VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Что такое диодный мост?
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение:
Нам часто говорят, что мы живем в веке технического прогресса. В каждом доме есть много электрических приборов, которые помогают нам выполнять домашнюю работу. Рассматривая внешний вид некоторых приборов, я заметил, что они имеют блоки питания. Я узнал, что учёные долго спорили о том , какой ток использовать : постоянный или переменный. И пришли к выводу, что каждый из них нужен и важен одинаково для разных задач. Так от переменного тока не работают устройства, созданные для постоянного тока. А от постоянного тока не работают устройства, созданные для переменного тока.
Таким образом все электроприборы можно поделить на две категории потребления электрического тока:
приборы большого потребления электрического тока: холодильник, св печ, стиральная машина-автомат, обогреватель и другие
Приборы низкого потребления электрического тока: магнитофон, видео камера, фотоаппарат, инбулайзерный ингалятор и др.
Напряжение их питания составляет от 4 до 14 до 4 Вольт. Самым распространённым является 5 Вольт. Но все они питаются от бытовой электрической сети.
А ведь в обычной розетке переменное напряжение 220 Вольт с частотой 50 Герц!
Таким образом возник вопрос, с помощью какого устройства преобразуется напряжение электрического тока из 220 в 4-5 V.
2. Гипотеза, цель работы, задачи, объект исследования.
Гипотеза исследования – возможность создания устройства для питания маломощных устройств от сети переменного тока в домашних условиях
Объект исследования: устройство преобразования переменного тока в постоянный.
Цель:Создать устройство, которое преобразует электрический ток из переменного в постоянный.
Задачи
Изучить природу электрического тока.
Анализ процессов в схеме выпрямительного диодного моста.
3. Исследование осциллограмм входного и выходного напряжения для выпрямительного моста.
3. Собрать диодный мост в домашних условиях
4. Проверить его работу
Что такое диодный мост, история создания и его устройство
Одним из базовых элементов в современной электронике является диод. Он используется в схемах, где необходимо выпрямление переменного тока, и применяется практически во всех бытовых приборах. Найти его можно в телевизоре, компьютере, холодильнике, магнитофоне и т.д. Так же он широко используется в промышленной электронике, входит в состав схем, управляющих технологическими процессами. Мощные силовые диоды используются в полууправляемых тиристорных преобразователях. На базе диода собрана так называемая схема Гертца, которая получила название диодный мост. Соединение диодов по мостовой схеме позволило выпрямлять переменное напряжение и преобразовывать его в пульсирующее, которое потом можно стабилизировать и выпрямить с помощью схем стабилизации напряжения и конденсаторов. В результате на выходе такого прибора можно получить постоянное напряжение. Во времена Лео Гертца использовать диодный мост было проблематично, так как диоды в то время были ламповые. Ставить на выпрямление переменного тока сразу четыре лампы было, по крайней мере, непрактично, в то время они были очень дорогими. Ситуация сильно изменилась с появлением полупроводниковых приборов, они гораздо компактнее и дешевле.
Дио́дный мо́ст — электрическая схема, предназначенная для преобразования («выпрямления») переменного тока в пульсирующий. Такое выпрямление называется двухполупериодным[1].
Схемы однофазного моста Гретца итрёхфазного выпрямителя Ларионова на трёх параллельных полумостах
Выпрями́тель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток .
Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.
Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором.
Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).
Двухполупериодное выпрямление с помощью моста (по сравнению с однополупериодным) позволяет:
получить на выходе напряжение с повышенной частотой пульсаций, которое проще сгладить фильтром на конденсаторе
избежать постоянного тока подмагничивания в питающем мост трансформаторе
увеличить его КПД, что позволяет сделать его магнитопровод меньшего сечения.
Недостатки
Происходит двойное падение напряжения по сравнению с однополупериодным выпрямлением (прямое напряжение диода × 2 ≈ 1 В), это иногда нежелательно в низковольтных схемах. Частично этот недостаток может быть преодолен за счет использования диодов Шоттки с малым падением напряжения.
При перегорании одного из диодов схема превращается в однополупериодную, что может быть не замечено вовремя, и в устройстве появится скрытый дефект.
Конструкция
Внешний вид однокорпусных мостов
Мосты могут быть изготовлены из отдельных диодов, и могут быть выполнены в виде монолитной конструкции (диодная сборка).
Монолитная конструкция, как правило, предпочтительнее — она дешевле и меньше по объёму (хотя не всегда той формы, которая требуется). Диоды в ней подобраны на заводе и наверняка имеют одинаковые параметры и при работе находятся в одинаковом тепловом режиме. Сборку проще монтировать.
В монолитной конструкции при выходе из строя одного диода приходится менять весь монолит. В конструкции из отдельных диодов может меняться только один диод. Какую конструкцию применить решает конструктор, в зависимости от назначения устройства.
Собрать диодный мост можно и самому, например, для собственной домашней лаборатории. Для этого подбираем четыре диода с допустимым обратным напряжением 400-500 Вольт. Катоды одной пары диодов соединяем вместе - это будет плюсовой вывод моста. Аноды второй пары также соединяем вместе – это, соответственно, минусовой вывод. Теперь объединяем две пары в мостовую схему, на оставшиеся два вывода можно подавать переменное напряжение. На выходе диодного моста запаиваем полярный конденсатор и параллельно ему - разрядное сопротивление. Получился диодный мост, который можно вмонтировать в рабочий стол и подсоединить через переменное высокоомное сопротивление к питающей сети. Выходное напряжение такого устройства будет регулироваться от нуля и до величины амплитудного значения питающей сети, что очень удобно для питания маломощных схем в процессе наладки или для создания опорного напряжения. Также мостовая схема применяется в автомобиле, здесь используется так называемый диодный мост генератора. Он служит для преобразования переменного напряжения, которое вырабатывает генератор, в постоянное напряжение, которое используется во всех устройствах автомобиля. Постоянное напряжение также необходимо для подзарядки автомобильного аккумулятора. Выход из строя даже одного элемента диодного моста приводит к нестабильной работе всей схемы. Для сварки постоянным током также необходимо использование диодного моста. В этом случае применяют диоды большей мощности, чем в автомобиле, и с большим допустимым значением обратного напряжения. Диодный мост для сварочного аппарата можно собрать самостоятельно, используя мощные диоды. Класс диодов выбирается в зависимости от питающего напряжения, получаемого со сварочного трансформатора.
Создание диодного моста
Существует принципиально два разных типа блоков питания: импульсный блок питания и классический трансформаторный блок питания
Мы решили сами собрать трансформаторный блок питания.
Наша работа проходила в 3 этапа.
На первом этапе, я изучил природу полупроводников, свойства электрического тока, что такое диод и диодный мост –выпрямитель. Для изучения мне понадобились книги по физике, видеоматериалы по этой теме найденные в Интернете. По составленным схемам я собирал простые электрические цепи.
Так же я рассматривал в мастерской конденсаторы, диоды, трансформаторы. Мне объясняли, как они работают, и что диоды настоящие волшебники, без них нет ни одного устройства электроники.
После изучения теоретического материала мы приступили ко второму этапу нашей работы: сборке необходимых электронных элементов для создания диодного моста – выпрямителя
Для этого нам понадобятся: понижающий трансформатор с 220 до 14 Вольт, 4 диода марки Д7Ж (для маломощных потребителей), конденсатор : С1 10 мкФ, 50 Вольт, соединительные провода и схема диодного моста выпрямителя.
В нашей схеме одним из главных элементов является диодныймост.
Он имеет пропустимость в одну сторону. Анодом называют положительный вывод катодом отрицательный вывод
Подобрав четыре диода с допустимым обратным напряжением 400-500 Вольт. Катоды одной пары диодов соединяем вместе - это будет минусовой вывод моста. Аноды второй пары также соединяем вместе – это, плюсовой вывод. Теперь объединяем две пары в мостовую схему, на оставшиеся два вывода можно подавать переменное напряжение. Получился диодный мост, который можно использовать для выпрямления переменного тока от трансформатора.
Таким образом, собрав цепь из трансформатора, диодного моста выпрямителя и конденсатора, мы смогли безопасно подключить прибор к основному источнику питания мощностью 220 вольт.
Измерив тестером напряжение на выходе, мы убедились что цепь имеет напряжение 12 вольт.
Теперь с помощью соединительных проводов мы можем подключать маломощные электроприборы, низковольтные лампы и другие потребители требующие питания постоянным токов в 12 Вольт..
Заключение:
На третьем этапе нашего исследования мы проанализировали нашу работу, выявили ошибки при диагностике устройства, и сделали следующие выводы:
приборам с низким потреблением напряжения требуется дополнительное устройство для понижения и выпрямления переменного тока;
Собрать трансформаторный блок питания можно и самому, например, для собственной домашней лаборатории.
несмотря на активное внедрение в электронику микросхем, которые заменили многие объемные электронные устройства, диодный мост продолжает существовать как универсальный способ преобразования переменного тока в постоянный.
Список использованных источников и литературы.
1.http://fb.ru/article/58090/dlya-chego-nujen-diodnyiy-most
2. Физика с основами электротехники Аркадий Пинский, Григорий Граковский , УлГТУ, 2012
3.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B9%D0%BD%D0%B0_%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%B2
4.Головин П.П. Школьный физико-технический кружок: кн. Для учителя: Из опыта работы/ под ред. Б.М. Игошева. – М.: Просвещение, 1991. – 159 с.