Πώς λειτουργεί ο ανορθωτής;

Περιεχόμενο

• Ανορθωτής γέφυρας και διοξείδιο διόδου
• Δίοδοι πυριτίου και γερμανίου
• Κύκλωμα ανορθωτή μισού κύματος
• Κύκλωμα ανορθωτή πλήρους κύματος
• Εξαρτήματα και εφαρμογές ανορθωτή
• Χρήσεις συστημάτων ανορθωτή

Μπορεί να αναρωτιέστε πώς ηλεκτρικά ρεύματα ηλεκτρικά ρεύματα σε μεγάλες αποστάσεις για διαφορετικούς σκοπούς. Και υπάρχουν διαφορετικοί τύποι ηλεκτρισμού. Η ηλεκτρική ενέργεια που τροφοδοτεί τα ηλεκτρικά σιδηροδρομικά συστήματα μπορεί να μην είναι κατάλληλη για οικιακές συσκευές όπως τα τηλέφωνα και οι τηλεοράσεις. Οι ανορθωτές βοηθούν με τη μετατροπή μεταξύ αυτών των διαφορετικών τύπων ηλεκτρικής ενέργειας.

Ανορθωτής γέφυρας και διοξείδιο διόδου

Οι ανορθωτές σας επιτρέπουν να μετατρέψετε από εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) σε συνεχές ρεύμα (DC). Το AC είναι ρεύμα που αλλάζει μεταξύ ροής προς τα πίσω και προς τα εμπρός σε τακτά χρονικά διαστήματα, ενώ το DC ρέει σε μία μόνο κατεύθυνση. Βασίζονται γενικά σε έναν ανορθωτή γέφυρας ή σε μια διοχέτευση ανορθωτή.

Όλοι οι ανορθωτές χρησιμοποιούν P-N διασταυρώσεις, συσκευές ημιαγωγών που επιτρέπουν τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος σε μία μόνο κατεύθυνση από το σχηματισμό ημιαγωγών τύπου ρ με ημιαγωγούς τύπου η. Η πλευρά "p" έχει περίσσεια οπών (θέσεις όπου δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια) και έτσι είναι θετικά φορτισμένη. Η πλευρά «η» είναι αρνητικά φορτισμένη με ηλεκτρόνια στο εξωτερικό τους κέλυφος.

Πολλά κυκλώματα με αυτή την τεχνολογία κατασκευάζονται με ένα ανορθωτής γέφυρας. Οι ανορθωτές γέφυρας μετατρέπουν το AC σε DC χρησιμοποιώντας το σύστημα των διόδων που κατασκευάζονται από υλικό ημιαγωγού είτε με μέθοδο ημίσεως κύματος που ανοίγει μία κατεύθυνση του σήματος εναλλασσόμενου ρεύματος είτε με μία μέθοδο πλήρους κύματος που διορθώνει και τις δύο κατευθύνσεις της εισόδου AC.

Τα ημιαγωγοί είναι υλικά που αφήνουν τη ροή ρεύματος επειδή είναι κατασκευασμένα από μέταλλα όπως το γάλλιο ή τα μεταλλοειδή όπως το πυρίτιο που είναι μολυσμένα με υλικά όπως ο φωσφόρος ως μέσο ελέγχου του ρεύματος. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν ανορθωτή γέφυρας για διαφορετικές εφαρμογές για ένα ευρύ φάσμα ρευμάτων.

Οι ανορθωτές γέφυρας έχουν επίσης το πλεονέκτημα ότι εξάγουν περισσότερη τάση και ισχύ από άλλους ανορθωτές. Παρά τα πλεονεκτήματα αυτά, οι ανορθωτές γέφυρας υποφέρουν από την ανάγκη να χρησιμοποιούν τέσσερις δίοδοι με τις πρόσθετες διόδους σε σύγκριση με άλλους ανορθωτές, προκαλώντας μια πτώση τάσης που μειώνει την τάση εξόδου.

Δίοδοι πυριτίου και γερμανίου

Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί γενικά χρησιμοποιούν πυρίτιο συχνότερα από το γερμάνιο για τη δημιουργία διόδων. Οι συνδέσεις πυριτίου p-n λειτουργούν πιο αποτελεσματικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες από αυτές του γερμάνιου. Οι ημιαγωγοί πυριτίου επιτρέπουν την πιο εύκολη ροή ηλεκτρικού ρεύματος και μπορούν να δημιουργηθούν με χαμηλότερο κόστος.

Αυτές οι δίοδοι εκμεταλλεύονται τη διακλάδωση p-n για να μετατρέψουν το AC σε DC ως ένα είδος ηλεκτρικού "διακόπτη" που επιτρέπει την ροή ρεύματος είτε προς την εμπρόσθια είτε προς την αντίστροφη κατεύθυνση με βάση την κατεύθυνση της σύνδεσης n-n. Οι προς τα εμπρός προκατειλημμένες δίοδοι επιτρέπουν στο ρεύμα να συνεχίσει να ρέει ενώ οι αντίστροφοι προκατειλημμένες διόδους εμποδίζουν. Αυτό είναι που κάνει τις δίοδοι πυριτίου να έχουν μια τάση προς τα εμπρός περίπου 0,7 βολτ έτσι ώστε να επιτρέπουν μόνο την ροή ρεύματος εάν είναι περισσότερο από βολτ. Για τις διόδους γερμανίου, η τάση προς τα εμπρός είναι 0,3 βολτ.

Ο ακροδέκτης ανόδου μίας μπαταρίας, ενός ηλεκτροδίου ή άλλης πηγής τάσης όπου η οξείδωση λαμβάνει χώρα σε ένα κύκλωμα, τροφοδοτεί τις οπές στην κάθοδο μίας διόδου στην διαμόρφωση της διακλάδωσης ρ-η. Αντίθετα, η κάθοδος μιας πηγής τάσης, όπου συμβαίνει μείωση, παρέχει τα ηλεκτρόνια που αποστέλλονται στην άνοδο της διόδου.

Κύκλωμα ανορθωτή μισού κύματος

Μπορείτε να μελετήσετε πώς ανορθωτές μισού κύματος συνδέονται σε κυκλώματα για να καταλάβουν πώς λειτουργούν. Οι ανορθωτές ανομοιόμορφων κυμάτων μετακινούνται μεταξύ των προς τα εμπρός και της αντίστροφης προκατάληψης με βάση τον θετικό ή αρνητικό μισό κύκλο του κύματος εισόδου AC. Είναι αυτό το σήμα σε μια αντίσταση φορτίου έτσι ώστε το ρεύμα που ρέει μέσω της αντίστασης να είναι ανάλογο με την τάση. Αυτό συμβαίνει λόγω του νόμου Ohms, ο οποίος αντιπροσωπεύει τάση V ως προϊόν του ρεύματος Εγώ και αντίσταση R σε V = IR.

Μπορείτε να μετρήσετε την τάση σε όλη την αντίσταση φορτίου ως τάση τροφοδοσίας V_μικρό, η οποία ισούται με την τάση εξόδου DC V_έξω. Η αντίσταση που σχετίζεται με αυτή την τάση επίσης εξαρτάται από τη δίοδο του ίδιου του κυκλώματος. Στη συνέχεια, το κύκλωμα ανορθωτή μεταβαίνει σε αντίστροφη μεροληψία στην οποία παίρνει τον αρνητικό μισό κύκλο του σήματος εισόδου AC. Σε αυτή την περίπτωση, δεν ρέει ρεύμα διαμέσου της διόδου ή του κυκλώματος και η τάση εξόδου πέφτει στο 0. Το ρεύμα εξόδου είναι τότε μονόδρομο.

Κύκλωμα ανορθωτή πλήρους κύματος

••• Syed Hussain Ather

Οι ανορθωτές πλήρους κύματος, αντίθετα, χρησιμοποιούν ολόκληρο τον κύκλο (με θετικούς και αρνητικούς μισούς κύκλους) του σήματος εισόδου AC. Οι τέσσερις δίοδοι σε ένα κύκλωμα ανορθωτή πλήρους κύματος είναι διατεταγμένες έτσι ώστε όταν η είσοδος σήματος AC είναι θετική, το ρεύμα ρέει κατά μήκος της διόδου από ρε₁ στην αντοχή φορτίου και πίσω στην πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος μέσω ρε₂. Όταν το σήμα AC είναι αρνητικό, το ρεύμα παίρνει το ρε₃-φορτώνω-ρε₄ διαδρομή. Η αντίσταση φορτίου εξάγει επίσης την τάση συνεχούς ρεύματος από τον ανορθωτή πλήρους κύματος.

Η μέση τιμή τάσης ενός ανορθωτή πλήρους κύματος είναι διπλάσια από τον ανορθωτή μισού κύματος και το ρίζα μέση τετραγωνική τάση, μια μέθοδος μέτρησης της τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος ενός ανορθωτή πλήρους κύματος είναι √ 2 φορές μεγαλύτερη από αυτή του ανορθωτή μισού κύματος.

Εξαρτήματα και εφαρμογές ανορθωτή

Οι περισσότερες από τις ηλεκτρονικές συσκευές στο σπίτι σας χρησιμοποιούν AC, αλλά ορισμένες συσκευές όπως οι φορητοί υπολογιστές μετατρέπουν αυτό το ρεύμα στο DC πριν το χρησιμοποιήσουν. Οι περισσότεροι φορητοί υπολογιστές χρησιμοποιούν έναν τύπο διακοπτόμενης τροφοδοσίας τάσης (SMPS), που επιτρέπει στην τάση εξόδου DC μεγαλύτερη ισχύ για το μέγεθος, το κόστος και το βάρος του προσαρμογέα.

Το SMPS λειτουργεί με ανορθωτή, ταλαντωτή και φίλτρο που ρυθμίζει τη διαμόρφωση πλάτους παλμών (μέθοδο μείωσης της ισχύος ενός ηλεκτρικού σήματος), τάσης και ρεύματος. Ο ταλαντωτής είναι μια πηγή σήματος AC από την οποία μπορείτε να καθορίσετε το πλάτος του ρεύματος και την κατεύθυνση που τρέχει. Ο προσαρμογέας εναλλασσόμενου ρεύματος για φορητούς υπολογιστές χρησιμοποιεί αυτό για σύνδεση με την πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος και μετατρέπει την υψηλή τάση εναλλασσόμενου ρεύματος σε χαμηλή τάση συνεχούς ρεύματος, μια μορφή που μπορεί να χρησιμοποιήσει για την τροφοδοσία κατά τη διάρκεια της φόρτισης.

Ορισμένα συστήματα ανορθωτή χρησιμοποιούν επίσης ένα κύκλωμα εξομάλυνσης ή έναν πυκνωτή που τους επιτρέπει να παράγουν σταθερή τάση, αντί για μία που ποικίλλει με την πάροδο του χρόνου. Ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής των εξομαλυντικών πυκνωτών μπορεί να επιτύχει χωρητικότητες μεταξύ 10 έως χιλιάδων microfarads (μF). Περισσότερη χωρητικότητα είναι απαραίτητη για μεγαλύτερη τάση εισόδου.

Άλλοι ανορθωτές χρησιμοποιούν μετασχηματιστές οι οποίοι μεταβάλλουν την τάση χρησιμοποιώντας τετραπλάσιους ημιαγωγούς γνωστούς ως θυρίστορ μαζί με τις δίοδοι. ΕΝΑ πυρίτιο ελεγχόμενο ανορθωτή, ένα άλλο όνομα για ένα θυρίστορ, χρησιμοποιεί μια κάθοδο και μια άνοδο χωρισμένη από μια πύλη και τα τέσσερα της στρώματα για να δημιουργήσει δύο διακλαδώσεις p-n διατεταγμένες το ένα πάνω στο άλλο.

Χρήσεις συστημάτων ανορθωτή

Οι τύποι των συστημάτων ανορθωτών ποικίλλουν ανάλογα με τις εφαρμογές στις οποίες χρειάζεται να αλλάξετε τάση ή ρεύμα. Εκτός από τις εφαρμογές που ήδη συζητήθηκαν, οι ανορθωτές βρίσκουν χρήση σε εξοπλισμό συγκόλλησης, ηλεκτροσυγκόλλησης, ραδιοσήματα AM, γεννήτριες παλμών, πολλαπλασιαστές τάσης και κυκλώματα τροφοδοσίας.

Οι σίδερα συγκόλλησης που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση μερών ηλεκτρικών κυκλωμάτων χρησιμοποιούν αντιστάσεις μισού κύματος για μία μόνο κατεύθυνση της εισόδου AC. Τεχνικές ηλεκτρικής συγκόλλησης που χρησιμοποιούν κυκλώματα ανορθωτή γέφυρας είναι ιδανικοί υποψήφιοι για την παροχή σταθερής, πολωμένης τάσης συνεχούς ρεύματος.

Το ραδιόφωνο AM, το οποίο ρυθμίζει το εύρος, μπορεί να χρησιμοποιεί ανορθωτές μισού κύματος για να ανιχνεύσει αλλαγές στην είσοδο ηλεκτρικού σήματος. Τα κυκλώματα παραγωγής παλμών, τα οποία παράγουν ορθογώνια παλμούς για ψηφιακά κυκλώματα, χρησιμοποιούν ανορθωτές μισού κύματος για την αλλαγή του σήματος εισόδου.

Οι ανορθωτές στα κυκλώματα τροφοδοσίας μετατρέπουν το AC σε DC από διαφορετικά τροφοδοτικά. Αυτό είναι χρήσιμο καθώς το DC αποστέλλεται γενικά σε μεγάλες αποστάσεις πριν μετατραπεί σε AC για οικιακή ηλεκτρική και ηλεκτρονικές συσκευές. Αυτές οι τεχνολογίες κάνουν μεγάλη χρήση του ανορθωτή γέφυρας που μπορεί να χειριστεί την αλλαγή της τάσης.