Данная статья - типично заказная и по поводу. В одной из наших статей об аварийном выпрямителе один из читателей упомянул, что им некогда, для зарядки севшего аккумулятора в отсутствие зарядного устройства, из подручного магнитофона были выдраны полупроводниковые диоды, и от сети, через активную нагрузку, аккумулятор таки заряжен. Единственной помехой являлся нагрев диода, и "зарядное" устройство, со слов пишущего, приходилось время от времени отключать.
Наверняка, в бытовой аппаратуре в цепи питания стояли не силовые диоды на 5-10 ампер, да еще с радиатором, поскольку аппаратура столько не потребляет. Тогда остаются диоды типа Д209, Д226 или аналогичные, рассчитанные на ток 300 мА.
Вопрос возник сам собой - как поступить в аналогичной ситуации, желательно с как можно большим зарядным током и без перерывов на охлаждение диода.
Диод Д226 для эксперимента был извлечен из отработавшего тестера ТЛ-4М, проверена работа в схеме зарядки аккумулятора, но окончательный эксперимент было решено провести с активной нагрузкой - особой разницы в режиме нет, при напряжении переменного тока значительно выше напряжения аккумулятора и ограничении тока активным сопротивлением диод работает в схеме однополупериодного выпрямления без отсечки.
Для охлаждения диод был помещен в емкость с водой комнатной температуры 0,5 л, через активную низкоомную нагрузку установлен средний ток 1 А, и так на 5 часов. Диод испытание выдержал, каждые 10 минут измерялась температура воды, которая в итоге поднялась всего на 7 градусов.
Такова же по понятным причинам, ввиду хорошей теплопроводности и большой теплоемкости воды, была температура корпуса диода; что же творилось внутри, не представляется возможным знать.
График температуры воды ниже.
При постоянном подводе мощности к предмету его температура повышается вплоть до достижения равновесного состояния, когда подвод тепла уравновешивается отводом, в итоге температура повышается по экспоненте; электрикам и радистам эта кривая хорошо известна - именно так происходит заряд конденсатора через сопротивление.
Экспонента проведена средствами MS Excel, на графике показано значение, к которому стремится экспонента при неограниченном увеличении времени, и проведена прямая линия, касательная к экспоненте в ее начале; касательная характеризует скорость изменения температуры в отсутствие оттока тепла.
Линию асимптоты касательная пересекает в момент времени, характеризующий постоянную времени всей системы.
Для цепи с конденсатором и сопротивлением постоянная времени равна T = RC, для банки с водой определяется формой и емкостью сосуда, физическими свойствами воды.
По определенной постоянной времени T = 1,56 часа и перепаде температур (30,2 - 23,0) = 7,2 градуса, температура поднимается со скоростью 7,2/(1,56*3600) = 0,00128 градуса за секунду.
Для нагрева 1 г воды на 1 градус необходимо подвести к ней 1 калорию тепловой энергии. Итого к 500 г воды необходимо подвести за секунду 500*0,00128 = 0,641 кал тепла. Исходя из того, что 1 кал = 4,19 Дж, подведено энергии за 1 секунду 4,19*0,641 = 2,68 Дж. Электрическая мощность, рассеиваемая диодом и всей системой выпрямления в данном режиме, равна 2,68 Вт.
Но при токе 1 А не может прямое напряжение на диоде превышать 2 В, следовательно, вода греется не только диодом, но еще и электролизом. Но диоду от того только легче.
Итак, диод с номинальным током 300 мА, длительно выдерживает, при условии охлаждения в сосуде с небольшим количеством воды, всего 0,5 л, средний ток 1 А в схеме однополупериодного выпрямления.
Надо сказать, поскольку к диоду в течение полупериода приложено обратное напряжение, равное амплитуде переменного напряжения на входе "выпрямителя", вода, поскольку она не является химически чистой дистиллированной, и содержит минеральные примеси, подвергается электролизу с выделением водорода и кислорода, и прочих веществ, в зависимости от примесей. Особые меры по изоляции выводов диода не применялись, выпрямитель ведь аварийный, а некоторое увеличение "обратного тока" не сказывается на работе, поскольку прямой ток порядка ампера и выше.
В итоге вода через час работы уже рыжая от разложившихся соединений, а диод покрывается рыхлой накипью.
Поскольку работоспособность диода Д226 в режиме 1 А с водяным охлаждением проверена, все повторено еще раз с выпрямленным током 2 А, также в течение 5 часов. Диод очищен от накипи, вода заменена на свежую. График ниже.
Постоянная времени оказалась меньше, T = 1,17 ч; перепад температур (40,8 - 20,5) = 20,3 градуса, температура поднимается со скоростью 0,00482 градуса за секунду. Электрическая мощность, рассеиваемая системой в данном режиме, равна 10,1 Вт.
Логично продолжить эксперимент с током 3 А. Диод выдержал и это испытание; главным оказалось не столько выдержать этот ток полупроводниковому переходу внутри диода, а его внешним выводам, поскольку они разъедаются в результате электролиза воды, истончаются и становятся хрупкими. График температуры ниже.
Постоянная времени оказалась еще меньше, T = 0,91 ч; перепад температур (55,2 - 19,9) = 35,3 градуса, температура поднимается со скоростью 0,011 градуса за секунду. Электрическая мощность, рассеиваемая системой в данном режиме, равна 22,6 Вт.
Желания проводить опыт с 4 А тока нагрузки у меня не было - это потребовало бы перебора схемы нагрузки, подключения других активных сопротивлений. Может в другой раз, интересно же, на каком токе и что с диодом случится. Но практический результат несомненен - диод на 300 мА выдерживает в течение 5 часов, а возможно и выше, 10-кратную перегрузку. Тем самым, в аккумулятор можно закачать за 5 часов 15 Ач электричества, что его точно для неоднократного запуска стартера оживит.
Любопытно построить график рассеиваемой мощности в зависимости от тока. График ниже.
Через 4 точки (3 вычисленной мощности и 0,0 по определению) идеально провелась квадратичная парабола. Но парабола без ошибок проводится лишь через 3 точки, 4 точки требуют кубической параболы. Excel определил формулы параболы, по ней следует, что линейный член и свободный член ничтожны в сравнении с квадратичным.
Квадратичная зависимость мощности от проводимого тока характерна для активного сопротивления, из чего можно сделать вывод, что в плане рассеивания мощности вся выпрямительная система вела себя как активное сопротивление.
Вряд ли это было запрятанное где-то в воде (которая представляет собой слабый электролит) или в диоде реальное сопротивление, просто набиралось везде понемногу - от прямого тока через диод на его сопротивлении базы и перехода, от обратного тока, от электролиза, от проводимости воды.
Что касается подбора включенного последовательно с диодом сопротивления при зарядке аккумулятора от 220 В. При среднем выпрямленном токе 1 А ток в цепи переменного тока без диода был бы в 2,2 раза больше, таковы характеристики однополупериодного выпрямителя, что отвечает мощности 2,2*220=484 Вт.
Средняя такая электроплитка в режиме малой мощности. На 3 ампера пришлось бы ввести в строй втрое больше, до 1,5 кВт. Где-нибудь на даче подобный электроприбор наверняка найдется, дело за диодом, пускай даже маломощным. А охлаждать можно в любой банке с водой или даже в пластмассовом ведре.
И в завершение вишенка на торте, прямого отношения к зарядке не имеющая. В каждом из 3 опытов по выпрямлению фиксировалась разная постоянная времени нагрева банки с водой. Да и нагрев в общем случае не происходит по экспоненте, как мы полагали в первом приближении - слишком сложен процесс охлаждения банки вследствие испарения воды, конвекции, излучения и пр.
В результате 3 опытов в разных режимах получены значения 1,56; 1,17 и 0,91 часа. Но при чистом охлаждении банки с горячей водой, без подвода тепла от стороннего источника, охлаждение также по экспоненте с некоторой постоянной времени. Подобный эксперимент проведен, график ниже. Постоянная времени охлаждения 1,22 часа, все 4 значения крутятся вокруг одной цифры. Пазл сложился, график охлаждения ниже.
