Полупроводниковый диод – выпрямитель переменного тока

December 5, 2010 by admin Комментировать »

   
   

   Диодами называют двухэлектродные приборы, обла­дающие односторонней проводимостью электрического тока. Это их основное свойство используют, например, в выпрямителях, где диоды преобразуют переменный ток электросети в ток постоянный для питания радиоап­паратуры, в приемниках — для детектирования модули­рованных колебаний высокой частоты, то есть преобразо­вания их в колебания низкой (звуковой) частоты.

   Наглядной иллюстрацией этого свойства диода может быть такой опыт (рис. 12). В цепь, составленную из ба­тареи 3336Л и лампочки от карманного фонаря (3,5 В X 0,26 А), включи любой плоскостной диод (на рис. 12 он обозначен латинской буквой V), например, из серии Д226 или Д7, но так, чтобы анод диода, обозначаемый условно треугольником, был бы соединен непосредствен­но или через лампочку с положительным полюсом бата­реи, а катод, обозначаемый черточкой, к которой при­мыкает угол треугольника, с отрицательным полюсом ба­тареи. Лампочка должна гореть. Измени полярность включения батареи на обратную — лампочка гореть не будет. Если сопротивление диода измерять омметром, го в зависимости от того, как подключить его к зажимам прибора, омметр покажет различное сопротивление: в одном случае малое (единицы или десятки ом), в дру­гом — очень большое (десятки и сотни килоом). Этим и подтверждается односторонняя проводимость диода.

   

   Как устроен и работает диод? У него два электрода: катод — отрицательный и анод — положительный (рис. 13). Катодом служит пластинка германия, кремния или какого-либо другого полупроводника, обладающего электронной проводимостью, или сокращенно полупро­водник n-типа (n — начальная буква латинского слова negativus — «отрицательный»), а анодом – часть объема этой же пластинки, но- с так называемой дырочной про-водимостью, или сокращенно полупроводник р-типа — начальная буква латинского слова positivus — «по­ложительный»). Между электродами образуется так на­зываемый р-n переход — пограничная зона, хорошо про­водящая ток от анода к катоду и плохо в обратном на­правлении (за направление тока принято направление, противоположное движению электронов).

   Диод может находиться в одном из двух состояний: открытом, то есть пропускном, либо закрытом, то есть непропускном. Диод бывает открыт, когда к нему прило­жено прямое напряжение Uпр, иначе, его анод соединен с плюсом источника напряжения, а катод — с минусом. В этом случае сопротивление р-n перехода диода мало и через него течет прямой ток IПр, сила которого зави­сит от сопротивления нагрузки (в нашем опыте — лам-почка от карманного фонаря). При другой полярности питающего напряжения на р-n переход диода приклады­вается обратное напряжение Uобр. В этом случае диод закрыт, его сопротивление велико и в цепи течет лишь незначительный обратный ток диода Iобр.

   

   О зависимости тока, проходящего через диод, от значения и полярности напряжения на его электродах лучше всего судить по вольтамперной характеристике диода, которую можно снять опытным путем (рис. 14). К свежему элементу 332 или 343 подключи проволоч­ный переменный резистор 7?р сопротивлением 50… 100 Ом, а между его движком и нижним (по схеме) крайним выводом включи последовательно соединенные германиевый плоскостной диод (например, серии Д7 с любым буквенным индексом), миллиамперметр РА2 и резистор Rогр сопротивлением 10…20 Ом, ограничиваю­щий ток в цепи до 100… 150 мА. Диод должен быть включен в пропускном направлении, то есть анодом в сторону положительного полюса элемента. Параллельно диоду подсоединены вольтметр постоянного тока PU1, включенный на предел измерений до 1 В и фиксирую­щий напряжение, подаваемое на электроды диода.

   Движок переменного резистора, выполняющего роль делителя напряжения, поставь в крайнее нижнее (по схе­ме) положение а затем, внимательно следя за стрелка­ми приборов, очень медленно перемещай его в сторону верхнего положения. Запиши показания миллиамперметра при напряжениях на диоде 0,05, 0,1, 0,15 В и т, д до напряжения 0,4…0,5 В через каждые 0,ОЗ В, а затем по этим данным построй на миллиметровой бумаге график (рис. 15). По горизонтальной оси вправо откладывай пря-мые напряжения на диоде (Uпр), а по вертикальной оси вверх — соответствующие им прямые токи в цепи (Iпр). Соединив точки пересечения значений электрических ве­личин, ты таким образом построишь прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода (на рис. 15 — сплошная линия). Она, правда, не совсем точная, особенно в на­чальной части, так как небольшой ток течет и через вольтметр, но все же близка к реальной.

   О чем может рассказать этот график? При нулевом напряжений на диоде и ток в цепи, в которую он вклю­чен, равен нулю. При появлении прямого напряжения диод открывается и пропускает через себя прямой ток. При напряжении 0,05 В прямой ток не превышает 0,1…0,2 мА, при напряжении 0,1 В — 0,6…0,8 мА, а при на­пряжении 0,2…0,3 В, когда вольтамперная характеристи­ка начинает круто идти вверх, ток достигает уже 40…50 мА. Небольшой прирост напряжения, а как резко увеличивается ток!

   Но значительно повышать напряжение на диоде и тем самым увеличивать ток через него нельзя: из-за чрез­мерно большого тока наступает тепловой пробой, и~диод утрачивает свойство односторонней проводимости. Что­бы не случилось этого во время опыта, в цепь был вклю­чен ограничивающий резистор R0гр.

   Теперь измени полярность включения диода на об­ратную и точно так же увеличивай напряжение на нем. Что показывает миллиамперметр? Его стрелка стоит воз­ле нулевой отметки. Замени элемент на батарею 3336Л, соедини последовательно две-три таких батареи. Напря­жение на диоде растет. Но оно обратное. Диод закрыт, поэтому и тока в цепи практически нет.

   Обратная ветвь вольтамперной характеристики на £ис. 15 изображена штриховой линией. Она идет почти параллельно оси Uобр. Но при каком-то достаточно боль­шом обратном напряжении она круто поворачивает и идет вниз. Это предел, при котором диод пробивается обратным напряжением и, как при тепловом пробое, вы­ходит из строя.

   Из построенной вольтамперной характеристики видно, что ток Iпр диода в сотни и тысячи раз больше тока Iобр. Так, например, у диода, имеющего такую вольтам-перную характеристику, при прямом напряжении 0,3 В ток IПр равен примерно 70 мА, а при обратном напряже­нии в 100 В ток Iобр не превышает 200 мкА. Именно по этой причине во второй части первого опыта лампочка не горела.

   Если пренебречь малым обратным током (что и дела­ют на практике), который у исправных плоскостных дио-дов не превышает десятые доли миллиампера, а у точеч­ных еще меньше, то можно считать, что диод является односторонним проводником тока.

   Вольтамперную характеристику, подобную той, что изображена на рис. 15, имеет и кремниевый диод, напри­мер, серии Д226, но прямая ветвь его характеристики как бы сдвинута вправо. Объясняется это тем, что крем­ниевый диод открывается при прямом напряжении около 0,5 В, а не при 0,1…0,15 В, как германиевый. При мень­шем напряжении на нем диод закрыт-и ток через него практически не течет. Проверь это опытным путем.

   Но помни — диод, будь он германиевым или крем­ниевым, плоскостным или точечным, нельзя включать в прямом направлении без нагрузки: он быстро выйдет из строя из-за недопустимо большого тока, который будет течь через него.

   А если диод включить в цепь переменного тока? Он будет работать как выпрямитель, что может подтвердить следующий опыт.

   Прежде чем начать этот опыт, хочется напомнить те­бе, что электроосветительная сеть, с которой тебе при­дется иметь дело, таит в себе скрытые опасности. Пре­небрежительное отношение к ним может обернуться тя­желыми последствиями. .

   Как предотвратить неприятности, которые может при­чинить электросеть? Прежде всего не надо забывать, что она находится под высоким, опасным для тебя на­пряжением. Никогда не касайся рукой или инструментом оголенных проводов и контактных гнезд штепсельной ро­зетки. А если потребуется изолировать поврежденный участок провода или подтянуть винты в штепсельной ро­зетке, попроси старших или сам осторожно выверни плавкие предохранители («пробки») на распределитель­ном щите, чтобы обесточить сеть. Только после этого устраняй дефекты или неисправности.

   

   Прежде чем вставить в штепсельную розетку вилку электропаяльника или трансформатора, необходимого для питания от сети приемника или другого радиотехни­ческого устройства, внимательно осмотри их — нет ли оголенных участков, замкнутых проводов, ослабленных или разболтанных контактов. Если все в порядке — вклю­чай, но опять-таки осторожно, не касаясь штырьков вилки.

   Рекомендуем обзавестись переносной распредели­тельной колодкой с несколькими штепсельными розет­ками и через нее подключать приборы к сети. Продолжим опыты с диодом (рис. 16). В цепь вто­ричной (II) обмотки трансформатора Т, понижающего напряжение электроосветительной сети до 3…5 В, вклю-чи диод Д226 или Д7 с любым буквенным индексом или какой-либо аналогичный им плоскостной диод, а после­довательно с ним — лампочку от карманного фонаря. Подключи первичную (I) обмотку трансформатора к се­ти (через плавкий предохранитель F на ток 0,25 А). Если лампочка горит со значительным перекалом нити, то .включи в цепь резистор, ограничивающий ток в ней до 0,2…0,3 А. Сопротивление этого резистора рассчитай по закону Ома.

   Как узнать, какой ток течет через нить накала лампочки — переменный или постоянный? Это можно сде­лать с помощью вольтметра постоянного тока. Подключи вольтметр параллельно лампочке (на рис. 16 — PU1), но так, чтобы его плюсовой щуп был соединен с проводни­ком, идущим к катоду диода. Прибор покажет какое-то напряжение. Если же прибор подключить к лампочке в другой полярности, его стрелка отклонится в обратную сторону. Уже этот опыт подтверждает, что через лампоч­ку течет ток одного направления, то есть постоянный.

   О роде тока можно также судить по его магнитному полю. На катушку из-под ниток намотай 300…350 витков провода диаметром 0,2…0,3 мм в эмалевой, шелковой или бумажной изоляции (ПЭВ, ПЭЛ, ПЭЛШО 0,2…0,3), сделав отвод от 120…150-го витка (отвод нужен будет для опытов на пятом практикуме). У тебя получится ка­тушка индуктивности (рис. 17,а) с каркасом из древеси­ны. Включи ее в цепь вторичной обмотки того же пони­жающего трансформатора (на рис. 17,6 — катушка L) последовательно с диодом и лампочкой накаливания. Как и в предыдущем опыте, лампочка должна гореть. Под­неси к катушке магнитную чстрелку (компас) — она сра­зу же расположится вдоль оси катушки, указывая на ее магнитные полюсы. Значит, через катушку течет постоян­ный ток, иначе магнитная стрелка оставалась бы сориен­тированной на магнитные полюсы Земли. Поменяй места­ми включение выводов диода — магнитная стрелка тут же повернется на 180°. Следовательно, при изменении полярности включения диода ток в цепи, в которую он включен, тоже изменяет свое направление.

   Что же произошло во внешней цепи вторичной об­мотки трансформатора при включении в нее диода? Хо­рошо пропуская ток одного направления, диод тем са­мым выпрямляет переменный ток. В результате ток в цепи стал пульсирующим (см. график на рис. 16) — по­стоянным по направлению, но изменяющимся по вели­чине с частотой переменного тока. Постоянным, но так­же пульсирующим, стало и его магнитное поле. Изме­нив включение диода, ты тем самым изменил направле­ние тока в катушке и расположение ее магнитных по­люсов.

   Какова в этом опыте роль лампочки? Она, во-первых, служит индикатором включения питания, а во-вторых, ограничивает ток во внешней цепи, оберегая диод от пе­регрузки.

   Если есть радиоприемник, включи его. Независимо от настройки в моменты отключения катушки из цепи вто­ричной обмотки трансформатора в громкоговорителе приемника раздается характерный треск. Его создают электромагнитные колебания, возбуждаемые слабой электрической искрой, возникающей в цепи с катушкой % момент выключения тока.

   Оставь в цепи вторичной обмотки трансформатора только диод и лампочку (как на рис. 16). Лампочка про­должает гореть. Измерь вольтметром переменного тока (на рис. 16 — вольтметр PU2) напряжение на обмотке, а вольтметром постоянного тока PU1 — напряжение на лампочке. На лампочке напряжение почти наполовину меньше, чем на обмотке.

   Преобразование переменного тока диодом происхо­дит следующим образом. Во вторичной обмотке тран­сформатора индуцируется переменное напряжение с ча­стотой 50 Гц. При положительных полупериодах на ее верхнем выводе (на рис. 16 показано знаком «+»)диод открывается. В эти моменты времени через диод и его нагрузку (лампочку) течет прямой ток диода Iпр. При от­рицательных полупериодах на аноде диод закрывается, и в цепи течет лишь незначительный обратный ток Iобр. Диод как бы отсекает большую часть отрицательных по­луволн переменного тока (на графике рис. 16 показано штриховыми линиями), в результате через нагрузку вы­прямителя течет пульсирующий ток — ток одного направ­ления, но изменяющийся по силе с частотой 50 Гц. Гра­фик такого тока можно увидеть только на экране осцил­лографа.

   Проводник, соединенный с катодом диода, является выводом положительного полюса выпрямителя, а сво­бодный конец вторичной обмотки трансформатора — вы­водом отрицательного полюса выпрямителя. Получился простейший выпрямитель переменного тока, нагрузкой которого служит лампочка накаливания. А постоянное напряжение на нагрузке меньше напряжения перемен­ного тока на вторичной обмотке, потому что ток через нее идет полуволнами.

   В связи с тем что во внешнем участке цепи выпря­мителя (в нашем опыте — лампочке) ток течет в основ­ном только при положительных полупериодах напряже­ния на аноде диода, выпрямитель называют однополу-Периодным.

   

   Такой выпрямитель мо­жет найти практическое при­менение, например, для пи­тания микроэлектродвигате­ля постоянного тока, для за­рядки малогабаритных акку­муляторов (типа Д~0,06, Д-0,2). Попробуй в порядке эксперимента подключить к нему (одноименными полю­сами) полностью разрядив­шуюся батарею 3336Л. Через 30…40 мин отключи бата­рею от выпрямителя и подключи к ней лампочку от кар­манного фонаря. Лампочка будет гореть, но недолго: электрический заряд, принятый батареей, быстро израс­ходуется.

   Еще один опыт с однополупериодным выпрямите­лем. Подключи к выходу выпрямителя, нагруженному лампочкой, головные телефоны (на рис. 18 — В). В теле­фонах услышишь звук низкого тона, соответствующий частоте пульсаций выпрямленного тока (50 Гц). Его на­зывают фоном переменного тока. Затем, не отключая телефоны, подключи к выходу выпрямителя конденсатор емкостью 5…10 мкФ (на рис. 18™ конденсатор С). Если этот конденсатор электролитический, его положительная обкладка-должна быть соединена с плюсом, а отрица­тельная — с минусом выпрямителя. Лампочка при этом будет гореть чуть ярче, потому что напряжение на вы­ходе выпрямителя увеличилось (проверь вольтметром), а уровень фона станет меньше. Тональность же прослу­шиваемого звука в телефонах остается прежней.

   Какова в этом опыте роль конденсатора? В моменты времени, когда диод открыт, конденсатор заряжается до максимального (амплитудного) значения импульсов выпрямленного напряжения, а когда диод закрыт, то -разряжается через нагрузку выпрямителя. Происходит «сглаживание» пульсаций выпрямленного напряжения, в результате среднее значение тока во внешней цепи не­сколько возрастает, а фон переменного тока снижается. Увеличение емкости конденсатора улучшает сглажива­ние пульсаций выпрямленного тока, и фон ослабевает. Но при однополупериодном выпрямителе полезно используется только один полупериод переменного то­ка. Чтобы при том же понижающем трансформаторе использовать оба полупериода переменного тока, в выпрямителе должны работать два или четыре однотипных диода.

   Проведи опыт с выпря­мителем на четырех дио­дах, включенных по так называемой мостовой схе­ме. Диоды могут быть се­рий Д226, Д7 с любым буквенным индексом. Соедини их между собой и подключи к вторичной обмотке того же понижаю­щего трансформатора точ­но по схеме, показанной на рис. 19. Если поляр­ность или последовательность включения диодов будет неправильна, опыт не удастся, а некоторые из диодов могут испортиться. Диоды, включенные таким способом, образуют выпрямительный мост, а каждый из диодов — плечо моста. Между точками А и Б включи лампочку Я от карманного фонаря, а последовательно с ней — рези­стор Rorp, ограничивающий ток & этой диагонали моста до 0,25…0,3 А.

   

   Включи питание. Горит лампочка? Должна гореть. Измерь вольтметром переменного тока напряжение на вторичной обмотке трансформатора, а вольтметром по­стоянного тока — между точками А и Б, являющимися выходными контактами выпрямителя. По сравнению с однополупериоднвтм выпрямителем выходное напряже­ние увеличилось почти вдвое.

   В таком выпрямителе в течение каждого полуперио­да переменного напряжения работают поочередно два диода противоположных плеч, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов. Когда на верхнем (по схеме) выводе вто­ричной обмотки трансформатора Т положительный по­лупериод, ток пойдет через диод VI, нагрузку Н, рези­стор Rorp и диод V3 к нижнему выводу вторичной об­мотки. Диоды VI и V4 в это время закрыты. В течение другого полупериода переменного напряжения ток в нагрузке выпрямителя идет в том же направлении, а в самом выпрямителе — через открытые в это время дио­ды V4 и VI.

   Таким образом, здесь используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители на­зывают двухполупериодными. Напряжение постоянного тока на их выходе равно примерно переменному напря­жению, действующему во всей вторичной обмотке трансформатора,

   

Литература:
Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты