Doğrultucu diyot nasıl çalışır? Doğrultucu diyotlar, diyot köprüleri ve uygulama alanları. Temel cihaz parametreleri
Tüm diyotlar doğrultucu olmasına rağmen, bu terim genellikle güç sağlama amaçlı cihazlara, onları küçük sinyal devreleri için kullanılan elemanlardan ayırmak için uygulanır. Yüksek güçlü doğrultucu diyot, yük sırasında yüksek güç yayıldığında 50Hz'lik düşük besleme frekansına sahip AC akımını düzeltmek için kullanılır.
Diyot özellikleri
Diyotun asıl görevi alternatif voltajın doğru voltaja dönüştürülmesi Doğrultucu köprülerde kullanım yoluyla. Bu, elektriğin yalnızca tek yönde akmasına izin vererek güç kaynağının çalışır durumda kalmasını sağlar.
Doğrultucu diyotun çalışma prensibini anlamak kolaydır. Elemanı pn bağlantısı adı verilen bir yapıdan oluşur. P tipi tarafa anot, n tipi tarafa ise katot adı verilir. Akım anottan katoda aktarılırken ters yönde akması neredeyse tamamen engellenir. Bu olaya düzleşme denir. Alternatif akımı tek yönlü akıma dönüştürür. Bu tür cihazlar normal diyotlardan daha yüksek elektriği kaldırabilir, bu yüzden bunlara yüksek güç denir. Yüksek miktarda akımı iletebilmeleri ana özellikleri olarak sınıflandırılabilir.
Bugün Silikon diyotlar en yaygın olarak kullanılır. Germanyumdan yapılan elemanlarla karşılaştırıldığında daha geniş bağlantı yüzeyine sahiptirler. Germanyumun ısıya karşı direnci düşük olduğundan yarı iletkenlerin çoğu silikondan yapılır. Germanyumdan yapılmış cihazlar önemli ölçüde daha düşük izin verilen ters voltaja ve bağlantı sıcaklığına sahiptir. Bir germanyum diyotun silikona göre sahip olduğu tek avantaj, ileri yönde çalışırken daha düşük voltaj değeridir (VF (IO) = germanyum için 0,3 ÷ 0,5 V ve silikon için 0,7 ÷ 1,4 V).
Redresörlerin çeşitleri ve teknik parametreleri
Günümüzde birçok farklı düzleştirici türü bulunmaktadır. Genellikle aşağıdakilere göre sınıflandırılırlar:
En yaygın türleri 1 A, 1,5 A, 3 A, 5 A ve 6 A'dır. Maksimum ortalama doğrultulmuş akımı 400 A'ya kadar olan standart cihazlar da vardır. İleri voltaj 1,1 mV ile 1,3 kV arasında değişebilir.
aşağıdaki izin verilen limitlerle karakterize edilir:
Yüksek performanslı bir elemanın örneği, baz istasyonları, kaynakçılar, AC/DC güç kaynakları ve endüstriyel uygulamalar için en uygun olan 2x30A Çift Yüksek Akım Doğrultucu Diyottur.
Uygulama değeri
En basit yarı iletken bileşen olan bu diyot türü, modern elektronik sistemlerde geniş bir uygulama alanına sahiptir. Çeşitli elektronik ve elektrik devreleri, bu bileşeni istenen sonucu elde etmek için önemli bir cihaz olarak kullanır. Doğrultucu köprülerin ve diyotların uygulama kapsamı geniştir. İşte böyle birkaç örnek:
- alternatif akımın doğrudan voltaja dönüştürülmesi;
- güç kaynağından gelen sinyallerin izolasyonu;
- Voltaj referansı;
- sinyal boyutu kontrolü;
- sinyallerin karıştırılması;
- algılama sinyalleri;
- aydınlatma sistemleri;
- lazerler.
Güç doğrultucu diyotlar güç kaynaklarının hayati bir bileşenidir. Bilgisayarlarda ve arabalarda gücü düzenlemek için kullanılırlar ve ayrıca pil şarj cihazlarında ve bilgisayar güç kaynaklarında da kullanılabilirler.
Ek olarak, sıklıkla başka amaçlar için de kullanılırlar (örneğin, radyo modülasyonu için radyo alıcılarının dedektöründe). Schottky bariyer diyot çeşidi özellikle dijital elektronikte değerlidir. -40 ila +175 °C arasındaki çalışma sıcaklığı aralığı, bu cihazların her koşulda kullanılmasına olanak sağlar.
Yarı iletken diyotlar ve özellikleri
Bir diyot, bir taneden oluşan yarı iletken bir cihazdır - geçiş ve iki terminali vardır: anot ve katot. Yarı iletken diyotlar çok sayıdadır ve ana sınıflandırma özelliklerinden biri, belirli bir olgunun kullanımıyla ilişkili olan amaçlarıdır. - geçiş.
Alternatif akımı doğru akıma dönüştürmek için tasarlanmış diyotlara denir. düzeltiyorum. D Onlar için asıl olan, valf etkisidir (ileri akımın geriye doğru büyük bir oranı), ancak zaman ve frekans özellikleri için katı gereklilikler yoktur. Önemli akımlar için tasarlanmışlardır ve geniş bir alana sahiptirler. geçiş. Gerçek diyotlarda kural olarak asimetrik diyotlar kullanılır. - geçişler. Bu tür geçişlerde, kristalin bölgelerinden biri (çoğunluk taşıyıcılarının daha yüksek konsantrasyonda olduğu bölge) genellikle oldukça düşük dirençli, diğeri ise yüksek dirençlidir. Düşük dirençli bölge, mobil yük taşıyıcılarının baskın kaynağıdır ve bağlantı doğrudan açıldığında diyottan geçen akım neredeyse tamamen çoğunluk taşıyıcılarının akışı tarafından belirlenir. Bu nedenle diyot yarı iletken kristalinin düşük dirençli bölgesine yayıcı adı verilir. Ana yük taşıyıcılarının konsantrasyonundaki farklılık konumu da etkiler. - farklı elektriksel iletkenlik türlerine sahip bölgelerin sınırında geçiş. Düşük dirençli bölgedeki (yukarıda belirtildiği gibi) daha yüksek taşıyıcı konsantrasyonu nedeniyle genişlik - yüksek dirençli olana göre daha az geçiş vardır. Ana taşıyıcıların konsantrasyonundaki fark büyükse, o zaman - Geçiş neredeyse tamamen taban adı verilen yüksek dirençli bölgede yer alacak.
Gerçek diyotların akım-gerilim özellikleri ve - geçişler birbirine yakındır ancak aynı değildir (Şekil 1.6). Hem ileri hem de geri dallarda farklılıklar görülmektedir. Bu, bir bağlantı noktasındaki süreçleri analiz ederken ne kristalin ve bağlantı noktasının boyutlarının ne de bağlantı noktasına bitişik yarı iletken katmanların direncinin dikkate alınmaması gerçeğiyle açıklanmaktadır. Direnç ile karakterize edilen yüksek dirençli bir baz bölgesinin yarı iletken kristalindeki varlığı, ek bir voltaj düşüşüne yol açar, bunun sonucunda diyotun doğrudan dalının bağlantı noktasından daha aşağı geçmesine neden olur. Diyotun akım-gerilim karakteristiğinin ters dalı ideal bir bağlantınınkinden daha düşüktür, çünkü Kristalin yüzeyi boyunca kaçak akım doyma akımına eklenir.
Şekil 1.6 - Diyot sembolü (a);
akım-gerilim özellikleri (v):
1 - ideal - geçiş, 2 – gerçek diyot
Diyotlar germanyum veya silikondan yapılabilir; akım-gerilim özelliklerinde önemli farklılıklar vardır (Şekil 1.7)
Şekil 1.7 - Germanyumun akım-gerilim özellikleri (1),
silikon (2) diyotlar
Karakteristiğin ileri dalının sola kayması, potansiyel bariyerin büyüklüğündeki farktan kaynaklanır ve ters dalın konumu, bant aralığına bağlı olan azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonlarındaki farkla belirlenir. yarı iletkenden.
Akım-gerilim karakteristiğinin türü yarı iletken kristalin sıcaklığına bağlıdır (Şekil 1.8).
Şekil 1.8 - Diyotun akım-gerilim karakteristiği tipinin sıcaklığa bağlılığı
Sıcaklık arttıkça, sabit ileri akımda diyot boyunca ileri gerilim düşüşü azalır. İleri voltaj, 1°C sıcaklık değişimiyle 2,1 mV değişir.
Ters akım, sıcaklığın artmasıyla birlikte germanyum diyotlar için sıcaklık 10°C değiştiğinde iki kat, silikon diyotlar için üç kat artar, ancak silikon diyotların ters akımının, sıcaklık 10°C'den üç kat daha az olduğu dikkate alınmalıdır. germanyum diyotlar.
Şu anda, aşağıdaki avantajlara sahip olan silikon doğrultucu diyotlar en yaygın şekilde kullanılmaktadır:
Aynı voltajda çoğu zaman daha küçük (germanyuma kıyasla) ters akımlar; 1000...1500 V'a ulaşan izin verilen ters voltajın yüksek değeri, germanyum diyotlar için ise 100...400 W aralığındadır;
Silikon diyotların performansı -60 ila +150 arasındaki sıcaklıklarda korunur °С, germanyum - yalnızca -60 ila +85 °C arası (85 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, germanyumdaki termal üretim keskin bir şekilde artar, bu da ters akımı artırır ve diyotun valf özelliklerini kaybetmesine neden olabilir).
Bununla birlikte, düşük voltajlı ve yüksek akımlı doğrultucu cihazlarda, ileri yöndeki dirençleri aynı yük akımındaki silikon diyotlarınkinden 1,5...2 kat daha az olduğundan, germanyum diyotların kullanılması daha karlı olur; diyotun içinde dağılan güç.
Doğrultucu diyotların ana parametreleri:
izin verilen maksimum ters voltaj diyot - diyotun performansını etkilemeden uzun süre dayanabileceği ters yönde uygulanan voltajın değeri;
ortalama düzeltilmiş akım diyot - dönem boyunca diyottan akan düzeltilmiş akımın ortalama değeri;
darbeli doğru akım diyot - belirli bir maksimum süre, görev döngüsü ve darbe şeklinde mevcut darbenin tepe değeri;
ortalama ters akım diyot - dönem boyunca ters akımın ortalama değeri;
ortalama ileri gerilim belirli bir ortalama ileri akım değerinde diyot;
ortalama güç dağılımı diyot - akım ileri ve geri yönlerde aktığında diyot tarafından harcanan süre boyunca ortalama güç;
diferansiyel direnç diyot - diyot üzerindeki ileri voltaj artışının buna neden olan küçük akım artışına oranı.
Doğrultucu diyotların temel amacı voltaj dönüşümüdür. Ancak bu yarı iletken elemanların tek uygulama alanı bu değildir. Kademeli jeneratörlerde vb. kullanılan anahtarlama ve kontrol devrelerine monte edilirler. Yeni başlayan radyo amatörleri, bu yarı iletken elemanların nasıl yapılandırıldığını ve çalışma prensiplerini öğrenmekle ilgileneceklerdir. Genel özelliklerle başlayalım.
Cihaz ve tasarım özellikleri
Ana yapısal eleman bir yarı iletkendir. Bu, p ve n iletkenliğinin iki bölgesine sahip olan silikon veya germanyum kristalinden yapılmış bir levhadır. Bu tasarım özelliğinden dolayı düzlemsel olarak adlandırılmaktadır.
Bir yarı iletken üretilirken kristal şu şekilde işlenir: p tipi bir yüzey elde etmek için erimiş fosforla işlenir ve p tipi yüzey için bor, indiyum veya alüminyum ile işlenir. Isıl işlem sırasında bu malzemelerin ve kristalin difüzyonu meydana gelir. Sonuç olarak, farklı elektriksel iletkenliğe sahip iki yüzey arasında p-n eklemli bir bölge oluşur. Bu şekilde elde edilen yarı iletken mahfazaya monte edilir. Bu, kristali dış etkilerden korur ve ısı dağılımını destekler.
Tanımlar:
- A – katot çıkışı.
- B – kristal tutucu (gövdeye kaynaklanmıştır).
- C – n-tipi kristal.
- D – p tipi kristal.
- E – anot terminaline giden kablo.
- F – yalıtkan.
- G-gövde.
- H – anot çıkışı.
Daha önce de belirtildiği gibi, p-n bağlantısının temeli olarak silikon veya germanyum kristalleri kullanılır. Birincisi çok daha sık kullanılır, bunun nedeni germanyum elementlerinde ters akımların çok daha yüksek olmasıdır, bu da izin verilen ters voltajı önemli ölçüde sınırlar (400 V'u geçmez). Silikon yarı iletkenler için bu karakteristik 1500 V'a kadar ulaşabilir.
Ayrıca germanyum elementlerinin çalışma sıcaklığı aralığı çok daha dar olup, -60°C ile 85°C arasında değişmektedir. Üst sıcaklık eşiği aşıldığında ters akım keskin bir şekilde artar ve bu da cihazın verimliliğini olumsuz yönde etkiler. Silikon yarı iletkenler için üst eşik yaklaşık 125°C-150°C'dir.
Güç sınıflandırması
Elemanların gücü izin verilen maksimum doğru akıma göre belirlenir. Bu özelliğe uygun olarak aşağıdaki sınıflandırma benimsenmiştir:
Ana özelliklerin listesi
Aşağıda doğrultucu diyotların ana parametrelerini açıklayan bir tablo bulunmaktadır. Bu özellikler veri sayfasından (elemanın teknik açıklaması) elde edilebilir. Kural olarak, radyo amatörlerinin çoğu, şemada belirtilen elemanın mevcut olmadığı durumlarda bu bilgiye yönelir, bu da onun için uygun bir analog bulmayı gerektirir.
Çoğu durumda, belirli bir diyotun bir analogunu bulmanız gerekiyorsa, tablodaki ilk beş parametrenin oldukça yeterli olacağını unutmayın. Bu durumda elemanın çalışma sıcaklığı aralığının ve frekansının dikkate alınması tavsiye edilir.
Çalışma prensibi
Doğrultucu diyotların çalışma prensibini açıklamanın en kolay yolu bir örnek vermektir. Bunu yapmak için, gücün U IN voltajına sahip bir alternatif akım kaynağından geldiği (grafik 2) ve VD üzerinden R yüküne gittiği basit bir yarım dalga doğrultucunun devresini simüle ediyoruz (Şekil 6'da 1'e bakın).
Pirinç. 6. Tek diyotlu doğrultucunun çalışma prensibi Pozitif yarı döngü sırasında diyot açık konumdadır ve akımı içinden yüke iletir. Negatif yarım çevrim sırası geldiğinde cihaz kilitlenir ve yüke enerji verilmez. Yani, negatif yarım dalganın bir tür kesilmesi var (aslında bu tamamen doğru değil, çünkü bu işlem sırasında her zaman ters bir akım vardır, değeri I arr. karakteristiği tarafından belirlenir).
Sonuç olarak grafik (3)'ten görülebileceği gibi çıkışta pozitif yarım döngülerden oluşan darbeler yani doğru akım alıyoruz. Bu, yarı iletken elemanların doğrultulmasının çalışma prensibidir.
Böyle bir doğrultucunun çıkışındaki darbe voltajının yalnızca düşük gürültülü yüklere güç sağlamak için uygun olduğunu unutmayın; bir örnek, bir el feneri asit aküsü için şarj cihazı olabilir. Uygulamada bu şema, ürünlerinin maliyetini mümkün olduğunca azaltmak amacıyla yalnızca Çinli üreticiler tarafından kullanılıyor. Aslında tasarımın sadeliği onun tek kutbudur.
Tek diyotlu doğrultucunun dezavantajları şunlardır:
- Düşük verim, negatif yarım çevrimler kesildiği için cihazın verimi %50'yi geçmez.
- Çıkış voltajı giriş voltajının yaklaşık yarısı kadardır.
- Tedarik ağının frekansında karakteristik bir uğultu şeklinde kendini gösteren yüksek gürültü seviyesi. Bunun nedeni, düşürücü transformatörün asimetrik demanyetizasyonudur (aslında bu tür devreler için, negatif tarafları da olan bir sönümleme kapasitörünün kullanılması daha iyidir).
Bu dezavantajların bir miktar azaltılabileceğini unutmayın; bunun için yüksek kapasiteli bir elektrolite dayalı basit bir filtre yapmak yeterlidir (Şekil 7'de 1).
Pirinç. 7. Basit bir filtre bile dalgalanmayı önemli ölçüde azaltabilir Böyle bir filtrenin çalışma prensibi oldukça basittir. Elektrolit, pozitif yarı döngü sırasında yüklenir ve negatif yarı döngü oluştuğunda deşarj olur. Kapasitans, yükteki voltajı korumak için yeterli olmalıdır. Bu durumda darbeler yaklaşık olarak grafik (2)'de gösterildiği gibi bir miktar yumuşatılacaktır.
Yukarıdaki çözüm durumu biraz iyileştirecektir, ancak çok fazla değil; örneğin aktif bilgisayar hoparlörlerine böyle bir yarım dalga doğrultucudan güç verirseniz, içlerinde karakteristik bir arka plan duyulacaktır. Sorunu çözmek için daha radikal bir çözüme, yani diyot köprüsüne ihtiyaç duyulacaktır. Bu devrenin çalışma prensibine bakalım.
Bir diyot köprüsünün tasarımı ve çalışma prensibi
Böyle bir devre (yarım dalga devresinden) arasındaki önemli fark, her yarım döngüde yüke voltajın sağlanmasıdır. Yarı iletken doğrultucu elemanların bağlanması için devre şeması aşağıda gösterilmiştir.
Yukarıdaki şekilde görülebileceği gibi devre, her yarım döngüde yalnızca iki tanesi çalışacak şekilde bağlanan dört yarı iletken doğrultucu eleman kullanır. Sürecin nasıl gerçekleştiğini ayrıntılı olarak açıklayalım:
- Devre, alternatif bir voltaj Uin alır (Şekil 8'de 2). Pozitif yarı döngü sırasında aşağıdaki devre oluşur: VD4 – R – VD2. Buna göre VD1 ve VD3 kilitli konumdadır.
- Negatif yarım döngü dizisi meydana geldiğinde, polaritenin değişmesi nedeniyle bir devre oluşur: VD1 – R – VD3. Şu anda VD4 ve VD2 kilitlidir.
- Bir sonraki periyotta döngü tekrarlanır.
Sonuçtan da görülebileceği gibi (grafik 3), her iki yarım çevrim de sürece dahil olup, giriş voltajı ne kadar değişirse değişsin, yük üzerinden tek yönde akar. Doğrultucunun bu çalışma prensibine tam dalga denir. Avantajları açıktır, bunları sıralıyoruz:
- Her iki yarım döngü de işe dahil olduğundan, verimlilik önemli ölçüde artar (neredeyse iki kat).
- Köprü devresinin çıkışındaki dalgalanma da frekansı iki katına çıkarır (yarım dalga çözümüyle karşılaştırıldığında).
- Grafik (3)'ten görülebileceği gibi, darbeler arasında düşüşlerin seviyesi azalır, dolayısıyla filtrenin bunları düzeltmesi çok daha kolay olacaktır.
- Doğrultucu çıkışındaki voltaj girişteki voltajla yaklaşık olarak aynıdır.
Köprü devresinden kaynaklanan girişim ihmal edilebilir düzeydedir ve filtre elektrolitik kapasitansı kullanıldığında daha da azalır. Bu sayede bu çözüm, hassas elektronikler kullananlar da dahil olmak üzere hemen hemen her amatör radyo tasarımına yönelik güç kaynaklarında kullanılabilir.
Dört doğrultucu yarı iletken elemanın kullanılmasının hiç gerekli olmadığını unutmayın; plastik bir kutuda hazır bir düzenek almak yeterlidir.
Bu durumda ikisi giriş için ve aynı sayıda çıkış için olmak üzere dört pin vardır. AC voltajın bağlandığı bacaklar “~” işareti veya “AC” harfleriyle işaretlenmiştir. Çıkışta pozitif bacak sırasıyla “+” sembolüyle, negatif bacak ise “-” ile işaretlenmiştir.
Şematik bir diyagramda, böyle bir düzenek genellikle içinde bulunan bir diyotun grafiksel gösterimi ile bir eşkenar dörtgen şeklinde gösterilir.
Bir düzeneğin mi yoksa bireysel diyotların mı kullanılmasının daha iyi olduğu sorusu açık bir şekilde cevaplanamaz. Aralarında işlevsellik açısından hiçbir fark yoktur. Ancak montaj daha kompakttır. Öte yandan, eğer başarısız olursa, yalnızca tam bir değiştirme yardımcı olacaktır. Bu durumda ayrı elemanlar kullanılıyorsa, arızalı doğrultucu diyotun değiştirilmesi yeterlidir.
Uzman olmayanlar tarafından bile bilinen doğrultucu diyot, değişken parametrelere sahip başlangıç potansiyellerinden sabit voltajlar elde etmek için kullanılan özel bir tür yarı iletken tabanlı cihazdır. Bu sınıftaki ürünler, doğrultma etkisini sağlayan tek yönlü iletkenliğe sahip iki elektrotlu cihazlara aittir (aşağıdaki fotoğrafa bakın).
Bu elemanlara dayanarak oluşturulan diyot redresörleri hem elektrik mühendisliğinde hem de modern elektronik ürünlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Çoğu zaman doğrultucu diyotlar basit tek geçitler olarak veya daha karmaşık köprü devrelerinin bir parçası olarak kullanılır.
Doğrultma prensibi
Herhangi bir doğrultucu cihazın anot ve katot adı verilen iki terminali veya elektrodu vardır. Bunların her biri, yarı iletken bağlantıyı oluşturan karşılık gelen iletkenliğe sahip plakalara bağlanır (anot "p" katmanındadır ve katot "n" katmanındadır). Diyotun anotuna bir artı verildiğinde ve katotuna bir eksi verildiğinde ("doğrudan" bağlantı olarak adlandırılan durumda), cihaz açık durumdayken akımı geçirir.
Gelen voltajın polaritesi işaretini değiştirirse (diyotun ters açılması), akım-gerilim karakteristiğine göre yarı iletken bağlantıdan hiçbir akım geçmez. Cihazın tek yönlü iletkenliği sonucunda çıkışında titreşimli bir akım sinyali oluşur (aşağıdaki fotoğrafta gösterilmiştir).
Bu devreye göre, VD diyotundan sonra, düzeltilmiş Un sinyali, amacına uygun olarak kullanıldığı R yüküne (şimdilik filtreleme olmadan) gider.
Not! Bir doğrultucu cihazın girişine belirli bir genlikte U alternatif voltajı uygulanırsa, içinden geçen akım ve R yükü yalnızca bir yönde akacaktır.
Düzeltmenin bir sonucu olarak, yükte, daha sonra filtreleme amacıyla elektrolitik kapasitörlere sağlanan bir dizi pozitif yarım dalga görünecektir. Ancak kapasitörler aracılığıyla dalgalanmaları düzelttikten sonra, nihayet düzeltilen voltajdan bahsetmek mümkün olacaktır.
Akım-gerilim karakteristiği (CVC)
Burada ele alınan cihazın akım-gerilim karakteristiği aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.
Koordinat eksenlerinin ilk çeyreğinde (sağ üst), Ipr akımının doğrultucuya sağlanan Upr voltajına bağımlılığının doğrudan bir dalının olduğunu gösterir. Şekli ile, kutuplarına uygulanan potansiyelin pozitif polaritesi ile diyotun düşük direncini gösterir (45 dereceye yakın eğime sahip doğrusal kısım).
Üçüncü çeyrekte (sol altta) ters dal vardır, yatay konumu pn bağlantısının yüksek direncini gösterir.
Bu çeyrekte, diyotun kutuplarındaki Urev voltajı negatif bir polariteye sahiptir, bunun sonucunda ters taraflı bağlantıdan geçen Irev akımı sıfıra yakındır.
P-n bağlantı kontrolü teorisi
Herhangi bir diyot elemanının altında yatan elektronik p-n bağlantısı, birbirinden bir atomun boyutu kadar uzaklıkta konumlandırılmış, doymuş ve elektronları (delikler) tükenmiş bölgelerin çift katmanıdır.
Böyle bir diyota (artı anoda ve eksi katoda) doğrudan polariteli bir voltaj uygularsanız, onlarla doyurulmuş katmandaki elektronlar, daha azının bulunduğu bölgeye yoğun bir şekilde yayılmaya başlar ve uygulanan güçle hızlanır. pozitif potansiyel. Bunun sonucunda katmanın iletkenliği keskin bir şekilde artar (direnç düşer) ve akım ileri yönde akmaya başlar. Aynı şey deliklerde de olur.
Aynı elemana zıt kutuplu bir voltaj uygulandığında (anot ve katottaki potansiyeller işaretlerini değiştirir), delikler ve elektronlar bağlantı noktasından uzaklaşmaya başlar. Aynı zamanda sınırında, yük taşıyıcılarının bir alandan diğerine geçmesine izin vermeyen potansiyel bir bariyer oluşur (aşağıdaki fotoğrafa bakın).
Bu etki nedeniyle bağlantı noktası, diyotun akımı iletmediği düşük iletkenlik (yüksek direnç) durumundadır. Enerji açısından bakıldığında, yukarıda tartışılan her iki durum da, iki iletkenlik yarı iletkenlerinin birleşim yerinde yapay olarak oluşturulan elektronik bariyerin aşılmasıyla ilgilidir.
Ek Bilgiler. Yarı iletken olarak periyodik tablonun belirgin bir yarı metalik etkiye sahip iyi bilinen elemanları (indiyum, germanyum, silikon ve diğerleri) kullanılır.
Yukarıda açıklanan p-n bağlantıları, imalat sırasında kullanıma hazır bir ürünün (bir diyot) mahfazasına yerleştirilen bu malzemelerden oluşturulur.
Diyotların sınıflandırılması ve özellikleri
Bilinen tüm doğrultucu diyot türleri genellikle aşağıdaki özelliklerle ayırt edilir:
- Anahtarlanan güç miktarı;
- Frekans değiştirme;
- P-n bağlantısının üretiminde kullanılan yarı iletken türü.
Bu özelliklerden ilkine göre diyotlar, düşük güçlü cihazların yanı sıra orta ve yüksek güçlü ürünlere ayrılır. Bu bölünme, valf elemanının p-n bağlantısının, elektrotları üzerinde sabit bir voltajda kendi içinden geçebildiği akım gücü ile belirlenir. Bu özelliğine göre burada ele alınan elektronik cihazlar aşağıdaki üç gruba ayrılabilir:
- Minimum doğrultulmuş (veya doğru) akım değerine sahip düşük güçlü diyotlar - 0,3 Amper'e kadar;
- Orta güçlü cihazlar (0,3 ila 10 Amper arası);
- Güçlü veya güç doğrultucu ürünler, onlarca ve yüzlerce amper mertebesinde değerlere ulaşan doğru akım değerleri.
Frekans parametrelerine göre, bilinen tüm diyot türleri düşük, orta, yüksek ve ultra yüksek (mikrodalga) frekanslı cihazlara ayrılır.
Not! Endüstriyel ve ev tipi elektrik ağlarında 50 Hertz'de vana olarak kullanılan çoğu doğrultucu diyot, düşük frekanslı olarak sınıflandırılır.
Diyot üretiminde kullanılan bağlantı tipine bağlı olarak, bunlar genellikle eski germanyum ürünlerine ve modern silikon redresörlere ayrılır. Diyot bileşenlerinin dikkate alınan sınıflandırmasına uygun olarak, aşağıdaki çalışma parametreleriyle temsil edilen özellikleri tanıtılmıştır:
- Maksimum düzeltilmiş (ters) voltaj;
- Açık diyot elemanı boyunca ileri voltaj (önyargılı bağlantıdaki düşüşü);
- Diyottan geçen ileri akımın izin verilen değeri;
- İzin verilen ters akım miktarı;
- Valf tarafından dağıtılan maksimum güç;
- Çalışma ve maksimum geçiş sıcaklıkları;
- Anahtarlanan sinyalin izin verilen frekansı.
Diyot elemanlarının işleyişinin ana göstergeleri olarak kabul edilen belirtilen özelliklere ek olarak, daha önce tartışılan parametrelerle doğrudan ilgili olan ikincil özellikler de vardır. Bunlar genellikle pn bağlantısının hızı ve kapasitansının yanı sıra diferansiyel ve termal direnci gibi özellikleri içerir.
Ek Bilgiler. Bu parametreler, karmaşık elektronik devrelerin tasarımında talep görmektedir ve kural olarak, cihazın doğrultucu modunda çalışması üzerinde önemli bir etkisi yoktur.
Buna, diyot elemanının çalışmasının sıcaklık koşullarının genellikle ana parametreler olarak kabul edildiğini ekleyelim. Bu ürünlerin en yaygın türü (silikon diyot) için bu gösterge genellikle -50 ila +130 derece arasında değişir. Elektronik ekipmanı tasarlarken, değeri parametrelerine (tip, güç ve üretici) bağlı olan cihaz gövdesinin sıcaklığına çok dikkat edilir.
Kullanım alanları
Elektrik ve elektronik dönüşümler alanında vana tipi redresör elemanları genellikle aşağıdaki amaçlar için kullanılır:
- Anahtarlama (çalışma devrelerinin açılması ve kapatılması);
- Çeşitli şekil ve sürelerdeki sinyallerin tespiti ve sınırlandırılması;
- Alternatif gerilimlerin doğrudan düzeltilmesi, kararlı potansiyel seviyelerinin sağlanması.
Ek olarak, silikon malzemelerden yapılmış klasik bir doğrultucu diyot, aynı anda birden fazla elemanı içeren "köprü" devreleri oluşturmanın temelini oluşturur (aşağıdaki fotoğraf).
Sırt sırta prensibine göre bağlanan dört diyottan oluşan valf düzeneklerinin ortaya çıkışıyla, doğrultucu modüllerin kendileri önemli ölçüde basitleştirilirken aynı zamanda kurulum teknolojileri de kolaylaştırılmıştır.
Düşük maliyet, tasarım basitliği ve kullanım güvenilirliği gibi dikkate değer özellikleri nedeniyle, yarı iletken bağlantılara dayalı doğrultucu diyotlar yalnızca elektronik ve elektrikli cihazlarda değil, aynı zamanda radyo mühendisliği gibi uzak bir alanda da yaygın olarak kullanılmaktadır.
Ek Bilgiler. Radyo cihazlarında bu elemanlar, alınan kablosuz sinyallerin düzeltilmesini, değiştirilmesini ve sınırlandırılmasını sağlayan yüksek frekans modlarında kullanılır.
İncelemenin son bölümünde, modern doğrultucu diyotların, hem tasarımlarında hem de beyan edilen performans özelliklerinde farklılık gösteren, farklı tip ve modellerden oluşan geniş bir ürün yelpazesiyle temsil edildiğini not ediyoruz. Bu elektronik elemanları doğru bir şekilde kullanma yeteneği, referans kılavuzlarında verilen verilere odaklanarak belirli bir diyot örneğini seçme algoritmasını bilmekten gelir.
Video
Çeşitli devrelerde yaygın olarak kullanılan elektronik cihazlardan biri, alternatif akımın doğru akıma dönüştürüldüğü doğrultucu diyottur. Tasarımı, tek yönlü elektrik iletkenliğine sahip iki elektrotlu bir cihaz şeklinde oluşturulmuştur. AC doğrultması metal-yarı iletken ve yarı iletken-metal bağlantılarında meydana gelir. Tamamen aynı etki, bazı kristallerin (germanyum, silikon, selenyum) elektron-delik geçişlerinde de elde edilir. Bu kristaller çoğu durumda cihazların ana elemanları olarak kullanılır.
Doğrultucu diyotlar çeşitli elektronik, radyo ve elektrikli cihazlarda kullanılır. Onların yardımıyla devreler kapatılır ve açılır, darbeler ve elektrik sinyalleri ve diğer benzer dönüşümler algılanır ve anahtarlanır.
Doğrultucu diyotun çalışma prensibi
Her diyot iki terminalle, yani elektrotlarla - anot ve katotla donatılmıştır. Anot p katmanına, katot ise n katmanına bağlanır. Diyotun doğrudan bağlanması durumunda, bir artı anoda, bir eksi katoda gider. Sonuç olarak diyottan elektrik akımı akmaya başlar.
Akım beslemesi ters şekilde yapılırsa - anoda bir eksi uygulanır ve katoda bir artı uygulanırsa, diyotun sözde ters anahtarlamasını elde edersiniz. Bu durumda doğrultucu diyotun akım-gerilim karakteristiğinin gösterdiği gibi akım akışı olmayacaktır. Bu nedenle girişe varıldığında diyottan yalnızca bir yarım dalga geçecektir.
Sunulan şekil, diyotun akım-gerilim karakteristiğini açıkça yansıtmaktadır. Doğrudan dalı grafiğin ilk çeyreğinde bulunur. Bir ileri voltaj uygulandığında yüksek iletkenlik durumundaki bir diyotu tanımlar. Bu dal parçalı doğrusal fonksiyon u = U 0 + R D x i olarak ifade edilir; burada u, i akımının geçişi sırasında valf üzerindeki voltajı temsil eder. Buna göre U 0 ve R D eşik voltajı ve dinamik dirençtir.
Üçüncü çeyrek, diyota ters voltaj uygulandığında düşük iletkenliği gösteren akım-gerilim karakteristiğinin ters dalını içerir. Bu durumda, yarı iletken yapı boyunca neredeyse hiç akım akışı yoktur.
Bu konum yalnızca belirli bir ters voltaj değerine kadar doğru olacaktır. Bu durumda pn eklemi bölgesindeki elektrik alan şiddeti 105 V/cm düzeyine ulaşabilmektedir. Böyle bir alan, nötr silikon atomlarının iyonlaşmasına neden olabilecek elektronlara ve deliklere (hareketli yük taşıyıcıları) kinetik enerji verir.
Doğrultucu diyotun standart yapısı, iletken yapının tüm hacmi boyunca termal üretimin etkisi altında sürekli olarak üretilen deliklerin ve iletken elektronların varlığını varsayar. Daha sonra p-n bağlantısının elektrik alanının etkisi altında hızlanırlar. Yani nötr silikon atomlarının iyonlaşmasına elektronlar ve delikler de katılır. Bu durumda ters akım çığ gibi artar ve çığ kırılması denilen olay meydana gelir. Ters akımın keskin bir şekilde arttığı voltaj, şekilde arıza voltajı U3 olarak gösterilmiştir.
Doğrultucu diyotların temel parametreleri
Doğrultucu elemanların parametrelerini belirlerken aşağıdaki faktörler dikkate alınmalıdır:
- , cihaz henüz arızalanamadığında akımı düzeltirken izin verilen maksimum değer.
- Ortalama düzeltilmiş akımın maksimum değeri.
- Maksimum ters voltaj.
Doğrultucu cihazlar çeşitli şekillerde mevcuttur ve farklı şekillerde monte edilebilir.
Fiziksel özelliklerine göre aşağıdaki gruplara ayrılırlar:
- Verimi 400 A'ya kadar olan yüksek güçlü doğrultucu diyotlar. Yüksek voltaj kategorisine aittirler ve iki tip durumda mevcutturlar. Pim muhafazası camdan, tablet muhafazası ise seramikten yapılmıştır.
- 300 mA'dan 10 A'ya kadar kapasiteye sahip orta güçlü doğrultucu diyotlar.
- Maksimum akım değeri 300 mA'ya kadar olan düşük güçlü doğrultucu diyotlar.
Belirli bir cihazı seçerken, ters ve tepe maksimum akımların akım-voltaj özelliklerini, izin verilen maksimum ileri ve geri voltajı, düzeltilmiş akımın ortalama gücünü ve ayrıca ürünün malzemesini dikkate almak gerekir. ve kurulum türü. Doğrultucu diyotun tüm ana özellikleri ve parametreleri mahfaza üzerinde semboller şeklinde işaretlenmiştir. Elemanların işaretlenmesi özel referans kitaplarında ve kataloglarda gösterilerek seçimlerini hızlandırır ve kolaylaştırır.
Doğrultucu diyotları kullanan devreler faz sayısında farklılık gösterir:
- Tek fazlı olanlar, elektrikli ev aletlerinde, arabalarda ve elektrik ark kaynağı ekipmanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
- Çok fazlı endüstriyel ekipmanlarda, özel ve toplu taşımada kullanılır.
Kullanılan malzemeye bağlı olarak doğrultucu diyotlar ve diyot devreleri germanyum veya silikon olabilir. İkinci seçenek, silikonun fiziksel özelliklerinden dolayı en sık kullanılır. Bu diyotlar aynı voltajda önemli ölçüde daha düşük bir ters akıma sahiptir, bu nedenle izin verilen ters voltaj 1000-1500 volt aralığında çok yüksektir.
Karşılaştırma için, germanyum diyotlar için bu değer 100-400 V'dir. Silikon diyotlar - 60 ila + 150 derece arasındaki sıcaklık aralığında ve germanyum diyotlar - yalnızca - 60 ila + 850C aralığında çalışır durumda kalır. Bu değeri aşan sıcaklıklarda yüksek hızda elektron-delik çiftleri oluşur, bu da ters akımda keskin bir artışa ve doğrultucunun verimliliğinde bir azalmaya yol açar.
Doğrultucu diyot bağlantı devresi
En basit doğrultucu aşağıdaki şemaya göre çalışır. Giriş, sırasıyla kırmızı ve mavi renkli, pozitif ve negatif yarım döngülere sahip alternatif şebeke voltajıyla beslenir. Çıkışa normal bir RH yükü bağlanır ve bir VD diyotu doğrultucu eleman olacaktır.
Anoda pozitif yarım döngü voltajı uygulandığında diyot açılır. Bu süre zarfında, doğrudan diyot akımı Ipr, diyot ve doğrultucudan beslenen yük üzerinden akacaktır. Sağdaki grafikte bu dalga kırmızı renkle gösterilmiştir.
Anoda negatif yarım döngü voltajı ulaştığında diyot kapanır ve tüm devre boyunca hafif bir ters akım akmaya başlar. Bu durumda alternatif akımın negatif yarım dalgası bir diyot tarafından kesilir. Bu kesme yarım dalgası mavi kesikli çizgiyle gösterilir. Diyagramda doğrultucu diyotun sembolü her zamanki gibi aynıdır, yalnızca VD sembolleri sembolün üstüne yerleştirilmiştir.
Sonuç olarak, bir diyot aracılığıyla ağa bağlanan yük aracılığıyla alternatif bir akım değil, tek yönde titreşimli bir akım akacaktır. Aslında bu düzeltilmiş alternatif akımdır. Ancak bu voltaj yalnızca AC gücüyle çalışan düşük güçlü yükler için uygundur. Bunlar özel güç koşulları gerektirmeyen akkor lambalar olabilir. Bu durumda, voltaj lambadan yalnızca darbeler - pozitif dalgalar sırasında geçecektir. Lambanın 50 Hz frekansında hafif bir titremesi var.
Aynı voltaj bir alıcıya veya güç amplifikatörüne bağlandığında, hoparlör veya hoparlörlerde AC uğultu olarak bilinen 50 Hz'lik düşük perdeli bir uğultu duyulacaktır. Bu durumlarda ekipman "yazı tipi" oluşturmaya başlar. Bu durumun nedeninin, yükten geçen ve içinde darbeli bir voltaj oluşturan titreşimli bir akım olduğu düşünülmektedir. Arka planı oluşturan şey budur.
Bu dezavantaj, büyük kapasiteli bir filtre elektrolitik kapasitörünün Sf yüke paralel bağlanmasıyla kısmen ortadan kaldırılır. Pozitif yarı döngüler sırasında akımlarla yüklenir ve negatif yarı döngüler sırasında RH yükü kullanılarak boşaltılır. Kapasitörün büyük kapasitansı, tüm yarım döngüler boyunca (pozitif ve negatif) yük boyunca sürekli akımı korumanıza olanak tanır. Grafikte böyle bir akım düz dalgalı kırmızı bir çizgidir.
Bununla birlikte, bu yumuşatılmış akım hala normal çalışma sağlamamaktadır, çünkü yalnızca bir yarım döngü kullanıldığında düzeltme sırasında giriş voltajının yarısı kaybolmaktadır. Bu dezavantaj, güçlü doğrultucu diyotların bir araya gelerek diyot köprüsü adı verilen yapıda bir araya getirilmesiyle telafi edilir. Bu devre, tüm yarım döngüler boyunca akımın geçmesine izin veren dört elemandan oluşur. Bu sayede alternatif akımın doğru akıma dönüşümü çok daha verimli olmaktadır.
