Kako deluje usmernik?

Vsebina

• Mostični usmernik in usmernik dioda
• Silicijeve in germanijeve diode
• Polovodni usmernik vezje
• Polnovodni usmernik vezje
• Komponente in aplikacije usmernikov
• Uporaba usmernikov

Morda se boste vprašali, kako daljnovodi električni tokovi na dolge razdalje za različne namene. In obstajajo različne "vrste" električne energije. Električna energija, ki napaja električne železniške sisteme, morda ni primerna za gospodinjske aparate, kot so telefoni in televizorji. Usmerniki pomagajo s pretvorbo med temi različnimi vrstami električne energije.

Mostični usmernik in usmernik dioda

Usmerniki vam omogočajo pretvorbo iz izmeničnega toka (AC) v enosmerni tok (DC). AC je tok, ki se v rednih intervalih preklaplja med teče nazaj in naprej, medtem ko DC teče v eni smeri. Na splošno se zanašajo na mostni usmernik ali usmerniško diodo.

Vsi usmerniki uporabljajo P-N križišča, polprevodniške naprave, ki prepuščajo električni tok samo v eni smeri od nastanka polprevodnikov p tipa s polprevodniki n-tipa. Stran "p" ima presežek lukenj (mesta, kjer ni elektronov), zato je pozitivno nabit. Stran "n" je negativno nabit z elektroni v njihovih zunanjih lupinah.

Številna vezja s to tehnologijo so zgrajena z a mostni usmernik. Mostični usmerniki pretvorijo AC v enosmerni tok z uporabo svojega sistema diod, izdelanega iz polprevodniškega materiala, bodisi polovično valovno metodo, ki usmeri eno smer AC signala, ali pa metoda polnega vala, ki usmeri obe smeri vhodnega AC.

Polprevodniki so materiali, ki puščajo tok, ker so narejeni iz kovin, kot so galij, ali metaloidi, kot je silicij, ki so onesnaženi z materiali, kot je fosfor, kot sredstvo za uravnavanje toka. Mostični usmernik lahko uporabite za različne aplikacije za širok razpon tokov.

Mostični usmerniki imajo tudi prednost, da oddajajo več napetosti in moči kot drugi usmerniki. Kljub tem prednostim mostični usmerniki trpijo zaradi uporabe štirih diod z dodatnimi diodami v primerjavi z drugimi usmerniki, kar povzroči padec napetosti, ki zmanjša izhodno napetost.

Silicijeve in germanijeve diode

Znanstveniki in inženirji večinoma uporabljajo silicij pogosteje kot germanij pri ustvarjanju diod. Silicijevi p-n stičišči delujejo učinkoviteje pri višjih temperaturah kot germanijski. Silikonski polprevodniki omogočajo lažji pretok električnega toka in jih je mogoče ustvariti z nižjimi stroški.

Te diode izkoriščajo p-n priključek za pretvorbo izmeničnega toka v enosmerni tok kot nekakšno električno "stikalo", ki omogoča pretok toka v smeri naprej ali nazaj glede na smer p-n stičišča. Sprednje pristranske diode pustijo, da tok še naprej teče, medtem ko ga povratne pristranske diode blokirajo. To povzroča, da imajo silicijeve diode sprednjo napetost približno 0,7 voltov, tako da omogočajo le tok, če je več kot voltov. Pri germanijevih diodah je sprednja napetost 0,3 volta.

Anodni terminal akumulatorja, elektrode ali drugega napetostnega vira, kjer se v tokokrogu pojavi oksidacija, napaja luknje na katodi diode pri tvorbi p-n stika. V nasprotju s tem katoda napetostnega vira, kjer pride do zmanjšanja, zagotavlja elektrone, ki so poslani na anodo diode.

Polovodni usmernik vezje

Lahko se naučite, kako polovični usmerniki so povezani v vezjih, da razumejo, kako delujejo. Polovični valovni usmerniki preklopijo med premikanjem naprej in vzvratno pristranskostjo na podlagi pozitivnega ali negativnega polkroga vhodnega AC vala. Ta signal je tovornemu uporu, tako da je tok, ki teče skozi upor, sorazmeren napetosti. To se zgodi zaradi Ohmovega zakona, ki predstavlja napetost V kot produkt toka jaz in odpornost R v V = IR.

Napetost na uporovnem uporu lahko izmerite kot napajalno napetost V_s, ki je enaka izhodni enosmerni napetosti V_ven. Upor, povezan s to napetostjo, je odvisen tudi od diode samega vezja. Nato se usmernik usmernika preusmeri na vzvratno pristranskost, v kateri je negativni pol cikel vhodnega AC signala. V tem primeru skozi diodo ali vezje ne teče noben tok in izhodna napetost pade na 0. Izhodni tok je torej enosmerni.

Polnovodni usmernik vezje

••• Syed Hussain Ather

Polno valni usmerniki v nasprotju s tem uporabljajo celoten cikel (s pozitivnimi in negativnimi pol cikli) vhodnega AC signala. Štiri diode v polnovodnem usmerniškem vezju so razporejene tako, da, ko je vhod izmeničnega signala pozitiven, tok teče po diodi iz D₁ do odpornosti proti obremenitvi in ​​nazaj do vira izmeničnega toka skozi D₂. Kadar je napajalni signal negativen, tok sprejme D₃-naloži-D₄ pot namesto tega. Upor obremenitve oddaja tudi enosmerno napetost iz usmernika.

Povprečna napetostna vrednost usmernika polnega vala je dvakrat večja od polovičnega usmernika in srednja napetost v kvadratu, metoda merjenja izmenične napetosti polnega valovnega usmernika je √2-krat večja od pol-valovnega usmernika.

Komponente in aplikacije usmernikov

Večina elektronskih naprav v vašem gospodinjstvu uporablja izmenični tok, vendar nekatere naprave, kot so prenosniki, pretvorijo ta tok v enosmerni tok, preden ga uporabite. Večina prenosnih računalnikov uporablja vrsto napajanja z napajalnim načinom (SMPS), ki omogoča izhodni enosmerni napetosti večjo moč za velikost, ceno in težo adapterja.

SMPS delujejo z usmernikom, oscilatorjem in filtrom, ki nadzorujejo modulacijo širine impulzov (metoda zmanjšanja moči električnega signala), napetosti in toka. Oscilator je vir AC signala, iz katerega lahko določite amplitudo toka in smer, v kateri teče. Nato napajalnik AC uporablja to za povezavo z napajalnikom in pretvarja visoko izmenično napetost v nizko enosmerno napetost, obliko, ki jo lahko sam uporablja med polnjenjem.

Nekateri usmerniški sistemi uporabljajo tudi gladek tokokrog ali kondenzator, ki jim omogoča, da oddajajo konstantno napetost, namesto takšne, ki se s časom spreminja. Elektrolitski kondenzator gladilnih kondenzatorjev lahko doseže kapacitete med 10 in tisoč mikrofaradami (µF). Večja kapacitivnost je potrebna za večjo vhodno napetost.

Drugi usmerniki uporabljajo transformatorje, ki spreminjajo napetost z uporabo štiriplastnih polprevodnikov tiristorji poleg diod. A usmernik z nadzorom silicija, drugo ime za tiristor, uporablja katodo in anodo, ločeno z zapornico in njenimi štirimi sloji, da ustvari dva p-n stičišča, razporejena drug na drugem.

Uporaba usmernikov

Vrste usmerniških sistemov se med različnimi aplikacijami razlikujejo pri spreminjanju napetosti ali toka. Poleg že obravnavanih aplikacij usmerniki najdejo uporabo v spajkalni opremi, električnem varjenju, radijskih signalih AM, impulznih generatorjih, napetostnih multiplikatorjih in napajalnih vezjih.

Spajkalniki, ki se uporabljajo za povezovanje delov električnih tokokrogov, uporabljajo polvolovne usmernike za eno smer vhodnega izmeničnega toka. Električne tehnike varjenja, ki uporabljajo vezja mostnega usmernika, so idealni kandidati za zagotavljanje enakomerne, polarizirane enosmerne napetosti.

AM radio, ki modulira amplitudo, lahko s polovičnimi usmerniki zazna spremembe v vhodu električnega signala. Impulzijski tokokrogi, ki ustvarjajo pravokotne impulze za digitalna vezja, uporabljajo polvolovne usmernike za spreminjanje vhodnega signala.

Usmerniki v napajalnih vezjih pretvorijo AC v enosmerni tok iz različnih napajalnikov. To je koristno, saj se enosmerni tok običajno pošlje na velike razdalje, preden se pretvori v izmenični tok za gospodinjsko elektriko in elektronske naprave. Te tehnologije veliko uporabljajo mostični usmernik, ki lahko prenese spremembo napetosti.