Напівпровідниковий діод - випрямляч змінного струму

Діодами називають двохелектродні прилади, що володіють односторонньою провідністю електричного струму. Це їх основне властивість використовують, наприклад, в випрямлячах, де діоди перетворять змінний струм електромережі в струм постійний для живлення радіоапаратури, в приймачах - для детектування модульованих коливань високої частоти, тобто перетворення їх в коливання низької (звукової) частоти.

Наочною ілюстрацією цього властивості діода може бути такий досвід (рис. 12). У ланцюг, складену з батареї 3336Л і лампочки від кишенькового ліхтаря (3,5 В X 0,26 А), включи будь площинний діод (на рис. 12 він позначений латинською літерою V), наприклад, з серії Д226 або Д7, але так , щоб анод діода, що позначається умовно трикутником, був би з'єднаний безпосередньо або через лампочку з позитивним полюсом батареї, а катод, що позначається рискою, до якої примикає кут трикутника, з негативним полюсом батареї. Лампочка повинна горіти. Зміни полярність включення батареї на зворотну - лампочка горіти не буде. Якщо опір діода вимірювати омметром, го в залежності від того, як підключити його до затискачів приладу, омметр покаже різне опір: в одному випадку мале (одиниці або десятки ом), в іншому - дуже велика (десятки і сотні кіло). Цим і підтверджується одностороння провідність діода.

Як влаштований і працює діод? У нього два електроди: катод - негативний і анод - позитивний (рис. 13). Катодом служить пластинка германію, кремнію або будь-якого іншого напівпровідника, що володіє електронною провідністю, або скорочено напівпровідник n-типу (n - початкова буква латинського слова negativus - «негативний»), а анодом - частина обсягу цієї ж пластинки, но з так званої доречний про-водимо, або скорочено напівпровідник р-типу (р - початкова буква латинського слова positivus - «позитивний»). Між електродами утворюється так званий р- n перехід - прикордонна зона, добре проводить струм від анода до катода і погано в зворотному напрямку (за напрямок струму прийнято напрям, протилежний руху електронів).

Діод може перебувати в одному з двох станів: відкритому, тобто пропускному, або закритому, тобто непропускном. Діод буває відкритий, коли до нього докладено пряме напруга Uпр, інакше, його анод з'єднаний з плюсом джерела напруги, а катод - з мінусом. У цьому випадку опір р- n переходу діода мало і через нього тече прямий струм Іпр, сила якого залежить від опору навантаження (в нашому досвіді - лам-нирка від кишенькового ліхтаря). При іншій полярності напруги живлення на р- n перехід діода прикладається зворотна напруга Uобр. В цьому випадку діод закритий, його опір великий і в ланцюзі тече лише незначний зворотний струм діода Iобр.

Про залежність струму, що проходить через діод, від значення і полярності напруги на його електродах найкраще судити по вольтамперной характеристиці діода, яку можна зняти досвідченим шляхом (рис. 14). До свіжого елементу 332 або 343 підключи дротяний змінний резистор 7? Р опором 50 ... 100 Ом, а між його двигуном і нижнім (за схемою) крайнім висновком включи послідовно з'єднані германієвий площинний діод (наприклад, серії Д7 з будь-яким буквеним індексом), міліамперметр РА2 і резистор Rогр опором 10 ... 20 Ом, що обмежує струм в ланцюзі до 100 ... 150 мА. Діод повинен бути включений в пропускному напрямку, тобто анодом в сторону позитивного полюса елемента. Паралельно диоду приєднані вольтметр постійного струму PU 1, включений на межу вимірювань до 1 В і фіксує напругу, що подається на електроди діода.

Движок змінного резистора, що виконує роль дільника напруги, постав в крайнє нижнє (за схемою) положення а потім, уважно стежачи за стрілками приладів, дуже повільно переміщай його в сторону верхнього положення. Запиши покази міліамперметра при напружених на діоді 0,05, 0,1, 0,15 В і т, д до напруги 0,4 ... 0,5 В через кожні 0, ОЗ В, а потім за цими даними побудуй на міліметрової папері графік (рис. 15). По горизонтальній осі вправо відкладай прямі напруги на діоді (Uпр), а по вертикальній осі вгору - відповідні їм прямі струми в ланцюзі (Іпр). Поєднавши точки перетину значень електричних величин, ти таким чином побудуєш пряму гілку вольт-амперної характеристики діода (на рис. 15 - суцільна лінія). Вона, правда, не зовсім точна, особливо в початковій частині, так як невеликий струм тече і через вольтметр, але все ж близька до реальної.

Про що може розповісти цей графік? При нульовому напружень на діоді і струм в ланцюзі, в яку він включений, дорівнює нулю. При появі прямого напруги діод відкривається і пропускає через себе прямий струм. При напрузі 0,05 В прямий струм не перевищує 0,1 ... 0,2 мА, при напрузі 0,1 В - 0,6 ... 0,8 мА, а при напрузі 0,2 ... 0, 3 В, коли вольтамперная характеристика починає круто йти вгору, струм досягає вже 40 ... 50 мА. Невеликий приріст напруги, а як різко збільшується струм!

Але значно підвищувати напругу на діоді і тим самим збільшувати струм через нього не можна: через надмірно великого струму настає тепловий пробій, і ~ діод втрачає властивість односторонньої провідності. Щоб не сталося цього під час досвіду, в ланцюг був включений обмежує резистор R0гр.

Тепер зміни полярності включення діода на зворотну і точно так же збільшуй напруга на ньому. Що показує міліамперметр? Його стрілка стоїть біля нульової позначки. Заміни елемент на батарею 3336Л, з'єднай послідовно дві-три таких батареї. Напруга на діоді зростає. Але воно протилежне. Діод закритий, тому і струму в ланцюзі практично немає.

Зворотній гілка вольтамперной характеристики на £ ис. 15 зображена штриховою лінією. Вона йде майже паралельно осі Uобр. Але при якомусь досить великому зворотній напрузі вона круто повертає і йде вниз. Це межа, при якому діод пробивається зворотною напругою і, як при тепловому пробої, виходить з ладу.

З побудованої вольтамперной характеристики видно, що струм Іпр діода в сотні і тисячі разів більше струму Iобр. Так, наприклад, у діода, що має таку вольтам-Перно характеристику, при прямій напрузі 0,3 В струм Іпр дорівнює приблизно 70 мА, а при зворотному напрузі в 100 В струм Iобр не перевищує 200 мкА. Саме з цієї причини в другій частині першого досвіду лампочка не горіла.

Якщо знехтувати малим зворотним струмом (що і роблять на практиці), який у справних площинних діо-дів не перевищує десяті частки міліампера, а у точкових ще менше, то можна вважати, що діод є одностороннім провідником струму.

Вольтамперних характеристику, подібну до тієї, що зображена на рис. 15, має і кремнієвий діод, наприклад, серії Д226, але пряма гілка його характеристики як би зрушена вправо. Пояснюється це тим, що кремнієвий діод відкривається при прямій напрузі близько 0,5 В, а не при 0,1 ... 0,15 В, як германієвого. При меншій напрузі на ньому діод закритий-і струм через нього практично не тече. Перевір це дослідним шляхом.

Але пам'ятай - діод, будь він германієвих або кремнієвим, площинним або точковим, не можна включати в прямому напрямку без навантаження: він швидко вийде з ладу через неприпустимо великого струму, який буде текти через нього.

А якщо діод включити в ланцюг змінного струму? Він буде працювати як випрямляч, що може підтвердити наступний досвід.

Перш ніж почати цей досвід, хочеться нагадати тобі, що електроосвітлювальна мережа, з якої тобі доведеться мати справу, таїть в собі приховані небезпеки. Зневажливе ставлення до них може обернутися тяжкими наслідками.

Як запобігти неприємностям, які може заподіяти електромережу? Перш за все не треба забувати, що вона знаходиться під високим, небезпечним для тебе напругою. Ніколи не торкайся рукою або інструментом оголених проводів і контактних гнізд штепсельної розетки. А якщо буде потрібно ізолювати пошкоджену ділянку проводу або підтягти гвинти в розетку, попроси старших або сам обережно виверни плавкі запобіжники ( «пробки») на розподільному щиті, щоб знеструмити мережу. Тільки після цього усувай дефекти або несправності.

Перш ніж вставити в штепсельну розетку вилку електропаяльника або трансформатора, необхідного для живлення від мережі приймача або іншого радіотехнічного пристрою, уважно оглянь їх - чи немає оголених ділянок, замкнутих проводів, ослаблених або розпущених контактів. Якщо все в порядку - включай, але знову-таки обережно, не торкаючись штирьков вилки.

Рекомендуємо обзавестися переносний розподільчої колодкою з декількома штепсельними розетками і через неї підключати прилади до мережі. Продовжимо досліди з діодом (рис. 16). У ланцюг вторинної (II) обмотки трансформатора Т, понижуючого напруга електроосвітлювальної мережі до 3 ... 5 В, вклю-чи діод Д226 або Д7 з будь-яким буквеним індексом або будь-якої аналогічний їм площинний діод, а послідовно з ним - лампочку від кишенькового ліхтаря. Підключи первинну (I) обмотку трансформатора до мережі (через запобіжник F на ток 0,25 А). Якщо лампочка горить зі значним Перекалля нитки, то .включі в ланцюг резистор, що обмежує струм в ній до 0,2 ... 0,3 А. Опір цього резистора розрахуй по закону Ома.

Як дізнатися, який струм тече через нитку розжарення лампочки - змінний або постійний? Це можна зробити за допомогою вольтметра постійного струму. Підключи вольтметр паралельно лампочці (на рис. 16 - PU 1), але так, щоб його плюсової щуп був з'єднаний з провідником, що йде до катода діода. Прилад покаже якась напруга. Якщо ж прилад підключити до лампочки в іншій полярності, його стрілка відхилиться в зворотну сторону. Уже цей досвід підтверджує, що через лампочку тече струм одного напрямку, тобто постійний.

О роде струму можна також судити по його магнітного поля. На котушку з-під ниток намотай 300 ... 350 витків дроту діаметром 0,2 ... 0,3 мм в емалевою, шовкової або паперової ізоляції (ПЕВ, ПЕЛ, ПЕЛШО 0,2 ... 0,3), зробивши відвід від 120 ... 150-го витка (відведення потрібен буде для дослідів на п'ятому практикумі). У тебе вийде котушка індуктивності (рис. 17, а) з каркасом з деревини. Включи її в ланцюг вторинної обмотки того ж понижуючого трансформатора (на рис. 17,6 - котушка L) послідовно з діодом і лампочкою розжарювання. Як і в попередньому досвіді, лампочка повинна горіти. Принеси но до котушки магнітну чстрелку (компас) - вона відразу ж розташується уздовж осі котушки, вказуючи на її магнітні полюси. Значить, через котушку тече постійний струм, інакше магнітна стрілка залишалася б зорієнтованої на магнітні полюси Землі. Поміняй місцями включення висновків діода - магнітна стрілка тут же повернеться на 180 °. Отже, при зміні полярності включення діода струм в ланцюзі, в яку він включений, теж змінює свій напрямок.

Що ж сталося у зовнішній ланцюга вторинної обмотки трансформатора при включенні в неї діода? Добре пропускаючи струм одного напрямку, діод тим самим випрямляє змінний струм. В результаті струм в ланцюзі став пульсуючим (див. Графік на рис. 16) - постійним у напрямку, але постійно змінюваних за величиною з частотою змінного струму. Постійним, але також пульсуючим, стало і його магнітне поле. Змінивши включення діода, ти тим самим змінив напрямок струму в котушці і розташування її магнітних полюсів.

Яка в цьому досвіді роль лампочки? Вона, по-перше, служить індикатором включення живлення, а по-друге, обмежує струм у зовнішній ланцюга, оберігаючи діод від перевантаження.

Якщо є радіоприймач, включи його. Незалежно від настройки в моменти відключення котушки з ланцюга вторинної обмотки трансформатора в гучномовці приймача лунає характерний тріск. Його створюють електромагнітні коливання, що збуджуються слабкою електричною іскрою, яка виникає в ланцюзі з котушкою% момент вимкнення струму.

Залиш в колі вторинної обмотки трансформатора тільки діод і лампочку (як на рис. 16). Лампочка продовжує горіти. Виміряй вольтметром змінного струму (на рис. 16 - вольтметр PU 2) напруга на обмотці, а вольтметром постійного струму PU 1 - напруга на лампочці. На лампочці напруга майже наполовину менше, ніж на обмотці.

Перетворення змінного струму діодом відбувається наступним чином. У вторинній обмотці трансформатора індукується змінна напруга з частотою 50 Гц. При позитивних напівперіодах на її верхньому виведення (на рис. 16 показано знаком «+») діод відкривається. У ці моменти часу через діод і його навантаження (лампочку) тече прямий струм діода Іпр. При негативних напівперіодах на аноді діод закривається, і в ланцюзі тече лише незначний зворотний струм Iобр. Діод як би відсікає велику частину негативних напівхвиль змінного струму (на графіку рис. 16 показано штриховими лініями), в результаті через навантаження випрямляча тече пульсуючий струм - струм одного напрямку, але змінюється по силі з частотою 50 Гц. Графік такого струму можна побачити тільки на екрані осцилографа.

Провідник, з'єднаний з катодом діода, є висновком позитивного полюса випрямляча, а вільний кінець вторинної обмотки трансформатора - висновком негативного полюса випрямляча. Вийшов найпростіший випрямляч змінного струму, навантаженням якого служить лампочка розжарювання. А постійна напруга на навантаженні менше напруги змінного струму на вторинній обмотці, тому що струм через неї йде півхвилю.

У зв'язку з тим що в зовнішній ділянці ланцюга випрямляча (в нашому досвіді - лампочці) струм тече в основному тільки при позитивних напівперіодах напруги на аноді діода, випрямляч званих одностатевих-периодную.

Такий випрямляч може знайти практичне застосування, наприклад, для живлення мікроелектродвигунів постійного струму, для зарядки малогабаритних акумуляторів (типу Д ~ 0,06, Д-0,2). Спробуй в порядку експерименту підключити до нього (однойменними полюсами) повністю розрядити батарею 3336Л. Через 30 ... 40 хв відключи батарею від випрямляча і підключи до неї лампочку від кишенькового ліхтаря. Лампочка буде горіти, але недовго: електричний заряд, прийнятий батареєю, швидко витратиться.

Ще один досвід з однополуперіодним випрямлячем. Підключи до виходу випрямляча, навантаженому лампочкою, головні телефони (на рис. 18 - В). У телефонах почуєш звук низького тону, відповідний частоті пульсацій випрямленого струму (50 Гц). Його називають фоном змінного струму. Потім, не відключаючи телефони, підключи до виходу випрямляча конденсатор ємністю 5 ... 10 мкФ (на рис. 18 ™ конденсатор С). Якщо цей конденсатор електролітичний, його позитивна обкладка-повинна бути з'єднана з плюсом, а негативна - з мінусом випрямляча. Лампочка при цьому буде горіти трохи яскравіше, тому що напруга на виході випрямляча збільшилася (перевір вольтметром), а рівень фону стане менше. Тональність ж прослуховується звуку в телефонах залишається колишньою.

Яка в цьому досвіді роль конденсатора? У моменти часу, коли діод відкритий, конденсатор заряджається до максимального (амплітудного) значення імпульсів випрямленої напруги, а коли діод закритий, то -разряжается через навантаження випрямляча. Відбувається «згладжування» пульсацій випрямленої напруги, в результаті середнє значення струму в зовнішньому ланцюзі дещо зростає, а фон змінного струму знижується. Збільшення ємності конденсатора покращує згладжування пульсацій випрямленого струму, і фон слабшає. Але при однополуперіодним випрямлячі корисно використовується лише один напівперіод змінного струму. Щоб при тому ж знижувальному трансформаторі використовувати обидва напівперіоду змінного струму, у випрямлячі повинні працювати два або чотири однотипних діода.

Проведи досвід з випрямлячем на чотирьох діодах, включених по так званій мостовій схемі. Діоди можуть бути серій Д226, Д7 з будь-яким буквеним індексом. З'єднай їх між собою і підключи до вторинної обмотці того ж понижуючого трансформатора точно за схемою, показаної на рис. 19. Якщо полярність або послідовність включення діодів буде неправильна, досвід не вдасться, а деякі з діодів можуть зіпсуватися. Діоди, включені таким способом, утворюють випрямний міст, а кожен з діодів - плече моста. Між точками А і Б включи лампочку Я від кишенькового ліхтаря, а послідовно з нею - резистор Rorp, що обмежує струм & цій діагоналі моста до 0,25 ... 0,3 А.

Включи харчування. Горить лампочка? Повинна горіти. Виміряй вольтметром змінного струму напруга на вторинній обмотці трансформатора, а вольтметром постійного струму - між точками А і Б, які є вихідними контактами випрямляча. У порівнянні з однополуперіоднвтм випрямлячем вихідна напруга збільшилася майже вдвічі.

В такому Випрямлячі течение шкірного напівперіоду змінної напруги Працюють по черзі два діода протилежних плечей, включених между собою послідовно, но зустрічно по відношенню до Другої парі діодів. Коли на верхньому (за схемою) виведення вторинної обмотки трансформатора Т позитивний напівперіод, ток піде через діод VI, навантаження Н, резистор Rorp і діод V 3 до нижнього висновку вторинної обмотки. Діоди VI і V 4 в цей час закриті. Протягом другого напівперіоду перемінної напруги струм в навантаженні випрямляча йде в тому ж напрямку, а в самому випрямлячі - через відкриті в цей час діоди V 4 і VI.

Таким чином, тут використовуються обидва напівперіоду змінного струму, тому подібні випрямлячі називають двухполуперіодним. Напруга постійного струму на їх виході дорівнює приблизно змінній напрузі, що діє у всій вторинної обмотці трансформатора,

Література: Борисов В. Г. Практикум початківця радіолюбітеля.2-е изд., Перераб. и доп. - М .: ДОСААФ, 1984. 144 с., Іл. 55К.