Warum müssen elektronische Schaltungen mit Gleichstrom oder gleichgerichtetem Wechselstrom versorgt werden?

Ihr Eindruck ist richtig .

AC vertauscht sehr oft die Polarität. Die meisten Halbleiterbauelemente wurden unter Berücksichtigung ganz bestimmter Polaritätsbedingungen entworfen. Wenn man die Polarität zwischen zwei Eingängen an vielen verschiedenen Komponenten umkehren würde, würde man magischen Rauch herauskommen lassen.

Nehmen Sie zum Beispiel den Mosfet-Betrieb. Von einem NMOS wird erwartet, dass es Strom von Drain zu Source blockiert, bis das Gate aktiviert wird. Wenn Sie Wechselstrom zwischen Drain und Source haben, kann Strom rückwärts fließen (Verlust der Gate-Steuerung).

Es ist nicht unmöglich, eine elektronische Schaltung mit aktiven Geräten um Wechselstrom herum zu entwerfen, aber es macht es viel schwieriger. Ich sollte diese Aussage auch relativieren: Viele elektronische Schaltungen haben Signale mit AC-Komponenten, aber sie haben normalerweise einen DC-Offset, um das Umschalten der Polarität zu verhindern. Das wäre so etwas wie 5 VppAC mit einem DC-Offset von 2,5 V, was ein AC-Signal von 0-5 V wäre. Das bleibt immer die gleiche Polarität, obwohl es ein AC-Signal durchlässt.

Ein Schlüsselwort – im Zusammenhang mit der Fragestellung – ist LINEARITÄT.

Nehmen wir das einfache Beispiel einer elektronischen Schaltung, die weit verbreitet ist: Transistorbasierte "lineare" Verstärker (konzentrierte Schaltungen oder integriert). Transistoren sind stark nichtlineare Geräte.

Um sinusförmige Ausgangssignale mit geringer Signalverzerrung zu erzeugen, ist es erforderlich, nur einen bestimmten Teil der Eingangs-Ausgangs-Kennlinie zu nutzen. Daher verwenden wir eine Gleichspannung/einen Gleichstrom, um das Gerät an einem geeigneten Arbeitspunkt (innerhalb eines begrenzten quasi-linearen Teils der Eingangs-Ausgangs-Funktion) vorzuspannen. Dann verursacht das Eingangssignal ein Schwingen um diesen Arbeitspunkt, was zu einer akzeptablen Ausgangsqualität führt.

Sie haben Recht, Schaltkreise werden selten mit Wechselstrom betrieben. Einige analoge Schaltungen funktionieren möglicherweise mit Wechselstrom, digitale jedoch nicht. Dies liegt an der Art und Weise, wie es entworfen wurde und wie es sich als effizient und einfach zu implementieren erwiesen hat. Es gibt Systeme, die Wechselstromsignale verwenden, um Daten auf einigen sehr alten Systemen zu codieren, aber es erfordert viele Hochleistungskomponenten, was mit der aktuellen Technologie nicht praktikabel ist. Ein Beispiel wären alte Casino-Spielautomaten, die ein analoges Signal verwendeten, um die Walzen zum Drehen zu bringen und die Münzausgabemünzen eine nach der anderen fallen zu lassen. Außerdem verwendeten einige mechanische Zähler das Umschalten des Wechselstromsignals zum Zählen.

Transistoren, wie sie jetzt sind, sind so konzipiert, dass sie mit DC -Signalen effizient sind (wenn Sie digitale Daten als DC betrachten, da einige Puristen sagen würden, dass es sich tatsächlich um Offset-AC handelt). Es ist das leistungseffizienteste und platzsparendste in integrierten Schaltungen. Außerdem ist das Codieren von Daten auf einem AC-Signal (wenn möglich) viel komplexer als mit einem DC-Signal, da Sie einen einfachen Flankenerkennungsmechanismus verwenden können. Um dies mit Wechselstrom zu tun, müssen Sie Spitzendetektoren oder solche Schaltungen verwenden, was nicht praktikabel ist.

Wenn Sie nun verstehen möchten, warum sich die Technologie in Richtung Gleichstrom bewegt hat, denken Sie an Folgendes: Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, komplexe Schaltkreise mit Gleichstrom ein- und auszuschalten. Es ist einfach, da Ihr Signal nur zwei Zustände hat: vollständig ein und vollständig aus. Mit AC hätten Sie (als Vermutung): ein AC-Signal oder kein Signal. Relais könnten mit Ihrem Wechselstromsignal kompatibel sein, aber sie funktionieren einfach aufgrund des Magnetfelds. Damit Ihr Relais fest eingeschaltet bleibt, müssten Sie Ihr Signal gleichrichten (damit es nicht schwingt), wodurch gleichgerichteter Wechselstrom entsteht ...

Kurz gesagt, es hat sowohl historische als auch technologische Gründe.

Die erste Elektronenröhre war die Diode und die Haupteigenschaft besteht darin, Gleichspannung aus Wechselspannung (in eine Richtung) zu erzeugen. Die Triodenröhre basiert auf Diode (DC) und war das erste Gerät mit stabilen Verstärkungs- oder Schalteigenschaften. Dies wurde realisiert, indem der Elektronenfluss von einer negativen Kathode zu einer positiven Anode über ein Gitter gesteuert wurde. Die schwache Gitterspannung moduliert also eine Gleichspannung (DC-Swing) und daraus entsteht ein Verstärker. Dieses Gerät wurde hauptsächlich im Telegraphie- und frühen Radiobereich benötigt. Die Verwendung eines Wechselstroms macht die Verstärkung extrem komplex und schließlich unbrauchbar.

Danach viele Anwendungen mit Elektronenröhren auf dem Markt und in der Industrie rund um den Globus eingeführt.

Der Transistor wurde als direkter Ersatz für Triodenröhren erfunden und basiert genau auf demselben Konzept. Heutige ICs bestehen aus Millionen von Transistoren, die Gleichstrom benötigen.

Es gibt jedoch ein Halbleiterbauelement wie Thiristor oder Triac, das mit Wechselstrom betrieben werden kann, aber in den meisten Fällen eine Nulldurchgangsschaltung mit einem geeigneten Eingangssignal benötigt, das irgendwie mit der Frequenz des Wechselstroms usw. in Beziehung stehen sollte

Die meisten interessanten Schaltungen behalten einen internen Zustand bei, das heißt: sie speichern Informationen. Dazu benötigen die Schaltkreise elektrische Energie. Reiner Wechselstrom (Strom und Spannung in Phase) durchläuft naturgemäß regelmäßig einen Zeitraum, in dem keine Energie zugeführt wird. Dies macht es schwierig, eine Schaltung herzustellen, die den Zustand speichern kann: Es ist, als ob die Schaltung jede Wechselstromperiode neu starten müsste. Sie können dieses Problem umgehen, indem Sie Energie in einer anderen Form speichern (magnetisch, mechanisch, in einem Kondensator usw.), aber warum sich die Mühe machen? Gleichstrom kann die ganze Zeit Energie liefern, daher arbeiten die meisten Schaltungen mit Gleichstrom.

Das Obige handelt hauptsächlich von digitalen Schaltungen. Eine analoge Schaltung könnte mit Wechselstrom versorgt werden, aber dann wäre die Wechselstromkomponente im Ausgang vorhanden, was in den meisten Fällen ein Problem darstellen würde (insbesondere wenn der Ausgang in ein menschliches Ohr eingespeist wird).