У блоках харчування радіо- і електроапаратури майже завжди використовуються випрямлячі, призначені для перетворення змінного струму в постійний. Пов'язано це з тим, що практично всі електронні схеми і багато інших пристроїв повинні харчуватися від джерел постійного струму. Випрямлячем може служити будь-який елемент з нелінійної вольт-амперної характеристикою, іншими словами, по-різному пропускає струм в протилежних напрямках. У сучасних пристроях як таких елементів, як правило, використовуються площинні напівпровідникові діоди.
Схема напівпровідникового діода.
Площинні напівпровідникові діоди
Поряд з хорошими провідниками і ізоляторами існує дуже багато речовин, що займають по провідності проміжне положення між двома цими класами. Називають такі речовини напівпровідниками. Опір чистого напівпровідника з ростом температури зменшується на відміну від металів, опір яких в цих умовах зростає.
Додаючи до чистого напівпровідника невелика кількість домішки, можна в значній мірі змінити його провідність. Існує два класи таких домішок:
Малюнок 1. Площинний діод: а. пристрій діода; б. позначення діода в електротехнічних схемах; в. зовнішній вигляд площинних діодів різної потужності.
- Донорні - перетворюють чистий матеріал в напівпровідник n-типу, що містить надлишок вільних електронів. Провідність такого типу називають електронної.
- Акцепторні - перетворюють такий же матеріал в напівпровідник p-типу, що володіє штучно створеним недоліком вільних електронів. Провідність такого напівпровідника називають доречний. «Дірка» - місце, яке покинув електрон, поводиться аналогічно позитивного заряду.
Шар на кордоні напівпровідників p- і n-типу (pn перехід) має однобічну провідність - добре проводить струм в одному (прямому) напрямку і дуже погано в протилежному (зворотному). Пристрій площинного діода показано на малюнку 1а. Основа - пластинка з напівпровідника (германій) з невеликою кількістю донорної домішки (n-типу), на яку поміщається шматочок індію, що є акцепторною домішкою.
Після нагріву індій дифундує в прилеглі області напівпровідника, перетворюючи їх в напівпровідник p-типу. На кордоні областей з двома типами провідності і виникає pn перехід. Висновок, з'єднаний з напівпровідником p-типу, називають анодом отриманого діода, протилежний - його катодом. Зображення напівпровідникового діода на принципових схемах наведено на рис. 1б, зовнішній вигляд площинних діодів різної потужності - на рис. 1в.
найпростіший випрямляч
Малюнок 2. Характеристики струму в різних схемах.
Струм, що протікає в звичайній освітлювальної мережі, є змінним. Його величина і напрямок змінюються 50 разів протягом однієї секунди. Графік залежності його напруги від часу показаний на рис. 2а. Червоним кольором показані позитивні напівперіоди, синім - негативні.
Оскільки величина струму змінюється від нуля до максимального (амплітудного) значення, вводиться поняття чинного значення струму і напруги. Наприклад, в освітлювальної мережі діюче значення напруги 220 В - у включеному в цю мережу нагрівальному приладі за однакові проміжки часу виділяється стільки ж тепла, скільки в тому самому пристрої, в ланцюзі постійного струму напругою 220 В.
Але насправді напруга в мережі змінюється за 0, 02 с наступним чином:
- першу чверть цього часу (періоду) - збільшується від 0 до 311 В;
- другу чверть періоду - зменшується від 311 В до 0;
- третю чверть періоду - зменшується від 0 до 311 В;
- останню чверть періоду - зростає від 311 В до 0.
У цьому випадку 311 В - амплітуда напруги U о. Амплітудне і чинне (U) напруги пов'язані між собою формулою:
U o = √2 * U.
Малюнок 3. Діодний міст.
При включенні в ланцюг змінного струму послідовно з'єднаних діода (VD) і навантаження (рис. 2б), струм через неї протікає тільки під час позитивних напівперіодів (рис. 2в). Відбувається це завдяки односторонньої провідності діода. Називається такий випрямляч однополуперіодним - одну половину періоду струм в ланцюзі є, під час другої - відсутня.
Струм, що протікає через навантаження в такому випрямлячі, не є постійним, а пульсуючий. Перетворити його практично в постійний можна, включивши паралельно навантаженні конденсатор фільтра C ф досить великої ємності. Протягом першої чверті періоду конденсатор заряджається до амплітудного значення, а в проміжках між пульсаціями розряджається на навантаження. Напруга стає майже постійним. Ефект згладжування тим сильніше, чим більше ємність конденсатора.
Схема діодного моста
Більш досконалою є двонапівперіодна схема випрямлення, коли використовуються і позитивний, і негативний напівперіод. Існує кілька різновидів таких схем, але найчастіше використовується бруківка. Схема діодного моста приведена на рис. 3в. На ній червона лінія показує, як протікає струм через навантаження під час позитивних, а синя - негативних напівперіодів.
Малюнок 4. Схема випрямляча на 12 вольт з використанням діодного моста.
І першу, і другу половину періоду струм через навантаження протікає в одному і тому ж напрямку (рис. 3б). Кількість пульсації протягом однієї секунди не 50, як при однополуперіодним випрямленні, а 100. Відповідно, при тій же ємності конденсатора фільтра ефект згладжування буде більш яскраво виражений.
Як видно, для побудови діодного моста необхідно 4 діода - VD1-VD4. Раніше діодні мости на принципових схемах зображували саме так, як на рис. 3в. Нині загальноприйнятим вважається зображення, показане на рис. 3г. Хоча на ній тільки одне зображення діода, не слід забувати, що міст складається з чотирьох діодів.
Мостова схема найчастіше збирається з окремих діодів, але іноді застосовуються і монолітні діодні збірки. Їх простіше монтувати на платі, але зате при виході з ладу одного плеча моста, замінюється вся збірка. Вибирають діоди, з яких монтується міст, виходячи з величини протікає через них струму і величини допустимої зворотної напруги. Ці дані дозволяє отримати інструкція до діодів або довідники.
Повна схема випрямляча на 12 вольт з використанням діодного моста приведена на рис. 4. Т1 - понижуючий трансформатор, вторинна обмотка якого забезпечує напругу 10-12 В. Запобіжник FU1 - незайва деталь з точки зору техніки безпеки і нехтувати ним не варто. Марка діодів VD1-VD4, як уже говорилося, визначається величиною струму, який буде споживатися від випрямляча. Конденсатор С1 - електролітичний, ємністю 1000, 0 мкФ або вище на напругу не нижче 16 В.
Напруга на виході - фіксоване, величина його залежить від навантаження. Чим більше струм, тим менше величина цієї напруги. Для отримання регульованого і стабільного вихідної напруги потрібно більш складна схема. Отримати регульоване напруга від схеми, наведеної на рис. 4 можна двома способами:
- Подаючи на первинну обмотку трансформатора Т1 регульоване напруга, наприклад, від ЛАТРа.
- Зробивши від вторинної обмотки трансформатора кілька відводів і поставивши, відповідно, перемикач.