Вначале несколько слов о технике безопасности. На данной странице, а также в некоторых других разделах, приведены схемы с бестрансформаторным питанием от электрической сети. При работе с данными устройствами не касайтесь руками выводов деталей при включенной в сеть вилке, не трогайте головные телефоны, тем более не одевайте их на голову, а при всех перепайках либо подключениях деталей обязательно обесточивайте конструкцию и разряжайте (пинцетом с изолированными ручками, либо отрезком монтажного провода) конденсаторы.
Тиристоры
Нередко можно слышать, да и читать в популярных радиотехнических журналах слово “тиристор». Речь идет о приборе, относящемся к полупроводниковым. Но такого прибора, к сожалению, не существует, поскольку тиристоры — это класс приборов. В него входят динистор (диодный тиристор), тринистор (триодный тиристор) и симистор (симметричный тринистор). С ними мы и познакомимся в ходе занимательных экспериментов, Начнем с динистора.
Каждый полупроводниковый прибор из класса тиристоров представляет собой “пирог» из нескольких слоев, образующих полупроводниковую структуру из чередующихся р-n переходов. У динистора три таких перехода (рис. 1), но выводы сделаны лишь от крайних областей (р и n). Поверхность кристалла — «пирога» с электропроводностью n-типа обычно припаяна ко дну корпуса — это катод динистора, а вывод от противоположной поверхности кристалла выполнен через стеклянный изолятор — это анод.
Внешне динистор (распространена серия КН102 с буквенными индексами A-И и его аналог с обозначением 2Н102) ничем не отличается от выпрямительных диодов. Как и в случае с диодом, на анод динистора подают плюс напряжения питания, а на катод — минус. И обязательно в цепь динистора включают нагрузку: резистор, лампу, обмотку трансформатора и т. д.
Если плавно увеличивать напряжение, ток через динистор будет вначале расти незначительно (рис. 2). Динистор при этом практически закрыт. Такое состояние продолжится до тех пор, пока напряжение на динисторе не станет равным напряжению включения Uвкл. В этот момент в четырехслойной структуре наступает лавинообразный процесс нарастания тока и динистор переходит в открытое состояние. Падение напряжения на нем резко уменьшается (это видно на характеристике), а ток через динистор теперь будет определяться сопротивлением нагрузки, но он не должен превышать максимально допустимого Iоткр.макс. Для всех динисторов серии КН102 этот ток равен 200 мА.
Напряжение, при котором динистор открывается, называют напряжением включения (Uвкл), а соответствующий этому значению ток — током включения (Iвкл).
Для каждого динистора напряжение включения свое, например, для КН102А — 20 В, а для КН102И — 150 В. Ток же включения у всех динисторов серии составляет 5 мА.
В открытом состоянии динистор может находиться до тех пор, пока прямой ток через него будет превышать минимально допустимый ток Iуд, называемый током удержания.
Обратная ветвь характеристики динистора похожа на такую же ветвь обычного диода. Подача на динистор обратного напряжения выше допустимого Uобр.макс может вывести его из строя. Для всех динисторов Uобр.мак составляет 10В, при этом ток Iобр.макс не превышает 0,5 мА.
Вот теперь, когда вы познакомились с некоторыми параметрами динистора, можете собрать два генератора и поэкспериментировать с ними.
Генератор световых вспышек
Он позволяет получить световые вспышки лампы накаливания. Когда вилка Х1 генератора будет вставлена в сетевую розетку, начнет заряжаться конденсатор С1 (только в положительные полупериоды). Ток зарядки ограничивается резистором R1. Как только напряжение на нем достигнет напряжения включения динистора, конденсатор разрядится через него и лампу EL1. Хотя напряжение на конденсаторе намного превышает (в 8 раз!) рабочее напряжение лампы (2,5 В), она не перегорит, поскольку длительность импульса разрядного тока слишком мала.
После разрядки конденсатора динистор закроется и конденсатор начнет заряжаться вновь. Вскоре появится новая вспышка, а за ней следующая и т. д. При указанных на схеме деталях вспышки будут следовать через каждые 0.5 с.
Замените резистор другим, скажем, меньшего сопротивления. Частота вспышек возрастет. А с резистором большего сопротивления она уменьшится. Аналогичный результат получится при уменьшении емкости конденсатора или увеличении её.
Вернувшись к первоначальной схеме генератора, установите дополнительный конденсатор С2 (он может быть бумажный или оксидный) емкостью в несколько микрофарад на напряжение не менее 400 В. Вспышки исчезнут. Разгадка проста. Когда этого конденсатора не было, на резистор поступали полупериоды сетевого напряжения, т. е. оно изменялось от нуля до максимального амплитудного значения. Поэтому после разрядки конденсатора С1 ток через динистор в какой-то момент (при переходе синусоиды через нуль) падал до нуля и динистор выключался. С подключением же конденсатора С2 напряжение на левом по схеме выводе резистора уже становится пульсирующим, поскольку конденсатор начинает выполнять роль фильтра однополупериодного выпрямителя и напряжение на нем до нуля не падает. А поэтому после открывания динистора и первой вспышки лампы через него продолжает протекать небольшой ток, превышающий ток удержания. Динистор не выключается, генератор не работает.
Правда, генератор можно заставить работать (и вы можете в этом убедиться), если увеличить сопротивление резистора, но тогда вспышки будут следовать слишком редко. Для увеличения частоты вспышек попробуйте уменьшить емкость конденсатора С1. Произойдет следующее: запасенной конденсатором энергии будет мало для поддержания достаточной яркости вспышек.
Динистор в этом устройстве может быть, кроме указанного на схеме. КН 102Б. Конденсатор С1 — оксидный любого типа на номинальное напряжение не ниже 50 В, диод — на ток не менее 50 мА и обратное напряжение не ниже 400 В, резистор — мощностью не менее 2 Вт, лампа — на рабочее напряжение 2,5В и ток 0,26А.
Генератор звуковой частоты
Внимание! все детали и провода при включенной в сеть вилке будут находиться под действием высокого напряжения, будьте осторожны!
Его схема похожа на предыдущую, но лампа накаливания заменена более высокоомной нагрузкой — головными телефонами ТОН-2 (BF1), капсюли которого сняты с оголовья (можно и не снимать) и соединены последовательно. Емкость зарядно-разрядного конденсатора (С2) значительно уменьшена, благодаря чему возросла (до 1000 Гц) частота генерируемого сигнала. Возросло и сопротивление ограничительного резистора (R2) в цепи динистора.
Остальные элементы — это од-нополупериодный выпрямитель, в котором конденсатор С1 фильтрует выпрямленное напряжение, а резистор R1 способствует снижению обратного напряжения на диоде VD1. Если для питания генератора использовать переменное напряжение 45…60 В, резистор R1 не понадобится.
Конденсатор С1 может быть бумажный, например МБМ, С2 — любого типа на напряжение не ниже 50 В, диод — любой с допустимым обратным напряжением не менее 400 В.
Как только вилка Х1 будет вставлена в сетевую розетку, в головных телефонах появится звук определенной тональности. Замените конденсатор С2 другим, меньшей емкости — и тональность звука повысится. Если установить конденсатор большей емкости, в телефонах будет прослушиваться звук более низкого тона. Такие же результаты получатся и при изменении сопротивления резистора R2 — проверьте это.
Отметим, что в настоящее время выпускаются микросхемы, имеющие характеристики, близкие к динисторным, и в ряде случаев они могут их заменить (см. “Радио”, 1998, № 5, с. 59—61).
Следующий полупроводниковый прибор из класса тиристоров — тринистор. Его основное отличие от динистора — наличие дополнительного вывода, называемого управляющим электродом (УЭ), от одного из переходов четырехслойной структуры. Что же дает этот вывод?
Предположим, что управляющий электрод никуда не подключен. В этом варианте тринистор сохраняет функции динистора и включается при достижении напряжения на аноде (рис. 6).
Но стоит подать на управляющий электрод относительно катода хотя бы небольшое плюсовое напряжение и пропустить таким образом постоянный ток через цепь управляющий электрод — катод, как напряжение включения уменьшится. Чем больше ток, тем меньше напряжение включения.
Наименьшее напряжение включения будет соответствовать определенному максимальному току Iуэ, который называют током спрямления — прямая ветвь спрямляется настолько, что становится похожей на такую же ветвь диода.
После включения (т. е. открывания) тринистора управляющий электрод теряет свои свойства и выключить тринистор удастся либо уменьшением прямого тока ниже тока удержания Iуд, либо кратковременным отключением питающего напряжения (допустимо кратковременное замыкание анода с катодом).
Тринистор может быть открыт как постоянным током, пропускаемым через управляющий электрод, так и импульсным, причем допустимая длительность импульса составляет миллионные доли секунды!
Каждый тринистор (чаще всего вам придется встречаться с трини-сторами серий КУ101, КУ201, КУ202) имеет определенные параметры, которые приводятся в справочниках и по которым обычно тринистор подбирают для собираемой конструкции. Во-первых, это допустимое постоянное прямое напряжение (Unp) в закрытом состоянии, а также постоянное обратное напряжение (Uоб) — оно оговаривается не для всех тринисторов, и в случае отсутствия такой цифры подавать на данный тринистор обратное напряжение нежелательно.
Следующий параметр — постоянный ток в открытом состоянии (Iпр) при определенной допустимой температуре корпуса. Если тринистор будет нагреваться до большей температуры, его придется установить на радиатор — об этом обычно сообщается в описании конструкции.
Не менее важен такой параметр, как ток удержания (Iуд), характеризующий минимальный ток анода, при котором тринистор остается во включенном состоянии после снятия управляющего сигнала. Оговариваются также предельные параметры по цепи управляющего электрода — максимальный открывающий ток (Iуот) и постоянное открывающее напряжение (Uуот) при токе, не превышающем Iуот.
При эксплуатации тринисторов серий КУ201, КУ202 рекомендуется между управляющим электродом и катодом включать шунтирующий резистор сопротивлением 51 Ом, хотя на практике в большинстве случаев наблюдается надежная работа и без резистора. И еще одно важное условие для этих тринисторов — при минусовом напряжении на аноде подача тока управления не допускается.
А теперь проведем некоторые эксперименты, позволяющие лучше понять работу тринистора и особенности управления им. Запаситесь тринистором, скажем, КУ201Л, миниатюрной лампой накаливания на 24 В, источником постоянного напряжения 18…24 В при токе нагрузки 0,15…0,17 А и источником переменного напряжения 12… 14 В (например, сетевым трансформатором от старого приемника или магнитофона с двумя вторичными обмотками на 6,3 В при токе до 0,2 А, соединенными последовательно).
Как открыть тринистор (рис. 7). Движок переменного резистора R2 установите в нижнее по схеме положение, а затем подключите каскад на тринисторе к источнику постоянного тока. Нажав на кнопку SB1. плавно перемещайте движок переменного резистора вверх по схеме до тех пор, пока не зажжется лампа HL1. Это укажет на то, что тринистор открылся. Кнопку можете отпустить, лампа будет продолжать светиться.
Чтобы закрыть тринистор и привести его в исходное состояние, достаточно на короткое время отключить источник питания. Лампа погаснет. Нажав на кнопку вновь, вы откроете тринистор и зажжете лампу. Теперь попробуйте погасить её другим способом — при отпущенной кнопке замкните на мгновенье, скажем, пинцетом, выводы анода и катода, как это показано на рис. 7 штриховой линией.
Чтобы измерить открывающий ток тринистора, включите в разрыв цепи управляющего электрода (в точке А) миллиамперметр и. плавно перемещая движок переменного резистора из нижнего положения в верхнее (при нажатой кнопке), дождитесь момента зажигания лампы. Стрелка миллиамперметра зафиксирует искомое значение тока.
А может быть, вы пожелаете узнать, каков ток удержания тринис-тора? Тогда включите миллиамперметр в разрыв цепи в точке Б, а последовательно с ним переменный резистор (номиналом 2,2 или 3,3 кОм), сопротивление которого вначале должно быть выведено. При открытом тринисторе увеличивайте сопротивление дополнительного резистора до тех пор, пока стрелка миллиамперметра не возвратится скачком к нулевой отметке. Показания миллиамперметра перед этим моментом и есть ток удержания.
Тринистор управляется импульсом (рис. 8). Немного измените тринисторный каскад, исключив из него переменный резистор и введя конденсатор С1 емкостью 0,25 или 0,5 мкФ. Теперь на управляющий электрод постоянное напряжение не подается, хотя тринистор от этого не стал неуправляемым.
Подав на каскад питающее напряжение, нажмите на кнопку. Почти мгновенно зарядится конденсатор С1. а его ток зарядки в виде импульса пройдет через параллельно включенные резистор R2 и управляющий электрод. Но даже такого кратковременного импульса достаточно, чтобы тринистор успел открыться. Лампа зажжется и, как и в предыдущем случае, останется в таком состоянии даже после отпускания кнопки . Конденсатор разрядится через резисторы R1, R2 и будет готов к следующему пропусканию импульса тока.
Теперь возьмите оксидный конденсатор С2 емкостью не менее 100 мкФ и на мгновенье подключите его в соответствующей полярности к выводам анода и катода тринистора. Через конденсатор также пройдет импульс зарядного тока. В результате тринистор окажется зашунтирован (указанные выводы замкнуты) и, естественно, он закроется.
Тринистор в регуляторе мощности (рис. 9). Способности тринистора открываться при разном анодном напряжении в зависимости от тока управляющего электрода широко используются в регуляторах мощности, изменяющих средний ток, протекающий через нагрузку.
Чтобы познакомиться с этой “профессией” тринистора, соберите макет из деталей, показанных на схеме. В двухполупериодном выпрямителе могут работать как отдельные диоды, так и готовый диодный мост, например, серий КЦ402, КЦ405. Как видите, фильтрующего конденсатора на выходе выпрямителя нет — он здесь не нужен. Для визуального контроля протекающих в каскаде процессов подключите параллельно нагрузке (лампа HL1) осциллограф, работающий в автоматическом (либо ждущем) режиме с внутренней синхронизацией.
Установите движок переменного резистора R2 в верхнее по схеме положение (сопротивление выведено) и подайте на диодный мост переменное напряжение. Нажмите на кнопку SB1. Сразу же зажжется лампа, а на экране осциллографа появится изображение полупериодов синусоиды (диаграмма а), характерное для двухполупериодного выпрямления без сглаживающего конденсатора.
Отпустите кнопку — лампа погаснет. Все правильно, ведь тринистор закрывается, как только синусоидальное напряжение переходит через нуль. Если же на выходе выпрямителя будет установлен фильтрующий оксидный конденсатор, он не позволит выпрямленному напряжению уменьшаться до нуля (форма напряжения для этого варианта показана на диаграмме штриховой линией) и лампа не погаснет после отпускания кнопки.
Вновь нажмите на кнопку и плавно перемещайте движок переменного резистора вниз по схеме (вводите сопротивление). Яркость лампы начнет уменьшаться, а форма “полусинусоид» искажаться (диаграмма б). Теперь ток через управляющий электрод уменьшается по сравнению с первоначальным значением, а следовательно, тринистор открывается при большем питающем напряжении, т. е. часть “полусинусоиды» тринистор остается закрытым. Поскольку при этом уменьшается средний ток через лампу, ее яркость уменьшается.
При дальнейшем перемещении движка резистора, а значит, умень-
шении управляющего тока, тринистор может открываться лишь тогда, когда напряжение питания практически достигает максимума (диаграмма в). Последующее уменьшение тока через управляющий электрод приведет к неоткрыванию тринистора.
Как видите, изменением управляющего тока, а значит, амплитуды напряжения на управляющем электроде, удается регулировать мощность на нагрузке в достаточно широких пределах. В этом суть амплитудного метода управления тринистором.
Если же необходимо получить большие пределы регулирования, используют фазовый метод, при котором изменяют фазу напряжения на управляющем электроде по сравнению с фазой анодного напряжения.
Перейти на такой способ управления несложно — достаточно включить между управляющим электродом и катодом тринистора оксидный конденсатор С1 емкостью 100…200 мкФ. Теперь тринистор будет способен открываться при малых амплитудах анодного напряжения, но уже во второй “половине» каждого полупериода (диаграмма г). В итоге пределы изменения среднего тока через нагрузку, а значит, выделяющейся на ней мощности, значительно расширятся.
Аналог тринистора (рис. 10). Бывает, что приобрести нужный тринистор не удается. Его с успехом может заменить аналог, собранный из двух транзисторов разной структуры. Если на базу транзистора VT2 подать положительное (по отношению к эмиттеру) напряжение, транзистор приоткроется и через него потечет ток базы транзистора VT1. Этот транзистор также приоткроется, что приведет к увеличению тока базы транзистора VT2. Положительная обратная связь между транзисторами приведет к их лавинообразному открыванию.
Транзисторы аналога выбирают в зависимости от максимального тока нагрузки и питающего напряжения. На управляющий переход как аналога, так и тринистора подают напряжение (или импульсный сигнал) только положительной полярности. Если по условиям работы конструируемого устройства возможно появление отрицательного сигнала, следует защищать управляющий электрод, например, включением диода (катодом — к управляющему электроду, анодом — к катоду тринистора).
Последний прибор из семейства тиристоров — симистор (рис. 11), симметричный тиристор. Как и тринистор, он выполнен в аналогичном корпусе с такими же выводами анода, управляющего электрода и катода. Симистор имеет сложную многослойную структуру с электронно-дырочными переходами. От одного из переходов сделан управляющий вывод (УЭ).
Поскольку обе крайние области структуры обладают проводимостью одного типа, то при наличии соответствующего напряжения на электродах симистора импульсы тока могут проходить через него в обоих направлениях, таким образом в схемах управления на симисторах не требуется использовать диодные мосты.
Диод
Диод — простейший полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток в одном направлении — от анода к катоду. И тем не менее он весьма интересен и широко используется в радиоэлектронике. Подтверждением сказанному послужат предлагаемые эксперименты.
Сразу оговоримся, что для экспериментов возьмем две разновидности диодов — германиевый и кремниевый, наиболее распространенных серий: Д9 и КД105 (рис. 1). Их характеристики — зависимость прямого тока (Iпр), т. е. тока через диод в прямом направлении (от анода к катоду), от прямого напряжения (Uпр), приложенного к диоду (измеряют между выводами анода и катода), несколько отличаются. Кремниевый диод начинает открываться при большем напряжении по сравнению с германиевым (см. рис. 1), поэтому характеристика у германиевого диода значительно плавнее — эта особенность иногда используется при конструировании тех или иных устройств.
Электронная защита. Начните с простого эксперимента (рис. 2,а): возьмите батарею GB1 напряжением 4,5 В (типа 3336) и подключите к ней вольтметр PV1 (в этом режиме должен работать авометр Ц20) через кремниевый диод VD1. Что показала стрелка вольтметра? Напряжение, близкое к напряжению батареи, но не равное ему (о причине этого — немного позже). При включении германиевого диода вместо кремниевого вольтметр покажет напряжение, практически равное напряжению батареи.
В обоих вариантах диод включен в прямом направлении, через него протекает ток около двух десятков микроампер, прямое напряжение, падающее на диоде, мало по сравнению с напряжением батареи.
А теперь измените полярность подключения выводов батареи. Анод диода окажется соединенным с минусовым выводом батареи, т. е. диод будет включен в обратном направлении. Если он кремниевый, стрелка вольтметра не шелохнется, поскольку его сопротивление при таком включении практически бесконечно. С германиевым положение иное. К примеру, диод серии Д9 обладает обратным сопротивлением около 2 МОм, а входное сопротивление Ц20 на диапазоне 10 В составляет 200 кОм. Поэтому стрелка вольтметра зафиксирует напряжение примерно в 10 раз меньшее по сравнению с напряжением источника питания. Но стоит перейти на меньший диапазон измерений, как упадет и измеряемое вольтметром напряжение — ведь входное сопротивление прибора станет меньше, а значит, изменится коэффициент передачи делителя, образованного обратным сопротивлением диода и входным сопротивлением вольтметра.
Какой вывод следует из этого эксперимента? Диод способен защитить нагрузку от случайной подачи на нее напряжения обратной полярности. Многие годы назад радиолюбители встраивали в некоторые конструкции, в частности в малогабаритные транзисторные радиоприемники, диод в цепь питания. В результате удавалось избежать неприятностей (выхода из строя транзисторов) при неправильном подключении источника питания. Подобная защита может быть использована вами в различных разработках.
Однако возникает вопрос: почему такой защиты не встретишь в современных конструкциях? Ответить на него поможет эксперимент, для которого понадобятся батарея на 4,5 В, диод (германиевый и кремниевый) и два вольтметра (рис. 2,б). Вольтметр PV1 контролирует напряжение источника питания, a PV2 — напряжение на нагрузке, которую защищает диод. Пока сопротивление нагрузки (в данном случае входное сопротивление вольтметра) велико, через германиевый диод протекает незначительный ток и падения напряжения на нем практически нет. На вольтметрах будут одинаковые показания.
Подключите параллельно вольтметру PV2 постоянный резистор сопротивлением 1 кОм — стрелка вольтметра зафиксирует уменьшение напряжения на нагрузке. А при подключении резистора сопротивлением 430 Ом напряжение станет еще меньше из-за большего прямого напряжения на диоде.
Когда же вы установите на место VD1 кремниевый диод, напряжение на вольтметре PV2 будет меньше, чем на PV1, даже без подключенного резистора. Объяснить это нетрудно, если сравнить характеристики диодов (см. рис. 1). При одном и том же даже слабом прямом токе прямое напряжение на германиевом диоде меньше, чем на кремниевом. Подключение сопротивления вызывает увеличение прямого напряжения диода, а значит, уменьшение напряжения на нагрузке.
Правда, прямое напряжение не превышает 1 В при возрастании прямого тока через кремниевый диод серии КД105 до 300 мА (для Д9 — от 10 до 90 мА в зависимости от конкретного типа диода). И все же потеря его при питании конструкции напряжением 9; 4,5 и особенно 3В ощутима. Вот почему такой способ защиты не нашел широкого применения.
В радиолюбительской практике бывает необходимо защитить входные цепи устройств, работающих с малыми сигналами, от случайного попадания повышенного напряжения. В таких случаях приходится вспомнить о кремниевом диоде, который начинает пропускать ток лишь с определенного напряжения. Ведь на его характеристике начальный участок проходит по горизонтальной оси. Это свойство диода и используется для работы его в качестве элемента электронной защиты.
Убедиться в сказанном позволит эксперимент (рис. 2,в), для проведения которого понадобятся, кроме кремниевого диода, постоянный и переменный резисторы, батарея 3336, выключатель и вольтметр постоянного тока с диапазоном измерений, например, 3 В (авометр Ц20).
Установив вначале движок переменного резистора R1 в нижнее по схеме положение, подают выключателем SA1 напряжение питания. Плавно перемещая движок резистора вверх, наблюдают за плавным ростом напряжения на диоде по отклонению стрелки вольтметра. При напряжении примерно 0,6 В прирост напряжения на вольтметре начнет уменьшаться, а вскоре стрелка прибора практически остановится (при напряжении примерно 0,7…0,8 В) и останется в таком состоянии даже тогда, когда движок переменного резистора окажется в верхнем по схеме положении, т. е. на устройство защиты будет подано 4,5 В.
Что же произошло? До определенного напряжения диод был закрыт и вольтметр измерял напряжение, снимаемое с движка переменного резистора. А затем диод начал открываться и шунтировать вольтметр, который в данном случае имитирует защищаемую цепь. С ростом напряжения увеличивался ток через диод, а значит, возрастало и его шунтирующее действие. Вскоре диод открылся настолько, что стал полностью шунтировать вольтметр. Напряжение на диоде остается стабильным несмотря на изменения внешнего напряжения (снимаемого с движка переменного резистора) из-за падения излишка напряжения на резисторе R2.
В данном случае диод защищает от случайного повышения напряжения определенной полярности. Если же нужно защитить цепь от скачков разнополярного напряжения, ставят два параллельно включенных диода — один в прямом, а другой в обратном направлениях.
Возможна такая ситуация, когда требуется защита, “срабатывающая” при большем напряжении, чем обеспечивает один диод. Тогда ставят два или больше последовательно соединенных диодов (рис. 2,г). Проведите испытания с таким вариантом и сами убедитесь в сказанном.
Регулятор яркости. Как известно, в плоском карманном фонаре используется батарея 3336 напряжением 4,5 В и лампа на 3,5 В. При свежей батарее лампа светит весьма ярко. Если нужно, яркость можно несколько уменьшить, включив в ее цепь кремниевый диод VD1 и дополнительный выключатель SA1 (рис. 3,а). Смонтируйте этот узел на макете и убедитесь в его действии.
Когда контакты выключателя замкнуты, яркость лампы EL1 наибольшая. Стоит установить переключатель в положение разомкнутых контактов, как в работу вступает диод. Прямое напряжение на нем уменьшает напряжение на лампе, и ее яркость снижается.
Эффективнее работает диод в цепи переменного тока (рис. 3,б), которым может питаться, скажем, ночник. Здесь при размыкании контактов выключателя SA1 происходит большее снижение напряжения (среднего напряжения) на лампе из-за проявления свойства диода — пропускать ток в одном направлении, в данном случае только при положительных полупериодах переменного напряжения на аноде диода.
Трансформатор следует подобрать такой, чтобы напряжение на обмотке II не превышало напряжения, на которое рассчитана лампа накаливания.
Управление лампами по двум проводам. Как быть, если нужно включать по отдельности две лампы, расположенные в удалении от выключателя и соединенные с ним только двухпроводной линией? Вспомните в этом случае о диоде.
При питании линии постоянным током (рис. 4,а) понадобятся два диода — их включают каждый в цепь “своей» лампы, но в разных направлениях: один в прямом, другой в обратном. Когда переключатель SA1 стоит в показанном на схеме положении, ток протекает через диод VD1 и лампу EL1 — она горит. При установке переключателя в другое положение ток потечет только через диод VD2 и лампу EL2. Лампа EL1 погаснет, a EL2 зажжется.
Если проводка питается переменным током, двумя диодами не обойтись, поскольку каждый из них хотя и будет работать при “своем” полупериоде, лампы вспыхнут одновременно. Поэтому придется добавить еще два диода (рис. 4,б) и в цепь каждого из них поставить отдельный выключатель.
Чтобы зажечь лампу EL1, нужно замкнуть контакты выключателя SA2, а для зажигания только лампы EL2 — выключателя SA2. При замыкании же контактов обоих выключателей зажгутся все лампы. Просто и удобно.
Правда, лампы будут светить вполнакала, поскольку через каждую из них ток протекает только при одном полупериоде переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т1. Для сохранения прежней яркости освещения (такой, что была бы при прямом подключении лампы к трансформатору) можно рекомендовать применение ламп большей мощности.
Удвоитель напряжения. Устройство, схема которого показана на рис. 5,а, — однополупериодный выпрямитель. Постоянное напряжение U1 на конденсаторе С1 будет превышать переменное напряжение, измеряемое вольтметром переменного тока на вторичной обмотке трансформатора, примерно в 1,4 раза, т. е. оно будет соответствовать амплитудному значению полуволны переменного синусоидального напряжения.
Постоянное напряжение на выходе выпрямителя нетрудно увеличить практически вдвое (рис. 5,б), если добавить еще один диод (VD2) и конденсатор (С2). Теперь получится выпрямитель, работающий при обеих полуволнах переменного напряжения. Во время положительных полуволн на верхнем по схеме выводе обмотки II трансформатора будет заряжаться конденсатор С1, а во время отрицательных — С2. Поскольку конденсаторы включены последовательно, напряжения на них (U1 и U2) сложатся и итоговое напряжение (U3) получится вдвое больше, чем на каждом из конденсаторов. Поэтому такой выпрямитель называют выпрямителем с удвоением напряжения. Он реализуется в тех случаях, когда понижающий трансформатор имеет только одну вторичную обмотку.
Для проведения эксперимента подойдет любой понижающий сетевой трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 6… 10 В. Диоды могут быть, кроме указанных на схеме, любые выпрямительные, кремниевые или германиевые (подойдут даже любые из серии Д9). Конденсаторы — любые оксидные, емкостью не менее 10 мкФ на номинальное напряжение не менее удвоенного переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Диодный пробник. Как определить концы двухпроводной линии связи, проложенной, скажем, между двумя комнатами квартиры? Омметром здесь, конечно, не воспользуешься, поскольку не хватит длины его щупов. На помощь вновь приходит диод (рис. 6). Его подключают к концам проводов линии (ее можно сымитировать собранным в комок двухжильным сетевым проводом) в одной комнате и помечают провод, с которым соединен анод диода. В другой же комнате к концам проводов подключают сначала в одной, а затем в другой полярности щупы ХР1 и ХР2 сигнального устройства, собранного из батареи 3336 и лампы накаливания на напряжение 3,5 В.
В одном из вариантов подключения лампа вспыхнет, что укажет на прохождение тока через линию связи и диод. А это, в свою очередь, позволит засвидетельствовать, что концы, с которыми соединены анод диода и цепь плюсового вывода батареи, принадлежат одному и тому же проводу.
Диод для эксперимента может быть любой кремниевый или германиевый, рассчитанный на прохождение через него тока, превышающего ток лампы накаливания.
Стабилитрон
Полупроводниковый стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов.
Чем характерен стабилитрон?
Взглянув на рис. 1, нетрудно заметить, что внешне он похож на диод малой или средней мощности. Хотя стабилитрон, как и диод, имеет две ветви характеристики — прямую и обратную, “работает» этот прибор в основном на обратной ветви (рис. 2,а), поскольку на ней есть участок, обладающий весьма высокой крутизной. Именно этот участок придает стабилитрону отличительную особенность по сравнению с диодом — полупроводниковый прибор способен стабилизировать напряжение на заданном участке цепи электронной конструкции.
Рассмотрим эту способность подробнее. К источнику питания (рис. 2,б) подключают через резистор R1 (его называют балластным) стабилитрон VD1, а параллельно ему — нагрузку, скажем, резистор R2, напряжение на котором должно быть стабильным как при изменении напряжения питания, так и тока через нагрузку. В итоге получается делитель, основными элементами в котором являются резистор R1 и стабилитрон VD1.
Казалось бы, изменение напряжения на входе такого делителя вызовет в процентном отношении такое же изменение напряжения на его выходе, т. е. на стабилитроне, а значит, и на нагрузке. Однако это не так. Ведь стабилитрон обладает интересным свойством — его внутреннее сопротивление зависит от протекающего через него тока. Если ток увеличивается, сопротивление уменьшается, и наоборот. Поэтому напряжение на стабилитроне, а следовательно, и на нагрузке останется практически постоянным. Изменение же входного напряжения вызовет лишь изменение падения напряжения на балластном резисторе R1.
Возможен вариант, когда входное напряжение постоянно, а изменяется ток нагрузки. Здесь вновь “работает» стабилитрон — ток через него изменяется так же, как и через нагрузку, но в обратную сторону. Если, к примеру, ток через нагрузку возрастает, то через стабилитрон он падает. В итоге общий ток, протекающий через резистор R1. остается прежним, а значит, напряжение на нагрузке остается практически стабильным.
Конечно, эти свойства стабилитрона будут сохраняться, пока ток, протекающий через него, будет находиться между минимальным и максимальным значениями, допустимыми для данного стабилитрона. Дело в том, что при снижении минимального тока стабилитрон закрывается и его рабочая точка перемещается на горизонтальную часть обратной ветви характеристики. При увеличении же тока выше допустимого стабилитрон может перегреться и выйти из строя.
Чтобы убедиться в сказанном, проведите простой эксперимент (рис. 3). Возьмите стабилитрон КС168А с напряжением стабилизации около 7 В (разброс напряжения от 6,12 до 7,48 В), минимальным током 3 мА, максимальным 45 мА и подключите его через балластный резистор R3 к делителю напряжения, составленному из последовательно соединенных переменного резистора R1 и постоянного R2. Делитель выбран таким, чтобы при перемещении движка из нижнего по схеме положения в верхнее выходное напряжение изменялось примерно от 7 до 9 В.
Установите движок резистора сначала в нижнее положение. Возможно, контрольный вольтметр PV1 сразу покажет напряжение стабилизации. Если этого не произойдет, переместите движок немного вверх — и оно появится. Такое состояние будет соответствовать минимально допустимому току стабилизации. Подключите параллельно стабилитрону нагрузку в виде резистора R4 сопротивлением, скажем. 680 Ом. Вольтметр зафиксирует довольно резкое (процентов на 10) снижение напряжения, поскольку ток через стабилитрон стал меньше минимального тока стабилизации, и стабилитрон вышел из рабочего режима.
Отключив резистор нагрузки, перемещайте движок переменного резистора вверх, одновременно наблюдая за показаниями вольтметра. Даже при самом верхнем положении движка напряжение почти не изменится, поскольку стабилитрон будет проявлять свои стабилизирующие свойства.
Подключите нагрузку сопротивлением 680 Ом параллельно стабилитрону. Напряжение также останется прежним, поскольку нагрузка невелика — она потребляет около 10 мА, этот ток выделил из своего “запаса” стабилитрон.
Следующий этап — подключение резистора R4 сопротивлением 360 Ом. Теперь нагрузка потребляет примерно 20 мА, но и ее “выдерживает» стабилитрон, сохраняя прежним напряжение, контролируемое вольтметром.
Лишь после подключения резистора R4 сопротивлением 150 Ом ток через стабилитрон уменьшается настолько, что он выходит из режима стабилизации. Вольтметр зафиксирует уменьшение напряжения на нагрузке.
Эти эксперименты следует проводить с выпрямителем, рассчитанным на выходное напряжение 9…10 В при токе нагрузки до 50 мА.
Из синусоидального — прямоугольный. Возможность стабилитрона ограничивать поступающее на него напряжение может пригодиться для преобразования, скажем, напряжения синусоидальной формы в импульсное. Как это происходит, показано на рис. 4, который поможет вам провести интересный эксперимент. Помимо указанных деталей, понадобится любой осциллограф.
Основа нашего преобразователя — понижающий сетевой трансформатор T1, роль которого может выполнить, например, унифицированный трансформатор кадровой развертки телевизора ТВК-110ЛМ. На его вторичной обмотке будет синусоидальный сигнал размахом около 40 В (между вершинами положительной и отрицательной полуволн). Этот сигнал поступает на цепь из балластного резистора R1 и стабилитрона VD1 (рис. 4,а).
Во время положительного полупериода переменного напряжения на левом по схеме выводе резистора стабилитрон выполняет свою основную функцию, в результате него на его выводах можно наблюдать (конечно, с помощью осциллографа) ограниченную сверху полуволну синусоиды (рис. 4,б). Амплитуда результирующего сигнала зависит от напряжения стабилизации стабилитрона.
Во время отрицательного полупериода стабилитрон работает как обыкновенный диод, оставляя от отрицательной полуволны лишь часть, соответствующую прямому напряжению «диода».
В итоге формируется импульсный сигнал (рис. 4,в), “основание” которого немного смещено вниз относительно линии развертки (только в случае, если осциллограф работает в режиме открытого входа).
Крутизна вертикальных линий импульса (переднюю называют фронтом, заднюю — спадом) зависит от амплитуды поступающего на вход цепи R1VD1 переменного напряжения и напряжения стабилизации стабилитрона. Чем меньше амплитуда входного напряжения, тем меньше крутизна фронта и спада. Возможно даже такое положение, при котором вместо прямоугольного импульса окажется сигнал колоколообразной формы — с покатыми фронтом и спадом.
При том же входном напряжении можно получить импульсный сигнал вдвое большей амплитуде, если использовать два стабилитрона, соединенных встречно-последовательно (рис. 4,г). В этом варианте каждый стабилитрон работает при «своей» полуволне синусоидального напряжения, в результате чего на экране осциллографа будет наблюдаться сигнал, показанный на рис. 4,д.
Стабилитрон — ограничитель напряжения. Представьте ситуацию, когда вашему устройству требуется питание напряжением, скажем, 9 В, а в распоряжении есть сетевой выпрямитель с фиксированным постоянным напряжением 15 В. Как быть?
Мысль о гасящем резисторе, включенном последовательно с приемником, следует отбросить сразу — в зависимости от громкости звука будет изменяться потребляемый приемником ток, а значит, и напряжение на нем. Если же вместо гасящего резистора включить стабилитрон (рис. 5,а), проблема будет решена. Теперь напряжение на нагрузке (приемнике) станет равным разности напряжений выпрямителя и стабилизации стабилитрона. В этом легко убедиться с помощью вольтметра постоянного тока (рис. 5,б).
Поскольку у разных экземпляров стабилитронов может отличаться напряжение стабилизации, более точно (если это нужно) выходное напряжение подбирают включением диода VD2 последовательно со стабилитроном. Тогда общее «гасящее” напряжение составит сумму напряжений стабилизации и прямого напряжения для данного диода. В свою очередь, диод ставят либо германиевый (у него прямое напряжение может быть 0.2…0.5 В, как, например, у диодов серий Д7, Д302—Д305), либо кремниевый (0,6…0,9 В), либо два-три последовательно соединенных диода. Можно также соединять последовательно несколько стабилитронов (даже с разными напряжениями стабилизации) для получения нужного «гасящего» напряжения. В любом варианте допустимое значение тока диода (или диодов) должно превышать максимальный ток нагрузки, а он не должен быть более максимального тока стабилизации стабилитрона (или любого из соединяемых последовательно стабилитронов).
И еще следует помнить, что стабилитрон включают в такой цепи в обратном направлении, а диод — в прямом.
Стабилитрон “растягивает” шкалу вольтметра. Бывают случаи, когда нужно не столько контролировать напряжение, сколько следить за его колебаниями. Скажем, при зарядке аккумуляторной батареи напряжением 9 В нужно более точно определить конец зарядки. А для этого приходится контролировать конечное напряжение с точностью до десятых долей вольта.
Если пользоваться вольтметром, работающим на поддиапазоне «10 В», такую точность отсчета получить не удастся. На помощь вновь приходит стабилитрон.
На рис. 6.а, как и в предыдущем эксперименте, последовательно с нагрузкой, т. е. с вольтметром, включен стабилитрон, «гасящий» часть контролируемого напряжения. Поэтому теперь можно установить на вольтметре поддиапазон, позволяющий контролировать изменения напряжения с заданной точностью.
Чтобы убедиться в сказанном, подключите к источнику питания, скажем, батарее напряжением 9 В. переменный резистор R1. Плавно перемещая движок из нижнего по схеме положения в верхнее, наблюдайте за показаниями контрольного PV1 и “измерительного» PV2 вольтметров. Первый из них работает на поддиапазоне “10 В», второй — 3 В. До какого-то определенного напряжения, контролируемого вольтметром PV1, стрелка вольтметра PV2 будет неподвижна — стабилитрон закрыт.
По мере увеличения напряжения на движке резистора стабилитрон начнет открываться, стрелка вольтметра PV2 «оживет”, но ее отклонение будет заметно меньше по сравнению со стрелкой вольтметра PV1. И лишь при напряжении около 7 В показания вольтметра PV2 приблизятся примерно к 0.7 В. Стрелка его с этого момента начнет отклоняться более интенсивно и достигнет почти конечной отметки шкалы, когда на движке резистора окажется максимальное напряжение. Иначе говоря, вольтметр PV2 измеряет практически только напряжение, превышающее напряжение стабилизации стабилитрона.
Если есть желание более точно контролировать изменение входного напряжения, нужно переключить вольтметр PV2 на меньший поддиапазон (у Ц20 — “1 В»). А при необходимости иметь “растянутую» шкалу для контроля большего входного напряжения достаточно включить стабилитрон с большим напряжением стабилизации. В любом варианте для «растянутой» шкалы вольтметра PV2 придется составить по показаниям вольтметра PV1 градуировочную таблицу либо вычертить на отдельном листе бумаги новую шкалу.
Если вам понравилась идея «растянутой» шкалы, можете изготовить к вольтметру приставку с несколькими стабилитронами (рис. 6,б), включаемыми в цепь измерения переключателем SA1.