал и към катода се прилага отрицателен потенциал. Когато вълната се промени на отрицателен полупериод, диодът се заключва, тъй като полярността на сигнала при неговите терминали се променя.
Така се оказва, че диодът сякаш реже отрицателната полу вълна, не го предава на товара и се появява пулсиращ ток само на един полярност. В зависимост от честотата на приложеното напрежение, а за промишлените мрежи - 50 Hz, се променя и разстоянието между импулсите. Този тип ток се нарича ректифициран, а самият процес се нарича полу-вълнова корекция.
Чрез коригиране на сигнал с помощта на един диод е възможно да се подава товар, който не налага специални изисквания за качеството на напрежението. Например, нишката. Но ако хранят, например, приемника, тогава ще се появи нискочестотен шум, източникът на който ще бъде празнината, която възниква между импулсите. До известна степен, кондензатор, свързан паралелно с диода, се използва за премахване на недостатъците на полу-вълновата корекция заедно с диод. Този кондензатор ще бъде зареден, когато импулсите се приемат и разреждат, когато отсъстват от товара. Това означава, че колкото по-голяма е стойността на капацитета на кондензатора, толкова по-голям ток ще бъде изгладен при натоварването.
Но най-високото качество на сигнала може да бъде постигнато, ако се използват едновременно два полу-вълни за коригиране. Устройство, което позволява това да се реализира, се нарича диоден мост, или по друг начин - токоизправител.
Диоден мост
Такова устройство е електрическо устройство, използвано за преобразуване на AC в DC. Фразата "диоден мост" се формира от думата "диод", която включва използването на диоди в него. Токоизправителната диодна мостова верига зависи от мрежата за променлив ток, към която е свързана. Мрежата може да бъде:
- единична фаза;
- три фаза.
В зависимост от това, токоизправителният мост се нарича мост Грец или Ларионов изправител. В първия случай се използват четири диода, а във втория - устройството се сглобява на шест.
Първата верига на токоизправителя е сглобена на радио-тръби и се счита за трудно и скъпо решение. Но с развитието на полупроводниковата технология диодният мост напълно замени алтернативните методи за коригиране на сигнала. Вместо диоди рядко, но все още се използват колони от селен.
Конструкция и характеристики на устройството
Структурно, токоизправителният мост е направен от комплект от отделни диоди или формован корпус с четири проводника. Тялото може да бъде плоско или цилиндрично. Съгласно приетия стандарт, щифтовете на връзката на променливото напрежение и изходния постоянен сигнал са маркирани върху корпуса на инструмента. Токоизправители с корпус с отвор, предназначени за монтиране на радиатора. Основните характеристики на изправителния мост са:
- Най-голямото напрежение напред . Това е максималната стойност, при която параметрите на устройството не излизат извън допустимите граници.
- Най-голямото допустимо обратно напрежение . Това е максималното импулсно напрежение, при което мостът е дълъг и надежден.
- Най-голямата корекция на работния ток . Показва средния ток, преминаващ през моста.
- Максимална честота . Честотата на напрежението, приложено към моста, при което устройството работи ефективно и не превишава допустимото отопление.
Превишаването на стойностите на характеристиките на токоизправителя води до рязко намаляване на срока на експлоатация или прекъсване на pn преходите. Необходимо е да се отбележи такъв момент, че всички параметри на диодите са показани за околна температура от 20 градуса. Недостатъците на използването на мостова верижна верига включват по-висок спад на напрежението в сравнение с полу-вълновата верига и по-ниска ефективност. За да се намалят загубите и да се намалят отоплителните мостове, често се произвеждат с помощта на бързи диоди Шотки.
Схема на свързване на устройството
При електрически вериги и печатни платки, диоден токоизправител е обозначен като диодна икона или с латински букви. Ако токоизправителят се сглобява от отделни диоди, то до всеки се поставя обозначението VD и числото, посочващо номера на диода в веригата. VDS или BD надписите рядко се използват.
Диодният токоизправител може да бъде свързан директно към 220-волтова мрежа или след понижаващ трансформатор, но комутационната му верига остава непроменена.
Когато сигналът пристигне във всеки от полуциклите, токът може да тече само през чифт диоди, а противоположната двойка ще бъде заключена към нея. За положителен полупериод VD2 и VD3 ще бъдат отворени, а за отрицателни VD1 и VD4. В резултат на това ще бъде изведен постоянен сигнал, но неговата честота на пулсации ще се удвои. За да се намали пулсацията на изходния сигнал, се използва, както в случая на един диод, паралелно свързване на кондензатор С1. Този кондензатор се нарича още изглаждане.
Но се случва, че диодният мост е поставен не само в променлива мрежа, но и свързан с вече отстранена мрежа. Защо имаме нужда от диоден мост в такава верига, ще стане ясно дали ще обърнем внимание на какви схеми използваме такова включване. Тези схеми са свързани с използването на чувствителни радио елементи, за да се обърне полярността на захранването. Използването на мост дава възможност за проста, но ефективна защита. В случай на погрешна връзка на силата на полярността, радиоелементите, монтирани зад моста, няма да се повредят.
Здравна проверка
Този тип електронно устройство може да се проверява без запояване от веригата, тъй като не се използва шунтиране в конструкциите на устройството. В случай на изправител, сглобен от диоди, всеки диод се проверява отделно. И в случая на монолитен случай, измерванията се правят на всичките си четири извода.
Същността на теста се свежда до циферблат с мултиметров диод за късо съединение. За тази цел се извършват следните действия:
- Мултиметърът превключва на диоден прешлен или режим на съпротивление.
- Щепселът на един проводник (черен) се поставя в общия контакт на тестера, а вторият (червен) в контакта на проверката на съпротивлението.
- Докоснете черния проводник, докоснете първия крак и червената сонда до третия щифт. Тестерът трябва да показва безкрайност и ако промените полярността на проводниците, мултиметърът ще покаже съпротивлението на прехода.
- Минус тестер служи на четвъртия крак, плюс една трета. Мултиметърът ще покаже съпротивлението, когато променяте полярността на безкрайността.
- Минус на първия крак, плюс втория. Тестерът ще покаже отворен преход, докато промяната е затворен.
Тези показания на тестерите говорят за годност на изправителя. При липса на мултицет можете да използвате конвенционален волтметър. Но той ще трябва да приложи властта на веригата и да измери напрежението на изглаждащия кондензатор. Неговата стойност трябва да надвишава входа 1.4 пъти.