Выпрямительный диод — это обратный клапан с пружиной. Вода идёт только от анода к катоду, и только если давление пересилило пружину. Покрутите напряжение, поменяйте полярность и подключите переменный ток — клапан сам отсечёт «минус».
Меняйте напряжение ползунком — вода и клапан на схеме отреагируют сразу.
Напряжение источника U9 В
Амплитуда переменного напряжения Uₘ9 В
Нагрузка R (сужение за диодом) Ом
Какой диод у вас в наборе
Плюс на аноде → вода давит на конус и отжимает его. Плюс на катоде → вода прижимает конус к седлу: клапан закрыт. Если давления меньше 0,7 В, пружина не отпускает клапан.
Для наглядности частота замедлена до 0,5 Гц. В розетке — 50 Гц: клапан щёлкает 50 раз в секунду.
Расчёт цепи
Элемент
Напряжение U
Ток I (расход воды)
Мощность P (тепло)
Состояние
Как это работает
Прямое включение: клапан открыт
Плюс на аноде. Давление сжимает пружину и отодвигает конус, вода течёт к катоду. Диод в этот момент почти как провод, поэтому ток ограничивает только нагрузка: I = (U − 0,7) / R. Без резистора диод сгорит.
Обратное включение: клапан закрыт
Плюс на катоде. Давление камеры прижимает конус к седлу — чем сильнее давит, тем плотнее закрыто. Ток почти нулевой. Диод держит обратное напряжение до предела Uобр, выше — пробой, и клапан срывает.
Пружина — это 0,7 В
Чтобы открыть клапан, давление сначала должно пересилить пружину. У кремниевого диода это ≈ 0,7 В: пока напряжение ниже — тока нет. Эти 0,7 В остаются на диоде и превращаются в тепло: P = 0,7 В · I.
Пропускает одну полуволну
Когда на аноде «плюс» — клапан открыт, вода идёт. Когда «минус» — клапан захлопнут. Нагрузка получает только положительные горбы, отрицательные срезаны. Это однополупериодный выпрямитель.
Ток постоянный, но пульсирует
Направление тока одно, но он то есть, то нет. Среднее напряжение на нагрузке ≈ Uₘ / π (чуть меньше из-за 0,7 В). Чтобы сгладить, ставят конденсатор — бак, который копит воду, пока клапан открыт.
Мост из четырёх диодов
Одного клапана мало — половина энергии теряется. В диодном мосту четыре клапана разворачивают отрицательную полуволну в положительную. Теряется 2 × 0,7 = 1,4 В, зато работают обе полуволны.
Как подбирать диод
1. Ток с запасом ×2
Прямой ток диода в даташите должен быть минимум вдвое больше тока нагрузки. 1N4001–1N4007 тянут 1 А, 1N5408 — 3 А. Греется диод на P = 0,7 В · I.
2. Обратное напряжение
Uобр диода должно быть больше амплитуды, которая на него давит. Сеть 220 В — это амплитуда 311 В, поэтому 1N4001 (50 В) не подойдёт, берите 1N4007 (1000 В). С конденсатором обратное напряжение может доходить до 2·Uₘ.
3. Полоса — это катод
Полоса на корпусе показывает катод — как черта на символе диода. Если впаять диод наоборот, клапан окажется закрыт навстречу потоку, и нагрузка останется без тока.