Фізичні властивості pn переходу
Головним елементом, що використовується при створенні випрямного вузла, є діод. В основі його роботи лежить електронно-дірковий перехід (pn).
Загальноприйнята визначення свідчить: pn перехід - це область простору, що знаходиться на кордоні з'єднання двох напівпровідників різного типу. У цьому просторі утворюється перехід n-типу в p-тип. Значення провідності залежить від атомної будови матеріалу, а саме від того, наскільки міцно атоми утримують електрони. Атоми в напівпровідниках розташовуються у вигляді решітки, а електрони прив'язані до них електрохімічними силами. Сам по собі такий матеріал є діелектриком. Він або погано проводить струм, або не проводить його зовсім. Але якщо в решітку додати атоми певних елементів (легування), фізичні властивості такого матеріалу кардинально змінюються.
Домісилися атоми починають утворювати, залежно від своєї природи, вільні електрони або дірки. Утворений надлишок електронів формує негативний заряд, а дірок - позитивний.
Надлишок заряду одного знака змушує носіїв відштовхуватися один від одного, в той час як область з протилежним зарядом прагне притягнути їх до себе. Електрон, переміщаючись, займає вільне місце, дірку. При цьому на його старому місці також утворюється дірка. В результаті чого створюється два потоку руху зарядів: один основний, а інший зворотний. Матеріал з негативним зарядом в якості основних носіїв використовує електрони, його називають напівпровідником n-типу, а з позитивним зарядом, що використовують дірки, p-типу. У напівпровідниках обох типів неосновні заряди утворюють струм, зворотний руху основних зарядів.
У радіоелектроніки з матеріалів для створення pn переходу використовується германій і кремній. При легуванні кристалів цих речовин утворюється напівпровідник з різною провідністю. Наприклад, введення бору призводить до появи вільних дірок і утворення p-типу провідності. Додавання фосфору, навпаки, створить електрони, і напівпровідник стане n-типу.
Принцип роботи діода
Діод - це напівпровідниковий прилад, який має малий опір для струму в одному напрямі, і що перешкоджає його проходженню в зворотному. Фізично діод складається з одного pn переходу. Конструктивно являє собою елемент, який містить два висновки. Висновок, підключений до p-області, називається анодом, а з'єднаний з n-областю - катодом.
При роботі діода існує три його стану:
- сигнал на висновках відсутня;
- він знаходиться під дією прямого потенціалу;
- він знаходиться під дією зворотного потенціалу.
Прямим потенціалом називається такий сигнал, коли плюсовій полюс джерела живлення підключений до області p-типу напівпровідника, іншими словами, полярність зовнішньої напруги збігається з полярністю основних носіїв. При зворотному потенціал негативний полюс підключений до p-області, а позитивний до n.
В області з'єднання матеріалу n- і p-типу існує потенційний бар'єр. Він утворюється контактною різницею потенціалів і знаходиться в урівноваженому стані. Висота бар'єру не перевищує десяті частки вольта і перешкоджає просуванню носіїв заряду вглиб матеріалу.
Якщо до котла підключено пряму напругу, то величина потенційного бар'єру зменшується і він практично не чинить опір протіканню струму. Його величина зростає і залежить тільки опору p- і n- області. При прикладанні зворотного потенціалу, величина бар'єра збільшується, так як з n-області йдуть електрони, а з p-області дірки. Шари збіднюється і опір бар'єру проходження струму зростає.
Основним показником елемента є вольт-амперна характеристика. Вона показує залежність між прикладеним до нього потенціалом і струмом, що протікає через нього. Звісно ж ця характеристика у вигляді графіка, на якому вказується прямий і зворотний струм.
Схема простого випрямляча
Синусоїдальна напруга являє собою періодичний сигнал, що змінюється в часі. З математичної точки зору він описується функцією, в якій початок координат відповідає часу рівним нулю. Сигнал складається з двох напівхвиль. Що знаходиться полуволна у верхній частині координат щодо нуля називається позитивним напівперіодом, а в нижній частині - негативним.
При подачі змінної напруги на діод через підключену до його висновків навантаження, починає протікати струм. Цей струм обумовлений тим, що в момент надходження позитивного напівперіоду вхідного сигналу діод відкривається. В цьому випадку до анода прикладається позитивний потенціал, а до катода негативний. При зміні хвилі на негативний напівперіод діод закривається, так як змінюється полярність сигналу на його висновках.
Таким чином, виходить, що діод як би відрізає негативну півхвилю, не пропускаючи її на навантаження і на ній з'являється пульсуючий струм тільки однієї полярності. Залежно від частоти прикладеної напруги, а для промислових мереж вона становить 50 Гц, змінюється і відстань між імпульсами. Такого виду ток називається випрямленою, а сам процес -однополуперіодним випрямляння.
Випрямляючи сигнал, використовуючи один діод, можна живити навантаження, не пред'являє особливих вимог до якості напруги. Наприклад, нитка розжарення. Але якщо живити, наприклад, приймач, то з'явиться низькочастотний гул, джерелом якого і буде проміжок, що виникає між імпульсами. В деякій мірі для позбавлення від недоліків однополупериодного випрямлення спільно з діодом застосовується паралельно включений навантаженні конденсатор. Цей конденсатор заряджатиметься під час вступу імпульсів і розряджатися при їх відсутності на навантаження. А значить, чим більше значення ємності конденсатора, тим ток на навантаженні буде більш згладжений.
Але найбільшого якості сигналу можливо досягти, якщо використовувати для випрямлення одночасно дві напівхвилі. Пристрій, що дозволяє це реалізувати, отримало назву діодний міст, або по-іншому - випрямний.
Діодний міст
Такий пристрій являє собою електричний прилад, службовець для перетворення змінного струму в постійний. Словосполучення «діодний міст» утворюється з слова «діод», що передбачає використання в ньому діодів. Схема діодного моста випрямляча залежить від мережі змінного струму, до якої він підключається. Мережа може бути:
- однофазної;
- трифазної.
Залежно від цього і випрямляючий міст називається мостом Гретца або випрямлячем Ларіонова. У першому випадку використовується чотири діода, а в другому прилад збирається вже на шести.
Перша схема випрямного приладу збиралася на радіолампах і вважалася складним і дорогим рішенням. Але з розвитком напівпровідникової техніки діодний міст повністю витіснив альтернативні способи випрямлення сигналу. Замість діодів рідко, але ще застосовуються селенові стовпи.
Конструкції і характеристики приладу
Конструктивно випрямний міст виконується з набору окремих діодів або литого корпусу, що має чотири висновки. Корпус може бути плоского або циліндричного вигляду. За прийнятим стандартом, значками на корпусі приладу відзначаються висновки підключення змінної напруги і вихідного постійного сигналу. Випрямлячі, мають корпус з отвором, призначені для кріплення на радіатор. Основними характеристиками випрямного моста є:
- Найбільше пряму напругу. Це максимальна величина, при якій параметри приладу не виходять за межі допустимих.
- Найбільше припустиме зворотна напруга. Це максимальне імпульсна напруга, при якому міст що надійно працює.
- Найбільший робочий струм випрямлення. Позначає середній струм, що протікає через міст.
- Максимальна частота. Частота подається на міст напруги, при якій прилад працює ефективно і не перевищує допустимий нагрів.
Перевищення значень характеристик випрямляча призводить до різкого скорочення терміну його служби або пробою pn переходів. Необхідно відзначити такий момент, що всі параметри діодів вказуються для температури навколишнього середовища 20 градусів. До недоліків застосування мостової схеми випрямлення відносять більше падіння напруги, в порівнянні з однополупериодной схемою, і більш низьке значення коефіцієнта корисної дії. Для зменшення величини втрат і зниження нагріву мости часто виготовляють із застосуванням швидких діодів Шотки.
Схема підключення пристрою
На електричних схемах і друкованих платах діодний випрямляч позначається у вигляді значка діода або латинськими літерами. Якщо випрямляч зібраний з окремих діодів, то поруч з кожним ставиться позначення VD і цифра, що позначає порядковий номер діода в схемі. Рідко використовуються написи VDS або BD.
Доданий випрямляч може підключатися безпосередньо до мережі 220 вольт або після понижувального трансформатора, але схема включення його залишається незмінною.
При надходженні сигналу в кожному з напівперіодів струм зможе протікати тільки через свою пару діодів, а протилежна пара буде для нього замкнена. Для позитивного напівперіоду відкритими будуть VD2 і VD3, а для негативного VD1 і VD4. У підсумку на виході вийде постійний сигнал, але його частота пульсації буде збільшена в два рази. Для того щоб зменшити пульсацію вихідного сигналу, використовується, як і у випадку з одним діодом, паралельне включення конденсатора С1. Такий конденсатор ще називають згладжує.
Але трапляється так, що діодний міст ставиться не тільки в змінну мережу, а й підключається в уже випрямлену. Для чого потрібен діодний міст в такому колі, стане зрозуміло, якщо звернути увагу в яких схемах використовується таке його включення. Ці схеми пов'язані з використанням чутливих радіоелементів до переполюсовке харчування. Використання моста дозволяє здійснити просту, але ефективну захист «від дурня». У разі помилкового підключення полярності харчування радіоелементи, встановлені за мостом, не вийдуть з ладу.
Перевірка на працездатність
Такий тип електронного приладу можна перевірити, чи не випаюючи зі схеми, так як в конструкціях пристроїв ніяке його шунтування не використовується. У разі випрямляча, зібраного з діодів, перевіряється кожен діод окремо. А у випадку з монолітним корпусом вимірювання проводяться на всіх чотирьох його висновках.
Суть перевірки зводиться до прозвонке мультиметром діодів на коротке замикання. Для цього виконуються наступні дії:
- Мультиметр перемикається в режим хребці діодів або опору.
- Штекер одного проводу (чорного) вставляється в загальне гніздо тестера, а другого (червоного) в гніздо перевірки опору.
- Щупом, підключеним чорним проводом, доторкніться до першої ніжки, а щупом червоного проводу до третього виведення. Тестер повинен показати нескінченність, а якщо поміняти полярність проводів, то мультиметр покаже опір переходу.
- Мінус тестера подається на четверту ногу, а плюс на третю. Мультиметр покаже опір, при зміні полярності нескінченність.
- Мінус на першу ногу, плюс на другу. Тестер покаже відкритий перехід, при зміні - закритий.
Такі свідчення тестера говорять про справність випрямляча. У разі відсутності мультиметра можна скористатися звичайним вольтметром. Але при цьому доведеться подати харчування на схему і заміряти напругу на згладжуючому конденсаторі. Його величина повинна перевищувати вхідний в 1, 4 рази.