Vedeli ste, že veľa elektrických spotrebičov potrebuje na napájanie jednosmerné elektrické napätie? Napríklad smartfón potrebuje na nabíjanie napríklad 5 V jednosmerných, ale v elektrickej zásuvke, kam je pripájame nabíjačku, je striedavé napätie. Ako teda vyrobíme zo striedavého napätia jednosmerné?

Základnou súčiastkou, ktorá sa na tento účel používa je polovodičová dióda. V tomto cvičení si vyskúšame funkciu polovodičovej diódy ako usmerňovača a pozrieme sa aj na graetzovo zapojenie štyroch diód, ktoré sa v praxi často používa.

Obrázok 1 Pomôcka na demonštráciu funkcie polovodičovej diódy

Obrázok 2 Generátor jednosmerného a striedavého prúdu

Ako na to?

Najprv predstavíme našu pomôcku na obr. 1. Vpravo je detektor smeru prúdu alebo tiež detektor polarity napätia, ktorý tvoria dve proti sebe paralelne zapojené LED diódy. Vždy svieti tá LED, ktorá je zapojená v priepustnom smere. Teda zelená LED svieti, keď je na hornej svorke + a na dolnej -. Červená LED svieti pri opačnej polarite napätia. Vľavo je Graetzovo tzv. mostíkové zapojenie štyroch diód. Diódy na panely sú LED, čiže „svietiace“, takže ak elektrický prúd diódou prechádza, táto dióda bude svietiť. K svorkám na ľavej strane mostíka pripájame striedavý prúd, zo svoriek na pravej strane mostíka odoberáme už usmernené napätie.

Ďalej budeme potrebovať zdroj striedavého prúdu vhodný na napájanie LED. Tento sme si vyrobili zo súčiastok a mikrokontroléra, na ktorom beží riadiaci program napísaný v prostredí Arduino. Jedná sa skutočne o prúdový zdroj, ktorý do obvodu dodáva striedavý prúd s veľkosťou do 20 mA. Vzhľadom na jeho napájacie napätie, dokáže dodávať prúd do maximálne troch až štyroch lediek zapojených v sérii.

Experiment 1

Overíme, že náš generátor vyrába striedavé napätie. Pripojíme generátor na detektor smeru prúdu. Všimli ste si? Striedavo svieti zelená a červená LED, teda smer prúdu sa periodicky mení.

Tlačidlami na generátore môžeme meniť frekvenciu striedavého prúdu  v niekoľkých krokoch od 0,1 Hz po 50 Hz. Práve frekvenciu striedavého prúdu 50 Hz máme v našej elektrickej sieti, na ktorú sú pripojené elektrické zásuvky domácnostiach a tiež aj v škole a ostatných budovách.

Experiment 2

Overíme, ako funguje polovodičová dióda. Medzi generátor a detektor smeru prúdu zaradíme  polovodičovú diódu. Podľa svietenia LED diód detektora si všimnite a opíšte, kedy a ako tečie, resp. netečie prúd teraz. Podarilo sa? Teraz diódu pripojte v opačnom smere – odpojte ju a vymeňte medzi sebou prívodné vodiče k dióde, ako vidíte na obrázku čiarkovanou čiarou. Čo pozorujete? Vysvetlite!

Experiment 3

Preskúmajte a overte činnosť dvojcestného usmerňovača s graetzovým zapojením diód.

Pripojte generátor na vstupné svorky mostíka (zelené svorky úplne vľavo). Na výstupné svorky (na pravej strane mostíka) pripojte detektor smeru prúdu. Podľa svietenia LEDiek na detektore porovnajte, čím sa líši výstupný prúd z jednocestného usmerňovača, pri použití jednej diódy, od výstupného prúdu dvojcestného usmerňovača. Aký rozdiel pozorujete?

Aby sme pochopili ako pracuje dvojcestný usmerňovač, všímajte si, podľa svietenia bielych LED kadiaľ, prechádza prúd v dvojcestnom usmerňovači v každej polperióde striedavého napätia.

Poznámka k elektrickému zapojeniu pomôcky

Každá LED dióda na paneli má z sériovo pripojenú Schottky diódu v rovnakom priepustnom smere. Toto je potrebné kvôli tomu, aby sa LEDky nepoškodili, ak je na ne privedené vyššie napätie opačnej polarity (kedy LEDka nesvieti). Schottky diódy používame aj preto, že majú malý úbytok napätia v priepustnom smere. Tieto diódy sú namontované z opačnej strany panela, takže ich na fotografii panela nevidíme.

Upozornenie. Nikdy nepripájame panel na napätie priamo z batérie či iného zdroja, pretože na paneli nie sú sériové rezistory pred LEDkami a hrozí tak ich zničenie prekročením povoleného prúdu. Používame len náš generátor, ktorý dodáva LEDkám do obvodu prúd správnej veľkosti.