Что такое диод или как из переменного тока получить постоянный?
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 теории
Начнем 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.
В англоязычной технике и литературе переменный ток обозначается как AC (alternative current), а постоянный — DC (direct current).
Полупроводниковые диоды и выпрямители
В 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.
Основной 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.
Как это работает?
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.
На реальных диодах катод обычно помечается полосой или кольцом.
Особенности диода отлично иллюстрирует вольт-амперная характеристика, сокращенно её называют «ВАХ».
На 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:
Схемы выпрямителей
В однофазных цепях используется одна из трёх схем выпрямления переменного тока, они носят такие названия:
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.
Двухполупериодный 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.
Заключение
На 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.
Выпрямитель. Умножитель. Преобразование переменного тока в постоянный.
Наши жилища по электрической сети снабжаются переменным током.
Я расскажу о нескольких способах выпрямления электрического тока и о схемах, применяемых для этого.
Это ток, меняющийся не только по величине, но и по направлению, поэтому, одно из направлений переменного тока в цепи условно считают положительным, а другое, противоположное ему, условно отрицательным, а знак его определяется тем, в каком направлении в данный момент протекает ток в цепи — в положительном или отрицательном направлении.
Мгновенным значением переменного тока называется величина переменного тока, соответствующая данному моменту времени.
Амплитудой переменного тока называется максимальное мгновенное значение тока, которого он достигает в процессе своего изменения .
График зависимости переменного тока от времени называется развёрнутой диаграммой переменного тока.
Если сложить все положительные и отрицательные мгновенные значения переменного синусоидального тока за период, то их сумма будет равна нулю. Но тогда и среднее значение этого тока за период также равно нулю:
Среднее значение синусоидального тока за период не может служить для измерения этого тока.
Поэтому, чтобы судить о величине переменного синусоидального тока, переменный ток сравнивают с постоянным током по их тепловому действию.
Действующее значение переменного синусоидального тока численно равно значению такого постоянного тока, при котором в одинаковом сопротивлении за одинаковый отрезок времени ими выделяется одинаковое количество тепла.
Экспериментально получено и теоретически подтверждено, что действующее значение переменного синусоидального тока в 1,4 раза меньше амплитуды этого тока.
Амперметр электромагнитной системы, включенный в цепь переменного синусоидального тока, показывает действующее значение тока.
Большинство наших портативных устройств питаются постоянным током. А получают его «выпрямив» тем или иным способом переменный ток.
Вот именно о способах выпрямления электрического тока я и расскажу в этой статье.
Выпрямитель электрического тока – это устройство, предназначенное для преобразования входного электрического переменного тока в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток). Большинство выпрямителей создаёт пульсирующий ток, а для сглаживания пульсаций применяют фильтры.
Существует несколько схематических решений выпрямителей:
Конденсатор C1 заряжается до амплитуды входного напряжения во время отрицательного полупериода входного переменного напряжения. Его правый вывод соединен с общим проводом через открытый диод D1. Его левый вывод заряжается отрицательным пиком входного переменного напряжения.
Диоды должны выдерживать обратное трехкратное напряжение от выходного напряжения. Емкость С2 в 2 раза больше емкости С1.
На двух диодах и двух конденсаторах, известна так же, как «схема с удвоением напряжения» или «удвоитель Латура — Делона — Гренашера». При положительной полуволне входного напряжения работает выпрямитель на диоде D1, заряжая конденсатор C1, а при отрицательной полуволне — выпрямитель на диоде D2, заряжающий конденсатор C2. В результате и C1, и C2 заряжаются до уровня входного напряжения, а при их последовательном включении суммарное напряжение равно удвоенному входному. Отличие схемы от предыдущей, в пониженном выходном сопротивлении. Однако выходные конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в 1.5 раза выше, чем напряжение на выходе!
Выпрямитель на четырёх диодах, известный так же, как «двухполупериодный», изобретён немецким физиком Лео Гретцем. Среднее напряжение вдвое больше, чем в четвертьмостовом. Частота пульсаций равна удвоенной частоте сети.
В мостовой схеме ток нагрузки протекает через два последовательно соединённых диода, в однополупериодной — через один.
Позволяет применять диоды со средним током почти вдвое меньшим, чем в однофазном полномостовом. Выпрямитель применялся, тогда, когда медь была дешевле диодов.
Выпрямители с умножением напряжения применяются в тех случаях, когда по каким-то причинам входное переменное напряжение должно быть ниже, чем выходное постоянное.
В 1901 году Поль Ульрих Виллард ( Paul Ulrich Villard) предложил схему выпрямителя, которая состоит из конденсатора, включенного последовательно с обмоткой трансформатора и диода, включенного параллельно нагрузке. Во время отрицательного полупериода ток течёт по цепи: «источник переменного тока — конденсатор — диод», конденсатор заряжается. Во время положительного полупериода – диод закрыт и заряженный конденсатор включается последовательно с трансформатором, напряжения на них складываются.
Схема этого выпрямителя предложена в 1914 году швейцарским физиком Генрихом Грайнахером. Этот выпрямитель имеет 2 диода. Принцип действия тот же, что и у выпрямителя Вилларда. Такая схема часто используется в качестве амплитудного детектора в радиоприёмниках.
Мостовой удвоитель напряжения Делона напоминает мост Гретца, но в отличие от него в одном из плеч моста вместо диодов установлены конденсаторы. За счёт этого во время каждой полуволны во входную цепь подключается то один, то другой конденсатор, а напряжение на выходе выпрямителя складывается из напряжений на двух конденсаторах.
Умножитель Кокрофта — Уолтона позволяет увеличивать выходное напряжение в несколько раз. Применяется в схемах, где необходимо получать очень высокое напряжение.
Видео о выпрямителях и умножителях напряжения Вы можете посмотреть на моём канале YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=jsDWAMFpK2A& Приятного просмотра!
А о практическом применении этих схем я расскажу в следующий раз!
Как получить постоянное напряжение из переменного
Осциллограмма постоянного напряжения
Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под “постоянным напряжением”. Как гласит нам Википедия, постоянное напряжение (он же и постоянный ток) – это такой ток, параметры,свойства и направление которого не изменяются со временем. Постоянный ток течет только в одном направлении и для него частота равна нулю.
Осциллограмму постоянного тока мы с вами рассматривали в статье Осциллограф. Основы эксплуатации:
.JPG)
Как вы помните, по горизонтали на графике у нас время (ось Х), а по вертикали напряжение (ось Y).
Для того, чтобы преобразовать переменное однофазное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение меньшего (можно и большего) значения, мы используем простой однофазный трансформатор. А для того, чтобы преобразовать в постоянное пульсирующее напряжение, мы с вами после трансформатора подключали Диодный мост. На выходе получали постоянное пульсирующее напряжение. Но с таким напряжением, как говорится, погоду не сделаешь.
Но как же нам из пульсирующего постоянного напряжения
получить самое что ни на есть настоящее постоянное напряжение?
Для этого нам нужен всего один радиокомпонент: конденсатор. А вот так он должен подключаться к диодному мосту:
В этой схеме используется важное свойство конденсатора: заряжаться и разряжаться. Конденсатор с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осциллограмме, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.
Зависимость пульсаций напряжения от емкости конденсатора
Давайте же рассмотрим на практике, зачем нам надо ставить конденсатор большой емкости. На фото ниже у нас три конденсатора различной емкости:
Рассмотрим первый. Замеряем его номинал с помощью нашего LC – метр. Его емкость 25,5 наноФарад или 0,025микроФарад.
Цепляем его к диодному мосту по схеме выше
И цепляемся осциллографом:
Как вы видите, пульсации все равно остались.
Ну что же, возьмем конденсатор емкостью побольше.
Получаем 0,226 микрофарад.
Цепляем к диодному мосту также, как и первый конденсатор снимаем показания с него.
А вот собственно и осциллограмма
Не… почти, но все равно не то. Пульсации все равно видны.
Берем наш третий конденсатор. Его емкость 330 микрофарад. У меня даже LC-метр не сможет ее замерить, так как у меня предел на нем 200 микрофарад.
Цепляем его к диодному мосту снимаем с него осциллограмму.
А вот собственно и она
Ну вот. Совсем ведь другое дело!
Итак, сделаем небольшие выводы:
– чем больше емкость конденсатора на выходе схемы, тем лучше. Но не стоит злоупотреблять емкостью! Так как в этом случае наш прибор будет очень габаритный, потому что конденсаторы больших емкостей как правило очень большие. Да и начальный ток заряда будет огромным, что может привести к перегрузке питающей цепи.
– чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. С этим борются с помощью пассивных фильтров, а также используют интегральные стабилизаторы напряжения, которые выдают чистейшее постоянное напряжение.
Как подобрать радиоэлементы для выпрямителя
Давайте вернемся к нашему вопросу в начале статьи. Как все-таки получить на выходе постоянный ток 12 Вольт для своих нужд? Сначала нужно подобрать трансформатор, чтобы на выходе он выдавал … 12 Вольт? А вот и не угадали! Со вторичной обмотки трансформатора мы будем получать действующее напряжение.
Umax – максимальное напряжение, В
Поэтому, чтобы получить 12 Вольт постоянного напряжения, на выходе трансформатора должно быть 12/1,41=8,5 Вольт переменного напряжения. Вот теперь порядок. Для того, чтобы получить такое напряжение на трансформаторе, мы должны убавлять или добавлять обмотки трансформатора. Формула здесь. Потом подбираем диоды. Диоды подбираем исходя из максимальной силы тока в цепи. Ищем подходящие диоды по даташитам (техническим описаниям на радиоэлементы). Вставляем конденсатор с приличной емкостью. Его подбираем исходя из того, чтобы постоянное напряжение на нем не превышало то, которое написано на его маркировке. Простейший источник постоянного напряжения готов к использованию!
Кстати, у меня получился 17 Вольтовый источник постоянного напряжения, так как у трансформатора на выходе 12 Вольт (умножьте 12 на 1,41).