Диоды, выпрямление тока, стабилитроны, тиристоры.
Разновидности диодов.
Помимо способности пропускать ток только в одном направлении, p-n переход обладает рядом других интересных особенностей.
Например, способностью излучать(в т. ч. и в видимом диапазоне) при протекании тока в прямом направлении и генерировать эл.
ток под воздействием излучения. Эта особенность используется при реализации таких электронных элементов как светодиоды, фотодиоды и
фотоэлементы.
Кроме того, любой p-n переход обладает еще и электрической емкостью, а кроме того, возможностью ее изменять с помощью напряжения приложенного
в обратном направлении. Используя ее удалось создать такие полезные элементы как ВАРИКАПЫ.
Варикапы.
Итак, p-n переход обладает электрической емкостью, величина которой зависит от его площади и ширины. Если подавать напряжение в обратном направлении — переход смещается, площадь остается
неизменной, но ширина увеличивается.
Варикапы используются в радиоаппаратуре вместо обычных конденсаторов переменной емкости для перестройки частоты колебательных контуров. Приемущество Применение варикапов позволило значительно снизить габариты и повысить эффективность блоков селекции радиоприемных устойств, относительно просто и недорого реализовать автоматизацию процессов настройки(проводимых ранее вручную).
Диоды Шоттки.
Диод Шоттки(диод с барьером Шоттки) — полупроводниковый диод с малым падением напряжения(0,2—0,4 вольт) при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки.
В диодах Шоттки в отличие от обычных диодов,вместо p-n перехода используется переход металл-полупроводник.
Это дает ряд особых преимуществ — пониженное
падение напряжения при прямом включении, очень маленький заряд обратного восстановления.
Последнее объясняется тем, что в отличии от обычных диодов диоды Шоттки работают только на основных носителях, а их быстродействие ограничивается лишь барьерной емкостью. Диоды Шоттки наиболее целесообразно использовать в быстродействующих импульсных цепях, для выпрямления малых напряжений высокой частоты, в высокочастотных смесителях, в ключах и коммутаторах.
Светодиоды.
При протекании прямого тока через любой p-n переход(любого диода!) происходит генерация фотонов. Это является следствием циклической рекомбинации — восстановления
атомов вещества в процессе перемещения основных носителей тока.
Светодиоды используют для индикации, передачи информации, в составе таких электронных приборов как оптопары.
К.П.Д. и яркость современных светодиодов настолько высоки, что на настоящий момент они являются наиболее перспективными источниками искуственного освещения.
В зависимости от материала выбранного в качестве полупроводника светодиоды излучают на разных длинах волн.
Интенсивность излучения светодиода возрастает при увеличении тока протекающего через p-n переход, до определенного предела.
После его достижения сетодиод выходит из строя.
Поэтому, для нормальной работы необходимо ограничивать ток.
Стабисторы.
Существующие стабилитроны имеют ограничение по минимальному напряжению стабилизации(около 3 В).
Что делать, если необходим источник стабилизированного напряжения
до 3-х вольт? Использовать прямую ветвь Вольт — Амперной Характеристики диода(ВАХ). В области прямого смещения p-n-перехода напряжение на нем может иметь значение 0,7…2 В(в зависимости от материала полупроводника)
и мало зависит от тока.
Диоды специально используемые в этом качестве, называют — СТАБИСТОРАМИ.
Фотодиоды.
Фотодиод — это светочувствительный полупроводниковый элемент с одним p-n переходом, обратный ток которого меняется в зависимости от уровня освещенности.
Величина на которую происходит его изменение при этом, называется фототоком.
Фотодиоды используют для преобразования сигналов передаваемых в оптическом режиме в электрическую форму. Малая инерционость фотодиодов способствует приему передачи информации,
с большой плотностью, например, в при передаче ее по оптоволоконным линиям. Кроме того фотодиоды могут использоваться в фотоприемниках дистанционного управления и т. д.
На главную страницу
6. Использование диодов в выпрямлении переменного тока. Виды, принцип работы, расчет выпрямителей
Тут требуется некоторое пояснение по поводу двух источников напряжения. С помощью трансформатора, один источник можно преобразовать в два. Для чего это делается ─ уже отдельный вопрос. Здесь же показано, как можно выпрямить напряжение в таком случае. Давайте опять уберем конденсатор и подключим щуп осциллографа на выходе диодов, а также соединим в нагрузку величиной 100 Ом:
Давайте сравним данную осциллограмму с полученным результатом при однополупериодном выпрямителе:
В двухполупериодном выпрямителе есть две положительные полуволны, одна проходит через верхний диод верхнего источника, вторая ─ через нижний диод нижнего источника.
Рассмотрим направления токов в двух случаях:
1) Когда положительная полярность приложена к точке 1, а отрицательная ─ к точке 3, положительная полуволна течет через диод D2, отрицательная через ─ D4, как показано на рисунке ниже:
Как видно, в обоих случаях, положительная полярность всегда будет прикладываться к точке 2, а отрицательная ─ к точке 4. Схема без сглаживающего конденсатора на выходе с подключенной нагрузкой 100 Ом, а также, осциллограмма выходного напряжения приведена ниже:
Видно, что выходное напряжение ничем не отличается в сравнении с напряжением двухполупериодном выпрямителе, однако, в данном случае используется всего лишь один источник, и его энергия используется «на полную».
Расчет сглаживающего конденсатора
Это очень важный момент, от которого зависит величина пульсации постоянного тока на выходе. Выше уже было сказано, что увеличение емкости приводит к уменьшению выходных пульсаций тока, но бесконечно повышать ее мы не можем, поскольку, чем больше конденсатор-тем больше его габариты и цена. Поэтому, выбирать его желательно, исходя из расчетов. Пульсации выходного напряжения можно расчитать по данной формуле:
где С ─ емкость сглаживающего конденсатора, Iн ─ ток нагрузки, △t ─ время, проходящее за один период переменного напряжения, △U ─ величина пульсаций напряжения на выходе. Данная формула применима, если считать процесс разряда конденсатора линейным.
-3)/1=3100 (мкФ)
Подключим к мостовой схеме генератор переменного напряжения частотой 50 Герц, а также рассчитанную емкость и сопротивление нагрузки 1 килоом. Схема и осциллограмма напряжения на выходе будут иметь вид:
На осциллограмме видно, что на выходе сформировалось постоянное напряжение (красная полоса) величиной 305, 4 Вольт (показания VB1 и VB2). Поскольку ожидаемые пульсации в районе 1 Вольта, на фоне трехсот вольт их практически не видно, поэтому, с помощью осциллографа мы уберем показания величины постоянной составляющей напряжения, что позволит нам приблизить форму сигнала на экране, чтобы детально его рассмотреть:
Убрав постоянную составляющую напряжения, и приблизив сигнал, стало четко видно пульсации напряжения. Для их обнаружения, флажок «1» (красный цвет) установлен в максимальный пик пульсации, а флажок «2» (синий цвет) ─ в минимальный. Видно, что данная пульсация составила 724,5 милливольт (параметр VB2-VB1 на панели осциллографа).
Итак, полученная на выходе пульсация оказалась меньше требуемой (724,5 милливольт против 1 Вольта). Получился небольшой запас в лучшую сторону!
Что такое диод или как из переменного тока получить постоянный? | Лампа Эксперт
Выпрямитель нужен, чтобы из переменного тока получить постоянный. Существует несколько схем выпрямителей на полупроводниковых диодах, а в общем их делят на две группы: однополупериодные и двухполупериодные. Эти названия говорят о том сколько полуволн переменного напряжения поступает в нагрузку – одна или две.
Немного определений и теорииНачнем с того, что разберемся с какими определениями нам придется столкнуться.
В электросети протекает переменный ток. Его величина изменяется по синусоидальному закону, это также называют «синусоидальное напряжение» или просто «синусоида». Такое напряжение (ток) изменяется плавно от нуля до амплитудного значения, затем обратно до нуля и опять до амплитудного значения, но с обратным знаком.
В одном периоде синусоиды есть две полуволны — «прямая» и «обратная» или «верхняя» и «нижняя».
По энциклопедическому определению, постоянный ток — это направленное движение заряженных частиц скорость и направление которых не изменяется. Это разновидность однонаправленного тока.
Но на практике зачастую ток непостоянен, а изменяется в процессе работы потребителя (нагрузки), а также на выходе выпрямителей есть пульсации, а у гальванических элементов просадки под нагрузкой. Получается, что сам по себе «постоянный ток», так как сказано в «определении» используется далеко не везде. Когда говорят «блок питания постоянного тока» часто подразумевают постоянное напряжение.
Здесь нужно выделить еще несколько понятий:
1.Однонаправленный ток — протекает в одном направлении, может быть произвольным по величине.
2.Выпрямленное напряжение (или ток) – постоянно по знаку, но может изменяться по величине.
Если не используются фильтры, то пульсирует с удвоенной частотой переменного напряжение, которое выпрямляли. Так на выходе выпрямителя сетевого напряжения частота пульсаций будет 50×2=100 Гц.
3.Стабилизированное напряжение (или ток) — постоянно по знаку и величине.
Постоянный и пульсирующий токВ англоязычной технике и литературе переменный ток обозначается как AC (alternative current), а постоянный — DC (direct current).
Полупроводниковые диоды и выпрямителиВ современных электронных устройствах для выпрямления используются полупроводниковые диоды.
Диодом в широком смысле называется любое устройство, у которого есть два вывода. Однако если говорить более конкретно, то полупроводниковый диод — это устройство, в котором сформирован лишь один p-n-переход.
Внутреннее устройство диода и диаграмма потенциаловОсновной особенностью полупроводниковых диодов является то, что они проводят ток в одном направлении, а если проложить обратное напряжение (т.
н. «обратное смещение»), то ток не проводится до тех пор, пока не наступает тепловой или электрический пробой p-n-перехода с последующим выходом из строя элемента (за исключением стабилитронов, например). Различают множество видов диодов: выпрямительные, импульсные, детекторные, ограничительные и другие, но сегодня нас интересуют именно выпрямительные диоды.
Диоды еще называют «полупроводниковый неуправляемый вентиль», неуправляемый он, потому что вы не можете дать команду чтобы начал или прекратил протекать электрический ток.
Итак, выпрямительный диод – это устройство, которое пропускает ток в одном направлении. Это явление используется для преобразования переменного тока в постоянный, а также для изолирования цепей постоянного тока, например, когда нужно подать несколько сигналов, не зависящих друг от друга, от разных источников.
На схеме диод обозначается в виде стрелки, направление которой указывает куда будет протекать ток. В старых схемах чаще встречается обозначение в вид стрелки в кружочке.
Кратко рассмотрим, когда диод проводит ток, а когда не проводит, если вам интересно узнать, почему это происходит, рекомендую прочесть одну из лучших книг об электронике «Транзистор? Это же просто…» Е. Айсберга, не обращайте внимания, что она 1964 года — это вечная классика и фундаментальные основы, которые автор преподнес в необычной и лёгкой форме.
Как отмечалось выше, диод состоит из двух областей, p и n — их называют анодом (p-область) и катодом (n-область). Между n- и p-областью находится запирающий слой — так называемый потенциальный барьер.
В прямом смещении p-n-перехода, когда к аноду подключают полюс, а к катоду минус источника питания то этот запирающий слой сужается и через него начинает протекать ток. Но просто подать напряжение недостаточно, важно чтобы его величины было достаточно, для открытия кремниевых диодов нужно 0.
7-0.8 вольт, а для германиевых — 0.3-0.4 вольта.
При обратном включении, то есть при подключении плюса к катоду, а минуса к аноду, всё происходит наоборот — запирающий слой расширяется, и носители заряда не могут его преодолеть, соответственно ток не протекает.
Что такое прямое и обратное включение диодаНа реальных диодах катод обычно помечается полосой или кольцом.
Внешний вид диода и расположение анода и катодаОсобенности диода отлично иллюстрирует вольт-амперная характеристика, сокращенно её называют «ВАХ».
ВАХ диодаНа рисунке выше Красным цветом выделены участки и виды пробоев (лавинный, туннельный и тепловой) на обратной ветви. В правой верхней части вы видите прямую ветвь ВАХ, т.е. зависимость тока от напряжения в прямом смещении.
Из неё вы должны понять то, что ток через диод при малом напряжении почти не протекает, но когда оно достигает определенной величины начинает протекать, при этом сила тока не имеет линейной зависимости от приложенного напряжения (при малом увеличении напряжения происходит сильное приращение тока), и ограничивается только сопротивлением нагрузки.
При обратном смещении ток практически не протекает (очень незначительный) и так происходит до тех пор, пока не наступит пробой. Различают 3 вида пробоя:
- Лавинный пробой – при нём диод начинает пропускать ток, он обратимый, то есть если с диода снять напряжение, то он не сгорит.
- Туннельный пробой также обратим Этот и предыдущий вид используют в стабилитронах. Это другой вид диодов, они предназначены для работы в обратном смещении, а этот участок вольт-амперной характеристики у стабилитронов шире, чем у выпрямительного диода.
- Тепловой пробой – при нём происходит необратимое разрушение p-n-перехода. Диод либо пробивает, т.е. он становится проводником, либо перегорает, в этом случае происходит обрыв цепи.
В однофазных цепях используется одна из трёх схем выпрямления переменного тока, они носят такие названия:
- Однополупериодный выпрямитель, а в технической литературе можно встретить сокращенный вид «1ф1п», что обозначает «1 фаза 1 полупериод».
- Двухполупериодный выпрямитель, он же «схема Гретца», сокращенно — 2ф2п.
- Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. Используется реже, чем предыдущая, так как требует использовать трансформатор со средней точки (отвод от середины обмоток).
Однополупериодный выпрямитель состоит из диода, последовательно включенного с нагрузкой. Здесь в нагрузку Rн поступает, как ни странно, один полупериод от питающего напряжения, вторые полпериода или обратная полуволна синусоиды через диод не проходит. Схема хороша тем, что нужен только один диод, но у неё ряд недостатков: напряжение на нагрузке снижается в 2 раза и высокий коэффициент пульсаций. Для их сглаживания нужен конденсатор неоправданно большой ёмкости, что повышает и габариты, и конечную стоимость изделия.
Схема однополупериодного выпрямителя, напряжение на её входе и выходеДвухполупериодный выпрямитель или диодный мост состоит уже из четырёх диодов. Здесь они работают «по диагонали», то есть одну полуволну проводят левый верхний и правый нижний диод, а обратную – левый нижний и правый верхний диоды (положения указаны условно, относительно приведенной схемы).
Напряжение в нагрузке равно напряжению на входе моста, но оно уже не переменное, а выпрямленное пульсирующее. Чтобы сгладить пульсации параллельно нагрузки устанавливают конденсатор (один или несколько, соединенных параллельно). При этом используются электролитические конденсаторы, из-за их большой ёмкости при относительно небольших размерах.
Второй вариант двухполупериодного выпрямителя — это выпрямитель со средней точкой. Здесь к средней точке трансформатора присоединяется один вывод нагрузки, а ко второму выводу нагрузки присоединяются катоды двух диодов. Напряжение на концах вторичной обмотки относительно средней точки находится в противофазе (условно на диаграмме они обозначены как Uвходное1 и Uвходное2).
Так как напряжения сдвинуты друг относительно друга на половину периода и диоды пропускают лишь по одной его полуволне, то на нагрузку попадает выпрямленное двухполупериодное напряжение Uвыходное, как в предыдущем варианте.
Вы можете видеть что в первые полпериода через диод VD2 протекает ток, во вторую половину — диод закрывается и начинает протекать ток через диод VD1.
Преимущества такой схемы — меньше потерь из-за меньшего числа ключей, но недостаток весьма серьезный — нужен трансформатор со средней точкой, если в производственных масштабах это не составляет особых проблем, то для радиолюбителя может оказаться сложным найти такой. Но
Схема выпрямителя со средней точкой, напряжение на её входе и выходеЗаключениеНа этом закончим статью о выпрямителях и диодах. Если вам что-то осталось непонятным или вы бы хотели раскрыть подробнее какой-то конкретный вопрос — пишите об этом в комментариях, не забывайте ставить «лайки» и подписываться на канал, ведь это очень важно для нас.
Что такое 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 (р — 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, включи 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. 1984.
Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод — это полупроводниковый элемент, пропускающий ток только в одном направлении. Принцип работы диода основан на свойствах проводимости полупроводников, а именно на электронно-дырочном переходе.
На принципиальной электрической схеме диоды изображаются следующим образом:
Диоды изготавливают в основном методами сплавления и методом диффузии.
Метод сплавления заключается в сплавлении пластин p и n – типов, а метод диффузии состоит во внедрении примесных атомов в полупроводниковую пластину. Благодаря этим способам изготавливаются большие площади p – n переходов – до 1000 мм2. А чем больше площадь перехода, тем больший ток можно через него пропускать.
Существуют также точечные (высокочастотные) диоды, площадь их p – n перехода меньше 0,1 мм2. Такие диоды изготавливаются с помощью соединения металлической иглы с полупроводником. Применяются точечные диоды в аппаратуре сверхвысоких частот при значении тока 10-20 мА.
Основные виды полупроводниковых диодов по функциональному назначению: выпрямительные, стабилитроны, импульсные, светодиоды, фотодиоды и т.д.
Выпрямительными называют полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Такие диоды изготавливают методами сплавки и диффузии, для того чтобы создать большую площадь p-n перехода, так как через них протекают большие токи.
Сам процесс выпрямления переменного тока заключается в свойстве диода хорошо проводить ток в одном направлении и практически не проводить его в другом.
Ниже изображена схема простейшего однополупериодного выпрямителя. Работает он следующим образом: положительный полупериод напряжения Uвх, диод V пропускает практически без изменения, и напряжение Ur практически равно Uвх. Но в момент времени, когда полупериод напряжения отрицательный, диод включен в обратном направлении и все напряжение Uвх падает на диоде, а напряжение на резисторе практически равно нулю
На рисунке схематично изображен график напряжения на резисторе.
Стабилитронами (опорными диодами) называются полупроводниковые диоды предназначенные для стабилизации постоянного напряжения. Для стабилизации напряжения в стабилитронах используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики в области электрического пробоя, для этого их включают в обратном направлении.
При изменении тока протекающего через стабилитрон от значения Iстmin до Iстmax напряжение на нем почти не изменяется.
Стабилитроны стабилизируют напряжение от 3,5 В, а для стабилизации меньшего напряжения используют стабисторы. В стабисторах используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, поэтому их включают в прямом направлении.
Импульсным называется диод, который предназначен для работы в импульсных схемах. В прямом направлении импульсный диод хорошо проводит электрический ток. При обратном включении такого диода, обратный ток в нем резко увеличивается, а через короткий промежуток времени исчезает. Таким образом получается электрический импульс.
1.2. Применение диодов для выпрямления переменного тока
Выпрямление переменного тока, т.е. преобразование его в постоянный (пульсирующий) ток, производится при помощи нелинейных элементов, которые обладают весьма малым активным сопротивлением в прямом направлении и весьма малой активной проводимостью в обратном направлении (обладают односторонней проводимо
стью).
Устройства таких нелинейных элементов с резко несимметричной вольтамперной характеристикой (см. рис. 1.2, 1.4) называют вентилями. К ним относятся электронные лампы, газотроны, тиратроны, меднозакисные, селеновые, германиевые, кремниевые полупроводниковые вентили.
Вольтамперная характеристика идеального вентиля (рис. 1.10, а, в) представляет собой отрезок (ОА, ОА1) положительной полуоси тока и отрезок (ОБ, ОБ1) – отрицательной полуоси напряжения. Заменой реальной характеристики вентиля приближенной в виде отрезков прямых, в частности характеристикой идеального вентиля, широко пользуются, чтобы упростить приближенный расчет режима цепи с вентилями с помощью кусочно-линейной аппроксимации.
Вольтамперной характеристике (рис. 1.10, а) соответствует схема замещения, состоящая из идеального вентиля и последовательно присоединенного резистора с сопротивлением rВ(рис. 1.10, б), а ВАХ (рис. 1.10, в) – схема замещения идеального вентиля и источника постоянной ЭДС Е = UВ (рис.
1.10, г).
В зависимости от схемы включения выпрямительных диодов и источников питания различают однофазное однополупериодное и двухполупериодное выпрямление и трехфазное выпрямление.
Однополупериодное выпрямление
При включении идеального вентиля (rВ = 0) последовательно с нагрузкой, имеющей активное сопротивление r (рис. 1.11, а), для прямого (положительного) полупериода напряжения (u > 0) u = Umsinwt ток равен:
,
для обратного напряжения (отрицательный полупериод u < 0) ток равен 0 (рис. 1.11, б):
iОБР = 0.
То есть по цепи идет ток одного направления – проходит одна полуволна синусоидального тока.
Действующее напряжение источника питания равно:
U = Um / 2.
Действующее значение тока:
.
Так как интеграл под корнем в последнем выражении в два раза меньше его значения при отсутствии диода при протекании синусоидального тока, то
,
т.
е. действующее значение тока (I) зависит от действующего напряжения (U) источника питания по линейному закону.
В течение положительного полупериода напряжение на приемнике равно напряжению, приложенному к цепи (uH = ir = u), а напряжение на вентиле равно 0, так как rВ = 0. В течение отрицательного полупериода напряжение на приемнике равно нулю, так как i = 0, и напряжение на вентиле равно напряжению (u) на зажимах цепи. Таким образом, кривая напряжения на приемнике повторяет по форме кривую тока.
Действующее значение напряжения на приемнике равно:
UH = r×I = Um / 2 = U / .
Активная мощность в сопротивлении приемника в два раза меньше мощности, выделяемой при отсутствии диода:
.
Полная мощность источника:
Коэффициент мощности диода:
.
Коэффициент мощности (c) не равен единице не из-за реактивного сопротивления, которое может быть включено в цепь для уменьшения пульсаций переменного тока, а из-за искажения формы кривой тока (i) по сравнению с кривой (u) напряжения источника питания.
Полученная кривая однополупериодного выпрямленного тока (см. рис. 1.11, б) может быть разложена в ряд Фурье:
При этом постоянная составляющая тока равна его среднему значению, определяется следующим образом:
.
Существенным недостатком однополупериодного выпрямления
transistor
transistor Диод и транзисторНа
плате передо мной есть несколько диодов
и транзисторов, немного, но они есть.
Их, в отличие от резисторов, конденсаторов
и катушек индуктивности, относят к
активным элементам электрической цепи.
Без них не обходятся ни усилители, ни
генераторы. Выпрямители, стабилизаторы,
индикаторы, фотоприемники – вот неполный
перечень применений диодов. А если
разобрать любую микросхему, аналоговую
или цифровую, то можно убедиться в том,
что это царство транзисторов. Диоды и
транзисторы изготавливаются особым
образом из полупроводниковых материалов.
Напомню, что полупроводником называют
материал, который по свойству проводить
электрический ток занимает промежуточное
положение между проводниками и
изоляторами.
Когда-то по этой причине
они были мало интересны, провода из них
не сделаешь, слишком большое сопротивление,
а в качестве изолятора лучше использовать
резину или текстолит. Причина плохой
проводимости тока у полупроводников в
их строении. Количество электронов,
способных перемещаться по материалу,
много меньше, чем у металлов, но они
есть, что мешает использовать материал
в качестве изолятора. Мало того, у одних
типов полупроводников, как и у металлов,
есть электроны-бродяги, а у других типов
полупроводников все еще путаней –
вместо добропорядочных носителей
зарядов есть вакансии для неприкаянных
электронов, которые называют «дырками».
Интерес к полупроводникам появился
тогда, когда из полупроводников двух
типов сделали двухслойную конструкцию,
у которой обнаружилось любопытное
свойство – пропускать постоянный ток
в одном направлении, и не пропускать в
другом.
Проведем
два эксперимента с полупроводниковым
диодом: соединим последовательно диод
и резистор (чтобы ограничить ток), добавим
амперметр, подключим все это к батарейке.
В первом случае включим батарейку в
одной полярности, а во втором в
противоположной, и посмотрим, что у нас
происходит с постоянным током, проходящим
по нашей схеме.
Рис. 1.16. Диод (в прямой полярности подключения) в цепи постоянного тока
В этом случае ток в цепи равен 10 мА (тысячным долям ампера), что мы, зная закон Ома, можем получить расчетным путем: ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Разделим напряжение (ЭДС) 10 В на сопротивление (резистора) 1 кОм (тысяча Ом) и получим ток в 10 мА (десять тысячных ампера). Диод ведет себя себя как проводник, то есть, так, как будто его почти совсем нет. Изменим полярность батарейки на противоположную.
Рис. 1.17. Диод (в обратной полярности) в цепи постоянного тока
Ток
через амперметр в этом случае равен 1
мкА (одной миллионной доли ампера), а мы
можем рассчитать сопротивление цепи,
разделив напряжение на ток: 10 В разделим
на ток 1 мкА и получим сопротивление 10
МОм (десять миллионов Ом).
Этот расчет
можно проверить опытным путем – замените
диод резистором в 10 МОм и, если получите
ток через амперметр I1 равным 1 мкА, то
расчет сделан верно.
Что полупроводниковый диод чувствителен к полярности приложенного напряжения можно убедиться с помощью мультиметра. У него есть режим измерения, который помечен значком диода (диод обозначается на схемах в виде треугольника, упирающегося в стенку), подключая диод к мультиметру в этом режиме, можно увидеть, что тот показывает сопротивление порядка нескольких сотен ом при одной полярности включения и показывает перегрузку (горит только единичка в старшем разряде) при смене полярности. Именно так проверяют работоспособность полупроводникового диода мультиметром.
Как
объясняется это свойство двухслойной
конструкции из полупроводниковых
материалов разного типа? Представим,
что у нас есть две маленькие тонкие
пластинки из полупроводников разного
типа. Поверхности пластинок так идеально
отшлифованы, что соединив их вместе, мы
получим, как бы, единую пластинку.
В этом
случае электроны-бродяги из полупроводника
одного типа (его называют полупроводником
типа «n») могут перемещаться через
границу, попадая в полупроводник другого
типа (его называют полупроводником типа
«p»), где электроны охотно занимают
вакантные места в атомах материала
(заполняют «дырки»). Но до этого
электрически нейтральные атомы на
границе раздела материалов становятся
заряженными – те, что потеряли электроны,
отрицательно, присоединившие электроны,
положительно. Между этими заряженными
атомами на границе раздела возникает
электрическое поле, которое теперь уже
мешает электронам из материала типа
«n» попадать в материал типа «p».
В целом наша конструкция остается
электрически нейтральной, сколько было
каких зарядов, столько их и осталось.
Но, когда мы подключаем к нашей конструкции
внешний источник ЭДС, то создаваемое
им поле может ослабить поле на границе
раздела при одной полярности включения,
и тогда электроны от одного полюса
источника питания могут двигаться по
полупроводнику, как по обычному.
Полупроводник будет проводить ток хуже
проводника, но достаточно хорошо. Если
мы изменим полярность источника ЭДС,
то внешнее поле усилит поле на границе
раздела и электроны от одного полюса к
другому почти не смогут перемещаться
из-за противодействия результирующего
электрического поля. Наша конструкция
почти не проводит ток, как изолятор.
Свойство диода столь разно проводить ток разной полярности используется для «выпрямления» переменного тока. Заменим батарейку на схеме источником переменного тока, чтобы понаблюдать за током. Как выглядит переменный ток, будем считать, мы знаем.
Рис. 1.18. Диод в цепи переменного тока
Диод как бы «отрезает» отрицательную полу-волну синусоидального переменного напряжения. Если поменять полярность включения диода, то диод будет отрезать другую полу-волну.
Рис. 1.19. Обратная полярность включения диода
То,
что пропускает диод, остается переменным
током, но его направление почти не
меняется, меняется только величина.
И
если в цепь добавить конденсатор (для
конденсации «результатов»), то мы
получим почти постоянный ток из
переменного.
Рис. 1.20. Выпрямление переменного тока
Результирующий ток будет тем больше похож на постоянный, чем больше величина конденсатора C1 в нашей схеме выпрямителя. Ведь, в сущности, мы «выпрямили» переменный ток.
Вот
каким полезным свойством обладает
простейшая конструкция из полупроводников
разного типа проводимости. И почти так
работаю блоки питания электронных
устройств от силовой сети 220 В. Конечно
с участием понижающего трансформатора,
поскольку напряжение питания многих
электронных устройств 5-10 В, а не 220. Как
именно устроен простейший блок питания?
Добавьте трансформатор к схеме, и все.
Правда, схема, показанная выше, осуществляет
однополупериодное
выпрямление. То есть, выпрямляется
только один полу-период переменного
напряжения. Но можно увеличить количество
диодов, получив двухполупериодное
выпрямление, либо с мостовой схемой при
четырех диодах, либо с двумя диодами и
двумя выходными обмотками трансформатора.
Думаю, с этим вы разберетесь без меня,
а я хочу только отметить, что конденсатор,
добавленный к схеме, заряжается, когда
присутствует полу-волна, и разряжается,
когда она отсутствует, играя роль
источника тока для схемы в это время и
«сглаживая» напряжение на выходе
блока питания, поэтому конденсатор в
схеме выпрямителя часто называют
сглаживающим,
а напряжение на выходе пульсирующим.
А я хочу продолжить рассказ о конструкциях полупроводников.
Положим, мы возьмем не две пластинки из полупроводниковых материалов разного типа, а три. Соединим эти три кусочка полупроводника, так, чтобы между двумя пластинками одного типа была тоненькая пластинка другого. В итоге мы получим конструкцию, имеющую три вывода, и называющуюся биполярный транзистор. В зависимости от выбора типа полупроводника средней пластинки мы получим транзистор «n-p-n» или «p-n-p» типа.
Итак,
биполярный транзистор типа «n-p-n».
Он имеет две области с электронным типом
проводимости, между которыми заключена
область полупроводника с «дырочным»
типом проводимости.
Как и у диода на
границах областей образуются пограничные
слои, и теперь их два. Как и у диода, в
зависимости от полярности приложенной
ЭДС эти пограничные слои будут влиять
на пропускную способность, оказывая
сопротивление постоянному току, зависящее
от приложенного напряжения. Такую
конструкцию можно было бы представить
в виде двух диодов, включенных встречно,
если бы ни одно «но!». Область,
заключенная между двумя материалами с
одним типом проводимости, конструктивно
очень тонкая. Вывод, подключенный к ней,
называется у транзистора базой.
Конструкция транзистора такова, что
области одинаковой проводимости не
равнозначны, одна из них играет роль
поставщика носителей тока и называется
эмиттер,
другая роль сборщика носителей и
называется коллектор.
Возникающие в отсутствии источников
ЭДС два пограничных слоя, чем похожие
на заряженные конденсаторы, препятствуют
перемещению носителей тока из эмиттера
в базу и из коллектора в базу, но для
носителей, прошедших из эмиттера в базу
поле перехода база-коллектор (пограничный
слой называют переходом) становится
«попутным», помогающим им перейти
в область коллектора.
Два источника
питания транзистора включают так, что
переход эмиттер-база смещен
в прямом направлении,
то есть, поле пограничного слоя
компенсируется, а переход коллектор-база
смещен
в обратном направлении,
его поле усиливается внешним. Ток двух
источников питания будет частично
протекать по базовому выводу, но основная
масса носителей от их поставщика,
эмиттера (из-за того, что область базы
очень тонкая), будет попадать в «попутное»
поле перехода коллектора-база. Вот
неполная картина происходящего в
транзисторе. В дальнейшем я, надеюсь,
не буду обращаться к ней, но какую-то
картинку происходящего полезно иметь
перед глазами.
Мне
кажется, что для работы с транзистором
удобнее рассматривать его, как
распределитель токов: ток эмиттера
разветвляется в базу и коллектор, а
между токами базы и коллектора существует
строгая взаимосвязь – ток коллектора
всегда равен произведению тока базы на
постоянную, которую называют (статическим)
коэффициентом усиления транзистора по
току.
Этот коэффициент у разных
транзисторов меняется от нескольких
десятков до сотен единиц. Именно благодаря этому свойству транзистор
имеет то
широкое применение, которое он имеет.
На практике редко применяют включение двух источников постоянного напряжения для питания базовой и коллекторной цепей, но лучше все-таки это нарисовать, чтобы легче было понимать, как на практике включают транзистор, чтобы использовать его «активное» свойство усиливать ток, втекающий в базу транзистора (или из нее вытекающий у транзистора другого типа).
Рис. 1.21. Схема включения транзистора
Хочу
сразу заметить, что не следует пытаться
проводить подобный эксперимент, впаяв
транзистор на макетную плату. Дело в
том, что переход транзистора база-эмиттер
(эмиттер обозначен стрелкой) ведет себя
подобно диоду, то есть при том включении
(и напряжении источника VDC1), которое
изображено выше, ток через переход будет
весьма большим, вызывая разогрев
перехода, который попытается «засветиться»
подобно лампочке при нагреве, но сгорит
быстрее, чем вы успеете заметить это
свечение.
Я даже не стал рисовать землю,
чтобы показать, что не запускал симуляцию
схемы. Впрочем, на компьютере вы можете
провести любые эксперименты без опасений
за целостность ваших компонентов, чем
компьютер и полезен.
Итак, источник тока VDC1 создает на переходе база-эмиттер электрическое поле, ослабляющее поле пограничного слоя. Носители, выходя из области эмиттера попадают под действие разгоняющего их поля источника VDC2, и почти все «улетают» в область коллектора. Влияние поля, создаваемого источником VDC1 на ток коллектора очень велико, а роль источника VDC2 можно назвать «направляющей», направляющей ток к коллектору, чтобы он весь не уходил в базу. Если убрать этот источник тока, то весь ток, выходящий из эмиттера, пройдет в базовую цепь транзистора.
Для экспериментов, на макетной плате или за компьютером, удобнее следующая схема:
Рис. 1.22. Наблюдение токов базы и коллектора транзистора
Такая
схема включения транзистора гораздо
чаще встречается на практике.
Программа,
как вы заметили, которую я использовал
– это другая программа, и она называется
Qucs. Есть несколько причин, по которым я
сменил программу.
Первая причина банальна, о ней не стоило бы говорить, но она есть. Я не смог найти транзистор в программе PSIM, который позволил бы мне легко проиллюстрировать несколько опытов с транзистором. Выбор оставался небольшой, либо потратить некоторое время на чтение документации, либо сменить программу. Я выбрал второе. И для этого была еще одна причина.
Вторая причина смены программы – если первая предназначена для работы в Windows, то вторая для работы в Linux. Хотя первая работает у меня в Linux, а вторая может работать в Windows, я хочу уделить одинаковое внимание программам для обеих операционных систем, переходя к той, что в данный момент удобнее.
Возвращаясь
к свойствам транзистора, отметим, что
ток базы, измеряемый прибором Pr1, равен
91.7 мкА, а ток коллектора (Pr2) 9.
17 мА.
Результаты измерений в программе Qucs
можно выводить в табличном виде, и
приведенные данные я взял из таблицы.
Отношение тока коллектора к току базы
равно 100. Это и есть статический коэффициент
усиления, который на схеме (рядом с
транзистором) обозначен как Bf. Если
изменить величину резистора R1, то ток
базы изменится, а это приведет к изменению
тока коллектора. Попробуйте изменить
значение резистора R1 так, чтобы ток базы
изменился незначительно, скажем, стал
равен 90 мкА. Новое значение тока коллектора
можно использовать для получения еще
одного коэффициента – отношение
разностей
токов коллектора к разности токов базы
называют динамическом
коэффициенте усиления
транзистора по току, если приращения
токов небольшие.
Что
мне в данный момент кажется самым важным?
Что изменения тока базы вызывают
пропорциональное изменение тока
коллектора. При этом ток базы много
меньше тока коллектора. То есть, транзистор
усиливает изменения тока базы, но
сохраняет закон, по которому ток базы
меняется.
Именно, благодаря этим
свойствам, транзистор находит широкое
применение в электронике в качестве
основы разного рода усилителей,
преобразователей и генераторов.
Вы
можете убедиться, что те три закона
электротехники, о которых мы говорили
раньше, так же справедливы и сейчас. Ток
от плюса источника питания разветвляется
на коллекторный и базовый. Ток, подходящий
к узлу ветвления, будет равен сумме
токов в ветвях схемы, базовой и
коллекторной. Падение напряжения на
резисторе R2, складываясь с падением
напряжения на транзисторе (между
эмиттером и коллектором), даст величину,
равную напряжению источника питания.
Зная ток базы транзистора, проходящий
через резистор R1, мы можем вычислить
падение напряжения на этом резисторе
и проверить прямым измерением напряжения,
что оно почти равно напряжению питания.
Если измерить падение напряжения между
базой и эмиттером и прибавить его к
падению напряжения на R1, то равенство
будет точным, хотя это напряжение не
очень велико, для кремниевого транзистора
оно составит 0.
5-0.7 вольт. Мало того, даже
небольшие изменения этого напряжения
будут вызывать значительное изменение
тока базы, а, соответственно, пропорциональные
ему изменения тока коллектора. Последнее,
в свою очередь, приведет к существенным
изменениям напряжения эмиттер-коллектор
транзистора. То есть, можно говорить не
только об усилении транзистором тока,
но, в этой схеме, об усилении транзистором
напряжения.
Биполярный
транзистор имеет три вывода: базу,
коллектор, эмиттер. В зависимости от
того, какой из выводов используется в
качестве общего, различают схемы
включения транзистора с общей базой, с
общим эмиттером и с общим коллектором.
Все три схемы включения обеспечивают
усиление, но при одних способах включения
осуществляется усиление по току, тогда
как усиления по напряжению нет, в других
случаях есть усиление и по напряжению,
и по току. Чаще всего применяется
включение транзистора с общим эмиттером,
как это изображено на рис. 1.22. Сигнал
при таком включении подается на
базу-эмиттер, а снимается с выводов
эмиттер-коллектор.
Общий вывод у входного
и выходного сигнала – эмиттер, поэтому
и схему включения называют с общим
эмиттером.
С помощью резистора R1 (рис. 1.22) устанавливается рабочая точка транзистора на постоянном токе. Чаще всего этот резистор выбирают таким, чтобы напряжение эмиттер-коллектор было равно половине напряжения питания. Зачем это делается? Многие полезные сигналы, о которых мы поговорим позже, симметричны относительно горизонтальной оси, как синусоидальный сигнал. Если, усиливая сигнал, мы нарушим эту симметрию, то получим другой сигнал, а это уже не усиление, и чаще всего нам этого не надо, но для получения максимального симметричного сигнала на выходе, начальное состояние выхода (на постоянном токе) тоже желательно иметь симметричным, то есть, напряжение должно быть равно половине напряжения питания.
Я
уже говорил, что величина сопротивления
зависит от температуры. Включив
сопротивление в цепь постоянного тока
и измеряя ток, проходящий через
сопротивление, мы можем судить о
температуре вокруг сопротивления.
Изменения тока дадут нам информацию об
изменении температуры. Разные материалы
имеют разную чувствительность к
температуре. Особенно сильно реагируют
на температуру полупроводниковые
материалы. Это их и полезное в одних
случаях, и вредное при других обстоятельствах
свойство. Резисторы, которые изготавливают
для получения информации о температуре,
так и называю терморезисторами.
Какое же вредное влияние оказывает температура на полупроводники?
Если
в схеме рис. 1.22, которую мы тщательно
наладили, получив напряжение
эмиттер-коллектор точнехонько равным
половине напряжения питания, подвергнуть
транзистор воздействию температуры,
на макетной плате его можно обдувать
феном, то начальная рабочая точка
(напряжение на выходе) сместится. Теперь
напряжение эмиттер-коллектор, сколько
мы потратили труда!, уже не равно половине
питающего напряжения. Фен, которым мы
разогревали транзистор, дает представление
о влиянии внешней температуры на рабочую
точку транзистора.
Но не надо забывать,
что на любом сопротивлении, через которое
протекает ток, мы говорили об этом,
появляется падение напряжения и
рассеивается мощность. Транзистор ведет
себя также. На нем тоже рассеивается
мощность, и для него тоже существует
такой параметр, как допустимая мощность
рассеивания. А выделяющаяся в процессе
работы мощность, выделяемая в виде
тепла, разогревает транзистор, смещая
его рабочую точку. Для стабилизации
рабочей точки транзистора применяют
специальные схемные решения, о которых
мы поговорим, когда будем говорить об
усилителях. Эксперименты, например, по
измерению влияния температуры можно
проводить в программе Qucs. Если заглянуть
в свойства транзистора, то можно
обнаружить такой параметр, как температура.
Изменяя этот параметр, добавив в схему
рис. 1.22 вольтметр параллельно транзистору,
можно увидеть изменение напряжения при
изменении температуры.
Вообще,
для любителей очень важно делать только
то, что интересно. Не нравится вам
разрабатывать собственные схемы,
нравится повторять готовые, занимайтесь
тем, что нравится, но не забывайте, что
далеко не всегда повторение готовой
схемы сразу приводит к ожидаемым
результатам.
Важно хорошо понимать
назначение и работу всех элементов
схемы, а нет лучшего средства для решения
этой задачи, чем эксперименты с этими
элементами. Часть из них лучше провести
с паяльником в руках. Без этого не
обойтись. Но подобные эксперименты,
порой, требуют хорошего оснащения
любительской лаборатории. Далеко не
все могут позволить себе покупку всех
необходимых приборов. Часть таких
приборов можно изготовить самостоятельно,
но их настройка тоже требует наличия
приборов, и образуется замкнутый круг,
из которого трудно выбраться. В этом
смысле компьютерные программы, подобные
PSIM и Qucs оказываются очень полезны.
Проводя ряд экспериментов за компьютером,
можно найти то место, где опыты можно
перенести на макетную плату, а работа
будет обеспечена теми приборами, что
есть в распоряжении любителя. Со временем
парк приборов пополнится за счет
самодельных, эти приборы будут
откалиброваны, а круг интересов и
возможностей значительно расширится.
Но и в этом случае не стоит пренебрегать
теми возможностями и теми удобствами,
что дают компьютер и программы.
диодов — learn.sparkfun.com
Добавлено в избранное Любимый 61 годПрименение диодов
Для такого простого компонента диоды имеют множество применений. Вы найдете диод того или иного типа практически в каждой цепи. Они могут быть представлены в чем угодно, от цифровой логики слабого сигнала до схемы преобразования энергии высокого напряжения. Давайте рассмотрим некоторые из этих приложений.
Выпрямители
Выпрямитель — это схема, преобразующая переменный ток (AC) в постоянный (DC).Это преобразование критично для всякой бытовой электроники. Сигналы переменного тока выходят из розеток вашего дома, но именно постоянный ток питает большинство компьютеров и другой микроэлектроники.
Ток в цепях переменного тока буквально чередуется — быстро переключается между положительным и отрицательным направлениями — но ток в сигнале постоянного тока течет только в одном направлении.
Итак, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, вам просто нужно убедиться, что ток не может течь в отрицательном направлении. Похоже на работу для ДИОДОВ!
Однополупериодный выпрямитель может быть сделан только из одного диода.Если сигнал переменного тока, такой как, например, синусоида, посылается через диод, любая отрицательная составляющая сигнала отсекается.
Формы сигналов входного (красный / левый) и выходного (синий / правый) напряжения после прохождения через схему полуволнового выпрямителя (в центре).
Двухполупериодный мостовой выпрямитель использует четыре диода для преобразования этих отрицательных выступов в сигнале переменного тока в положительные.
Схема мостового выпрямителя (в центре) и форма выходного сигнала, которую она создает (синий / правый).
Эти цепи являются критическим компонентом источников питания переменного тока в постоянный, которые преобразуют сигнал 120/240 В переменного тока сетевой розетки в сигналы постоянного тока 3,3 В, 5 В, 12 В и т. Д. Если вы разорвали стенную бородавку, вы, скорее всего, увидели бы там несколько диодов, исправляющих ее.
Можете ли вы заметить четыре диода, образующие мостовой выпрямитель в этой бородавке?
Защита от обратного тока
Вы когда-нибудь вставляли батарею неправильно? Или поменять местами красный и черный провода питания? Если это так, то диод может быть благодарен за то, что ваша схема все еще жива.Диод, расположенный последовательно с положительной стороной источника питания, называется диодом обратной защиты. Это гарантирует, что ток может течь только в положительном направлении, а источник питания подает только положительное напряжение в вашу цепь.
Это применение диода полезно, когда разъем источника питания не поляризован, что позволяет легко испортить и случайно подключить отрицательный источник питания к положительному полюсу входной цепи.
Недостатком диода обратной защиты является то, что он вызывает некоторую потерю напряжения из-за прямого падения напряжения.
Это делает диоды Шоттки отличным выбором для диодов обратной защиты.
Логические ворота
Забудьте о транзисторах! Простые цифровые логические вентили, такие как И или ИЛИ, могут быть построены из диодов.
Например, диодный логический элемент ИЛИ с двумя входами может быть построен из двух диодов с общими катодными узлами. Выход логической схемы также находится в этом узле. Когда один из входов (или оба) являются логической 1 (высокий / 5 В), выход также становится логической 1.Когда на обоих входах установлен логический 0 (низкий / 0 В), на выходе через резистор подается низкий уровень.
Логический элемент И построен аналогичным образом. Аноды , обоих диодов соединены вместе, где и расположен выход схемы. Оба входа должны иметь логическую единицу, заставляя ток течь по направлению к выходному выводу и также подтягивать его к высокому уровню. Если на каком-либо из входов низкий уровень, ток от источника питания 5 В проходит через диод.
Для обоих логических вентилей можно добавить больше входов, добавив только один диод.
Обратные диоды и подавление скачков напряжения
Диодыочень часто используются для ограничения потенциального повреждения от неожиданных больших скачков напряжения. Диоды подавления переходных напряжений (TVS) — это специальные диоды, вроде стабилитронов с низким пробивным напряжением (часто около 20 В), но с очень большими номинальными мощностями (часто в диапазоне киловатт). Они предназначены для шунтирования токов и поглощения энергии, когда напряжение превышает их напряжение пробоя.
Обратные диоды выполняют аналогичную работу по подавлению скачков напряжения, в частности, вызванных индуктивным компонентом, например двигателем.Когда ток через катушку индуктивности внезапно изменяется, создается всплеск напряжения, возможно, очень большой отрицательный всплеск. Обратный диод, помещенный на индуктивную нагрузку, даст этому отрицательному сигналу напряжения безопасный путь для разряда, фактически многократно проходя через индуктивность и диод, пока он в конечном итоге не погаснет.
Это всего лишь несколько вариантов применения этого удивительного маленького полупроводникового компонента.
← Предыдущая страница
Типы диодов
Выпрямительные схемы | Диоды и выпрямители
Что такое исправление?
Теперь мы подошли к самому популярному применению диода: выпрямительный .Проще говоря, выпрямление — это преобразование переменного тока (AC) в постоянный (DC). Это связано с устройством, которое допускает только односторонний поток электрического заряда. Как мы видели, именно это и делает полупроводниковый диод. Самая простая схема выпрямителя — это полуволновой выпрямитель . Это позволяет только половине формы волны переменного тока проходить через нагрузку. (Рисунок ниже)
Схема однополупериодного выпрямителя.
Полуволновое выпрямление
Для большинства силовых приложений однополупериодного выпрямления недостаточно.
Гармоники выходного сигнала выпрямителя очень велики и, следовательно, их трудно фильтровать. Кроме того, источник питания переменного тока подает питание на нагрузку только половину за полный цикл, что означает, что половина его мощности не используется. Однако однополупериодное выпрямление — очень простой способ снизить мощность резистивной нагрузки. Некоторые двухпозиционные переключатели яркости лампы подают полную мощность переменного тока на нить накаливания лампы для «полной» яркости, а затем полуволновое выпрямление для уменьшения светоотдачи. (рисунок ниже)
Применение однополупериодного выпрямителя: двухуровневый диммер лампы.
В положении переключателя «Dim» лампа накаливания получает примерно половину мощности, которую она обычно получает при работе от двухполупериодного переменного тока. Поскольку полуволновая выпрямленная мощность пульсирует намного быстрее, чем нить накала успевает нагреться и остыть, лампа не мигает. Вместо этого его нить накаливания просто работает при более низкой температуре, чем обычно, обеспечивая меньшую светоотдачу.
Этот принцип быстрой «пульсации» мощности на медленно реагирующее нагрузочное устройство для управления поданной на него электрической мощностью является обычным в мире промышленной электроники.Поскольку управляющее устройство (в данном случае диод) является либо полностью проводящим, либо полностью непроводящим в любой момент времени, оно рассеивает мало тепловой энергии при управлении мощностью нагрузки, что делает этот метод управления мощностью очень энергоэффективным. Эта схема, возможно, является самым грубым из возможных методов подачи импульсной мощности на нагрузку, но ее достаточно для проверки правильности концепции.
Полноволновые выпрямители
Если нам необходимо выпрямить переменный ток, чтобы полностью использовать как полупериодов синусоидальной волны, необходимо использовать другую конфигурацию схемы выпрямителя.Такая схема называется двухполупериодным выпрямителем . Один из видов двухполупериодного выпрямителя, называемый конструкцией с центральным отводом , использует трансформатор с вторичной обмоткой с центральным отводом и двумя диодами, как показано на рисунке ниже.
Двухполупериодный выпрямитель, исполнение с центральным отводом.
Положительный полупериод
Работа этой схемы легко понять по одному полупериоду за раз. Рассмотрим первый полупериод, когда полярность напряжения источника положительная (+) вверху и отрицательная (-) внизу.В это время проводит только верхний диод; нижний диод блокирует ток, а нагрузка «видит» первую половину синусоидальной волны, положительную вверху и отрицательную внизу. Только верхняя половина вторичной обмотки трансформатора проводит ток в течение этого полупериода, как показано на рисунке ниже.
Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением: верхняя половина вторичной обмотки проводит ток в течение положительного полупериода входного сигнала, обеспечивая положительный полупериод на нагрузку.
Отрицательный полупериод
В течение следующего полупериода полярность переменного тока меняется на противоположную.Теперь другой диод и другая половина вторичной обмотки трансформатора пропускают ток, в то время как части схемы, которые ранее пропускали ток в течение последнего полупериода, остаются в режиме ожидания.
Нагрузка по-прежнему «видит» половину синусоидальной волны той же полярности, что и раньше: положительная вверху и отрицательная внизу. (Рисунок ниже)
Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением: во время отрицательного полупериода на входе нижняя половина вторичной обмотки проводит ток, передавая положительный полупериод на нагрузку.
Недостатки конструкции двухполупериодного выпрямителя
Одним из недостатков этой конструкции двухполупериодного выпрямителя является необходимость трансформатора с вторичной обмоткой с центральным отводом. Если рассматриваемая схема является схемой большой мощности, размер и стоимость подходящего трансформатора значительны. Следовательно, выпрямитель с центральным отводом встречается только в приложениях с низким энергопотреблением.
Другие конфигурации
Полярность двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом на нагрузке может быть изменена на противоположную, изменив направление диодов.
Кроме того, перевернутые диоды можно подключать параллельно к существующему выпрямителю с положительным выходом. Результатом является двухполюсный двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением, показанный на рисунке ниже. Обратите внимание, что подключение самих диодов такое же, как у моста.
Двухполюсный двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением
Полноволновые мостовые выпрямители
Существует еще одна, более популярная конструкция двухполупериодного выпрямителя, построенная на основе конфигурации четырехдиодного моста.По понятным причинам эта конструкция называется двухполупериодным мостом . (Рисунок ниже)
Двухполупериодный мостовой выпрямитель.
Направления тока для схемы двухполупериодного мостового выпрямителя показаны на рисунке ниже для положительного полупериода и на рисунке ниже для отрицательного полупериода сигнала источника переменного тока. Обратите внимание, что независимо от полярности входа ток течет через нагрузку в одном направлении.
То есть отрицательный полупериод источника является положительным полупериодом при нагрузке.
Ток проходит через два последовательно включенных диода для обеих полярностей. Таким образом, в диодах теряются два диодных падения напряжения источника (0,7 · 2 = 1,4 В для Si). Это недостаток по сравнению с двухполупериодной конструкцией с центральным отводом. Этот недостаток является проблемой только для источников питания с очень низким напряжением.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель: протекание тока для положительных полупериодов.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель: протекание тока для отрицательных полупериодов.
Схема альтернативного двухполупериодного мостового выпрямителя Запоминание правильного расположения диодов в схеме двухполупериодного мостового выпрямителя часто может расстраивать новичка в области электроники. Я обнаружил, что альтернативное представление этой схемы легче запомнить и понять. Это точно такая же схема, за исключением того, что все диоды нарисованы горизонтально и все «указывают» в одном направлении.
(Рисунок ниже)
Альтернативный стиль компоновки двухполупериодного мостового выпрямителя.
Полифазная версия с альтернативной компоновкой
Одним из преимуществ запоминания этой схемы для схемы мостового выпрямителя является то, что она легко расширяется до многофазной версии, показанной на рисунке ниже.
Трехфазная двухполупериодная мостовая схема выпрямителя.
Каждая трехфазная линия подключается между парой диодов: один для подачи питания на положительную (+) сторону нагрузки, а другой для подачи питания на отрицательную (-) сторону нагрузки.
Полифазные системы с более чем тремя фазами легко встраиваются в схему мостового выпрямителя.Возьмем, к примеру, схему шестифазного мостового выпрямителя на рисунке ниже.
Шестифазная двухполупериодная мостовая схема выпрямителя.
Когда выпрямляется многофазный переменный ток, сдвинутые по фазе импульсы накладываются друг на друга, создавая более «плавный» выход постоянного тока (с меньшим содержанием переменного тока), чем полученный при выпрямлении однофазного переменного тока.
Это очевидное преимущество в схемах выпрямителя большой мощности, где чисто физический размер фильтрующих компонентов был бы недопустимым, но при этом необходимо получать мощность постоянного тока с низким уровнем шума.Схема на рисунке ниже показывает двухполупериодное выпрямление трехфазного переменного тока.
Трехфазный переменный ток и трехфазный двухполупериодный выход выпрямителя.
Напряжение пульсации
В любом случае выпрямления — однофазном или многофазном — величина переменного напряжения, смешанного с выходом постоянного тока выпрямителя, называется пульсирующим напряжением . В большинстве случаев, поскольку желаемой целью является «чистый» постоянный ток, пульсации напряжения нежелательны. Если уровни мощности не слишком велики, можно использовать сети фильтрации для уменьшения пульсаций выходного напряжения.
1-импульсные, 2-импульсные и 6-пульсные устройства
Иногда метод выпрямления упоминается путем подсчета количества выходных «импульсов» постоянного тока на каждые 360 o электрического «вращения».
Таким образом, однофазная полуволновая выпрямительная схема будет называться 1-импульсным выпрямителем , потому что она выдает одиночный импульс в течение одного полного цикла (360 o ) формы волны переменного тока. Однофазный двухполупериодный выпрямитель (независимо от конструкции, центральный отвод или мост) будет называться двухпульсным выпрямителем , потому что он выдает два импульса постоянного тока в течение одного цикла переменного тока.Трехфазный двухполупериодный выпрямитель будет называться 6-импульсным блоком .
Фазы цепи выпрямителя
Современная электротехническая конвенция дополнительно описывает функцию схемы выпрямителя, используя трехполевую нотацию: фаз , путей и количества импульсов . Однофазная однополупериодная схема выпрямителя получила несколько загадочное обозначение 1Ph2W1P (1 фаза, 1 путь, 1 импульс), что означает, что напряжение питания переменного тока является однофазным, а ток в каждой фазе линий питания переменного тока движется только в одном направлении (пути), и что на каждые 360 o электрического вращения образуется один импульс постоянного тока.
Однофазная двухполупериодная схема выпрямителя с центральным отводом в этой системе обозначений будет обозначена как 1Ph2W2P: 1 фаза, 1 путь или направление тока в каждой половине обмотки и 2 импульса или выходного напряжения за цикл.
Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель будет обозначен как 1Ph3W2P: то же самое, что и для конструкции с центральным ответвлением, за исключением тока, может проходить обоими способами через линии переменного тока, а не только одним путем.
Схема трехфазного мостового выпрямителя, показанная ранее, будет называться выпрямителем 3Ph3W6P.
Можно ли получить больше импульсов, чем в два раза больше числа фаз в цепи выпрямителя?
Ответ на этот вопрос — да: особенно в многофазных цепях. Благодаря творческому использованию трансформаторов, наборы двухполупериодных выпрямителей могут быть объединены таким образом, чтобы генерировать более шести импульсов постоянного тока для трех фаз переменного тока.
Фазовый сдвиг 30 o вводится от первичной к вторичной трехфазного трансформатора, когда конфигурации обмоток не одного типа.
Другими словами, трансформатор, подключенный по схеме Y-Δ или Δ-Y, будет демонстрировать этот сдвиг фазы на 30 o , в то время как трансформатор, подключенный по схеме Y-Y или Δ-Δ, не будет. Это явление можно использовать, подключив один трансформатор по схеме Y-Y к мостовому выпрямителю, а другой трансформатор по схеме Y-Δ питает второй мостовой выпрямитель, а затем параллельно выходам постоянного тока обоих выпрямителей. (Рисунок ниже)
Поскольку формы волны пульсаций напряжения на выходах двух выпрямителей сдвинуты по фазе 30 o друг от друга, их наложение приводит к меньшей пульсации, чем любой выход выпрямителя, рассматриваемый по отдельности: 12 импульсов на 360 o вместо шести:
Схема многофазного выпрямителя: 3-фазный, 2-канальный, 12-пульсный (3Ph3W12P)
ОБЗОР:
- Выпрямление — это преобразование переменного тока (AC) в постоянный (DC).
- Полупериодный выпрямитель — это схема, которая позволяет приложить к нагрузке только один полупериод формы волны переменного напряжения, что приводит к одной не меняющейся полярности на ней. Результирующий постоянный ток, подаваемый на нагрузку, значительно «пульсирует».
- Двухполупериодный выпрямитель — это схема, которая преобразует оба полупериода формы волны переменного напряжения в непрерывную серию импульсов напряжения одинаковой полярности. Результирующий постоянный ток, подаваемый на нагрузку, не так сильно «пульсирует».
- Полифазный переменный ток при выпрямлении дает гораздо более «гладкую» форму волны постоянного тока (менее пульсаций напряжения ), чем выпрямленный однофазный переменный ток.
СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:
Как проверить диод
Вода обычно используется в качестве компаратора, когда вы изучаете основы электричества. Проблема: вы можете видеть воду, но не видите электроны, движущиеся по проволоке.
Для подтверждения наличия электричества в цепи требуется измеритель вольт / ом (ВОМ).Как только вы к этому привыкнете, использование VOM может быть таким же интуитивным, как поиск подтеков для поиска утечки в трубе.
В зависимости от конструкции и назначения электрической цепи в машине или транспортном средстве часто встречается диод. Диод — это не что иное, как односторонний обратный клапан для электричества. По своей концепции он очень похож на устройство защиты от обратного потока, используемое для подачи воды в бак опрыскивателя. Диод заставляет ток проходить только в одном направлении. Если диод выходит из строя, электрического тока не будет (клапан застрял в закрытом состоянии) или ток будет течь в обоих направлениях (клапан останется открытым).Когда диод выходит из строя, оборудование или компонент могут перестать работать, работать некорректно или повредить другие электрические компоненты.
Как только вы осознаете важность диодов, вы удивитесь, сколько из них используется в областях, о которых вы даже не задумывались.
Одно из распространенных применений — это электропроводка к электромеханической муфте, используемой для включения компрессора кондиционера (AC) на большинстве двигателей.
Муфта переменного тока имеет такую же базовую конструкцию, что и электрическая муфта ВОМ. Из-за того, как работает система переменного тока, включение компрессора циклически зависит от тепловой нагрузки и рабочего давления в системе.
Спускаясь по полю или по дороге, вы можете не знать об этом рабочем цикле, поскольку температура на выходе из внутреннего канала остается почти постоянной.
Как и любой электромагнит, это катушка (похожая на катушку зажигания в бензиновом двигателе). В этом случае, когда AC получает сигнал о циклическом отключении, земля размыкается для сцепления и происходит внутреннее сжатие магнитного поля. Это повысит напряжение, как катушка зажигания.
В большинстве — если не во всех — конструкциях диод помещается в провода, идущие к муфте переменного тока на разъеме.
Он не дает усиленному напряжению, когда компрессор выключается, не возвращается обратно в провод, что может привести к перегрузке любого электрического компонента в этой цепи.
Во многих приложениях схема может не работать, если диод выходит из строя. Или могут быть повторные отказы электронного контроллера на автомобиле. Обычно требуется много воздействий усиленного напряжения, чтобы повредить деталь. В случае муфты переменного тока она может охватывать продолжительный период из-за сезонного использования.
Использование диодав генераторе переменного тока
В генераторе переменного тока также используются внутренние диоды для преобразования переменного тока в постоянный, на котором работает машина.
В зависимости от конструкции генератора и того, какой диод выходит из строя или становится слабым, система все еще может заряжаться (примерно на 1 вольт ниже спецификации, и индикатор заряда может тускло мерцать), питая цепь некорректированным переменным током.
Это вызовет серьезный ущерб для мониторов, контроллеров и приводных двигателей, используемых в электрических дозаторах семян.
В некоторых схемах используется модифицированный диод, называемый стабилитроном. Это можно рассматривать как обратный клапан, который при 1 входе напряжения работает в обоих направлениях.Это значение определяется как лавинное напряжение.
А диод легко проверить с помощью ВОМ. Схема должна быть обесточена, а VOM установлен на Ом. Возьмите красный измерительный провод и коснитесь одного конца диода. Возьмите черный провод и прикоснитесь им к другой стороне диода. Прочтите. Он должен быть непрерывным (0 Ом) или бесконечным (разомкнутым). Теперь поменяйте местами провода. Если диод исправен, показание будет противоположным первому.
Анализ диодных цепей и потери
Диоды в цепях постоянного тока
Для анализа диодных цепей сначала необходимо определить состояние диода (включен или выключен).Затем диод можно заменить эквивалентной схемой переключателя.
Однако в некоторых схемах может быть сложно определить, какой эквивалент переключателя использовать (например, в схемах с более чем одним источником или с более чем одним последовательно включенным диодом). В этих схемах полезно заменить диоды вручную на резистивный элемент и отметить результирующее направление тока из-за приложенного напряжения. Если результирующий ток направлен в том же направлении, что и стрелка на символе диода, диод включен.
Для схемы, показанной на рисунке 1, найдите ток диода ( I D ), напряжение диода ( В D ) и напряжение на резисторе ( В R ).
Решение:
Поскольку ток, установленный источником, течет в направлении стрелки диода, диод включен и может быть заменен замкнутым переключателем.
Напряжение на диоде В D = 0 В
Напряжение на резисторе В R = В S — В D = 20-0 = 20 В
Рисунок 1Пример 2
Поменяйте местами диод на Рисунке 1 и повторите Пример 1.
Решение:
Направление тока теперь противоположно стрелке. Диод не горит и может быть заменен открытым выключателем.
Ток через диод I D = 0 А
Напряжение на резисторе В R = I D x R = 0 В
Напряжение на диоде В D = E S — В R = 20-0 = 20 В
Пример 3Для схемы, показанной на рисунке 2, найдите ток (I) и напряжения В 0 , В 1 и В 2 .
Решение:
Два источника помогают друг другу в замкнутом контуре; диод горит и может быть заменен замкнутым переключателем.
Применение закона напряжения Кирхгофа (KVL)
E 1 — V 1 — V 2 + = E2 = 0
E 1 — I (R 1 ) — I ( 2 ) + E 2 = 0
Решение для I,
I = (E 1 + E 2 ) / ( 1 + R 2 ) = 25/7 = 3.
5 мА
В 1 = I x R 1 = 17,5 В
V2 = I x R2 = 7,0 В
Рисунок 2Диоды в цепях переменного тока
В цепяхпеременного тока напряжение меняется со временем. Следовательно, могут быть моменты, когда напряжение переменного тока смещает диод в прямом направлении, и время, когда оно смещает в обратном направлении тот же диод. Анализ схемы может быть выполнен отдельно для положительных и отрицательных полупериодов. Следует отметить, когда полярность напряжения на диоде смещает его в прямом направлении, а когда — в обратном.Затем диод можно заменить его эквивалентной схемой переключателя
. Рисунок 3 Пример 4Найдите эквивалентную схему переключателя диода с напряжением источника переменного тока В S , как показано на рисунке 3.
Решение:
Во время положительного полупериода анод более положительный, чем его катод, и поэтому диод смещен в прямом направлении.
Мы можем заменить диод на замкнутый переключатель.
Во время отрицательного полупериода анод более отрицательный, чем его катод, и поэтому диод имеет обратное смещение.Мы можем заменить диод открытым выключателем.
Пример 5Для схемы, показанной на рисунке 4, нарисуйте формы волны напряжения на сопротивлении ( В R ) и напряжения на диоде ( В D ).
Решение:
Во время положительного полупериода диод смещен в прямом направлении и поэтому может быть заменен замкнутым переключателем. Напряжение на диоде равно нулю, а напряжение на резисторе такое же, как напряжение источника.Во время отрицательного полупериода диод смещен в обратном направлении и, следовательно, может быть заменен разомкнутым переключателем. Напряжение на резисторе равно нулю, а напряжение на диоде такое же, как напряжение источника.
Рисунок 4 Рисунок 5: Формы сигналов VR и VDДиодные потери
Суммарные потери мощности, возникающие в диоде, складываются из потерь во включенном, выключенном и выключенном состояниях.
P T = P ВКЛ + P ВЫКЛ + P SW
Где
P ON = V F x I F x (t ON / T)
P ВЫКЛ = V R x I R x (t ON / T)
P SW = P SW (ВКЛ) x P SW (ВЫКЛ)
P ПО (ВКЛ.) = 1/6 В F (МАКС.) x I F (МАКС.) x t F x f
P SW (ВЫКЛ.) = 1/6 В F (MAX) x I F (MAX) x t R x f
В этих уравнениях
В F = прямое напряжение
I F = Прямой ток
В R = обратное напряжение
I R = ток обратной утечки
t ВКЛ = время срабатывания диода
t ВЫКЛ = время, в течение которого диод смещен в обратном направлении
I F = Время переключения в прямом направлении
I R = Время переключения в обратном направлении
Статьи по теме
Диод
Напряжение тока характеристика диода
Формирование обедненного слоя в диоде
Туннельный диод
Что такое генераторные диоды и для чего они нужны?
пользователя chris @ pkwydigital.
com
20. ноября 2018 04:14
Диоды — небольшая, но важная часть вашего дизельного генератора. Генератор работает путем преобразования механической энергии в электрическую в генераторе переменного тока. Внутри генератора переменного тока магнитное поле (перемещаемое механической энергией) преобразует механическую энергию в электрическую.
Что такое генераторные диоды?
Диоды — это устройства, помещенные в электрическую цепь постоянного тока. Они позволяют току легко двигаться в одном направлении, но не в другом.Когда диод вставлен в цепь таким образом, что позволяет току течь по цепи, он смещен в прямом направлении, а когда диод блокирует ток от завершения цепи, он смещен в обратном направлении. Как объясняет All About Circuits, «диод можно рассматривать как переключатель:« замкнут »при прямом смещении и« разомкнут »при обратном смещении».
Что делают диоды в генераторе переменного тока?
Диоды используются в процессе выпрямления или преобразования переменного тока в постоянный.
Это возможно, потому что диоды пропускают ток только в одном направлении.Переменный ток, или переменный ток, включает ток, текущий как вперед, так и назад, создавая полную синусоидальную волну. DC или постоянный ток движется только в одном направлении. Блокируя половину синусоидальной волны переменного тока, диоды эффективно преобразовывают ток в постоянный ток.
Этот процесс необходим для работы генератора переменного тока, поскольку магнитное поле зависит от мощности постоянного тока. Выход переменного тока возбудителя должен быть преобразован в мощность постоянного тока, прежде чем его можно будет использовать для выработки электроэнергии. Этот процесс происходит в автоматическом регуляторе напряжения генераторной установки.Регулятор согласовывает выходную мощность возбудителя с необходимой выходной мощностью, поэтому генератор не вырабатывает больше мощности, чем необходимо в данный момент. Это помогает предотвратить износ компонентов, в том числе диодов генератора.
Диоды в автоматическом стабилизаторе напряжения собраны в группу, называемую выпрямительными диодами.
Имеется равное количество диодов с прямым и обратным смещением. Это позволяет генераторам использовать обе половины синусоидальной волны переменного тока. Когда мощность течет в одном направлении, она проходит через диоды с прямым смещением.Другая половина синусоидальной волны тока проходит через диоды с обратной связью. Вместе выпрямительные диоды позволяют магнитному полю использовать всю мощность переменного тока для выработки электричества, а не только половину мощности переменного тока.
60b9269c-6c8c-4dee-b6e3-dc934808d90b | 2 | 4.5
Теги:
Генератор
Что такое диод? — Build Electronic Circuits
Меня несколько раз спрашивали — что такое диод?
Что ж, диод — это электронный компонент, который проводит ток в одном направлении и блокирует ток в другом направлении.
Обозначение диода выглядит так:
Как подключить диод
Давайте посмотрим на пример.
В схеме выше диод включен в правильном направлении.
Но что будет, если мы подключим его наоборот?
Во второй цепи диод подключен неправильно. Это означает, что в цепи не будет протекать ток и светодиод будет выключен.
Для чего используется диод?
Диоды очень часто используются в источниках питания. Из розетки в стене вы получаете переменный ток (AC). Многим устройствам, которые мы используем, нужен постоянный ток (DC). Чтобы получить постоянный ток из переменного тока, нам понадобится выпрямительная схема. Это схема, которая преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC). Диоды — основные компоненты в схемах выпрямителя.
Как работает диод
Диод создан из PN перехода. Чтобы получить PN-переход, нужно собрать отрицательно легированный и положительно легированный полупроводниковый материал.
На пересечении этих двух материалов появляется «область истощения». Эта область истощения действует как изолятор и не пропускает ток.
Когда вы прикладываете положительное напряжение с положительной стороны к отрицательной, «слой истощения» между двумя материалами исчезает, и ток может течь с положительной стороны на отрицательную.
Когда вы прикладываете напряжение в другом направлении, от отрицательной стороны к положительной, область истощения расширяется и сопротивляется любому текущему току.
Что нужно знать о диодах
- Вы должны приложить достаточно напряжения в «правильном» направлении — от положительного к отрицательному — чтобы диод начал проводить. Обычно это напряжение составляет около 0,7 В.
- Диод имеет ограничения и не может проводить неограниченный ток.
- Диоды — не идеальные компоненты. Если вы подадите напряжение в неправильном направлении, будет протекать небольшой ток. Этот ток называется «током утечки».
- Если вы подадите достаточно высокое напряжение в «неправильном» направлении, диод выйдет из строя и пропустит ток и в этом направлении.
Типы диодов
Есть много разных типов диодов. Наиболее распространены сигнальные диоды, выпрямительные диоды, стабилитроны и светодиоды (LED). Сигнальные и выпрямительные диоды — это в значительной степени одно и то же, за исключением того, что выпрямительные диоды рассчитаны на большую мощность.
Стабилитрон— это диоды, которые используют напряжение пробоя при «неправильной» подаче напряжения. Они действуют как очень стабильные источники опорного напряжения.
Поделитесь своими комментариями или вопросами ниже!
Возвращение из «Что такое диод?» в Электронные компоненты онлайн
Сопротивление диода — статическое, динамическое и обратное сопротивление
А
п-п
переходный диод пропускает электрический ток в одном
направление и блокирует электрический ток в другом направлении.Он пропускает электрический ток, когда он смещен в прямом направлении и
блокирует электрический ток при обратном смещении.
Тем не мение,
ни один диод не пропускает электрический ток полностью даже в прямом
предвзятое состояние.
истощение
область, присутствующая в диоде, действует как барьер для
электрический ток. Следовательно, он оказывает сопротивление
электрический ток.Кроме того, атомы, присутствующие в диоде
обеспечить некоторое сопротивление электрическому току.
Когда носители заряда (свободные электроны и дырки) протекая через диод, сталкивается с атомами, они теряют энергию в виде тепла. Таким образом, область обеднения и атомы оказывать сопротивление электрическому току.
Когда
напряжение прямого смещения
применяется к диоду с p-n переходом, ширина обеднения
регион уменьшается.
Однако область истощения не может
полностью исчезнуть. Существует тонкая обедненная область
или истощение слоя в носовой части
смещенный диод. Следовательно, тонкая обедненная область и
атомы в диоде оказывают некоторое сопротивление электрическому
Текущий. Это сопротивление называется прямым сопротивлением.
Когда диод смещен в обратном направлении, ширина обедненной области увеличивается.В результате большое количество носителей заряда (свободные электроны и дырки), протекающие через диод, будут заблокирован областью истощения.
В
обратный
смещенный диод, только небольшое количество электрического тока
потоки. Неосновные носители, присутствующие в диоде, несут это
электрический ток.
Таким образом, диод с обратным смещением обеспечивает большую
сопротивление электрическому току.Это сопротивление
называется обратным сопротивлением.
в p-n переходе имеет место два типа сопротивления диод:
- Вперед сопротивление
- Реверс сопротивление
Нападающий сопротивление
Нападающий сопротивление сопротивление, обеспечиваемое диодом p-n-перехода, когда он смещен в прямом направлении.
В диод с прямым смещением p-n перехода, два типа сопротивления происходит в зависимости от приложенного напряжения.
В диоде с прямым смещением имеют место два типа сопротивления
- Статический сопротивление или сопротивление постоянному току
- динамический сопротивление или сопротивление переменному току
Статический сопротивление или сопротивление постоянному току
Когда
прямое смещенное напряжение подается на диод, который
подключен к цепи постоянного тока, течет постоянный или постоянный ток
через диод.
Постоянный ток или электрический ток
ничего, кроме потока носителей заряда (свободных электронов или
отверстия) через проводник.
В цепи постоянного тока носители заряда непрерывно движутся в одиночном потоке.
направление или прямое направление.
сопротивление, обеспечиваемое диодом с p-n переходом, когда он подключение к цепи постоянного тока называется статическим сопротивлением.
Статический сопротивление также определяется как отношение постоянного напряжения, приложенного к диод постоянного тока или постоянного тока, протекающего через диод.
сопротивление обеспечивается диодом p-n-перехода при прямом смещении Состояние обозначается как R f .
динамический сопротивление или сопротивление переменному току
динамическое сопротивление — это сопротивление, обеспечиваемое p-n
переходной диод при подаче переменного напряжения.
Когда прямое смещенное напряжение подается на диод, который подключен к цепи переменного тока, течет переменный или переменный ток хоть диод.
В
Цепь переменного тока, носители заряда или электрический ток не
поток в одном направлении. Он течет как вперед, так и
обратное направление.
динамический сопротивление также определяется как отношение изменения напряжения к изменение тока.Обозначается как r f .
Реверс сопротивление
Реверс сопротивление сопротивление, обеспечиваемое диодом p-n-перехода, когда он имеет обратное смещение.
Когда
обратное смещенное напряжение подается на диод p-n перехода,
ширина обедненной области увеличивается.
Это истощение
область действует как барьер для электрического тока.Следовательно, a
большое количество электрического тока блокируется истощением
область, край. Таким образом, диод с обратным смещением обеспечивает большое сопротивление
электрический ток.
сопротивление предлагаемый обратносмещенным диодом p-n перехода очень большой по сравнению с диодом с прямым смещением. Обратное сопротивление находится в диапазоне мегаом (МОм).
.
