Полупроводниковый диод - выпрямитель переменного тока

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.

1 4452 Для начинающих
диод выпрямитель начинающим
pcbway
х (мм)
Получи купон на $5.00!
Написать комментарий:

cashback