Для начинающих. Работа диода в выпрямителе.

Как и обещал, пишу о выпрямителях. Для исследования я взял диоды: германиевый - Д311, кремниевые - Д101 КД105, с барьером Шоттки - 1N60 и мост DB107.

Вначале собрал простейший однополупериодный выпрямитель на одном диоде. В качестве источника переменного тока использовал генератор SFG72020, а для измерения параметров сигнала - двухлучевой осциллограф PDS6062Т, который на схеме я обозначил как два осциллографа :).

Рис. 1. Схема однополупериодного выпрямителя.

В качестве нагрузки взял резистор 680 Ом, выходное сопротивление генератора 50 Ом.

Рис. 2. Схема с подключенными щупами приборов (красный - выход генератора).

Исследовать я решил по двум направлениям: зависимость размаха выходного сигнала от входного и зависимость формы выходного сигнала от частоты выпрямляемого напряжения (за эту идею, про частоту, отдельное спасибо читательнице Татьяне).

Рис. 3. Зависимость сигнала на выходе выпрямителя от уровня входного сигнала для диода Д311.

Частоту я выбрал в 100 Гц, чтобы "отстроиться" от помех 50 Гц. К сожалению, на малых уровнях сигнала замеры его размаха вызывают сомнения, но форма сигнала достаточно красноречива.

В первую очередь видно, что через диод проходит только положительная полуволна входного сигнала. Как и следует из ВАХ диода, при уровне входного ниже определенного, ток диода (а значит и ток через сопротивление нагрузки и падение напряжение на нем) мал. Это мы и видим на рис. 1.1: при входном сигнале около 250 мВ на выходе мы выпрямленного сигнала практически не наблюдаем, т.е. диод только начинает открываться. А вот при входном сигнале 1,4 В на выходе имеем однополярные импульсы 540 мВ.

Возникает вопрос: а почему размах импульсов на выходе не равен точно половине размаха сигнала на входе? А вот из-за того, чтобы открыть диод, размах должен быть хотя бы 200-300 мВ. Более четко это прослеживается на рис. 3.5: 2,7/2=1,35 1,35 - 1,12= 0,23В. То же и на рис. 3.6: 4,64 : 2 =2,32 2,32 - 2,12 = 0,2В.

Теперь посмотрим, как с эффективностью выпрямления в зависимости от частоты (диод Д311 относится к импульсным, время восстановления при токе 10 мА - 10 нс, т.е. должен работать до 100 МГц).

Рис. 4. Зависимость сигнала на выходе выпрямителя от частоты входного сигнала для диода Д311.

Д311 оказался в действительности высокочастотным: при увеличении частоты уровень выпрямленного сигнала и его форма оказались практически неизменными до частоты 10 МГц, где на форму начинает сказываться уже емкость щупов осциллографа.

Диоды Д101 - кремниевые, точечные, универсальные.
Предназначены для работы в видеоканалах телевизоров, в системах АРУ и дискриминаторах ЧМ и AM приемников. Т.е до 10 МГц должны работать, хотя в даташите нет ни слова предельных частотах и емкости диода.

Рис. 5. Зависимость сигнала на выходе выпрямителя от уровня входного сигнала для диода Д101.

Как и следовало, ожидать, для открывания кремниевого диода 200 мВ не достаточно, недостаточно и 500 мВ. Нужно, как минимум, около 700 мВ, да и при 1,4 В он не очень-то открыт.

Рис. 6. Зависимость сигнала на выходе выпрямителя от частоты входного сигнала для диода Д311.

А вот с частотностью диода явно не все в порядке. Уже на частоте 100 кГц мы видим, что за счет бОльшей емкости p-n перехода начинает проникать на нагрузку и отрицательная полуволна сигнала. На частоте 1 МГц отрицательный выброс уде достигает 1 В, а на 10 МГц после Д101 уж точно нужно ставить Д311 :).

Глядя на эти графики у кого-то начинающего может возникнуть интересная мысль: если один диод пропускает ток в одну сторону, то включим параллельно ему диод в обратном направлении - и все в порядке. Да, только нужно учесть, что в этом случае ток через нагрузку будет течь каждый полупериод в разных направлениях. Никакого выпрямления здесь не будет. Убедимся в этом на практике - включим второй диод Д101.

Рис. 7. Диоды включены параллельно, но в разных направлениях.

Рис. 8.

Убеждаемся, что ток через диоды течет в обоих направлениях, но на синусоиде появились искажения типа "ступенька", которые образовались в области перехода сигнала через ноль. Да и размах колебаний стал меньше, съелось пол Вольта.

Если диоды Д311 и Д101 позиционировались как высокочастотные, то диод КД105 выпрямительный, предназначен для использования при частоте сетевого тока.

Рис. 9. Диод КД105.

Посмотрим его частотные свойства.

Рис. 10. Зависимость сигнала на выходе выпрямителя от частоты входного сигнала для диода КД105.

В этом случае искажения начинаются уже на частоте 10 кГц, а на частоте 10 МГц сигнал проходит чез диод свободно. Ничего удивительного, так как емкость p-n этого диода в районе 100 пФ.

Теперь о двухполупериодном выпрямителе. Чтобы не заморачиваться я взял изолирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1 и сопротивлением обмоток около 150 Ом, которые я купил на Али.

Рис. 11. Изолирующий трансформатор.

Проверил коэффициент трансформации на частоте 100 кГц.

Рис. 12.

Размах на входе и выходе практически одинаковы, сигнал синфазный. А вот если переключить концы одной их обмоток, то ...

Рис. 13.

... сигналы станут противофазными.

Давайте рассмотрим работу мостового выпрямителя. Причем здесь мост? В электронике это не "мост через рот" :), а симметричное устройство.

Рис. 14. Схема работы мостового выпрямителя.

Четыре одинаковых диода подключаются к вторичной обмотке трансформатора. Нагрузкой является резистор. Во время положительной полуволны в точке А положительный потенциал, а в точке Б - отрицательный, а во время отрицательной волны - наоборот. Несмотря на это, ток через нагрузку течет оба полупериода в одном направлении.

Рис. 15. Двухполупериодный выпрямитель.

В качестве моста я взял интегральный мост DB107.

Рис. 16. Осциллограмма сигнала на входе (внизу) и выходе (вверху) выпрямительного моста

Обратите внимание на частоту на входе и выходе. На выходе она в два раза больше, а вот размах колебаний на выходе почти в два раза меньше. Это лучше видно на более высокой частоте и более высоком уровне сигнала.

Рис. 17. Частота на входе - 10 кГц.

Во-первых, обратите внимание на форму сигнала на выходе моста - это не синусоида, а видно, что отрицательные полуволны перевернуты; во-вторых частота импульсов на выходе в два раза выше, чем на входе; в третьих, размах колебаний на выходе почти в два раза меньше, чем на входе.

Мости оказался низкочастотным. Уже на частоте 100 кГц появилась вот такая крякозябра :)

Рис. 18. Входная частота - 100 кГц.

Теперь перейдем к другой схеме двухполупериодного выпрямителя. Теперь на двух диодах и трансформатором с отводом от середины.

Рис. 19. Схема двухполупериодного выпрямителя на двух диодах.

Здесь весь секрет в трансформаторе, вернее во вторичной обмотке с отводом от средней точки обмотки. Во время одного полупериода ток идет через один диод, а во время другого - другой диод. При этом направление тока в нагрузке во время обоих полупериодов одинаково (как и в мостовом выпрямителе). Кажется, здорово, экономим два диода! Но стоимость диода на порядок, а то и больше, меньше, чем стоимость трансформатора с отводом от середины вторичной обмотки. Да и размер такого трансформатора больше, чем обычного.

У меня сетевого трансформатора с отводом от середины вторичной обмотки не нашлось, и я решил провести эксперимент на радиочастотах. Там трансформатор совсем простой и маленький.

Рис. 20.

Диоды взял высокочастотные с барьером Шоттки, типа 1N60.

Рис. 21.

При входной частоте 1 МГц на выходе выпрямителя - импульсы с частотой в два раза больше - 2 МГц. И здесь, как и в случае с мостовым выпрямителям, на выходе не синусоида, а ее половинки. В принципе мы получили удвоитель частоты. Осталось поставить простейший фильтр - у нас будет синусоида с частотой 2 МГц.

Всем здоровья и успехов!