Diode

Oppbygning av en diode

En standard diode består av et PN-overgang laget av halvledermaterialer, ofte silisium (Si). Den har to terminaler:

1. Anode (+) – Den positive siden.
2. Katode (-) – Den negative siden.

På dioder er katoden ofte merket med en strek.

---

Hvordan fungerer en diode?

1. Framover polarisering (leder strøm)

• Når anoden er positiv i forhold til katoden, åpner dioden og lar strøm passere.
• Spenningen over dioden må være høyere enn terskelspenningen (~0,7V for silisiumdioder, ~0,3V for germaniumdioder).
• Elektroner beveger seg fra katoden til anoden, mens hull beveger seg motsatt.

2. Sperrepolarisering (blokkerer strøm)

• Når katoden er mer positiv enn anoden, blokkerer dioden strømmen.
• PN-overgangen utvides, og ingen ladningsbærere kan krysse.

Typer dioder og bruksområder

• Standarddiode – Vanlig retningsstyrt strømflyt (ensrettere).
• Zenerdiode – Leder baklengs ved en spesifikk spenning (spenningsregulering).
• LED (Light Emitting Diode) – Sender ut lys når strøm går gjennom.
• Schottky-diode – Rask og lav spenning, brukt i høyfrekvente kretser.
• Fotodiode – Reagerer på lys og brukes i sensorer.

Konklusjon

Transistor

Oppbygning av en transistor.

Transistorer er laget av halvledermateriale (vanligvis silisium). De har tre terminaler:

1. Base (B) – Styrer strømflyten.
2. Kollektor (C) – Tar imot hovedstrømmen.
3. Emitter (E) – Sender ut strøm.

---

To hovedtyper av transistorer:

Bipolar junction transistor (BJT) – Bruker både elektroner og hull for å lede strøm.

• NPN-transistor (vanligst)
• PNP-transistor

Field-effect transistor (FET) – Styres av et elektrisk felt.

• MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) (mest brukt i digitale kretser)

Hvordan fungerer en transistor?

A) Bipolar junction transistor (BJT)

1. NPN-transistor (mest vanlig).
- Liten strøm inn i basen → Stor strøm fra kollektor til emitter.
- Krever en positiv spenning mellom base og emitter (~0,7V for silisium).
- Oppfører seg som en forsterker eller bryter.

Bryterfunksjon

• Når basen får en liten strøm, slår transistoren på, og strøm flyter fra kollektor til emitter.
• Når basestrømmen fjernes, slår transistoren av, og strøm stopper.

Forsterkerfunksjon

• En liten strøm inn på basen kan styre en mye større strøm mellom kollektor og emitter.

2. PNP-transistor

• Fungerer motsatt av en NPN.
• Strøm flyter fra emitter til kollektor når basen er mer negativ enn emitter.

B) MOSFET (Field-Effect Transistor)

• Styres av en spenning, ikke en strøm.
• Har tre terminaler: Gate (G), Drain (D), Source (S).
• Når en spenning legges på gaten, åpnes en kanal mellom drain og source, slik at strøm kan flyte.
• MOSFET-er er svært raske og brukes i digitale kretser og datamaskiner.

Bruksområder for transistorer

• Forsterkere – Øker signalstyrken i høyttalere, radioer og mikrofoner.
• Brytere – Brukes i databrikker, logiske kretser og elektroniske enheter.
• Effektkontroll – Styrer motorer, LED-lys og strømforsyninger.

TRIAC

Oppbygning av en TRIAC

En TRIAC har tre terminaler:

1. Anode 1 (A1) / Main Terminal 1 (MT1)
2. Anode 2 (A2) / Main Terminal 2 (MT2)
3. Gate (G) – Styringsinngang som trigger TRIAC-en.

Struktur

• Består av fem halvlederlag (PNPNP).
• Symmetrisk ledning – strøm kan gå begge veier når den er aktivert.

Hvordan virker en TRIAC?

En TRIAC fungerer som en bryter for vekselstrøm, men kan lede strøm i begge retninger når den trigges.

A) Når TRIAC-en er AV (blokkerer strøm)

• Ingen spenning på Gate, så leder ikke TRIAC-en.

B) Når TRIAC-en er PÅ (leder strøm)

• En liten strøm på Gate (enten positiv eller negativ) aktiverer TRIAC-en.
• Når den er aktivert, forblir den på til strømmen faller til null (i vekselstrøm skjer dette automatisk hver halvsyklus).

Hvordan styres en TRIAC?

• Trigger med positiv eller negativ gate-puls (kan aktiveres i begge polariteter).
• Slår seg av automatisk når strømmen gjennom den går til null.
• Kan kontrolleres med f.eks. en mikroprosessor eller optokobler.

Bruksområder for en TRIAC

• Lys dimmere – Regulerer lysstyrken i lamper.
• Fartskontroll for motorer – Brukes i boremaskiner, vifter osv.
• Varmeregulering – Styring av elektriske varmeovner.
• Effektregulering i induksjonsovner og transformatorer.

Tyristor

Oppbygning av en Tyristor

En tyristor har fire halvlederlag (PNPN) og tre terminaler:

1. Anode (A) ➕ – Hovedinngangen for strøm.
2. Katode (K) ➖ – Utgangen for strøm.
3. Gate (G) – Styreelektroden som aktiverer tyristoren.

Struktur

• Består av en PNPN-struktur, som kan sees som to transistorer koblet sammen (en PNP og en NPN).
• Når den aktiveres, forblir den på til strømmen brytes.

Hvordan virker en Tyristor?

En tyristor har to tilstander:

A) Når Tyristoren er AV (blokkerer strøm)

• Ingen spenning på Gate, så strøm kan ikke flyte fra Anode til Katode.
• PNPN-strukturen fungerer som en sperring.

B) Når Tyristoren er PÅ (leder strøm)

• En kort puls på Gate gjør at tyristoren slår seg på og begynner å lede strøm.
• Den forblir på selv om Gate-signal fjernes (latching-effekt).
• Tyristoren slår seg bare av når strømmen faller til null (som i vekselstrøm) eller når strømmen avbrytes eksternt.

Bruksområder for Tyristorer

• Likestrøms- og vekselstrøms styring – Brukes i motorstyring og strømforsyninger.
• Sveiseapparater – Styrer høy strøm i industriell sveising.
• Justerbare strømforsyninger – Brukes i ladere og spenningsregulatorer.
• Motorstartere – For store motorer i fabrikker og skip.
• HVDC (High Voltage DC Transmission) – Brukes i kraftnett for å styre likestrøm.

Tyristor som styrbar enpulskobling:

• En tyristor erstatter dioden og fungerer som en styrbar likeretter.
• Tyristoren slipper gjennom strøm kun når den får en styrepuls på gate-terminalen.
• Dette gjør det mulig å styre når i AC-syklusen strømmen begynner å flyte, noe som gir mulighet for effektregulering.

Tyristor vs. TRIAC

Egenskap	Tyristor (SCR)	TRIAC
Leder strøm i	Kun én retning	Begge retninger
Typisk bruk	Likestrøm (DC) og AC-brytere	AC-dimmere, motorstyring
Slår seg av når	Strømmen går til null eller brytes eksternt	Strømmen går til null i vekselstrøm

Likeretting med dioder

Enveis likeretting (enpulskobling)

---

Hvordan fungerer enpulskoblingen med diode?

• En diode plasseres i serie med lasten og AC-kilden.
• Dioden leder bare når AC-spenningen er positiv, og blokkerer når den er negativ.
• Resultatet er en pulserende likestrøm med en stor rippel.

Fordeler og ulemper med enpulskobling

Fordeler:

• Enkel og billig krets
• Kan brukes for grunnleggende AC-DC-konvertering

Ulemper:

• Utnytter bare halvparten av AC-syklusen, noe som gir lav effektivitet
• Gir høy rippel i DC-spenningen (krever filtrering for jevnere spenning)
• Med tyristor: Kun mulig å styre spenningen i én retning

Enpulskobling brukes ofte i enkle strømforsyninger, batteriladere og enkelte typer motorstyring hvor presis spenningskontroll ikke er nødvendig.

Forhold mellom AC og DC ved en pulskobling:

Parameter	Forklaring
Ueff (AC)	Effektivverdien av AC-inngangsspenningen
Upeak (AC)	Amplitudeverdien på AC-inngangen: √2 × Ueff
Ud (DC) (utgang)	Gjennomsnittsverdien av den likerettede spenningen

---

Forhold mellom AC og DC i enveis likeretting:

1. Gjennomsnittlig (DC) spenning etter likeretting (uten filter):

$U_{d} = \ \frac{U_{\text{peak}}}{\pi}$

Vi kan og bruke en konstant ved utregninger av likespenningen:

$U_{d} = 0,32*U_{\text{peak}}$

1. Effektivverdien av utgangsspenning etter enveis likeretting:

​​ $U_{\text{eff}} = \ \frac{U_{\text{peak}}}{\sqrt{}2}$

Når vi har effektivverdien, kan vi og regne ut spenningen over dioden med en konstant:

$U_{d} = 0,45*\ U_{\text{eff}}$

1. Spenningsfall over dioden:
   • For silisiumdioder mister du ca. 0,7 V.
   • Så den reelle DC-utgangen blir:

$U_{d} = \ \frac{U_{\text{peak}} - 0,7}{\pi}$

---

Sperrespenning

Sperrespenning (også kalt reverse voltage eller peak inverse voltage – PIV) er den maksimale spenningen som dioden må tåle i sperreretning uten å bli ødelagt.

I enveis likeretting:

Når AC-signalet er i den negative halvbølgen, leder ikke dioden. I denne perioden er dioden i sperreretning, og spenningen over den kan bli ganske høy.

Formelen:

$U_{\text{sperre}} = \ U_{\text{peak}}$

Altså:

Sperrespenningen = toppverdien av AC-inngangen.

Eksempel:

• Har du U_eff = 230 V inn:

$U_{\text{peak}} = \ \sqrt{2}*230 = 325\ V$

Da må dioden tåle minst 325 V i sperreretning.

Vi kan også si at

$U_{\text{sperre}} = \ \pi * \ U_{d} = \ \pi * 103,5 \approx 325\ V$

---

Helbølgelikeretting

Det finnes to vanlige metoder:

Midtpunkttransformator med to dioder (Toveis likeretter)

• Krever en transformator med midtuttak.
• To dioder brukes, én for hver halvbølge.

Brokobling (Graetz-bro) med fire dioder

• Vanligst og krever ikke midtuttak.
• Fire dioder jobber sammen slik at lasten alltid får spenning i samme retning.

Midtpunktkobling eller toveis likeretter

En toveis likeretter er en ensretter kobling som brukes til å omforme vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC). Den er en grunnleggende likeretter i kraftsystemer og brukes ofte i ensrettere for trefase- og enfaseanlegg.

Oppbygning av en toveis likeretter

• To dioder (for enfase) eller to tyristorer (for styrt likeretter)
• En transformator (valgfritt, men ofte brukt)
• En last (f.eks. en motor, batteri eller elektroniske kretser)

Det finnes to hovedtyper:

• Topuls brokobling (fullbølge likeretter) – To dioder i en enfasebro.
• Topuls midtpunktkobling – Bruker en transformator med midtuttak og to dioder.

Hvordan fungerer en topulskobling?

a) Topuls midtpunktkobling (med transformator)

1) Transformatoren har en midtuttak som gir to vekselspenninger i motfase.

2) To dioder (D1 og D2) leder vekselvis, avhengig av polariteten til inngangsspenningen.

3) Når den ene halvbølgen er positiv, leder D1, mens D2 er sperret.

4) Når den neste halvbølgen er negativ, leder D2, mens D1 sperrer.

5) Dette gir to pulser per periode, og derfor kalles den topuls.

Resultat: Utgangsspenningen er pulsformet likestrøm (DC), som kan jevnes ut med en kondensator.

b) Topuls brokobling (uten transformator)

1. Bruker to dioder i en brokobling direkte på vekselspenningen.
2. Fungerer på samme måte som midtpunktkoblingen, men uten transformator.
3. Gir samme to pulser per periode i utgangsspenningen.

Fordeler og Ulemper

Fordeler:

• Enkelt design og billig.
• Krever kun to dioder, færre komponenter enn sekspuls likeretter.
• Gir dobbel puls per periode sammenlignet med en enpuls likeretter.

Ulemper:

• Pulsformet DC gir behov for filterkondensatorer for jevn spenning.
• Ikke like effektiv som sekspuls- eller tolvpuls likeretter for trefasesystemer.

Bruksområder for en topulskobling

• Likerettere i strømforsyninger – Konverterer AC til DC i små elektroniske enheter.
• Lading av batterier – Brukes i enkle batteriladere.
• Enkle motorstyringer – Kontrollerer DC-motorer.
• Sveiseapparater – Brukes i kraftige strømforsyninger.

---

Helbølgelikeretting med midtpunkt

$U_{d} = \ \frac{2 * U_{\text{peak}}}{\pi}$

Berre en diode leder av gangen:

$U_{d}\ \approx \ \frac{U_{\text{peak}}}{\pi} + \frac{U_{\text{peak}}}{\pi} = \frac{2 * U_{\text{peak}}}{\pi}$

$U_{d} = \ \frac{2 * \sqrt{2} * U_{\text{eff}}}{\pi}$

Kan også bruke en konstant:

$U_{d} = 0,9 * \ U_{\text{eff}}$

Eller:

$U_{d} = 0,9 * U_{\text{eff}} = 0,9 * 230 \approx 207\ V$

Sperrespenninga per diode:

$U_{\text{sperre}} = 2 * U_{\text{peak}} = 2 * 325 \approx 650\ V$

---

Eller:

$U_{\text{sperre}} = \ \pi * U_{d} = \ \pi * 207 \approx \ 650\ V$

Enfasa brokobling (Enfaset bro-likeretter)

Oppbygging av en enfaset brokobling

En enfaset bro-likeretter består av:

1. Fire dioder koblet i bro-konfigurasjon
2. AC-inngang (tilførselsspenning)
3. DC-utgang (til lasten)
4. Eventuelt en kondensator for glatting av spenningen

Diodene er plassert i en firkantkonfigurasjon, slik at to dioder leder under positiv halvperiode og to dioder leder under negativ halvperiode, men strømmen gjennom lasten vil alltid gå i samme retning.

Virkemåte til enfaset brokobling

1. Når AC-spenningen er positiv (første halvperiode)
   • Øvre terminal av AC-inngangen er positiv, og nedre terminal er negativ.
   • Diodene D1 og D3 leder strøm, mens D2 og D4 er sperret.
   • Strømmen flyter fra AC-inngangen, gjennom D1, gjennom lasten, og tilbake via D3.
2. Når AC-spenningen er negativ (andre halvperiode)
   • Øvre terminal av AC-inngangen blir negativ, og nedre terminal blir positiv.
   • Diodene D2 og D4 leder, mens D1 og D3 sperrer.
   • Strømmen flyter fra AC-inngangen, gjennom D2, gjennom lasten, og tilbake via D4.

Fordeler og ulemper med en enfaset brokobling

Fordeler:

• Utnytter hele AC-syklusen, noe som gir bedre effektivitet enn halvbølgelikeretting
• Gir høyere gjennomsnittlig DC-spenning.
• Krever ikke en senter-tappet transformator (i motsetning til andre helbølgelikeretter-koblinger).

Ulemper:

• Utgangsspenningen har fortsatt en rippel (kan jevnes ut med en kondensator)
• Spenningsfallet over diodene reduserer utgangsspenningen (ca. 1,4V for silisiumdioder).

Praktisk bruk av enfaset brokobling

• Brukes i strømforsyninger for å omdanne AC til DC.
• Anvendes i batteriladere.
• Brukes i motorstyring og industrielle likeretterkretser.

---

Sekspulskobling

Oppbygning av en sekspulskobling

En sekspulskobling består av:

• Seks dioder (i en uregulert likeretter) eller seks tyristorer (for regulerbar spenning).
• Trefaset vekselspenningskilde (transformator eller generator).
• Last (f.eks. en motor, batteri eller industrielle systemer).

Den vanligste konfigurasjonen er en brokobling (Graetz-bro) med seks dioder, ofte kalt en sekspuls brokobling.

Hvordan fungerer en sekspulskobling?

• Hver halvperiode av hver av de tre fasene bidrar til å lede strøm, slik at seks pulser per periode oppstår i DC-utgangen.
• To av de seks diodene leder om gangen:
  • Én diode leder fra en positiv fase.
  • Én diode leder til en negativ fase.
• Dette skaper en jevnere DC-spenning enn en topuls likeretter, fordi rippelen har en høyere frekvens (6× nettfrekvensen, f.eks. 300 Hz ved 50 Hz nettspenning).

Fordeler og Ulemper

Fordeler:

• Mindre rippel enn topulskobling → Bedre DC-spenning.
• Krever mindre filtrering enn en topulskobling.
• Høyere effektivitet i kraftsystemer og motorstyringer.

Ulemper:

• Krever trefase vekselspenning, ikke egnet for enfase-systemer.
• Større og mer komplekst oppsett enn topuls likeretter.

Bruksområder for en sekspulskobling

• Likeretting i generatorer.
• Likeretting i frekvensomformere.
• Elektriske motorer i industri – Gir jevn likestrøm til store motorer.
• Tog og trikkesystemer – Brukes i kraftige likerettere.
• HVDC-anlegg (High Voltage DC Transmission) – Kraftnett med høy likestrøm.

Sekspulskobling vs. Topulskobling

Egenskap	Topulskobling	Sekspulskobling
Antall dioder	2	6
Inngang	1-fase AC	3-fase AC
Pulser per periode	2	6
Rippel (støy)	Høy	Lavere
Bruksområde	Enkle strømforsyninger	Industri og kraftsystemer

---

Hvordan en kondensator glatter ut spenningen:

Når vi likeretter en vekselspenning (AC) får vi en pulserende likespenning (DC), og en kondensator brukes ofte for å glatte ut disse spenningsvariasjonene. Her er en enkel forklaring på hvordan det fungerer:

Likerettingen skjer først

En likeretter (f.eks. en brokobling med dioder) gjør om vekselspenningen til en pulserende likespenning. Dette betyr at spenningen fortsatt varierer – den går ikke under null, men den har fortsatt bølger eller "rippel".

Kondensatoren kobles inn

En kondensator kobles typisk parallelt med utgangen etter likeretteren.

Når spenningen stiger (toppen av pulsen), lades kondensatoren opp.

Når spenningen begynner å falle (ned mot bunnen av pulsen), begynner kondensatoren å tømme seg (ladde ut), og gir dermed fra seg energi til kretsen.

På den måten holder den spenningen oppe mellom pulsene.

Resultatet

Uten kondensator får du en "bølgete" DC med dype daler.
Med kondensator glattes spenningen ut – dalene blir fylt inn, og du får en mer stabil likespenning.

Hvor godt den glatter, avhenger av kondensatorens størrelse (kapasitans) og belastningen i kretsen.