Diode

Oppbygging av ei diode

Ei standard diode består av ein PN-overgang laga av halvleiarmaterial, ofte silisium (Si). Den har to terminalar:

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

På diodar er katoden ofte merka med ein strek.

---

Korleis fungerer ei diode?

1. Framover polarisering (leiar straum).

• Når anoden er positiv i forhold til katoden, åpnar dioda og let straum passere.
• Spenninga over dioda må vere høgare enn terskelspenninga (~0,7V for silisiumdioder, ~0,3V for germaniumdioder).
• Elektronar bevegar seg frå katoden til anoden, medan hol beveger seg motsett.

2. Sperrepolarisering (blokkerer straum)

• Når katoden er meir positiv enn anoden, blokkerer dioda straumen.
• PN-overgangen utvidast, og ingen ladingsbærarar kan krysse.

Type diodar og bruksområder

• Standarddiode – Vanleg retningsstyrt straumflyt (einsrettarar).
• Zenerdiode – Leiar baklengs ved ei spesifikk spenning (spenningsregulering).
• LED (Light Emitting Diode) – Sender ut lys når straum går gjennom.
• Schottky-diode – Rask og lav spenning, nytta i høgfrekvente kretsar.
• Fotodiode – Reagerer på lys og nyttast i sensorar.

Transistor

Oppbygging av ein transistor

Transistorar er laga av halvleiarmateriale (vanlegvis silisium). Dei har tre terminalar:

1. Base (B) – Styrer straumflyten.
2. Kollektor (C) – Tek imot hovedstraumen.
3. Emittar (E) – Sender ut straum.

---

To hovedtypar av transistorar:

Bipolar junction transistor (BJT) – Nyttar både elektronar og hol for å leie straum.

• NPN-transistor (vanlegast)
• PNP-transistor

Field-effect transistor (FET) – Styrast av eit elektrisk felt.

• MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) (mest nytta i digitale kretsar).

Korleis fungerer ein transistor?

A) Bipolar junction transistor (BJT)

1. NPN-transistor (mest vanleg).

• Liten straum inn i basen → Stor straum frå kollektor til emittar.
• Krev ei positiv spenning mellom base og emitter (\~0,7V for silisium).
• Oppfører seg som ein forsterkar eller brytar.

Brytarfunksjon

• Når basen får ein liten straum, slår transistoren på, og straum flyt frå kollektor til emittar.
• Når basestraumen fjernast, sler transistoren av, og straum stoppar.

Forsterkarfunksjon

• Ein liten straum inn på basen kan styre ein mykje større straum mellom kollektor og emittar.

2. PNP-transistor

• Fungerer motsett av ein NPN.
• Straum flyt frå emittar til kollektor når basen er meir negativ enn emittar.

B) MOSFET (Field-Effect Transistor)

• Styrast av ei spenning, ikkje ein straum.
• Har tre terminalar: Gate (G), Drain (D), Source (S).
• Når ei spenning leggast på gata, åpnast ein kanal mellom drain og source, slik at straum kan flyte.
• MOSFET-er er svært raske og nyttast i digitale kretsar og datamaskiner.

Bruksområder for transistorar

• Forsterkarar – Aukar signalstyrken i høgtalarar, radioar og mikrofonar.
• Brytarar – Nyttast i databrikker, logiske kretsar og elektroniske einingar.
• Effektkontroll – Styrer motorar, LED-lys og straumforsyningar.

TRIAC

Oppbygning av en TRIAC

Ein TRIAC har tre terminalar:

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

Struktur:

• Består av fem halvleiarlag (PNPNP).
• Symmetrisk ledning – straum kan gå begge vegar når den er aktivert.

Korleis virkar ein TRIAC?

Ein TRIAC fungerer som ein brytar for vekselstraum, men kan leie straum i begge retningar når den triggast.

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

• Inga spenning på Gate, så leiar ikkje TRIAC-en.

B) Når TRIAC-en er PÅ (leiar straum)

• Ein liten straum på Gate (enten positiv eller negativ) aktiverer TRIAC-en.
• Når den er aktivert, forblir den på til straumen fell til null (i vekselstraum skjer dette automatisk kvar halvsyklus).

Korleis styrast ein TRIAC

• Triggar med positiv eller negativ gate-puls (kan aktiverast i begge polaritetar).
• Sler seg av automatisk når straumen gjennom den går til null.
• Kan kontrollerast med t.d. ein mikroprosessor eller optokoplar.

Bruksområder for ein TRIAC

• Lys dimmarar – Regulerer lysstyrken i lamper.
• Fartskontroll for motorar – Nyttast i boremaskiner, vifter osv.
• Varmeregulering – Styring av elektriske varmeomnar.
• Effektregulering i induksjonsomnar og transformatorar.

Tyristor

Oppbygging av ein Tyristor

Ein tyristor har fire halvleiarlag (PNPN) og tre terminalar:

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

Struktur

• Består av ein PNPN-struktur, som kan sjåast som to transistorar kopla saman (ein PNP og ein NPN).
• Når den aktiverast, forblir den på til straumen brytast.

Korleis virkar ein Tyristor?

Ein tyristor har to tilstandar:

A) Når Tyristoren er AV (blokkerer straum)

• Inga spenning på Gate, så straum kan ikkje flyte frå Anode til Katode.
• PNPN-strukturen fungerer som ei sperring.

B) Når Tyristoren er PÅ (leiar straum)

• Ein kort puls på Gate gjer at tyristoren sler seg på og byrjar å leie strøm.
• Den forblir på sjølv om Gate-signal fjernast (latching-effekt).
• Tyristoren sler seg berre av når straumen fell til null (som i vekselstraum) eller når straumen avbrytast eksternt.

Bruksområder for Tyristorar

• Likestraums- og vekselstraums styring – Nyttast i motorstyring og straumforsyningar.
• Sveiseapparat – Styrer høg straum i industriell sveising.
• Justerbare straumforsyningar – nyttast i ladarar og spenningsregulatorar.
• Motorstartarar – For store motorar i fabrikkar og skip.
• HVDC (High Voltage DC Transmission) – Nyttast i kraftnett for å styre likestraum.

Tyristor som styrbar einpulskopling:

• Ein tyristor erstattar dioda og fungerer som ein styrbar likerettar.
• Tyristoren slepp gjennom straum kun når den får ein styrepuls på gate-terminalen.
• Dette gjer det mogeleg å styre når i AC-syklusen straumen byrjar å flyte, noko som gir mogelegheit for effektregulering.

Tyristor vs. TRIAC

Eigenskap	Tyristor (SCR)	TRIAC
Leiar straum i	Kun éi retning	Begge retningar
Typisk bruk	Likestraum (DC) og AC-brytarar	AC-dimmarar, motorstyring
Sler seg av når	Straumen går til null eller brytast eksternt	Straumen går til null i vekselstraum

Likeretting med diodar

Einvegs likeretting (einpulskopling)

---

Korleis fungerer einpulskoplinga med diode?

• Ei diode plasserast i serie med lasta og AC-kjelda.
• Dioda leiar berre når AC-spenninga er positiv, og blokkerer når den er negativ.
• Resultatet er ein pulserande likestraum med ein stor rippel.

Fordelar og ulemper med einpulskopling

Fordelar

• Enkel og billig krets.
• Kan nyttast for grunnleggande AC-DC-konvertering.

Ulemper

• Utnyttar berre halvparten av AC-syklusen, noko som gir lav effektivitet.
• Gir høg rippel i DC-spenninga (krev filtrering for jamnare spenning).
• Med tyristor: Kun mogeleg å styre spenninga i éi retning.

Einpulskopling nyttast ofte i enkle straumforsyningar, batteriladarar og enkelte typar motorstyring der presis spenningskontroll ikkje er nødvendig.

Forhold mellom AC og DC ved ei pulskopling

Parameter	Forklaring
$\mathbf(AC)	Effektivverdien av AC-inngangsspenninga
$\mathbf(AC)	Amplitudeverdien på AC-inngangen: $\sqrt
Ud (DC) (utgang)	Gjennomsnittsverdien av den likeretta spenninga

---

Forhold mellom AC og DC i einvegs likeretting:

1. Gjennomsnittleg (DC) spenning etter likeretting (utan filter):

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

Vi kan og nytte ein konstant ved utrekningar av likespenninga:

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

2. Effektivverdien av utgangsspenning etter einvegs likeretting:

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

Når vi har effektivverdien, kan vi og rekne ut spenninga over dioda med ein konstant:

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

3. Spenningsfall over dioda:
- For silisiumdiodar mistar du ca. 0,7 V.
- Så den reelle DC-utgangen blir:

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

---

Sperrespenning

I einvegs likeretting:

Når AC-signalet er i den negative halvbølga, leiar ikkje dioda. I denne perioden er dioda i sperreretning, og spenninga over den kan bli ganske høg.

Formelen

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

Altså

Sperrespenninga = toppverdien av AC-inngangen.

Døme

• Har du U_eff = 230 V inn:

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

Då må dioda tåle minst 325 V i sperreretning.

Vi kan også seie at $U_{\text{sperre}} = \ \pi * \ U_{d} = \ \pi * 103,5 \approx 325\ V$

---

Heilbølgelikeretting

Det finns to vanlege metodar:

Midtpunkttransformator med to diodar (Tovegs likerettar)

• Krev ein transformator med midtuttak.
• To diodar nyttast, éin for kvar halvbølge.

Brukopling (Graetz-bru) med fire diodar

• Vanlegast og krev ikkje midtuttak.
• Fire diodar jobbar saman slik at lasta alltid får spenning i same retning.

Midtpunktkopling eller tovegs likerettar

Ein tovegs likerettar er ein einsrettar kopling som nyttast til å omforme vekselstraum (AC) til likestraum (DC). Den er ein grunnleggande likerettar i kraftsystem og nyttast ofte i einsrettarar for trefase- og einfaseanlegg.

Oppbygging av ein tovegs likerettar.

• To diodar (for einfase) eller to tyristorar (for styrt likerettar).
• Ein transformator (valgfritt, men ofte nytta).
• ilast (t.d. ein motor, batteri eller elektroniske kretsar).

Det finns to hovudtypar:

• Topuls brukopling (fullbølge likerettar) – To diodar i ei einfasebru.
• Topuls midtpunktkopling – Nyttar ein transformator med midtuttak og to diodar.

Korleis fungerer ei topulskopling?

a) Topuls midtpunktkopling (med transformator)

1) Transformatoren har eit midtuttak som gir to vekselspenningar i motfase.

2) To diodar (D1 og D2) leiar vekselvis, avhengig av polariteten til inngangsspenninga.

3) Når den eine halvbølga er positiv, leiar D1, medan D2 er sperra.

4) Når den neste halvbølga er negativ, leiar D2, medan D1 sperrar.

5) Dette gir to pulsar per periode, og difor kallast den topuls.

Resultat: Utgangsspenninga er pulsforma likestraum (DC), som kan jamnast ut med ein kondensator.

b) Topuls brukopling (utan transformator)

1. Nyttar to diodar i ei brukopling direkte på vekselspenninga.
2. Fungerer på same måte som midtpunktkoplinga, men utan transformator.
3. Gir same to pulsar per periode i utgangsspenninga.

Fordelar og Ulemper.

Fordelar

• Enkelt design og billig.
• Krev kun to diodar, færre komponentar enn sekspuls likerettar.
• Gir dobbel puls per periode samanlikna med ein einpuls likerettar.

Ulemper

• Pulsforma DC gir behov for filterkondensatorar for jamn spenning.
• Ikkje like effektiv som sekspuls- eller tolvpuls likerettar for trefasesystem.

Bruksområder for ei topulskopling.

• Likerettarar i straumforsyningar – Konverterer AC til DC i små elektroniske einingar.
• Lading av batteri – Nyttast i enkle batteriladarar.
• Enkle motorstyringar – Kontrollerer DC-motorar.
• Sveiseapparat – Nyttast i kraftige straumforsyningar.

---

Heilbølgelikeretting med midtpunkt

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

Berre ei diode leiar 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 nytte ein 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

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

Einfasa brukopling (Einfasa bru-likerettar)

Oppbygging av ei einfasa brukopling

Ein einfasa bru-likerettar består av:

1. Fire diodar kopla i bru-konfigurasjon.
2. AC-inngang (tilførselsspenning).
3. DC-utgang (til lasta).
4. Eventuelt ein kondensator for glatting av spenninga.

Diodane er plassert i ein firkantkonfigurasjon, slik at to diodar leiar under positiv halvperiode og to diodar leiar under negativ halvperiode, men straumen gjennom lasta vil alltid gå i same retning.

Virkemåte til einfasa brukopbling

1. Når AC-spenninga er positiv (første halvperiode).
   • Øvre terminal av AC-inngangen er positiv, og nedre terminal er negativ.
   • Diodane D1 og D3 leiar straum, medan D2 og D4 er sperra.
   • Straumen flyt frå AC-inngangen, gjennom D1, gjennom lasta, og tilbake via D3.

2. Når AC-spenninga er negativ (andre halvperiode).

   • Øvre terminal av AC-inngangen blir negativ, og nedre terminal blir positiv.
   • Diodane D2 og D4 leiar, medan D1 og D3 sperrer.
   • Straumen flyt frå AC-inngangen, gjennom D2, gjennom lasta, og tilbake via D4.

Fordelar og ulemper med ei einfasa brukopling

Fordelar

• Utnyttar heile AC-syklusen, noko som gir betre effektivitet enn halvbølgelikeretting.
• Gir høgare gjennomsnittleg DC-spenning.
• Krev ikkje ein senter-tappa transformator (i motsetning til andre heilbølgelikerettar-koplingar).

Ulemper

• Utgangsspenninga har fortsatt ein rippel (kan jamnast ut med ein kondensator).
• Spenningsfallet over diodane reduserer utgangsspenninga (ca. 1,4V for silisiumdiodar).

Praktisk bruk av einfasa brukopling

• Nyttast i straumforsyningar for å omdanne AC til DC.
• Anvendast i batteriladarar.
• Nyttast i motorstyring og industrielle likerettarkretsar.

---

Sekspulskopling

Oppbygging av ei sekspulskopling

Ei sekspulskopling består av:

• Seks diodar (i ein uregulert likerettar) eller seks tyristorar (for regulerbar spenning).
• Trefasa vekselspenningskilde (transformator eller generator).
• Last (t.d. ein motor, batteri eller industrielle system).

Den vanlegaste konfigurasjonen er ei brukopling (Graetz-bru) med seks diodar, ofte kalla ei sekspuls brukopling.

Korleis fungerer ei sekspulskopling?

• Kvar halvperiode av kvar av dei tre fasane bidreg til å leie straum, slik at seks pulsar per periode oppstår i DC-utgangen.
• To av dei seks diodane leiar om gangen:
  • Éi diode leiar frå ei positiv fase.
  • Éi diode leiar til ei negativ fase.
• Dette skapar ei jamnare DC-spenning enn ein topuls likerettar, fordi rippelen har ein høgare frekvens (6× nettfrekvensen, f.eks. 300 Hz ved 50 Hz nettspenning).

---

Fordelar og Ulemper

Fordelar

• Mindre rippel enn topulskopling → Betre DC-spenning.
• Krev mindre filtrering enn ei topulskopling.
• Høgare effektivitet i kraftsystem og motorstyringar.

Ulemper

• Krev trefase vekselspenning, ikkje eigna for einfase-system.
• Større og meir komplekst oppsett enn topuls likerettar.

Bruksområder for ei sekspulskopling

• Likeretting i generatorar.
• Likeretting i frekvensomformarar.
• Elektriske motorar i industri – Gir jamn likestraum til store motorar.
• Tog og trikkesystem – Nyttast i kraftige likerettarar.
• HVDC-anlegg (High Voltage DC Transmission) – Kraftnett med høg likestraum.

Sekspulskopling vs. Topulskopling

Eigenskap	Topulskopling	Sekspulskopling
Antal diodar	2	6
Inngang	1-fase AC	3-fase AC
Pulsar per periode	2	6
Rippel (støy)	Høg	Lavare
Bruksområde	Enkle straumforsyningar	Industri og kraftsystem

---

Korleis ein kondensator glattar ut spenninga

Når vi likerettar ei vekselspenning (AC) får vi ei pulserande likespenning (DC), og ein kondensator nyttast ofte for å glatte ut disse spenningsvariasjonane. Her er ei enkel forklaring på korleis det fungerer:

Likerettinga skjer først:

Ein likerettar (t.d. ei brukopling med diodar) gjer om vekselspenninga til ei pulserande likespenning. Dette betyr at spenninga fortsatt varierer – den går ikkje under null, men den har fortsatt bølger eller "rippel".

Kondensatoren koplast inn:

• Ein kondensator koplast typisk parallelt med utgangen etter likerettaren.

• Når spenninga stig (toppen av pulsen), ladast kondensatoren opp.

• Når spenninga byrjar å falle (ned mot botnen av pulsen), byrjar kondensatoren å tøme seg (lade ut), og gir dermed frå seg energi til kretsen.

På den måten held den spenninga oppe mellom pulsane.

Resultatet

Utan kondensator får du ein "bølgete" DC med djupe dalar.

Med kondensator glattast spenninga ut – dalane blir fylt inn, og du får ei meir stabil likespenning.

Kor godt den glattar, avheng av kondensatoren sin størelse (kapasitans) og belastninga i kretsen.