Почему не выпрямляет диод?

Этот вопрос поставил меня поначалу в тупик. Схема, которую я получил в готовом виде вместе с вопросом, на первый взгляд выглядела привычно, а симуляция процесса явно демонстрировала отсутствие выпрямления. И схема и симуляция были сделаны в другой программе, но как это выглядело, я проиллюстрирую в программе Proteus. Верхняя схема относится к тому, как я представлял себе схему и результат симуляции, нижняя к тому, что получалось в действительности.

Рис. 2.1. Симуляция выпрямления переменного напряжения 100 Гц

Что поучительного в этих двух схемах? Первая, как можно понять из рисунка, работает от генератора напряжения, тогда как вторая от генератора тока. Разница между этими двумя источниками в том, что первый призван поддерживать напряжение, которое не зависит от сопротивления нагрузки, то есть, иметь очень малое внутреннее сопротивление, а второй должен поддерживать ток, независящий от нагрузки, то есть иметь очень большое внутреннее сопротивление. При этом его напряжение при обратном включении диода (для обратной полу-волны) будет расти так, чтобы обеспечить необходимый ток в нагрузке.

Мне не приходилось собирать стабилизаторы тока для каких-либо своих нужд, и редко приходилось пользоваться стабилизатором в режиме стабилизатора тока, но схемы стабилизатора тока есть, а мне было бы интересно посмотреть, как работает такая схема в Proteus.

Поиск схемы стабилизатора несколько затянулся, мне не хотелось использовать микросхему стабилизатора напряжения, но через несколько минут я нахожу подходящую схему, рисую ее в Proteus, добавляю два прибора для измерения напряжения и тока на

выходе, и начинаю эксперименты.

Рис. 2.2. Эксперименты со схемой стабилизатора тока

Опорное напряжение, формируемое стабилитроном D1 и снимаемое с делителя напряжения на потенциометре RV1 на прямой вход операционного усилителя, сравнивается с падением напряжения на резисторе R1 от тока, практически, равного току в нагрузке R3. Если сопротивление нагрузки изменяется, операционный усилитель изменяет напряжение на выходе так, чтобы вернуть ток в нагрузке к заданному значению.

Сейчас сопротивление нагрузки 10 Ом. Используя возможности программы Proteus, тот факт, что потенциометр интерактивный, я могу задать ток, который мне представляется удобным для последующих опытов. При наведении курсора на точки управления рядом с потенциометром он превращается в плюс в одной из них и в минус в другой. Щелчком по этим точкам можно регулировать положение выходного вывода потенциометра.

Отображение значений на дисплее вольтметра и амперметра при желании можно сделать крупнее. Это приводит к общему укрупнению схемы, но позволяет лучше разобрать детали. Достаточно щелкнуть левой клавишей мышки в нужном месте чертежа, а затем колесиком увеличить или уменьшить масштаб отображения.

Если при этом не получается вернуть общий вид схемы к первоначальному, можно использовать окно панорамирования, слева вверху. Щелчком левой клавиши мышки по этому окну можно вызвать рамку привязки, перемещая эту рамку по общему виду выбрать нужный ракурс, что отображается в окне редактирования схемы, а повторным щелчком зафиксировать это положение.

Рис. 2.3. Выбор тока в нагрузке

Теперь можно увеличить значение резистора нагрузки до 100 Ом или 1 кОм. Я догадываюсь, что никакая программа не отменяет законов электротехники, и возможности регулирующих элементов при питании от 12 вольт отнюдь не безграничны, но попробую сразу увеличить сопротивление нагрузки до 10 кОм. Первое, что приходится при этом сделать, милливольтметр, который показывал напряжение 3.29 мВ, оказывается перегружен, это изменить в свойствах вольтметра его пределы, выбрав Volts. Повторный запуск показывает напряжение на выходе 3.29 В, а ток, как и прежде 0.33 мА.

Как и положено стабилизатору тока, он поддерживает ток в нагрузке заданной величины, хотя сопротивление нагрузки изменилось в 1000 раз. Совсем неплохо.

Начинающий вполне может, используя возможности программы, исследовать эту схему, чтобы понять, как она работает, как влияет каждый из элементов схемы на результаты ее работы. Наиболее очевидное применение схемы — измерение величины сопротивления. Если вместо сопротивления нагрузки R3 включать неизвестное сопротивление, а выходной ток задать удобным образом, например, 1 мА, то измеряя падение напряжения с помощью вольтметра, как это показано на схеме выше, можно по его показаниям прочитать величину измеряемого сопротивления. Для удобства подобного рода измерений можно сделать несколько пределов измерений с помощью переключателя, обеспечивающего разные выходные токи. Программа позволяет провести все предварительные эксперименты, получить, практически, готовое решение, которое останется проверить на макетной плате, при необходимости провести коррекцию элементов схемы, при применении отечественных аналогов может возникнуть необходимость в подобной коррекции, а затем либо собрать схему в окончательном виде, либо развести печатную плату для схемы во второй части

системы с названием Ares.

Такой, вот, пример применения Proteus в любительской практике. Но кроме практического применения программа позволяет ответить на многие вопросы, больше подходящие цели обучения, что несомненно поможет любителю в освоении электроники, особенно если будет сочетаться с проверкой наиболее значимых экспериментов на реальной макетной плате с использованием реальных приборов. Конечно, можно и не использовать программу, но проведение очень большого количества реальных испытаний может привести в уныние даже очень увлеченного и упорного любителя. Всегда полезно разнообразить подходы, поскольку смена обстановки благотворно сказывается на поддержании интереса к предмету.

Особую пользу любитель может извлечь, когда он пытается решить свои задачи при использовании элементов электрической схемы в предельных или близких к ним режимах. Реальные пробы в этом случае требуют либо очень тщательного продумывания, либо способны привести к значительным тратам на покупку деталей, раз за разом выходящих из строя. Обычно схожая ситуация возникает в такие моменты, когда, собрав готовую схему, любитель обнаруживает, что, например, транзистор сильно греется. Это может обнаружиться случайно и не сразу после первых испытаний. Первые быстрые испытания схемы могут обнадеживать: схема хорошо работает, не потребовала настройки. Любитель принимает решение сделать печатную плату, вкладывая много труда и упорства в эту работу. Но, перенеся схему на печатную плату, он включает ее надолго и обнаруживает тревожащие его обстоятельства. Тот факт, что транзистор греется, может не иметь особого значения, если это не сказывается роковым образом на выходных параметрах схемы, если это не приводит к выходу транзистора из строя. Оценить возможные последствия удобнее в программе, где можно не только измерить рассеиваемую транзистором мощность, но и оценить влияние температуры на окружающие его элементы схемы без риска окончательно «доконать» транзистор. Хотя сам транзистор в выбранном режиме может «безболезненно» греться, увеличение, скажем, сопротивления рядом расположенного резистора может приводить в определенных условиях к увеличению мощности рассеивания на транзисторе, а этот лавинообразно происходящий процесс не только расстроить работу схемы, но и вывести ее из строя.

Иногда подобные процесс происходят настолько быстро, что наблюдение их в реальных условиях сопряжено с большими трудностями. Особенно это касается переходных процессов, начинающихся при включении схемы. Сейчас достаточно много устройств с бестрансформаторным питанием. Даже исключая сложности налаживания подобных устройств, связанные с опасностью поражения электрическим током, трудно наблюдать переходные процессы при подключении к сети. Даже в профессиональной разработке учет самых неблагоприятных обстоятельств в этом случае оценивается вероятностью проявления этих самых неблагоприятных обстоятельств, положим, когда при включении схемы напряжение в сети равно амплитудному значению, к которому добавляется импульс помехи. Программа позволяет растянуть время, добавить источник помех и тщательней рассмотреть процесс.

Но даже вне таких случаев, с которыми любитель, видимо, никогда не столкнется, программа позволяет задавать множество вопросов из разряда «А если...», вопросов, которые обычно не приходят в голову или требуют трудоемкого ответа, тогда как многие вопросы, подобные тому, что послужил названием этой главы, позволяют лучше понять многие аспекты работы реальных устройств, а порой становятся базой для новых решений, для создания новых полезных устройств.