Dioda, kondenzator, polvalno in polnovalno usmerjanje

Dioda

Dioda je polprevodniški element. Priključka diode imenujemo anoda in katoda. Priključek na strani P-spoja je anoda (pozitivna elektroda), na strani N-spoja pa je katoda (negativna elektroda). Če diodo priključimo na vir enosmerne napetosti tako, da bo anoda pozitivna, katoda pa negativna, bo dioda začela prevajati, če je potencialna razlika med P in N plastjo PN spoja dovolj velika. Napetosti, kjer začne električni tok v prevodni smeri strmo naraščati, pravimo napetost kolena. Odvisna je predvsem od materiala polprevodnika, za silicij je približno 0,7 V.

Sestavimo vezje v okolju Multisim in poglejmo karakteristiko diode v prevodni smeri.

Slika 1: Priključitev diode na enosmerno napetost, prevodna smer.

V oknu Analyses and Simulation izberemo DC Sweep in nastavimo pod Analysis parameters Start value na 0 V, Stop value na 1 V in Increment na 0,02 V. Pod Output pa izberemo spremenljivko  I(D1[ID]) in jo dodamo (Add) kot izbrano spremenljivko za našo analizo.

V priročnem meniju grafa (s kurzorjem se postavimo na graf, pritisnemo na desno tipko miške in izberemo Properties ali pa v menijski vrstici izberemo Graph > Properties) izberemo napise na x in y osi, debelino in barvo izrisanega grafa, minimalne in maksimalne vrednosti na obeh oseh in druge nastavitve.

Pod Output izberemo spremenljivki (V1), in V(3). V(1) predstavlja napetost baterije, v našem primeru 12 V, V(3) pa napetost na kondenzatorju. Stikalo S1 najprej izklopimo, tako da vezje z uporom in kondenzatorjem nima napetosti. Zaženemo simulacijo in izrisovati se začne graf. Ko stikalo vklopimo, se začne kondenzator preko upora polniti. Ko se kondenzator napolni, stikalo izklopimo in kondenzator se začne preko upora prazniti:

Kondenzator se polni in prazni po eksponentni funkciji. 

Ko na vezje priključimo napetost, začne napetost na kondenzatorju naraščati po eksponentni funkciji od vrednosti 0 V do končne vrednosti. V tem času začne tok skozi kondenzator padati po eksponentni funkciji od maksimalne vrednosti do vrednosti 0, ko je kondenzator napolnjen. Času, ki preteče med začetkom polnjenja in koncem polnjenja, pravimo čas prehodnega pojava. Času, v katerem vrednost veličin v prehodnem pojavu od začetka naraste na 63% ali pade na 37%, pravimo časovna konstanta τ. Vrednost časovne konstante τ je odvisna samo od vrednosti upora in kondenzatorja:

V našem primeru smo uporabili upor vrednosti 100 kΩ in kondenzator vrednosti 220 µF. Časovna konstanta znaša:

Polnjenje kondenzatorja:

Napetost na uporu označimo z UR, napetost na kondenzatorju z UC, napetost baterije pa z U. Ko vklopimo stikalo, se napetost na kondenzatorju UC povečuje po enačbi:

Izračunajmo čas, ko se kondenzator napolni na polovico napetosti baterije. Takrat velja:

Kondenzator se napolni na polovico napetosti baterije po 15,2 s. To lahko razberemo tudi iz grafa:

Na kakšno vrednost se napolni kondenzator po preteku ene, dveh, treh, štirih in petih časovnih konstant?

Po preteku prve časovne konstante τ=RC velja:

Po preteku prve časovne konstante (t=22 s) se je kondenzator napolnil na 63,2% vrednosti napetosti baterije, kar znaša Uc = 7,5 V.

Po preteku prvih dveh časovnih konstant τ=2RC velja:

To vrednost lahko razberemo iz grafa praznjenja kondenzatorja, kot prikazuje slika 9.

Po enakem postopku lahko izračunamo napetost na kondenzatorju Uc po dveh, treh ali večih časovnih konstantah praznjenja kondenzatorja.

Izmenična napetost

Značilne vrednosti izmenične napetosti:

Izmenična sinusna napetost se spreminja vsak trenutek. Največjo vrednost v pozitivni polperiodi oziroma najmanjšo vrednost v negativni polperiodi imenujemo maksimalna, temenska vrednost Um (Umax, Ut). Napetost od vrha do vrha ("peak to peak") je dvakratna vrednost maksimalne napetosti in jo označujemo Upp. Efektivno vrednost napetosti izrazimo glede na maksimalno vrednost. Označimo jo z Uef. Za sinusno obliko izmenične napetosti je:

V elektrotehniki v praksi večinoma računamo z efektivnimi vrednostmi, zato poudarjanje "efektivna vrednost" navadno izpustimo. Če rečemo, da je nekje izmenična napetost 230 V, mislimo na efektivno vrednost te napetosti. V literaturi je označena tudi URMS ("root-mean-square").

Čas trajanje ene periode označujemo s T. Številu, ki nam pove, koliko period sinusne napetosti imamo v eni sekundi imenujemo frekvenca f, ki je enaka recipročni vrednosti časa periode. V primeru izmenične napetosti iz slike 10 traja ena perioda T=20 ms. S pomočjo tega podatka lahko izračunamo frekvenco izmenične napetosti:

Polvalni usmernik

Za usmerniška vezja uporabimo diodo, saj je njena poglavitna lastnost, da prevaja električni tok v eno smer. Usmerniško vezje pretvarja izmenični tok ("alternative current, AC") v enosmernega ("direct current, DC).

Na osciloskopu napetostno območje kanala A nastavimo na 10 V/cm, časovno območje pa na 10 ms/cm. V pozitivni polperiodi izmenične napetosti teče tok skozi diodo in bremenski upor. Na bremenu ustvari padec napetosti v obliki sinusne polperiode. V negativni polperiodi dioda ne prevaja, zato toka v breme ni. Poglejmo še dogajanje na bremenu z orodjem Analysis and simulation. Active Analysis nastavimo na Transient. Start time nastavimo na 0 s, End time pa na 0,08 s. 

Označimo povezavo od diode do upora z drugačno barvo, povezavi pa dajmo ime URb. To storimo tako, da se s kurzorjem postavimo na izbrano povezavo, pritisnemo na desno tipko miške in v priročnem meniju (Properties) izberemo barvo povezave in njeno ime (Preferred net name) ter omogočimo prikaz imena (potrdimo Show net name).

V oknu Output izberemo napetost na bremenu, katere potek želimo spremljati. Ker smo poimenovali povezavo med diodo in uporom z URb, je med ostalimi spremenljivkami na seznamu tudi V(urb). Opazovali bomo torej potek napetosti na bremenskem uporu Rb.

Če smo na vezje polvalnega usmernika priključili izmenično napetost Uef = 12 V, potem znaša maksimalna napetost:

Z uporabo kurzorjev (Cursor > Show cursors) in izbiro Go to next YMAX => za oba kurzorja, dobimo prikazane podatke, kot jih prikazuje slika 16.

Pri usmerjeni napetosti nas zanima predvsem srednja vrednost napetosti in toka. Pri polvalnem usmerjenem signalu je srednja vrednost napetosti na bremenu enaka:

kjer je R upornost, skozi katero se kondenzator C polni ali prazni. Velika časovna konstanta pomeni počasnejša praznjenje in manjšo valovitost napetosti na bremenu. Majhna časovna konstanta pa pomeni hitro praznjenje kondenzatorja in večjo valovitost napetosti na bremenu.

Primerjajmo valovitost z dvema različnima kondenzatorjema in istim uporom v okolju Multisim (slika 18).

reje polni kot prazni.

Za prikaz grafa valovitosti z dvema različnima kondenzatorjema v oknu Analyses and simulation izberemo Parameter Sweep. Pod Points to sweep v zavihku Analysis parameters določimo Start: 22 µF, Stop: pa 220 µF. V zavihku Output pa poleg V(1) dodamo spremenljivko V(urb), če smo povezavo od kondenzatorja do upora poimenovali z URb.

Graf bo prikazal valovitost napetosti na bremenu z dvema različnima časovnima konstantama, saj smo za prikaz določili dva kondenzatorja različnih vrednosti:

Ker v vsaki polperiodi prevajata po dve diodi, je padec napetosti na mostičku vedno enak dvema padcema napetosti na diodi, okoli 1,4 V. Pri polnovalnem usmerjenem signalu je srednja vrednost napetosti na bremenu enaka:

Glajenje enosmerne napetosti

Na izhodu ne dobimo čisto konstantne napetosti, je valovita, zato uporabimo gladilni kondenzator.

V vezje smo vstavili virtualni spremenljivi kondenzator, da bomo lahko opazovali valovitost enosmerne napetosti na bremenu pri različnih časovnih konstantah. Povezavo vira izmenične napetosti s kanalom B (+) osciloskopa smo v priročnem meniju poimenovali Izmenična_napetost, povezavo pozitivne enosmerne napetosti na bremenskem uporu s kanalom A (+) osciloskopa pa smo poimenovali URb. S tem, ko določimo barvo povezave, določimo tudi barvo signala na oscilogramu. Poglejmo oscilogram, ki ga prikazuje osciloskop (slika 23), ko zaženemo simulacijo.

Na oscilogramu vidimo izmenično napetost sinusne oblike in enosmerno valovito napetost na bremenu. Vidimo, da se kondenzator preko dveh diod napolni na maksimalno vrednost vsako polperiodo. Ko izmenična napetost na vhodu usmernika pade pod napetost na kondenzatorju, diodi ne prevaja več. Elektrina, ki se je med tem nabrala na kondenzatorju, se sedaj prazni skozi breme. Zaradi kondenzatorja nihanje napetosti na bremenu ni več tako izrazito.

V okolju Multisim smo izbrali spremenljiv kondenzator vrednosti 100 µF. Njegovo vrednost lahko spreminjamo in opazujemo spremembo valovitosti enosmerne napetosti na bremenu. Oscilogram na sliki 23 prikazuje valovitost pri 40%-ni vrednosti nazivne vrednosti kondenzatorja, torej pri vrednosti 40 µF.

Dogajanje na polnovalnem usmerniku z gladilnim kondenzatorjem lahko prikažemo tudi na grafu (slika 24), ki nam da boljše rezultate in nadzor nad dobljenimi podatki.

Parametri, ki jih kontroliramo z osciloskopom, so avtomatsko vidni tudi na grafu tekoče analize, ki ga dobimo tako, da v menijski vrstici izberemo View in na spustnem seznamu Grapher. Ko izvajanje simulacije ustavimo (Stop), lahko uredimo graf v priročnem meniju. S kurzorjem se postavimo na območje grafa in pritisnemo na desno tipko miške, ali pa v menijski vrstici grafa izberemo Graph in izberemo Properties. Odpre se nam okno Graph Properties (slika 25).

V zavihku Bottom axis pod Label: spremenimo napis v Čas (s), spremenimo tudi območje Range, Min: pustimo na 0, Max: pa spremenimo na 0.08. V zavihku Left axis spremenimo napis pod Label: v Napetost na bremenu (V), območje Range pa popravimo Min: na -30, Max: pa na 30. V zavihku Right axis napis Channel_B Voltage(V) pod Label spremenimo v Izmenična napetost (V), saj smo na kanal B osciloskopa pripeljali izmenično napetost. Vse spremembe potrdimo s pritiskom na gumb OK.

Bavo in debelino izrisanih signalov lahko spremenimo tako, da se s kurzorjem postavimo nad posamezno krivuljo in pritisnemo na desno tipko miške. Odpre se nam spustni seznam Show select marks on trace (slika 26), kjer lahko spreminjamo posamezne nastavitve.

Z uporabo orodja Show cursors v orodni vrstici lahko analiziramo posamezne veličine. Recimo, da nas zanima vrednost napetosti, za katero se kondenzator izprazni v vsaki polperiodi (valovitost). Najprej kliknemo na prikaz valovite enosmerne napetosti na bremenu. Nato se postavimo na cursor 1 in pritisnemo na desno tipko miške. Na seznamu izberemo Go to next Y MIN =>. Cursor 2 postavimo v položaj maksimalne napetosti, do katere se napolni kondenzator tako, da na seznamu izberemo Go to next Y MAX =>.

V tabeli prikazanih rezultatov Cursor imamo izpisane podatke y vrednosti za oba kurzorja. Iz podatkov vidimo, da je maksimalna napetost, do katere se napolni kondenzator 15,5733 V, do prihoda druge polperiode izmeničnega signala se izprazni za 1,3759 V na vrednost 14,1974 V. Podatki veljajo za 80 %-no vrednost kondenzatorja 100 µF, torej 80 µF in vrednost bremenskega upora 1 kΩ. Iz podatkov lahko izberemo tudi čas polnjenja in praznjenja kondenzatorja v eni polperiodi. Iz grafa in podatkov lahko tudi razberemo (če smo kurzorja grafa postavili na ustrezna mesta), da je maksimalna napetost izmenične napetosti večja od maksimalne enosmerne napetosti na bremenu. Razlika znaša 1,3969 V. Ta se porabi na obeh diodah, na vsaki 0,7 V, kolikor znaša napetost kolena.