Unterhaltsame Experimente: Machen Sie sich mit der Diode vertraut. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Anfänger Funkamateur

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Diode – das einfachste Halbleiterbauelement, das elektrischen Strom in eine Richtung leitet – von der Anode zur Kathode. Dennoch ist es sehr interessant und wird häufig in der Funkelektronik eingesetzt. Die vorgeschlagenen Experimente werden als Bestätigung des Vorstehenden dienen.

Machen wir gleich einen Vorbehalt, dass wir für Experimente zwei Arten von Dioden verwenden werden – Germanium und Silizium, die gebräuchlichste Serie: D9 und KD105 (Abb. 1). Ihre Eigenschaften sind die Abhängigkeit des Durchlassstroms (Ipr), d. h. des Stroms durch die Diode in Durchlassrichtung (von der Anode zur Kathode), von der an die Diode angelegten Durchlassspannung (Upr) (gemessen zwischen den Anschlüssen von). Anode und Kathode) sind etwas unterschiedlich. Die Siliziumdiode beginnt bei einer höheren Spannung als die Germaniumdiode zu öffnen (siehe Abb. 1), sodass die Kennlinie der Germaniumdiode viel gleichmäßiger ist – diese Funktion wird manchmal beim Design bestimmter Geräte verwendet.

Elektronische Sicherheit. Beginnen Sie mit einem einfachen Experiment (Abb. 2a): Nehmen Sie eine GB1-Batterie mit einer Spannung von 4,5 V (Typ 3336) und schließen Sie über eine Siliziumdiode VD1 ein Voltmeter PV20 daran an (das Ts1-Avometer sollte in diesem Modus funktionieren). Was zeigte der Zeiger des Voltmeters an? Eine Spannung nahe der Batteriespannung, aber nicht gleich dieser (mehr zum Grund dafür später). Wenn Sie die Germaniumdiode anstelle des Silizium-Voltmeters einschalten, zeigt das Voltmeter eine Spannung an, die fast der Batteriespannung entspricht.

In beiden Versionen ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet, durch sie fließt ein Strom von etwa zwei Dutzend Mikroampere, die an der Diode abfallende Durchlassspannung ist klein im Vergleich zur Batteriespannung.

Vertauschen Sie nun die Polarität der Batteriekabel. Die Anode der Diode wird mit dem Minuspol der Batterie verbunden, d. h. die Diode wird in die entgegengesetzte Richtung eingeschaltet. Handelt es sich um Silizium, bewegt sich die Voltmeternadel nicht, da ihr Widerstand bei diesem Einschluss nahezu unendlich ist. Bei Germanium ist die Situation anders. Beispielsweise hat die Diode der D9-Serie einen Sperrwiderstand von etwa 2 MΩ und der Eingangswiderstand des Ts20 im 10-V-Bereich beträgt 200 kΩ. Daher zeichnet die Voltmeternadel eine Spannung auf, die etwa zehnmal niedriger ist als die Spannung der Stromquelle. Es lohnt sich jedoch, auf einen kleineren Messbereich umzusteigen, da auch die vom Voltmeter gemessene Spannung sinkt – schließlich wird der Eingangswiderstand des Geräts kleiner, was bedeutet, dass der Übertragungskoeffizient des Teilers, der durch den Sperrwiderstand gebildet wird, kleiner wird Die Diode und der Eingangswiderstand des Voltmeters ändern sich.

Welche Schlussfolgerung ergibt sich aus diesem Experiment? Die Diode ist in der Lage, die Last vor versehentlichem Anlegen einer Spannung mit umgekehrter Polarität zu schützen. Vor vielen Jahren haben Funkamateure bei manchen Konstruktionen, insbesondere bei kleinen Transistorradios, eine Diode in den Stromkreis eingebaut. Dadurch konnten Störungen (Ausfälle von Transistoren) bei falschem Anschluss der Stromversorgung vermieden werden. Ein solcher Schutz kann von Ihnen in verschiedenen Entwicklungen genutzt werden.

Es stellt sich jedoch die Frage: Warum findet man in modernen Designs keinen solchen Schutz? Zur Beantwortung hilft ein Experiment, für das Sie eine 4,5-V-Batterie, eine Diode (Germanium und Silizium) und zwei Voltmeter benötigen (Abb. 2, b). Das Voltmeter PV1 regelt die Spannung der Stromversorgung und PV2 – die Spannung an der Last, die durch die Diode geschützt wird. Solange der Lastwiderstand (in diesem Fall der Eingangswiderstand des Voltmeters) hoch ist, fließt wenig Strom durch die Germaniumdiode und es fällt praktisch kein Spannungsabfall an ihr an. Die Voltmeter zeigen dasselbe an.

Schließen Sie einen Konstantwiderstand mit einem Widerstand von 2 kOhm parallel zum PV1-Voltmeter an – die Voltmeternadel zeichnet einen Spannungsabfall an der Last auf. Und wenn Sie einen Widerstand mit einem Widerstandswert von 430 Ohm anschließen, wird die Spannung aufgrund der größeren Durchlassspannung an der Diode noch geringer.

Wenn Sie anstelle von VD1 eine Siliziumdiode einsetzen, ist die Spannung am Voltmeter PV2 geringer als an PV1, auch ohne angeschlossenen Widerstand. Es ist nicht schwer, dies zu erklären, wenn wir die Eigenschaften von Dioden vergleichen (siehe Abb. 1). Bei gleichem, selbst schwachem Durchlassstrom ist die Durchlassspannung einer Germaniumdiode geringer als die einer Siliziumdiode. Das Anschließen des Widerstands führt zu einer Erhöhung der Durchlassspannung der Diode und damit zu einer Verringerung der Spannung an der Last.

Zwar überschreitet die Durchlassspannung 1 V nicht, wobei der Durchlassstrom durch die Siliziumdiode der KD105-Serie auf bis zu 300 mA ansteigt (für D9 - von 10 bis 90 mA, abhängig vom jeweiligen Diodentyp). Und doch ist sein Verlust, wenn die Struktur mit einer Spannung von 9 betrieben wird; 4,5 und vor allem 3 V machen sich bemerkbar. Aus diesem Grund hat diese Schutzmethode keine breite Anwendung gefunden.

In der Amateurfunkpraxis kann es erforderlich sein, die Eingangskreise von Geräten, die mit Kleinsignalen arbeiten, vor unbeabsichtigter Überspannung zu schützen. In solchen Fällen müssen wir uns an die Siliziumdiode erinnern, die erst ab einer bestimmten Spannung beginnt, Strom zu leiten. Tatsächlich verläuft der Anfangsabschnitt seiner Charakteristik nach entlang der horizontalen Achse. Diese Eigenschaft der Diode wird genutzt, um sie als Element des elektronischen Schutzes zu betreiben.

Dafür sorgt das Experiment (Abb. 2, c), wozu neben einer Siliziumdiode, Konstant- und Regelwiderständen eine 3336-Batterie, ein Schalter und ein Gleichvoltmeter mit einem Messbereich von beispielsweise Es werden 3 V (Ts20 Avometer) benötigt.

Nachdem zunächst der Motor des variablen Widerstands R1 gemäß Diagramm in die untere Position gebracht wurde, wird die Versorgungsspannung über den Schalter SA1 zugeführt. Durch sanftes Bewegen des Widerstandsschiebers nach oben beobachtet man einen sanften Anstieg der Spannung an der Diode durch die Abweichung der Voltmeternadel. Bei einer Spannung von ca. 0,6 V beginnt der Spannungsanstieg am Voltmeter abzunehmen, und bald stoppt der Pfeil des Geräts praktisch (bei einer Spannung von ca. 0,7 ... 0,8 V) und bleibt in diesem Zustand, auch wenn der Der Stellwiderstandsschieber befindet sich gemäß Positionsdiagramm oben, d. h. am Schutzgerät liegen 4,5 V an.

Was ist passiert? Bis zu einer bestimmten Spannung war die Diode geschlossen und das Voltmeter maß die vom Motor mit variablem Widerstand abgenommene Spannung. Und dann begann die Diode zu öffnen und das Voltmeter zu überbrücken, das in diesem Fall den geschützten Stromkreis imitiert. Mit zunehmender Spannung nahm der Strom durch die Diode zu, was bedeutete, dass auch ihre Nebenschlusswirkung zunahm. Bald öffnete die Diode so stark, dass sie das Voltmeter vollständig überbrückte. Die Spannung an der Diode bleibt trotz Änderungen der externen Spannung (vom Motor mit variablem Widerstand) aufgrund des übermäßigen Spannungsabfalls am Widerstand R2 stabil.

In diesem Fall schützt die Diode vor einem unbeabsichtigten Spannungsanstieg einer bestimmten Polarität. Wenn Sie den Stromkreis vor Spannungsspitzen unterschiedlicher Polarität schützen müssen, schalten Sie zwei Dioden parallel – eine in Durchlassrichtung und die andere in Gegenrichtung.

Möglicherweise ist ein Schutz erforderlich, der bei einer höheren Spannung „auslöst“, als eine einzelne Diode liefert. Dann setzen sie zwei oder mehr in Reihe geschaltete Dioden ein (Abb. 2, d). Testen Sie es mit dieser Option und überzeugen Sie sich selbst.

Helligkeits Kontrolle. Wie Sie wissen, verwendet die flache Taschenlampe eine 3336-V-4,5-Batterie und eine 3,5-V-Lampe. Wenn die Batterie frisch ist, ist die Lampe sehr hell. Bei Bedarf kann die Helligkeit etwas reduziert werden, indem man eine Siliziumdiode VD1 und einen zusätzlichen Schalter SA1 in seinen Stromkreis einbaut (Abb. 3, a). Montieren Sie diesen Knoten auf einem Steckbrett und sehen Sie, wie es funktioniert.

Bei geschlossenen Schaltkontakten ist die Helligkeit der EL1-Lampe am höchsten. Es lohnt sich, den Schalter auf die Position offene Kontakte zu stellen, da die Diode in Betrieb geht. Eine Durchlassspannung an ihr verringert die Spannung an der Lampe und ihre Helligkeit nimmt ab.

Eine Diode arbeitet effizienter in einem Wechselstromkreis (Abb. 3, b), der beispielsweise von einer Nachtlampe mit Strom versorgt werden kann. Hier kommt es beim Öffnen der Kontakte des SA1-Schalters zu einem stärkeren Spannungsabfall (Durchschnittsspannung) an der Lampe aufgrund der Manifestation der Eigenschaft der Diode, Strom in eine Richtung zu leiten, in diesem Fall nur mit Plus Halbwellen der Wechselspannung an der Anode der Diode.

Der Transformator sollte so gewählt werden, dass die Spannung an der Wicklung II die Spannung, für die die Glühlampe ausgelegt ist, nicht überschreitet.

Kontrollleuchten an zwei Drähten. Was ist, wenn Sie zwei Lampen separat einschalten müssen, die sich in einiger Entfernung vom Schalter befinden und nur über eine Zweidrahtleitung mit diesem verbunden sind? Denken Sie in diesem Fall an die Diode.

Wenn die Leitung mit Gleichstrom versorgt wird (Abb. 4, a), werden zwei Dioden benötigt – jede von ihnen ist an den Stromkreis ihrer „eigenen“ Lampe angeschlossen, jedoch in unterschiedlichen Richtungen: eine in Vorwärtsrichtung, die andere in Rückwärtsrichtung. Befindet sich der Schalter SA1 in der im Diagramm dargestellten Stellung, fließt der Strom durch die Diode VD1 und die Lampe EL1 – sie leuchtet. Wenn der Schalter auf eine andere Position gestellt wird, fließt der Strom nur durch die VD2-Diode und die EL2-Lampe. Die Lampe EL1 erlischt und EL2 leuchtet auf.

Wenn die Verkabelung mit Wechselstrom betrieben wird, kann auf zwei Dioden nicht verzichtet werden, da jede von ihnen zwar in ihrer „eigenen“ Halbwelle arbeitet, die Lampen jedoch gleichzeitig blinken. Daher müssen Sie zwei weitere Dioden hinzufügen (Abb. 4, b) und jeweils einen separaten Schalter in den Stromkreis einbauen.

Um die EL1-Lampe anzuzünden, müssen Sie die Kontakte des SA2-Schalters schließen und nur die EL2-Lampe zünden – den SA2-Schalter. Wenn die Kontakte beider Schalter geschlossen sind, leuchten alle Lampen. Einfach und bequem.

Zwar leuchten die Lampen halbherzig, da der Strom durch jede von ihnen nur während einer Halbwelle der Wechselspannung an der Sekundärwicklung des Transformators T1 fließt. Um die gleiche Helligkeit der Beleuchtung aufrechtzuerhalten (wie bei einem direkten Anschluss der Lampe an den Transformator), kann die Verwendung von Lampen mit höherer Leistung empfohlen werden.

Spannungsverdoppler. Das Gerät, dessen Schema in Abb. dargestellt ist. 5, a, - Einweggleichrichter. Die konstante Spannung U1 am Kondensator C1 übersteigt die vom Wechselstromvoltmeter an der Sekundärwicklung des Transformators gemessene Wechselspannung um etwa das 1,4-fache, entspricht also dem Amplitudenwert der Halbwelle der Wechselsinuskurve Stromspannung.

Es ist nicht schwierig, die konstante Spannung am Gleichrichterausgang (Abb. 5b) durch Hinzufügen einer weiteren Diode (\/02) und eines Kondensators (C2) nahezu zu verdoppeln. Jetzt erhält man einen Gleichrichter, der mit beiden Halbwellen der Wechselspannung arbeitet. Bei positiven Halbwellen wird der Kondensator C1 am oberen Anschluss der Wicklung II des Transformators gemäß dem Schema aufgeladen, bei negativen Halbwellen C2. Da die Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, addieren sich die Spannungen an ihnen (U1 und U2) und die Endspannung (U3) ist doppelt so hoch wie an jedem der Kondensatoren. Daher wird ein solcher Gleichrichter als Spannungsverdoppelungsgleichrichter bezeichnet. Es wird in Fällen implementiert, in denen der Abwärtstransformator nur eine Sekundärwicklung hat.

Für das Experiment ist jeder Abwärtsnetzwerktransformator mit einer Spannung an der Sekundärwicklung von 6 ... 10 V geeignet. Dioden können zusätzlich zu den im Diagramm angegebenen Dioden jeder Gleichrichter, Silizium oder Germanium (sogar jeder von) sein die D9-Serie reicht aus). Kondensatoren – beliebige Oxide mit einer Kapazität von mindestens 10 Mikrofarad pro Nennspannung von mindestens dem Doppelten der Wechselspannung an der Sekundärwicklung des Transformators.

Diodensonde. Wie kann man die Enden einer zweiadrigen Kommunikationsleitung bestimmen, die beispielsweise zwischen zwei Räumen einer Wohnung verlegt wird?

Natürlich wird man hier kein Ohmmeter verwenden, da die Länge seiner Sonden nicht ausreicht. Die Diode kommt wieder zur Rettung (Abb. 6). Es wird an die Enden der Leitungsdrähte angeschlossen (es kann durch einen zu einer Kugel zusammengefassten Zweidraht-Netzwerkdraht simuliert werden) im selben Raum und markiert den Draht, an den die Anode der Diode angeschlossen ist. Im anderen Raum sind an die Enden der Drähte, zuerst in der einen und dann in der anderen Polarität, die Sonden XP1 und XP2 des Signalgeräts angeschlossen, das aus einer 3336-Batterie und einer Glühlampe für eine Spannung von 3,5 V besteht.

Bei einer der Anschlussmöglichkeiten blinkt die Lampe, was den Stromfluss durch die Kommunikationsleitung und die Diode anzeigt. Und dies wiederum ermöglicht den Nachweis, dass die Enden, an die die Anode der Diode und der Pluspolkreis der Batterie angeschlossen sind, zum selben Kabel gehören.

Die Diode für das Experiment kann eine beliebige Silizium- oder Germaniumdiode sein, die für den Durchgang eines Stroms ausgelegt ist, der den Strom einer Glühlampe übersteigt.

Autor: V.Polyakov, Moskau

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