Полувълнови токоизправители

Днес ще заредим батерията на мобилния си телефон като директно го свържем към контакта. Но проблемът, ако директно го свържеш към контакта, е, че взимаме две жици от батерията и ги свързваме директно към контакта и затваряме ключа, и вероятно телефонът ти ще изгори, понеже напрежението, което получаваш оттук, е много високо. Може би вече научи, че е около 200 волта, но дори ако можеш да решиш проблема с напрежението – може би някак успяхме да намалим напрежението, но дори тогава батерията няма да се зареди. Има голяма вероятност батерията да се развали и причината за това е, понеже токът, който получаваме от контакта, е променлив ток, което означава, че зарядите ще променят посоката си, така че след като са били по часовниковата стрелка, може да започнат да текат обратно на часовниковата стрелка и, като резултат, когато токът тече в една посока, батерията може да бъде заредена, но когато тече в противоположната посока, ще губи заряд – вкарваме заряд, а после го губим и, в крайна сметка, батерията няма да бъде презаредена, може дори да бъде развалена. Така че за да заредим успешно батерията, трябва да направим две неща – първо, трябва да намалим нарежението, но няма да се фокусираме върху това в днешното видео, а второто нещо е да преобразуваме този променлив ток в постоянен ток, насочен в една посока и в това видео ще видим как да направим това. Нека отворим ключа. Първата ни стъпка ще е да намалим напрежението и това се прави чрез използване на уред, който се нарича трансформатор. Може би вече учи за това, може би не, но няма значение, не ни интересува как това работи. Важното е, че намалява напрежението. Не е нужно да мислим много за това. Може би напрежението тук е 200 волта променлив ток, а тук може да получим 5 волта променлив ток, така че този проблем е решен. Не мисли много за това. Но сега идва големият проблем – ако затворим ключа... Нека направя това. Нека затворя ключа и да видим как батерията ни ще бъде развалена. И да приемем, че тези сини точки представляват положителни заряди в жицата. Разбира се, в реалността, движението се извършва от електрони, отрицателните заряди, но тъй като посоката на тока е същата като тази на положителните заряди, да приемем, че някакви положителни заряди се движат в жицата. Това ще изглежда ето така. Това ще направят. Веднъж ще текат по часовниковата стрелка, а после обратно по часовниковата стрелка, по и обратно на часовниковата стрелка – батериите ти биват зареждани и освободени от заряда си. И това трябва да решим. И как да направим това? Едно решение ще е да наемем някого и да поискаме да стои до ключа, да затваря ключа, само когато токът тече по часовниковата стрелка. Може би това искаме, може би тогава батерията се зарежда. Да кажем, че отворим ключа, когато токът опита да тече обратно на часовниковата стрелка. Ако разгледаме нещо такова... Затваряш ключа, когато токът е по часовниковата стрелка и отваряш, когато започне да тече обратно на часовниковата стрелка, чакаш, затваряш, по часовниковата стрелка, отваряш, чакаш, затваряш, отваряш. Лесно, нали? Батерията ще бъде заредена, нямаме проблем, но можеш да видиш, че това не е много практичен метод. Все пак токът се променя 50 пъти в секунда. Никой няма да може да направи това. Само ако имахме начин да автоматизираме това, да имаме някакъв автоматичен ключ, който да позволява на тока да тече само насам, но не и в обратна посока, това ще е страхотно. Но имаме уред, наречен p-n преходен диод. Точно това искаме. Това е нещо, което позволява поток на заряди само в една посока, но блокира тока в противоположна посока. И няма да сме много запознати с този символ за веригата – понякога хората се объркват коя страна е р и коя е n. Помни, тази страна е р, а тази страна е n, но този символ е толкова чудесен, понеже не трябва да мислиш кое е р, кое е n – електроинженерите дори не се интересуват кое е р, кое е n. И това е начинът да мислиш за тези неща. Стрелката тук ни казва, че този диод в тази ориентация позволява поток на заряди нагоре, а не позволява поток на заряди надолу. Дори не трябва да мислим кое е р и кое е n. Ако искаш този диод да провежда, поставяш положителен терминал тук и отрицателен терминал тук, което води до поток на тока насам. Ако поставиш положителен терминал тук и отрицателен тук, токът няма да тече. Мисли за това по този начин, не се замисляй прекалено над p-n. И когато погледнеш този символ за веригата, представи си – искаме токът през батерията да тече надолу, можеш ли да се сетиш как трябва да прикрепим този диод тук? Има две възможности – първо, трябва да го прикрепим ето така или пък ето така. Можеш ли да помислиш как да го прикрепим? Спри видеото за момент и помисли. Добре, да направим това. Тъй като знаем, че токът трябва да е само надолу, искаме токът да тече само в посока по часовниковата стрелка. Това искаме тук. Искаме токът да тече само наляво. Ако ориентираме диода ето така, това няма да свърши работа, понеже този диод ще позволи поток само в противоположната посока, а не искаме това. Искаме диодът да е ето така, защото сега ще позволи на зарядите да текат само в тази посока, наляво, но няма да позволят на зарядите да текат надясно и готово. Сега, ако затворим ключа... Нека направим това, да затворим ключа. Тогава, когато токът опитва да тече по часовниковата стрелка, диодът ни ще провежда и ще го оцветя в зелено – ще провежда ток. Но когато токът опита да тече в противоположна посока, диодът няма да позволи това. Диодът провежда ток, който тече по часовниковата стрелка, а ако опита да тече наобратно, диодът не провежда. И сега успешно сме преобразували променлив ток в постоянен ток и в електрониката този процес се нарича ректификация (токоизправяне) и веригата се нарича токоизправител. Самият диод е токоизправител. Това е нещо, което преобразува променлив в постоянен ток. Забавно е да гледаме това и, между другото, зеленият и червеният цвят са само за нашите практически учебни цели, диодът всъщност не свети. Нека отворим ключа за малко и ще начертаем графика. Графиката ще е токът по вертикалната ос и времето по хоризонталната ос. И може да видиш, че тук има две графики. И в първата графика е токът през веригата без диода, без токоизправител, батерията ти ще се развали. Втората графика ще е с диода. Да махнем диода за момент и да видим как ще изглежда графиката, ако само затвореше веригата тук. Да затворим този ключ. Вече видяхме, че зарядите ще текат и в двете посоки – по часовниковата стрелка, а после обратно на часовниковата стрелка. Как ще изглежда графиката? Това е графика на променлив ток, ще кажем, че по часовниковата стрелка е положителен, а обратно на часовниковата стрелка е отрицателен. В този случай, когато токът тече по часовниковата стрелка, той се увеличава, става максимален, после намалява, стига до нула, а след това започва да тече в обратна посока, става максимален, стига до нула, по часовниковата стрелка, обратно на часовниковата стрелка. И може да познаваш това от преди, това е променлив ток. А сега да видим какво се случва с диода. Представи си, че сега затворим ключа. Как мислиш ще изглежда графиката? Искам да спреш видеото и да помислиш за тази графика самостоятелно. Да видим, по часовниковата стрелка токът провежда, позволява поток на заряди, тече ток, получаваш точно копие на това, което имаше преди, но в посока обратна на часовниковата стрелка диодът не позволява движение, не провежда, така че токът е нула. А при движение по часовниковата стрелка диодът ще провежда и получаваш точно копие на това, което имаше преди. Но при движение обратно на часовниковата стрелка диодът не провежда, така че получаваш ток от 0. И като гледаш формата на вълната, можеш ясно да видиш, че във втория случай токът ще тече само в положителна посока, по часовниковата стрелка, наричаме това нетокоизправен ток, а това е токоизправен ток. Това е токоизправен изходящ ток. Забележи, че токът, който тече тук, когато е поставен диодът, в тази форма на вълната, забележи, веригата е включена само през половината от цикъла. А през другата половина е изключена. Включваме и изключваме. Този токоизправител се нарича полувълнов токоизправител, поради очевидни причини – работи само през положителната половина, половината която ни трябва, и се изключва, когато не ни трябва. Проблемът тук е, че веригата е изключена през половината време, което означава, че ако зареждаш телефона си с този полувълнов токоизправител и, да кажем, на телефона ти му трябват два часа, за да се зареди, това означава, че телефонът се е зареждал само един час, а през оставащия час просто е бил изключен, тоест много време е било пропиляно. Така че, разбира се, трябва да подобрим дизайна си, но схващаш идеята как работи токоизправителят. И едно последно нещо – когато погледна една такава верига, винаги се чудя защо има две жици, които излизат от телефона, всъщносност е само една, нали? Това всъщност е схематичен чертеж. Една по-реалистична верига ще е подобна на тази. Веригата е точно същата като преди, но е била направена по-ефикасна, за да не губиш място, и, забележи, има две жици в едно и те излизат заедно от телефона. И къде мислиш са трансформаторите и диодите? Те са в адаптера, който използваме. Разбира се, в днешно време имаме повече неща, понеже имаме по-добри токоизправители, но всички тези неща са сложени в този малък адаптер и, отново, това е групирано в едно, така че крайните потребители, като теб и мен, да не трябва да мислят за науката зад всичко това, просто го включваме и зареждаме телефоните си. Удивително, нали?