Робототехника · Основы электроники · 8 класс

Диод и выпрямитель

Почему устройство не сгорает, если вставить батарейку наоборот? Как переменный ток «выпрямляется»?

Ситуация

Дома вы второпях вставили в радио или игрушку батарейку наоборот. Одни устройства просто не работают, а другие ломаются. Почему? Внутри стоит маленький чёрный цилиндр — диод — он пропускает ток только в одну сторону и защищает устройство. Этот же диод делает ещё одно чудо: превращает переменный ток из розетки в постоянный, как у батарейки. На макетной плате проверьте диод, нарочно сломайте устройство, а потом выпрямите 9 В~ от безопасного адаптера и посмотрите на осциллографе.

Тема

Диод и выпрямитель. Защита от неправильной полярности батарейки: диод пропускает ток в одну сторону

Ключевые понятия

Диод
Однополупериодный
Мост и сглаживание

Формулы

U_{прям} \approx 0,6 - 0,7 В, I_{обр} \approx 0

Диод — односторонний клапан: в прямом направлении он «теряет» ≈ 0,7 В и проводит ток, в обратном закрыт (1N4007: 1 А, выдерживает до 1000 В).

U_{m} = \sqrt{2} U_{\sim}

Амплитуда переменного напряжения: 9 В~, написанные на адаптере, — действующее значение, а пик равен 12,7 В. Частота 50 Гц: период 20 мс.

U_{ср} = \frac{U_{m} - U_{D}}{π} (однопол.), U_{ср} = \frac{2 (U_{m} - 2 U_{D})}{π} (мост)

Среднее выходное напряжение без конденсатора: при однополупериодном выпрямлении половина синусоиды пропадает, мост использует обе половины (вычитается напряжение двух диодов).

Δ U \approx \frac{I}{f C} (однопол.), Δ U \approx \frac{I}{2 f C} (мост)

Пульсации со сглаживающим конденсатором: ток нагрузки $I$ разряжает конденсатор между пиками; в мосте пики идут вдвое чаще.

Теория

Диод — односторонний клапан

Диод — полупроводник из двух слоёв (p–n-переход). Ток идёт только от анода к катоду; белая полоса на корпусе — со стороны катода. При прямом включении на нём падает ≈ 0,6–0,7 В (кремний), остальное достаётся цепи; при обратном включении тока нет — диод берёт на себя всё напряжение. 1N4007 — самый простой выпрямительный диод: ток до 1 А, обратное напряжение до 1000 В. Светодиод тоже диод: в прямом направлении ≈ 1,9 В (красный), но обратное напряжение выдерживает всего 5 В — при большем он пробивается.

Батарейка наоборот: защитный диод

Если на входе в устройство поставить последовательный диод, то при правильном включении батарейки он открыт (теряется 0,7 В — из 9 В остаётся 8,3 В), при обратном — закрыт: тока нет, и устройство даже не замечает. Без диода обратное напряжение попадает внутрь: электролитический конденсатор нагревается и лопается, светодиод пробивается, микросхемы выходят из строя. Если поставить диод наоборот (полоса не с той стороны) — устройство не работает и от правильной батарейки, а от обратной не защищает. Поэтому смотрите на полосу.

Переменный ток и зачем адаптер

В розетке 220 В, 50 Гц переменное напряжение: 50 раз в секунду оно меняет направление, пик 311 В. Это смертельно опасно — ток 50 мА останавливает сердце, поэтому ученик ничего не подключает к розетке. В опыте — адаптер с трансформатором: внутри две обмотки, они понижают 220 В до безопасных 6–12 В~, сторона 220 В запечатана. 9 В~ на адаптере — действующее значение; амплитуда $U_{m} = \sqrt{2} \cdot 9 \approx 12,7$ В. Осциллограф это показывает: синусоида с периодом 20 мс.

Однополупериодный и мостовой выпрямитель

Один диод пропускает положительные полуволны и отсекает отрицательные — на выходе «горбы» и между ними пауза в 10 мс: это однополупериодный выпрямитель, среднее напряжение всего $(U_{m} - U_{D}) / π$ ≈ 3,8 В. Мост — четыре диода ромбом: в каждый полупериод открываются два, и отрицательная полуволна тоже «переворачивается» и идёт на выход — «горбы» идут подряд, без пауз, среднее $2 (U_{m} - 2 U_{D}) / π$ ≈ 7,2 В. В магазине мост продаётся в одном корпусе с четырьмя выводами (+ ~ ~ −), внутри те же четыре диода; его можно собрать и из четырёх 1N4007.

Сглаживающий конденсатор и пульсации

Конденсатор, подключённый к выходу параллельно, заряжается на пике, а когда диоды закрываются, сам питает нагрузку — напряжение не падает до нуля, а лишь немного «сползает». Спад между пиками — это пульсации $Δ U \approx I / (f C)$ (однополупериодный, $f$ = 50 Гц) или $I / (2 f C)$ (мост: пики с частотой 100 Гц). Нагрузка тяжёлая (ток большой) — пульсации большие; ёмкость большая — малые. Нагрузка 100 Ом, мост, 2200 мкФ: ≈ 0,5 В. Такой блок есть в каждой зарядке для телефона и в радио.

О модели

Диод — кусочная модель: порог 0,65 В, затем 0,35 Ом (при 1 А ≈ 1 В — соответствует справочнику на 1N4007), обратная утечка 1 нс. У конденсатора устройства есть сопротивление утечки 200 кОм — поэтому закрытый диод принимает на себя всё напряжение. Поломка: электролитический конденсатор с обратной полярностью лопается примерно за 2,5 с, светодиод при обратном напряжении больше 5 В пробивается примерно за 0,3 с (перегорает). Переменный ток замедлен в 100 раз (период 20 мс на экране длится 2 с), осциллограф 1 МОм, обмотка адаптера 1 Ом. Настоящий светодиод мигает с частотой 50 Гц, и глаз этого не замечает.

Знаете ли вы?

В 1874 году Карл Фердинанд Браун обнаружил, что контакт металлической проволоки с кристаллом сульфида металла лучше проводит ток в одну сторону — это первое наблюдение полупроводникового диода; позже Браун получил Нобелевскую премию за радио (1909, вместе с Маркони).
Диод 1N4007 выпускают с 1960-х годов, и сегодня это одна из самых продаваемых электронных деталей: он выдерживает ток 1 А и обратное напряжение 1000 В, стоит несколько центов — встречается почти в каждом блоке питания.

Что внутри эксперимента

Настоящая плата в рисованной изометрии: вы поворачиваете её, ставите детали, собираете цепь, пишете и загружаете код — ток и напряжение считаются сразу, а при ошибке деталь сгорает. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия.

Другие эксперименты раздела

Макетная плата: ряды — 5–6 классы
Светодиод и резистор: закон Ома — 7 класс
Резисторы: цветовая маркировка — 7 класс
Делитель напряжения и потенциометр — 7 класс
Конденсатор: зарядка и время RC — 7 класс
Транзистор — ключ — 8 класс
Измерения мультиметром — 8 класс