ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА. ВЫПРЯМИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ДИОДАХ.

		ШАГ 1.

Есть такая проблема: подавать потребителю электроэнергию удобно в виде переменного тока, а довольно большая часть приборов, используемых потребителями, требует постоянного тока. В быту это и телевизоры, и компьютеры, разнообразные гаджеты, зарядные устройства для их аккумуляторов, светодиодные экономичные лампы и многое другое. Стало быть, надо из стандартных 220 вольт переменного тока частотой 50 Гц получить 5, 12 В и т.д. постоянного тока. Эту задачу позволяет решить изученный нами ранее полупроводниковый диод.
Установка. Нам потребуется генератор сигналов (слева в окне анимации), осциллограф (справа) и интерактивная схема выпрямителя переменного тока (см. ниже под приборами).
Генератор сигналов - прибор для получения в данном случае переменного напряжения.
Осциллограф - прибор для наблюдения и изучения формы электрических сигналов. По горизонтальной оси в нашем случае будет откладываться время t, а по вертикальной напряжение U. Такое включение осциллографа позволяет как бы остановить во времени быстропротекающие электрические процессы, которые другими способами наблюдать и изучать было бы чрезвычайно трудно.
Выпрямитель - электронная схема, позволяющая получать постоянное во времени напряжение из переменного, благодаря свойствам используемых в нём приборов.

Эксперимент. В нашей установке вы можете постепенно усложнять схему выпрямителя, пока не получите эффект выпрямления. Для того, чтобы сделать очередной шаг к цели, вверху окна анимации (см. справа) имеются две кнопки ВПЕРЁД и НАЗАД.
ШАГ 1. Для решения первой части задачи - получить 5, 12 или любое другое напряжение из 220 вольт на нагрузке (резисторе R) используют трансформатор TV1, дешёвое и простое устройство, два мотка проволоки, намотанных на кусок железа. Именно возможность легко, быстро и дёшево преобразовать одно напряжение в другое и определило то, что мы так широко используем переменный ток. Преобразовать постоянное напряжение дело напротив очень не простое.
Трансформатор TV1 мы чёрными проводами подключили к генератору. Он у нас источник электроэнергии.
Учись читать схемы. В нашей анимации вам помогут в этом наши стрелочки. Следите за тем, как течёт ток (бегут стрелочки). Обратите внимание, через резистор ток проходит как в одну, так и в другую сторону. Это и означает, что ток в цепи переменный. Найдите этому соответствие в каждый момент времени на осциллограмме!
Не смотрите на схему как на натюрморт, В работе каждой схемы есть своя логика. Понять схему, значит понять логику её работы. Приучайте себя скользить взглядом по проводам, как течёт ток, чтобы понимать, как это работает.
Осциллограф мы подключили ко второй, понижающей обмотке трансформатора. Это нам даёт возможность наблюдать изменение напряжения на трансформаторе во времени. Запомните кривую на экране осциллографа, она нам ещё пригодится. Это, конечно же, синусоида. Поняли, что она означает? Она нам говорит о том, что мы имеем дело с переменным напряжением. Плюс, минус, плюс, минус... Туда течёт ток, обратно.
ШАГ 2. Шагните вперёд нажав нужную кнопочку. Вот теперь в разрыве проводов появился наш диод VD. И сразу изменилась осциллограмма напряжения. Что произошло, почему? Какое свойство диода мы здесь видим? Учимся наблюдать и сравнивать. Для такого сравнения можно вернуться на шаг назад, потом снова вперёд.
От синусоиды остались только верхние половинки! Через своё "горлышко" диод пропускает только положительные заряды, а для отрицательных он оказывется заперт. Стрелочки помогают следить за течением тока в проводах. Вспыхивающий красный крестик говорит, что тока не будет, диод в этот момент времени заперт, цепь в этом месте разорвана для тока такого направления. Заметьте, ток через резистор течёт только в одном направлении. Попытка зарядов проникнуть от минуса к плюсу завершается неудачей. Найдите этому соответствие на осциллограмме в каждый момент времени.
Итак, кое-что мы получили, плюс и минус на резисторе символизирует, что у нас теперь ток через резистор течёт только в одном направлении: сверху вниз. Получили, но не совсем то, что хотели. Вместо постоянного напряжение мы получили скачки напряжения, правда уже хорошо, что одной полярности. Такое напряжение хорошо для зарядки аккумуляторов, но для большинства приборов оно не приемлемо.
ШАГ 3. Усовершенствуем нашу схему, сделав шаг 3, добавим к выходу выпрямителя конденсатор C. Он будет сглаживать броски напряжения, благодаря... Вспомнили свойства конденсаторов? Благодаря умению быстро накапливать заряды и, когда надо отдавать их, не сильно при этом меняя своё напряжение (U = qC; при большом С изменение q не сильно скажется на величине U). Заметьте, через конденсатор ток не течёт (диэлектрик не даст), но часть энергии нашей стрелочки, нашего тока оседает на его пластинах, чтобы потом, когда потребуется отдать её потребителю (эффект сглаживания).
Теперь осциллограмма снова изменилась. Скачки напряжения стали заметно меньше, но всё же пока ещё достаточно заметны. Как же быть? Как сгладить напряжение? Кто же нам поможет? Думайте!
ШАГ 4. Нет, не Майти Маус! Нам поможет ещё один конденсатор С. Сделайте шаг 4. Два конденсатора, соединённых параллельно, имеют бόльшую ёмкость, чем каждый из них (С = С₁ + С₂). Разумеется, вместо двух конденсаторов можно было поставить один большей ёмкости, но мы для наглядности рисуем здесь два. А что напряжение? Оно уже стало постоянным (см. на экран осциллографа)? Лучше, но еще не совсем.
Идея работы выпрямителя в целом теперь должна быть понятна, использование односторонней проводимости диода и способности конденсатора накапливать заряды в целом позволяют решить проблему получения постоянного напряжения из переменного, и можно было бы закончить, но мы (для общего развития) покажем ещё одну схему выпрямления тока. Деталей в ней побольше, но идея всё та же - применение односторонней проводимости диодов.
ШАГ 5 (кому интересно). Четыре диода мы соединили в так называемый мост. Заряд, перегоняемый трансформатором по верхнему проводу, как витязь на распутье встречает два диода. Положительный заряд с верхнего провода вторичной обмотки трансформатора легко перетекает через верхний правый диод (воронка открыта), а левый верхний диод для него закрыт (красный крестик). Через пол-периода на верхнем проводе будет отрицательная волна заряда, зато на нижнем проводе - положительная. Положительный заряд пройдёт через "воронку" нижнего правого диода, в то время как нижний левый для положительного заряда закрыт (красный крестик). Мы получили возможность использовать как нечётные полупериоды напряжения, так и чётные в отличие от первой схемы, где использовались только нечётные полупериоды. Такой выпрямитель называют двухполупериодным.
Для лучшего понимания сравните осциллограмму шага 1, шага 2 и шага 5 между собой. Также внимательно проследите за нашими стрелочками, их путь стал сложнее. Четыре диода работают каждый в свою четвертинку времени то открыт, то закрыт. Другие два диода в схеме моста нужны для того, чтобы электрическая цепь была замкнута на катушку трансформатора, в разомкнутой цепи тока не будет.
ШАГ 6. Двухполупериодная схема даёт меньшие скачки напряжения, полнее использует энергию генератора. Теперь остаётся только подключить к схеме конденсатор для сглаживания напряжения (см. осциллограмму).
ШАГ 7. Понятно, что добавив ёмкость конденсатора, мы получим более гладкий характер напряжения на выходе выпрямителя.

Другие применения диода рассмотрим дальше. А пока проверьте себя, постарайтесь ответить на вопросы к нашему заданию.