Ako funguje usmerňovač?

Možno by vás zaujímalo, ako elektrické vedenia vysielajú elektrické prúdy na veľké vzdialenosti na rôzne účely. A existujú rôzne „druhy“ elektriny. Elektrická energia, ktorá napája elektrické železničné systémy, nemusí byť vhodná pre domáce spotrebiče, ako sú telefóny a televízne prijímače. Usmerňovače pomáhajú pri konverzii medzi týmito rôznymi typmi elektriny.

Usmerňovače vám umožňujú prevádzať zo striedavého prúdu (AC) na jednosmerný prúd (DC). AC je prúd, ktorý prepína medzi prúdením dozadu a dopredu v pravidelných intervaloch, zatiaľ čo prúdenie jednosmerným prúdom jedným smerom. Spravidla sa spoliehajú na mostíkový usmerňovač alebo usmerňovaciu diódu.

Všetky usmerňovače používajúKrižovatky P-N, polovodičové zariadenia, ktoré nechávajú prúdiť elektrický prúd iba jedným smerom od vzniku polovodičov typu p s polovodičmi typu n. Strana „p“ má prebytok otvorov (miesta, kde nie sú elektróny), takže je kladne nabitá. Strana „n“ je negatívne nabitá elektrónmi vo svojich vonkajších obaloch.

Mnoho obvodov s touto technológiou je zostavených smostový usmerňovač. Můstkové usmerňovače premieňajú striedavé napätie na jednosmerné pomocou systému diód vyrobených z polovodičového materiálu buď v polovičnej vlne metóda, ktorá usmerňuje jeden smer striedavého signálu, alebo metóda plných vĺn, ktorá usmerňuje obidva smery vstupu AC.

Polovodiče sú materiály, ktoré prepúšťajú prúd, pretože sú vyrobené z kovov, ako je gálium alebo metaloidy ako kremík, ktoré sú kontaminované materiálmi ako fosfor ako prostriedok kontroly prúd. Mostíkový usmerňovač môžete použiť pre rôzne aplikácie pre širokú škálu prúdov.

Můstkové usmerňovače majú tiež výhodu v tom, že na výstup privádzajú väčšie napätie a výkon ako iné usmerňovače. Napriek týmto výhodám mostné usmerňovače trpia tým, že musia v porovnaní s inými usmerňovačmi používať štyri diódy s ďalšími diódami, čo spôsobuje pokles napätia, ktorý znižuje výstupné napätie.

Vedci a inžinieri zvyčajne používajú na výrobu diód kremík častejšie ako germánium. Kremíkové spojenia p-n pracujú efektívnejšie pri vyšších teplotách ako germániové. Kremíkové polovodiče nechávajú ľahšie prúdiť elektrický prúd a je možné ich vytvoriť s nižšími nákladmi.

Tieto diódy využívajú spojenie p-n na prevod striedavého prúdu na jednosmerný prúd ako akýsi elektrický „prepínač“. ktorý umožňuje tok prúdu buď v smere dopredu, alebo dozadu na základe spojenia p-n smer. Diody s predpätím vpred nechávajú prúd naďalej prúdiť, zatiaľ čo diódy so spätným predpätím ho blokujú. To je dôvod, prečo kremíkové diódy majú dopredné napätie asi 0,7 voltu, takže prúd nechávajú prúdiť, iba ak je viac ako voltov. Pre germániové diódy je dopredné napätie 0,3 voltu.

Anódová svorka batérie, elektródy alebo iného zdroja napätia, kde v okruhu dochádza k oxidácii, dodáva otvory do katódy diódy pri vytváraní spojenia p-n. Naproti tomu katóda zdroja napätia, kde dochádza k redukcii, poskytuje elektróny, ktoré sú vysielané na anódu diódy.

Môžete študovať akopolovodičové usmerňovačesú zapojené v obvodoch, aby pochopili, ako fungujú. Polvlnové usmerňovače prepínajú medzi predpätím a spätným predpätím na základe kladného alebo záporného polovičného cyklu vstupnej striedavej vlny. Tento signál posiela na záťažový rezistor tak, že prúd pretekajúci rezistorom je úmerný napätiu. To sa deje kvôli Ohmovmu zákonu, ktorý predstavuje napätieV.ako produkt prúduJaa odporRv

Napätie na záťažovom rezistore môžete merať ako napájacie napätieV._s, ktoré sa rovná výstupnému jednosmernému napätiuV._von. Odpor spojený s týmto napätím závisí aj od diódy samotného obvodu. Potom sa obvod usmerňovača prepne na reverzné predpätie, pri ktorom trvá záporná polovica cyklu vstupného striedavého signálu. V takom prípade diódou alebo obvodom nepreteká žiadny prúd a výstupné napätie klesne na 0. Výstupný prúd je potom jednosmerný.

•••Syed Hussain Ather

Usmerňovače s plnou vlnou naopak využívajú celý cyklus (s kladnou a zápornou polovicou cyklu) vstupného striedavého signálu. Štyri diódy v obvode usmerňovača s plnou vlnou sú usporiadané tak, že keď je vstup striedavého signálu kladný, prúd preteká cez diódu zD₁na záťažový odpor a späť k zdroju striedavého prúdu cezD₂. Keď je AC signál záporný, prúd odoberieD₃-naložiť-D₄namiesto toho cesta. Zo záťažového odporu vychádza aj jednosmerné napätie z usmerňovača s plnou vlnou.

Priemerná hodnota napätia usmerňovača s plnou vlnou je dvakrát vyššia ako u polovodičového usmerňovača astredná hodnota štvorcového napätia„metóda na meranie striedavého napätia jednosmerného usmerňovača je √2-krát vyššia ako metóda s polovičnými vlnami.

Väčšina elektronických zariadení v domácnosti používa striedavý prúd, ale niektoré zariadenia, ako napríklad prenosné počítače, pred použitím tento prúd prevedú na prúd DC. Väčšina prenosných počítačov používa typ napájacieho zdroja s prepínaním (SMPS), ktorý umožňuje výstupnému jednosmernému napätiu viac energie vzhľadom na veľkosť, cenu a hmotnosť adaptéra.

SMPS pracujú pomocou usmerňovača, oscilátora a filtra, ktoré riadia šírkovú pulznú moduláciu (spôsob znižovania výkonu elektrického signálu), napätie a prúd. Oscilátor je zdroj striedavého signálu, z ktorého môžete určiť amplitúdu prúdu a smer jeho prúdenia. Sieťový adaptér notebooku to potom použije na pripojenie k zdroju striedavého prúdu a pri nabíjaní prevádza vysoké striedavé napätie na nízke jednosmerné napätie, ktoré môže používať na napájanie.

Niektoré usmerňovacie systémy tiež používajú vyhladzovací obvod alebo kondenzátor, ktorý im umožňuje vydávať konštantné napätie, namiesto toho, ktoré sa časom mení. Elektrolytický kondenzátor vyhladzovacích kondenzátorov môže dosiahnuť kapacity medzi 10 až tisíckami mikrofaradov (µF). Pre väčšie vstupné napätie je potrebných viac kapacity.

Ostatné usmerňovače využívajú transformátory, ktoré menia napätie pomocou štvorvrstvových polovodičov známych akotyristoryvedľa diód. Akremíkom riadený usmerňovač, iný názov pre tyristor, používa katódu a anódu oddelené hradlom a jeho štyrmi vrstvami na vytvorenie dvoch križovatiek p-n usporiadaných jeden na druhom.

Typy usmerňovacích systémov sa líšia v závislosti od aplikácií, v ktorých potrebujete meniť napätie alebo prúd. Okrem už diskutovaných aplikácií nájdu usmerňovače uplatnenie v spájkovacích zariadeniach, elektrickom zváraní, rádiových signáloch AM, generátoroch impulzov, napäťových multiplikátoroch a napájacích obvodoch.

Spájkovačky, ktoré sa používajú na spájanie častí elektrických obvodov, používajú polovodičové usmerňovače pre jeden smer vstupu AC. Techniky elektrického zvárania, ktoré používajú obvody usmerňovacieho mostíka, sú ideálnymi kandidátmi na zabezpečenie stabilného polarizovaného jednosmerného napätia.

AM rádio, ktoré moduluje amplitúdu, môže na detekciu zmien na vstupe elektrického signálu použiť polovodičové usmerňovače. Obvody generujúce impulzy, ktoré generujú obdĺžnikové impulzy pre digitálne obvody, používajú na zmenu vstupného signálu polovodičové usmerňovače.

Usmerňovače v napájacích obvodoch prevádzajú striedavý prúd na jednosmerný prúd z rôznych napájacích zdrojov. Je to užitočné, pretože DC sa obvykle vysiela na veľké vzdialenosti predtým, ako sa prevedie na AC pre elektrickú energiu pre domácnosť a elektronické zariadenia. Tieto technológie vo veľkej miere využívajú mostíkový usmerňovač, ktorý zvládne zmenu napätia.