ما الوظيفة التي يؤديها الصمام الثنائي في دوائر المقوم؟ المعلمات الأساسية للثنائيات المعدل
الصمام الثنائي المعدل هو جهاز إلكتروني مصمم لتحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر. هذا جهاز ثنائي القطب يحتوي على موصلية كهربائية من جانب واحد (أحادي القطب). تم استبدال الصمام الثنائي المعدل المصنوع من مواد أشباه الموصلات وما يسمى (عند توصيل أربعة ثنائيات قطريًا في أزواج في غلاف واحد) بالإشعال والصمام الثنائي الفراغي.
يحدث تأثير تصحيح التيار المتردد وتحويله إلى تيار مباشر عند تقاطع معدن أشباه الموصلات أو معدن أشباه الموصلات أو في ما يسمى تقاطع ثقب الإلكترون في بعض البلورات (على سبيل المثال السيليكون والجرمانيوم والسيلينيوم وأكسيد النحاسوز) . غالبًا ما تعمل هذه البلورات كأساس للجهاز.
تستخدم الثنائيات المعدلة لأشباه الموصلات في هندسة الراديو والأجهزة الإلكترونية والكهربائية. في الأساس، التصحيح هو تحويل التيار المتردد (الجهد) إلى تيار ذو قطبية واحدة (نبض مباشر). يعد هذا النوع من التصحيح في التكنولوجيا ضروريًا لفتح وإغلاق الدوائر الكهربائية، وتبديل وكشف الإشارات والنبضات الكهربائية، والعديد من التحويلات الأخرى المشابهة. خصائص الصمام الثنائي مثل السرعة واستقرار المعلمات وسعة الوصلات p-n لا تتطلب أي متطلبات خاصة.
يحتوي هذا الجهاز على معلمات كهربائية معينة وخصائص الصمام الثنائي:
الجهد الأمامي عند القيمة الحالية المحددة (مأخوذ ؛
عكس التيار عند قيمة معينة من الجهد العكسي ودرجة الحرارة؛
قيم السعة المسموح بها لأقصى جهد عكسي؛
متوسط قيمة التيار الأمامي.
قيمة التردد دون تقليل الوضع؛
مقاومة.
غالبًا ما يتم اختصار الصمام الثنائي المقوم إلى مجرد مقوم. وباعتباره أحد مكونات الدائرة الكهربائية، فإنه يوفر مقاومة عالية للتيار المتدفق في اتجاه واحد ومقاومة منخفضة للتيار المتدفق في الاتجاه المعاكس. وهذا ما يسبب
يحتوي جهاز مثل الصمام الثنائي المعدل على تردد تشغيل منخفض إلى حد ما للاستخدام الصناعي لمثل هذا الجهاز عند تحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر يبلغ 50 هرتز. يعتبر التردد المحدد لا يزيد عن 20 كيلو هرتز.
يمكن تقسيم الصمام الثنائي المعدل كجهاز إلكتروني إلى عدة مجموعات وفقًا لقيمة الحد الأقصى لمتوسط التيار الأمامي. هذه هي الثنائيات منخفضة الطاقة (تصل إلى 0.3 أمبير)، والثنائيات متوسطة الطاقة (من 0.3 أمبير إلى 10 أمبير) وثنائيات مقوم الخدمة الشاقة (الطاقة) (أكثر من عشرة أمبير).
تتضمن المعلمات الرئيسية لجهاز إلكتروني مثل الصمام الثنائي المعدل نطاق التشغيل لدرجة الحرارة المحيطة (عادةً ما يتراوح من -50 إلى +130 درجة مئوية للنوع الأكثر شيوعًا من الصمام الثنائي - السيليكون) ودرجة الحرارة القصوى للحالة ( مجموعة متنوعة من المعلمات، بما في ذلك الاعتماد على القوة والغرض والشركة المصنعة).
ديود أشباه الموصلات — هذا جهاز أشباه الموصلات مزود بوصلة p-n واحدة وقطبين كهربائيين. يعتمد مبدأ تشغيل الصمام الثنائي لأشباه الموصلات على ظاهرة الوصلة p-n، لذلك لمزيد من الدراسة لأي أجهزة أشباه الموصلات تحتاج إلى معرفة كيفية عملها.
المعدل الصمام الثنائي (ويسمى أيضًا الصمام) هو نوع من الصمام الثنائي شبه الموصل الذي يستخدم لتحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر.
يحتوي الصمام الثنائي على محطتين (أقطاب كهربائية) الأنود والكاثود. يتم توصيل الأنود بالطبقة p، والكاثود متصل بالطبقة n. عندما يتم تطبيق علامة زائد على الأنود وعلامة ناقص على الأنود (اتصال مباشر للديود)، يمرر الصمام الثنائي التيار. إذا تم تطبيق ناقص على الأنود وعلامة زائد على الكاثود (الاتصال العكسي للصمام الثنائي)، فلن يكون هناك تيار من خلال الصمام الثنائي، ويمكن ملاحظة ذلك من خلال خصائص الصمام الثنائي فولت أمبير. لذلك، عندما يتم توفير جهد متناوب لمدخل الصمام الثنائي المقوم، يمر عبره نصف موجة واحدة فقط.
خاصية الجهد الحالي (خاصية فولت أمبير) للديود.
تظهر خاصية الجهد الحالي للديود في الشكل. I. 2. يُظهر الربع الأول الفرع المباشر للخاصية، والذي يصف حالة الموصلية العالية للصمام الثنائي مع جهد أمامي مطبق عليه، والذي يكون خطيًا بواسطة دالة خطية متعددة التعريف
ش = يو 0 + ص د ط
حيث: u هو الجهد على الصمام عندما يمر التيار؛ U 0 - عتبة الجهد. ص د - المقاومة الديناميكية.
يوجد في الربع الثالث فرع عكسي لخاصية الجهد الحالي، والذي يصف حالة الموصلية المنخفضة عند تطبيق جهد عكسي على الصمام الثنائي. في حالة الموصلية المنخفضة، لا يتدفق التيار تقريبًا عبر هيكل أشباه الموصلات. ومع ذلك، هذا صحيح فقط حتى قيمة جهد عكسي معينة. مع الجهد العكسي، عندما تصل شدة المجال الكهربائي في وصلة pn إلى حوالي 10 ثانية فولت/سم، يمكن أن ينتقل هذا المجال إلى حاملات الشحنة المتنقلة - الإلكترونات والثقوب، التي تظهر باستمرار في كامل حجم بنية أشباه الموصلات نتيجة للتوليد الحراري - طاقة حركية كافية لتأين ذرات السيليكون المحايدة. يتم تسريع الثقوب الناتجة وإلكترونات التوصيل بدورها بواسطة المجال الكهربائي للوصلة pn وأيضًا تأين ذرات السيليكون المحايدة. في هذه الحالة، تحدث زيادة تشبه الانهيار الجليدي في التيار العكسي، أي. ه. انهيار جليدي.
الجهد الذي تحدث عنده زيادة حادة في التيار العكسي هو يسمى جهد الانهيار U 3 .
الصمام الثنائي لأشباه الموصلات هو جهاز أشباه الموصلات مزود بوصلة p-n واحدة ومحطتين.
وفقا لغرضها الوظيفي فهي تتميز:
1) الثنائيات المعدل.
2) ثنائيات زينر.
3) الثنائيات النبضية وعالية التردد.
4) الثنائيات النفقية.
5) الدوالي.
الثنائيات المعدلمصممة لتصحيح التيار المتردد بتردد 50 هرتز إلى تيار مباشر. يتم استخدام الخاصية الرئيسية لانتقال ثقب الإلكترون - الموصلية في اتجاه واحد.
وهو يتألف من تقاطع p-n واحد في مبيت مغلق مع محطتين. ويسمى طرف المنطقة الموجبة الأنود، ويسمى طرف المنطقة السالبة الكاثود.
ويبين الشكل 19 هيكل الصمام الثنائي التصحيح.
الشكل 19 - هيكل الصمام الثنائي المعدل
يتم تعيين الصمام الثنائي في الدوائر الكهربائية وفقًا للشكل 20.
الشكل 20 - صورة الصمام الثنائي في الدوائر الكهربائية
يسمى الرسم البياني للعلاقة بين التيار والجهد بخاصية الجهد الحالي (VAC). يحتوي الصمام الثنائي المعدل على خاصية جهد التيار غير الخطي.
إن خاصية الاتصال المباشر للديود لها في البداية عدم خطية كبيرة، لأن مع زيادة الجهد الأمامي، تزداد مقاومة الطبقة الحاجزة تدريجيًا. عند جهد معين، تختفي الطبقة الحاجزة عمليًا ومن ثم تصبح الخاصية خطية تقريبًا.
عند تشغيله مرة أخرى، يزيد التيار بشكل حاد. يحدث هذا بسبب الزيادة الحادة في الحاجز المحتمل في تقاطع pn، وينخفض تيار الانتشار بشكل حاد، ويزداد تيار الانجراف. ومع ذلك، مع زيادة أخرى في الجهد العكسي، فإن الزيادة في التيار تكون ضئيلة.
يوضح الشكل 21 خاصية الجهد الحالي لصمام الثنائي المصحح.
الشكل 21 - الخصائص IV للديود المقوم
معلمات الثنائيات المعدل هي القيمة التي تميز الخصائص الأكثر أهمية للجهاز.
هناك: معلمات ثابتة ومحددة.
ثابتة: تحددها الخصائص الثابتة (انظر الشكل 22).
الشكل 22 - إنشاءات إضافية لتحديد المعلمات الثابتة للصمام الثنائي المعدل
1. منحدر خاصية الجهد الحالي:
S = دي/دو، مللي أمبير/فولت
حيث DI - الزيادة الحالية؛
DU - زيادة الجهد.
يُظهر ميل خاصية الجهد الحالي عدد المللي أمبير الذي سيتغير التيار عندما يزيد الجهد بمقدار 1 فولت.
2. المقاومة الداخلية للصمام الثنائي للتيار المتردد.
ري = دو / دي، أوم
3. مقاومة الصمام الثنائي للتيار المباشر.
R 0 = U / أنا، أوم
معلمات وضع الحد:
تجاوزها يؤدي إلى فشل الجهاز. مع الأخذ في الاعتبار هذه المعلمات، يتم إنشاء دائرة كهربائية.
1. I PR.ADOP - القيمة المسموح بها للتيار الأمامي؛
2. U REV.ADOP - القيمة المسموح بها للجهد العكسي؛
3. P RASS - تبديد الطاقة المسموح به.
العيب الرئيسي لجميع أجهزة أشباه الموصلات هو اعتماد معلماتها على درجة الحرارة. مع زيادة درجة الحرارة، يزداد تركيز حاملات الشحنة وتزداد الموصلية الانتقالية. يزداد التيار العكسي بشكل كبير. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يحدث انقطاع كهربائي في وقت مبكر. ويبين الشكل 23 تأثير درجة الحرارة على خاصية الجهد الحالي.
الشكل 23 - تأثير درجة الحرارة على خاصية الجهد الحالي للديود
بناءً على الصمام الثنائي المقوم، يمكنك بناء دائرة مقوم نصف موجة بسيطة (انظر الشكل 24).
الشكل 24 - دائرة مقوم بسيط
تتكون الدائرة من محول T، والذي يعمل على تحويل الجهد الأصلي إلى جهد بالقيمة المطلوبة؛ الصمام الثنائي المعدل VD، الذي يعمل على تصحيح التيار المتردد، والمكثف C، الذي يعمل على تخفيف التموجات وتحميل Rn.
خصائص ومعلمات المقوم والثنائيات العالمية
تستخدم الثنائيات المعدلة لتصحيح التيار المتردد منخفض التردد. تعتمد خصائص التصحيح لهذه الثنائيات على مبدأ التوصيل أحادي الاتجاه للوصلات والثقوب الإلكترونية.
تُستخدم الثنائيات العامة في العديد من المعدات الإلكترونية مثل مقومات التيار المتردد ذات الترددات العالية والمنخفضة، والمضاعفات ومحولات التردد، وكاشفات الإشارات الكبيرة والصغيرة، وما إلى ذلك. إن نطاق تيارات التشغيل والفولتية للمقوم والثنائيات العامة واسع جدًا، لذلك فهي يتم إنتاجها بوصلات pn النقطية والمستوية في بنية أشباه الموصلات بمساحات تتراوح من أعشار المليمتر المربع إلى عدة سنتيمترات مربعة. عادةً ما تستخدم الثنائيات العامة وصلات ذات مساحات وسعات صغيرة، ولكن بقيم عالية نسبيًا للتيارات الأمامية والجهد العكسي. يتم استيفاء هذه المتطلبات من خلال الثنائيات النقطية والسبائك الدقيقة المستوية والثنائية المستوية. خصائص ومعلمات الثنائيات العالمية هي نفس خصائص ومعلمات الثنائيات المعدلة.
خصائص فولت أمبير(خاصية الجهد الكهربائي) للثنائيات المعدلة تعبر عن اعتماد التيار المار عبر الصمام الثنائي على قيمة وقطبية الجهد المباشر المطبق عليه. يوضح الفرع المباشر للخاصية اعتماد التيار عبر الصمام الثنائي مع المباشر من خلال قطبية الجهد المطبق. تعتمد قوة التيار الأمامي بشكل كبير على الجهد الأمامي المطبق على الصمام الثنائي ويمكن أن تصل إلى قيم كبيرة مع انخفاض جهد صغير (حوالي 0.3 - 1 فولت) عبر الصمام الثنائي.
يتوافق الفرع العكسي للخاصية مع الاتجاه غير الموصل للتيار عبر الصمام الثنائي مع قطبية عكسية للجهد المطبق على الصمام الثنائي. يعتمد التيار العكسي (القسم OD) قليلاً على الجهد العكسي المطبق. عند الجهد العكسي المرتفع نسبيًا (النقطة B على الخاصية)، يحدث انهيار كهربائي في تقاطع p-n، حيث يزداد التيار العكسي بسرعة، مما قد يؤدي إلى انهيار حراري وتلف الصمام الثنائي. مع ارتفاع درجة الحرارة، سيزداد التيار الحراري وتيار توليد حاملات الشحنة في الوصلة، مما سيؤدي إلى زيادة التيارات الأمامية والعكسية وتحول في خصائص الصمام الثنائي.
يتم تقييم خصائص الثنائيات وقابليتها للتبادل من خلال معلماتها. تشمل المعلمات الرئيسية التيارات والفولتية المرتبطة بخاصية الجهد الحاليتستخدم الثنائيات في دوائر التيار المتردد والتيار المستمر. لذلك، لتقييم خصائص الثنائيات، إلى جانب المعلمات في التيار المباشر، يتم استخدام المعلمات التفاضلية التي تميز عملها في التيار المتردد.
تصحيح (المباشر) الحالي Ipr هو التيار (متوسط القيمة لكل فترة) الذي يمر عبر الصمام الثنائي، مما يضمن تشغيله الموثوق به وطويل الأمد. قوة هذا التيار محدودة بالتسخين أو الطاقة القصوى Pmax. يؤدي تجاوز التيار الأمامي إلى الانهيار الحراري وتلف الصمام الثنائي.
- انخفاض الجهد إلى الأمام UPr.Av هو متوسط قيمة الصمام الثنائي خلال فترة زمنية عندما يمر التيار الأمامي المسموح به من خلاله.
- الجهد العكسي المسموح به U0br هي القيمة المتوسطة خلال الفترة التي يتم فيها ضمان التشغيل الموثوق والطويل الأمد للصمام الثنائي. يؤدي تجاوز الجهد العكسي إلى انهيار وفشل الثنائيات. مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض الجهد العكسي وقيم التيار الأمامي.
- تيار عكسي Irev - متوسط قيمة فترة التيار العكسي عند Urev مقبول. كلما انخفض التيار العكسي، كلما كان ذلك أفضل
أنت خصائص تصحيح الصمام الثنائي.تؤدي الزيادة في درجة الحرارة لكل 10 درجات مئوية إلى زيادة التيار العكسي لثنائيات الجرمانيوم والسيليكون بمقدار 1.5 - 2 مرة أو أكثر.
أقصى ثابت، أو متوسط القدرة Pmax التي يتبددها الصمام الثنائي خلال فترة، حيث يمكن أن يعمل الصمام الثنائي لفترة طويلة دون تغيير معلماته. هذه القدرة هي مجموع منتجات التيارات والفولتية عند التحيزات الأمامية والخلفية للوصلة، أي في نصف الدورات الموجبة والسالبة للتيار المتردد. بالنسبة للأجهزة عالية الطاقة التي تعمل بإزالة جيد للحرارة، Pmax = (Tp.max - Tk)/Rpk. بالنسبة للأجهزة منخفضة الطاقة التي تعمل بدون مشتت حراري،
Pmax = (Tp.max - T s) / Rp.s.
أقصى درجة حرارة تقاطعيعتمد Gp.max على المادة (فجوة النطاق) لأشباه الموصلات ودرجة المنشطات، أي على مقاومة منطقة الوصلة p-n - القاعدة. يقع نطاق Gp.max للجرمانيوم في نطاق 80 - 110 درجة مئوية، وللسيليكون 150 - 220 درجة مئوية.
المقاومة الحراريةيتم تحديد Rp.k بين الانتقال والإسكان من خلال اختلاف درجة الحرارة بين تقاطع مبيت Tpi Tk ومتوسط الطاقة Ra المنبعثة في الانتقال وهي 1 - 3 درجة مئوية / W: Ra.K = (Ta - TK) / بنسلفانيا. تعتمد المقاومة الحرارية Rn c بين الوصلة والبيئة على فرق درجة الحرارة بين الوصلة Tp والبيئة Tc. منذ عمليا RPK يتميز الوضع المقيد لاستخدام الثنائيات بالحد الأقصى للجهد العكسي المسموح به URev max، والحد الأقصى لتيار المقوم Ipr max والحد الأقصى لدرجة حرارة الوصلة TPmax. مع زيادة تردد الجهد المتردد المزود إلى الصمام الثنائي، تتدهور خصائص التصحيح الخاصة به. لذلك، لتحديد خصائص الثنائيات المعدل، عادة ما يتم تحديد نطاق تردد التشغيل Df أو الحد الأقصى لتردد التصحيح fmax، عند ترددات أكبر من fmax، لا يتوفر لدى حاملات الشحن الأقلية المتراكمة خلال نصف الدورة الأمامية في القاعدة الوقت الكافي. لذلك، خلال نصف الدورة العكسية للجهد المصحح، يظل الانتقال متحيزًا للأمام لبعض الوقت (أي أنه يفقد خصائص التصحيح الخاصة به). تكون هذه الخاصية أكثر وضوحًا كلما زاد نبض التيار الأمامي أو زاد تردد الجهد المتردد المزود، بالإضافة إلى ذلك، عند الترددات العالية، يبدأ تأثير التحويل للحاجز وسعات الانتشار للوصلة p-n في الظهور، مما يقلل من خصائص التصحيح. عند حساب وضع المقوم، يتم استخدام المقاومة الثابتة للتيار المباشر والمقاومة التفاضلية للثنائيات للتيار المتردد لسعات الصمام الثنائي تأثير كبير على أدائها عند الترددات العالية وفي الأوضاع النبضية. عادةً ما تعطي بيانات جواز السفر للثنائيات السعة الإجمالية لقرص الصمام الثنائي المضغوط، والتي تتضمن، بالإضافة إلى سعة الحاجز والانتشار، سعة جسم الجهاز. يتم قياس هذه السعة بين أسلاك التيار الخارجية للصمام الثنائي عند عكس معين الجهد التحيز والتردد الحالي على الرغم من أن جميع الثنائيات عبارة عن مقومات، إلا أن المصطلح يطبق عادة على الأجهزة المخصصة لتزويد الطاقة، لتمييزها عن العناصر المستخدمة في دوائر الإشارة الصغيرة. يتم استخدام الصمام الثنائي المعدل عالي الطاقة لتصحيح تيار التيار المتردد بتردد إمداد منخفض يبلغ 50 هرتز عند انبعاث طاقة عالية أثناء التحميل. المهمة الرئيسية للديود هي تحويل الجهد المتردد إلى الجهد المباشرمن خلال استخدامها في الجسور المعدل. وهذا يسمح للكهرباء بالتدفق في اتجاه واحد فقط، مما يحافظ على تشغيل مصدر الطاقة.
ليس من الصعب فهم مبدأ تشغيل الصمام الثنائي المعدل. يتكون عنصرها من هيكل يسمى تقاطع pn. ويسمى الجانب من النوع p بالأنود ويسمى الجانب من النوع n بالكاثود. يتم تمرير التيار من القطب الموجب إلى الكاثود، بينما يتم منع التدفق في الاتجاه المعاكس تمامًا تقريبًا. وتسمى هذه الظاهرة استقامة. يقوم بتحويل التيار المتردد إلى تيار أحادي الاتجاه. يمكن لهذا النوع من الأجهزة التعامل مع كهرباء أعلى من الثنائيات العادية، ولهذا السبب يطلق عليها اسم الطاقة العالية. يمكن تصنيف القدرة على توصيل كميات كبيرة من التيار على أنها الميزة الرئيسية. اليوم يتم استخدام ثنائيات السيليكون في أغلب الأحيان. عند مقارنتها بالعناصر المصنوعة من الجرمانيوم، فهي تتمتع بسطح اتصال أكبر. نظرًا لأن الجرمانيوم لديه مقاومة منخفضة للحرارة، فإن معظم أشباه الموصلات مصنوعة من السيليكون. تتمتع الأجهزة المصنوعة من الجرمانيوم بجهد عكسي ودرجة حرارة توصيل أقل بكثير. الميزة الوحيدة التي يتمتع بها ديود الجرمانيوم على السيليكون هي قيمة الجهد الأقل عند التشغيل في التحيز الأمامي (VF (IO) = 0.3 ÷ 0.5 فولت للجرمانيوم و 0.7 ÷ 1.4 فولت للسيليكون).
يوجد اليوم العديد من أنواع أدوات فرد الشعر المختلفة. وعادة ما يتم تصنيفها وفقا لما يلي: الأنواع الأكثر شيوعًا هي 1 أمبير و1.5 أمبير و3 أمبير و5 أمبير و6 أمبير. وهناك أيضًا أجهزة قياسية بحد أقصى لمتوسط التيار المصحح يصل إلى 400 أمبير. يمكن أن يختلف الجهد الأمامي من 1.1 مللي فولت إلى 1.3 كيلو فولت. وتتميز بالحدود المسموح بها التالية:
مثال على عنصر الأداء العالي هو صمام ثنائي مقوم التيار العالي المزدوج 2x30A، وهو مناسب بشكل أفضل للمحطات الأساسية، وأجهزة اللحام، وإمدادات الطاقة AC/DC والتطبيقات الصناعية.
باعتباره أبسط مكونات أشباه الموصلات، فإن هذا النوع من الصمام الثنائي لديه مجموعة واسعة من التطبيقات في الأنظمة الإلكترونية الحديثة. تستخدم الدوائر الإلكترونية والكهربائية المختلفة هذا المكون كجهاز مهم لتحقيق النتيجة المطلوبة. نطاق تطبيق جسور المقوم والثنائيات واسع النطاق. فيما يلي بعض الأمثلة على ذلك: تعد الثنائيات المعدلة للطاقة مكونًا حيويًا لإمدادات الطاقة. يتم استخدامها لتنظيم الطاقة في أجهزة الكمبيوتر والسيارات، ويمكن استخدامها أيضًا في أجهزة شحن البطاريات وإمدادات الطاقة للكمبيوتر. بالإضافة إلى ذلك، غالبا ما يتم استخدامها لأغراض أخرى (على سبيل المثال، في كاشف أجهزة الاستقبال الراديوية لتعديل الراديو). يحظى متغير الصمام الثنائي لحاجز شوتكي بتقدير خاص في الإلكترونيات الرقمية. نطاق درجة حرارة التشغيل من -40 إلى +175 درجة مئوية يسمح باستخدام هذه الأجهزة تحت أي ظروف.
خصائص الصمام الثنائي
أنواع والمعايير الفنية للمقومات
قيمة التطبيق
