ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ДИОДАМИ

     интересные РАДИОСХЕМЫ самодельные


» ПОИСК СХЕМ


» РАДИОБЛОГИ
Миниатюрный транзисторный усилитель 100W RMS
Мощный самодельный радиовещательный передатчик 88-108 МГц
Электронные компоненты и детали, доставка по России в сентябре всего 99р.
Усилитель мощности на 5000 Вт с питанием от 220 В
Источник тока на ОУ и транзисторе
Миниатюрный щуп-вольтметр
Программатор ARM Cortex USB и Flash Magic
Светодиодный свет для растений

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ДИОДАМИ


Под «диодом» обычный человек подразумевает светодиод, но правда в том что светодиоды (или, правильно говоря, светоизлучающие диоды) - это лишь один из многих типов диодов. Что их связывает?

Различные типы диодов: (a) светоизлучающий диод (LED); b) емкостный (варикап); c) выпрямительный; d) Шоттки; e) Зенера (стабилитрон); f) трансил

Все диоды состоят из двух электродов: положительного анода и отрицательного катода. Диод проводит электричество только в одном направлении, возможно поэтому основной символ диода напоминает стрелку, попадающую в стену - преграду.

Если подключим диод в обратном направлении, то есть плюс с катодом и минус с анодом, ток не будет течь (теоретически). Фактически, ток будет протекать, но его значение будет настолько маленьким (порядка мкА), что можно проигнорировать его значение.

Посмотрим на 1N4148 - быстрый диод. Полный отечественный аналог 1N4148 — КД522Б. Это один из самых популярных диодов благодаря своим параметрам и невысокой стоимости. Его характеристики можно найти в документации.

Фото диода 1N4148 (увеличено)

Что означает диод с быстрым переключением? Диод может переключаться из состояния, в котором он проводит ток (смещение в прямом направлении), в состояние в котором он не проводит ток (смещение в обратном направлении). Этому диоду требуется 4 нс (наносекунды) для его переключения.

Характеристики 1N4148:

  • прямой средний ток – 150 мА,
  • прямой пиковый ток – 500 мА,
  • падение напряжения – от 0,6-0,7 В (при токе 5 мА) до 1 В (при токе 100 мА),
  • емкость перехода – 4 пФ,
  • скорость переключения менее — 4 нс,
  • пиковое обратное напряжение – 75 В,
  • действующее значение обратного напряжения – 53 В.

В нормальных условиях эксплуатации диод должен проводить электричество. Только при, например, отрицательном всплеске напряжения на аноде диод должен отключиться как можно скорее, чтобы защитить компоненты, чувствительные к таким скачкам, такие как транзисторы или микросхемы, от перенапряжения. Это выключение, то есть поляризация диода в обратном направлении, должно быть временным, потому что цель не полностью выключить устройство, а «остановить» перенапряжение, поэтому переключение и занимает всего 4 нс.

Давайте теперь взглянем на эту простейшую схему:

Схема из источника напряжения B1, переключающего диода D1, светодиодного диода D2 и резистора R1

Схема собрана из источника питания B1, который представляет собой кассетницу с 4 батареями, затем есть два диода. Благодаря немного отличающимся графическим символам сразу видно, что первым идет переключающий диод D1 (1n4148), а затем красный светодиод D2. Также обратите внимание, что оба диода, хотя и разных типов, имеют одинаковое имя и последовательный порядковый номер: D1, D2. Затем идёт резистор R1, который является неотъемлемой частью (почти) каждой схемы. Его задача ограничить ток, чтобы не повредить диод.

Если резистор защищает диод, не должен ли он быть перед ним? Поместим ли его перед диодом или за ним, не имеет значения. Помните, что течение тока от плюса к минусу, является условным. Само размещение резистора в цепи (независимо от того, на какой стороне диода) меняет распределение падений напряжения на элементах (вспомните второй закон Кирхгофа), а значит и ток во всей цепи.

Рассчитаем номинал резистора R1:

R1 = UB1 - UD1 - UD2 / I

Нам известно значение UB1 - это 4 x 1,5 В = 6 В. Падение напряжения на красном светодиоде 2,1 В, а что с диод D1? Здесь обратимся к примечанию в документации. Нужно чтобы ток в цепи был 20 мА (потому что это то, что подходит данному светодиоду), и в таблице ниже показано (Vf - прямое напряжение), и падение напряжения для тока 10 мА и выше - 1 В.

Фрагмент описания диода 1N4148 об электрических характеристиках

Подставим данные в формулу:

R1 = UB1 - UD1 - UD2 / I

R1 = 6 В - 1 В - 2,1 В / 20 мА

R1 = 145 Ом

Будем использовать в качестве R1 два резистора: 100 Ом и 47 Ом.

Теперь вопрос как правильно установить диод. Где его анод, а где катод? Снова обратимся к примечанию к даташиту:

Фрагмент описания диода 1N4148, касающейся наиболее важных характеристик

Черная полоса указывает на катод (т.е. на минусовую ножку) - это правило маркировки диодов. Больше ничего не остается, как построить схему на макетной плате, а затем измерить падение напряжения на диоде D1 в соответствии со схемой ниже.

Схема из источника напряжения B1, переключающего диода D1 (включен в прямом направлении), светодиода D2 и двух резисторов: R1 и R2

Проведём измерение напряжения на диоде 1N4148, когда он подключен в прямом направлении (анод к плюсу источника питания и катод к минусу).

В данном случае падение напряжения на диоде D1 составило 0,77 В. Ток течет, диод D1 проводит ток (не переключается) и горит красный светодиод.

Что произойдет, если подключим диод неправильно, какое тогда будет напряжение? Переверните диод D1 и снова измерьте напряжение, как показано на схеме ниже:

Схема из источника напряжения B1, переключающего диода D1 (подключенного в обратном направлении), светодиода D2 и двух резисторов

Проведём измерение напряжения на диоде 1N4148 при обратном подключении (анод к минусу питания, а катод к плюсу).

Падение напряжения на диоде D1 составило 4,70 В. На остальных элементах вольтметр показал 0 В. Светодиод не загорался.

Что происходит в схеме? Диод, подключенный в обратном виде, пропускает очень небольшой ток, слишком малый для того чтобы LED загорелся. Следовательно, все падение напряжения, обеспечиваемое батареей B1, происходит на диоде D1. В цепи протекает такой небольшой ток, что падение напряжения на диоде D2 и резисторах также очень мало.

Согласно второму закону Кирхгофа, сумма падений напряжения на потребителях должна быть равна напряжению источника. Батарея B1 имеет напряжение 6,3 В, почему тогда падение напряжения на диоде D1 было всего 4,70 В вместо 6,3 В? Что случилось с пропавшими 1,6 В? У идеального вольтметра внутреннее сопротивление бесконечно. Но поскольку на практике нет идеальных вещей, вольтметр имеет высокое сопротивление. Обычно это не имеет значения, но сила тока в нашей схеме очень мала. Следовательно, даже внутреннее сопротивление порядка МОм вызывает протекание большего тока, чем протекающий через диод с обратным подключением. Это немного похоже на то, что измеритель стал еще одним резистором в цепи шунтирования диодов.

Этот опыт показал что диод с обратным смещением пропускает такой небольшой ток, что его практически невозможно измерить с помощью обычного мультиметра, и можно смело исключить его из рассмотрения в будущем.

Едем дальше. Все знают простой удвоитель напряжения. Сейчас попробуем его немного доработать, добавив 2 переключающих диода.

Схема из источника напряжения B1, двух переключающих диодов D1 и D2, электролитических конденсаторов C1 и C2, переключателя S1, резистора R1 и LED D3

Соберем схему на макетной плате. Источником напряжения для B1 является батарейка на 6 В. Диоды D1 и D2 - это быстрые 1N4148. Электролитические конденсаторы 6,3V, 1000uF обозначены символами C1 и C2. Во второй части схемы также находятся: переключатель S1, резистор R1 и красный светодиод D3.

Эксперимент будет заключаться в подключении батареи B1 в два цикла: плюс к одной линии цепи, минус к другой. Во втором цикле подключим аккумулятор наоборот.

Взгляните на принципиальную схему. Какие линии схемы соединены друг с другом, а какие нет? Какова функция диодов D1 и D2?

Пересекающиеся линии соединяются только тогда, когда мы видим точку в месте их пересечения. Задача диодов D1 и D2 - проводить ток в одном направлении. Если бы их не было, один из конденсаторов был бы включен в обратном порядке при смене полярности, и это могло бы даже закончиться взрывом.

Резистор R1 будет иметь такое же сопротивление как и в предыдущем удвоителе напряжения, то есть 520 Ом (будем использовать R1 - 470 Ом и R2 - 100 Ом).

R 1 = U c1 + c2 - U d3 / I

R 1 = 12,5 В - 2,1 В / 20 мА

R 1 = 10,4 / 20 мА

R 1 = 520 Ом

Опыт проходит в следующих этапах:

1. заряжаем конденсатор С2 - за счет малой емкости конденсаторов источник питания хватит на короткое время подключить.

Схема с источником питания подключенным таким образом, чтобы заряжать конденсатор С2; направление протекания тока отмечено черными стрелками на линиях цепи

2. зарядить конденсатор С1 - подключить источник напряжения В1 наоборот, тоже ненадолго.

Принципиальная схема источника питания, подключенным так, чтобы заряжать конденсатор С1; направление протекания тока отмечено черными стрелками на линиях цепи

3. отключить источник напряжения B1 и замкнуть выключатель S1.

Схема в которой источником напряжения являются два конденсатора С1 и С2; кнопка S1 замкнута накоротко; направление протекания тока отмечено черными стрелками на линиях цепи

Удвоитель напряжения после использования диодов, проводящих ток в одном направлении и предотвращающих зарядку конденсаторов в обратном направлении от их полярности, по-прежнему остается очень простой схемой. Но менять местами провода довольно хлопотно.

Тогда разрешите представить интересную и очень полезную схему, которую можно построить с помощью 4-х диодов, - диодный мост. Ниже два разных способа графического обозначения одного и того же элемента:

1. Принципиальная схема цепи, состоящей из источника питания B1, диодного моста (состоящего из 4 диодов D1, D2, D3, D4), резистора R1 и светодиода D5:

2. Принципиальная схема цепи, состоящей из источника питания B1, моста (состоящего из 4 диодов D1, D2, D3, D4), резистора R1 и светодиода D5:

Поскольку первый метод зарисовки более популярен, будем использовать его, там тот же принцип работы, тот же поток токов, те же значения тока и напряжения, только графическое изображение элементов разные.

Обычно мост используется для «выпрямления» переменного тока, чтобы он выводил постоянный ток. По этой причине его также называют выпрямительным мостом. Пока имеем дело только с постоянным током, поэтому вернемся к теме выпрямления позже.

Мост диодный может выполнять еще одну функцию, также полезную при работе с постоянным током. Используется как защита - независимо от того, как подключаем источник напряжения: правильно (плюс к плюсу, минус к минусу) или неправильно (плюс к минусу, минус к плюсу), схема будет работать исправно и не будет повреждена. Такая защита может быть полезной, потому что некоторые электронные компоненты особенно чувствительны к этому типу ошибки, и например, неправильно подключенный электролитический конденсатор может взорваться.

Давайте посмотрим на схему - что будет, если подключим источник напряжения таким образом:

Принципиальная схема цепи, состоящей из источника питания B1, моста (состоящего из 4 диодов D1, D2, D3, D4), резистора R1 и светодиода D5; цвета указывают текущее направление тока

Ток «уходит» от положительной клеммы аккумуляторной батареи к диодному мосту. Там его путь очевиден - он может пройти только через диод D3, потому что диод D1 установлен для него в обратном направлении. В следующую часть схемы, построенной в данном случае, ток идет от резистора R1 и светодиода D5. Оттуда он возвращается к мосту, где имеет два пути: через диод D1 или D2. Выбор одного из диодов для тока очевиден - он пойдет через диод D2 и сразу на аккумулятор. Почему? Во-первых, электричество хочет как можно быстрее вернуться в аккумулятор. Во-вторых, если ток проходит через диод D1, то попадает в более высокий потенциал, а он течет от более высокого потенциала к более низкому.

Теперь ситуация когда источник напряжения B1 обратно подключен к той же схеме:

Принципиальная схема цепи, состоящей из источника питания B1, моста (состоящего из 4 диодов D1, D2, D3, D4), резистора R1 и светодиода D5; цвета представляют направление тока

Ток «уходит» с положительной клеммы аккумулятора и возвращается к диодному мосту. Там его путь очевиден - он может пройти только через диод D4, потому что диод D2 установлен для него в обратном направлении. Ток идет в следующую часть цепи, состоящую из резистора R1 и светодиода D5. Оттуда он возвращается к мосту, где имеет два пути: через диод D1 или D2. Выбор одного из диодов очевиден по току (по тем же причинам, что и раньше) - он пойдет через диод D1, а потом прямо на батарею.

Чтобы собрать такую схему на макетной плате, нужно только рассчитать минимальное значение резистора R1. Поскольку в обоих случаях подключения источника напряжения B1 ток всегда будет проходить только через 3 диода (D3, D5, D2 или D4, D5, D1), сопротивление рассчитывается таким образом:

R1 = UB1 - UD3 - UD5 - UD2 / I или R1 = UB1 - UD4 - UD5 - UD1 / I

R1 = 6 В - 0,8 В - 2,1 В - 0,8 В / 20 мА

R1 = 2,3 В / 20 мА

R1 = 115 Ом

Будем использовать резисторы с сопротивлением: R1 - 100 Ом и R2 - 22 Ом. Далее принципиальная схема цепи, состоящей из источника питания B1, диодного моста (состоящего из 4 диодов D1, D2, D3, D4), резисторов R1, R2 и светодиода D5, а также сборка её на макетной плате.

Независимо от того как подключаем источник питания, светодиод горит. Выпрямительный мост, несомненно, очень полезен, но у него есть и недостатки - на каждом из двух диодов моста, через который проходит ток, наблюдается падение напряжения. При большом токе также выделяется тепло.

Кстати, не обязательно каждый раз собирать мост из 4-х диодов самостоятельно, можно использовать уже готовую сборку моста - 4 диода, размещенных в одном корпусе.

Мост диодный - сборка в одном корпусе

Мостовой выпрямитель может быть выполнен из любых диодов. В приведенном примере использовались выпрямительные диоды, но также можно ставить светодиоды. Светоизлучающие диоды отлично показывают, где течет ток. Попробуйте собрать такой мост самостоятельно, поэкспериментируйте с разными типами светодиодов. Не забудьте правильно выбрать резистор, иначе сожгете LED. Далее фото светодиодного моста - горят 2 желтых и 1 красный светодиоды).

Схема на макетной плате, состоящая из диодного моста (из 4 светодиодов), 2 резисторов и желтого светодиода

Таким образов всего за час вы узнали о том что такое диод, как он работает, и провели несколько полезных экспериментов, чтоб закрепить эти знания на практике. Больше информации о радиодеталях ищите в справочном разделе и на форуме.

   Форум по радиоэлементам




   Форум по обсуждению материала ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ДИОДАМИ


ТОНКОМПЕНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР ГРОМКОСТИ

Тонкомпенсированный регулятор громкости с адаптацией к регулятору тембра - теория и практика.


АВАРИЙНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА В 220V

Умный аварийный резервный светодиодный источник света - простая схема автоматически включающейся LED подсветки.


СХЕМА ПРЕДУСИЛИТЕЛЯ С ТЕМБРОБЛОКОМ

Самодельный активный предварительный усилитель с НЧ-ВЧ регулировками на ОУ TL072, для УМЗЧ.



Радиосхемы » Теория электроники



» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ


© 2010-2021 "Радиосхемы". Все права защищены  Почта  PDA   Группа вконтакте   Канал ютуб   Группа в фэйсбук