Выпрямитель — это устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное. Это один из самых распространенных компонентов в электротехнических изделиях, от фенов для волос до всех типов источников питания с постоянным выходным напряжением. Существуют различные схемы выпрямителей, каждая из которых в той или иной степени выполняет свою задачу. В этой статье мы расскажем, как сделать однофазный выпрямитель и зачем он нужен.
Определение
Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный». Термин «прямой» не совсем корректен; дело в том, что в цепи синусоидального переменного напряжения выход выпрямителя в любом случае представляет собой нестабильное пульсирующее напряжение. Проще говоря: знак остается тем же, но амплитуда другая.
Существует два типа выпрямителей:
- Однополупериодный выпрямитель. Он выпрямляет только одну полуволну входного напряжения. Характеризуется высокой пульсацией и низкой относительно входного напряжения.
- Двойной полуцикловой выпрямитель. Выпрямляет две полуволны соответствующим образом. Более низкие пульсации и более высокое напряжение, чем на входе выпрямителя, — вот две основные характеристики.
Что означают стабильные и нестабильные напряжения?
Стабильное напряжение означает, что величина напряжения не изменяется, независимо от пикового значения нагрузки или входного напряжения. Это особенно важно для трансформаторных источников питания, поскольку выходное напряжение зависит от входного напряжения и изменяется в зависимости от входного напряжения на K переходов.
Нестабильное напряжение — изменяется в зависимости от скачков напряжения и характеристик нагрузки. При таком блоке питания существует риск, что подключенные приборы выйдут из строя или не будут работать вообще, выйдут из строя из-за провисания.
Выходное напряжение
Основными величинами переменного напряжения являются амплитуда и среднеквадратичное значение. Когда люди говорят «блок питания 220 В переменного тока», они имеют в виду эффективное напряжение.
Когда говорят о значении амплитуды, имеют в виду, сколько вольт от нуля до верхней полуточки синусоидальной волны.
Если отбросить теорию и некоторые формулы, можно сказать, что эффективное напряжение в 1,41 раза больше амплитудного напряжения. Или.
Ua = Ud*√2
Амплитудное напряжение в цепи 220 В составляет.
220*1.41=310
Схема.
Проще говоря, в этой схеме половина входного напряжения поступает на нагрузку. Однако это не совсем верно.
Схема с двойным полуциклом передает обе половины входного напряжения на нагрузку. Значение амплитуды напряжения упоминалось в статье выше, поэтому напряжение на выходе выпрямителя также меньше по амплитуде, чем действующее переменное напряжение на входе.
Однако если вы используете конденсатор для сглаживания пульсаций, то чем меньше пульсации, тем ближе напряжение будет к амплитудному напряжению.
Сглаживание пульсаций мы обсудим позже. Теперь давайте рассмотрим схему диодного моста.
Их два.
1. выпрямитель или диодный мост в схеме Гретца.
2. выпрямитель со средней точкой.
Первая схема является более распространенной. Он состоит из диодного моста — четырех диодов квадратной формы, к плечам которых подключена нагрузка. Мостовой выпрямитель собран в соответствии с приведенной ниже схемой.
Его можно подключить непосредственно к сети 220 В, как это делают современные импульсные блоки питания, или к вторичной обмотке сетевого (50 Гц) трансформатора. Диодный мост по этой схеме можно собрать из дискретных (отдельных) диодов или использовать готовую сборку диодного моста в коробке.
Вторая схема, выпрямитель средней точки, не может быть подключена непосредственно к сети. Имеет смысл использовать трансформатор, отключаемый от средней точки.
По сути, это два однополупериодных выпрямителя, подключенных к концам вторичной обмотки, с нагрузкой, подключенной одним контактом к точке подключения диода, а другим — к отводу средней обмотки.
По сравнению с первой схемой, ее преимущество в том, что количество полупроводниковых диодов меньше. Его недостатком является использование трансформатора средней точки, или также известного как ответвительный трансформатор. Этот тип трансформатора менее распространен, чем обычный трансформатор без ответвления вторичной обмотки.
Плавная пульсация
Пульсирующее напряжение неприемлемо для некоторых потребителей, например, источников света и аудиоаппаратуры. Кроме того, допустимая оптическая пульсация определяется национальными и отраслевыми нормами.
Для сглаживания пульсаций используются фильтры — конденсаторы, установленные параллельно, LC-фильтры, различные U- и G-фильтры ……..
Однако наиболее распространенным и простым вариантом является конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Его недостаток заключается в том, что для снижения пульсаций в очень мощных нагрузках необходимо устанавливать конденсаторы очень большой емкости — десятки тысяч микрофарад.
Принцип работы заключается в том, что конденсатор заряжается, его напряжение достигает амплитуды, а напряжение питания начинает падать после точки максимальной амплитуды, с этого момента нагрузка питается от конденсатора. Конденсатор разряжается в соответствии с сопротивлением нагрузки (или ее эквивалентным сопротивлением, если это не сопротивление). Чем выше емкость конденсатора, тем меньше пульсации по сравнению с конденсатором с меньшей емкостью, подключенным к той же нагрузке.
Проще говоря: чем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации.
Скорость разряда конденсатора зависит от тока, потребляемого нагрузкой. Это можно определить с помощью формулы постоянной времени.
t = RC.
где R — сопротивление нагрузки, а C — емкость сглаживающего конденсатора.
Таким образом, от полностью заряженного состояния до полностью разряженного конденсатор разрядится за 3-5 т. Если он заряжается через резистор, он заряжается с той же скоростью, поэтому в нашем случае это не имеет значения.
Из этого следует, что для достижения приемлемого уровня пульсаций (который определяется требованиями нагрузки к источнику питания) необходим конденсатор, способный разрядиться за время, во много раз превышающее t. Поскольку большинство нагрузок имеют относительно низкое сопротивление и поэтому требуют большого конденсатора, электролитические конденсаторы, также известные как поляризованные или поляризационные конденсаторы, используются для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя.
Обратите внимание, что крайне недопустимо перепутать полярность электролитического конденсатора, так как это может привести к поломке или даже взрыву. Современные конденсаторы защищены от взрыва — они имеют крестообразную выемку в верхней крышке, где корпус просто раскалывается. Но из конденсатора выходит дым; нехорошо, если он попадет вам в глаза.
Конденсаторы рассчитываются исходя из того, какой коэффициент пульсаций вам необходимо обеспечить. Проще говоря, коэффициент пульсации представляет собой процент падения напряжения (пульсации).
Для расчета емкости сглаживающего конденсатора можно воспользоваться приблизительной формулой.
C = 3200*In/Un*Kp.
Где In — ток нагрузки, Un — напряжение нагрузки, а Kp — коэффициент пульсации.
Для большинства типов оборудования принимайте коэффициент пульсации 0,01-0,001. Также рекомендуется установить керамический конденсатор максимально возможной емкости для фильтрации высокочастотных помех.
Как сделать блок питания своими руками?
Простейший источник питания постоянного тока состоит из трех элементов.
1. трансформатор.
2. диодный мост.
3. конденсатор.
Если требуется высокое напряжение и не нужна гальваническая развязка, можно не использовать трансформатор, и тогда вы получите постоянное напряжение до 300-310 В. Такая схема находится на входе импульсного источника питания, например, такого, как в вашем компьютере. Недавно мы написали о них большую статью «Как работают компьютерные блоки питания».
Это нестабильный источник питания постоянного тока со сглаживающим конденсатором. Его выходное напряжение больше, чем вторичное напряжение переменного тока. Это означает, что если у вас трансформатор 220/12 (первичная обмотка 220 В, а вторичная 12 В), то на выходе вы получите 15-17 В постоянного тока. это значение зависит от емкости сглаживающего конденсатора. Схема может быть использована для питания любой нагрузки, если ей не важно, что напряжение может «плавать» при изменении основного напряжения.
Важно.
Конденсаторы имеют две основные характеристики — емкость и напряжение. Мы выяснили, как выбрать емкость, но не напряжение. Напряжение на конденсаторе должно превышать амплитудное напряжение на выходе выпрямителя как минимум в два раза. Если фактическое напряжение на выводах конденсатора превышает номинальное, существует высокая вероятность его выхода из строя.
Старые советские конденсаторы имели хороший запас по напряжению, но сейчас все используют дешевые электролиты из Китая, которые в лучшем случае имеют небольшой запас, а в худшем не держат даже указанное номинальное напряжение. Поэтому не экономьте на надежности.
Регулируемый источник питания отличается от первого только наличием стабилизатора напряжения (или тока). Самый простой вариант — использовать L78xx или другой линейный регулятор, например, отечественный КПЕН.
Таким образом можно получить любое напряжение, единственное условие при использовании такого стабилизатора — напряжение перед стабилизатором должно быть как минимум на 1,5 В больше, чем стабилизированное (выходное) значение. рассмотрим, что написано в даташите на 12-вольтовый регулятор L7812.
Входное напряжение не должно превышать 35 В для стабилизатора от 5 до 12 В и 40 В для стабилизатора от 20 до 24 В.
Входное напряжение должно быть на 2-2,5 В выше выходного напряжения.
Полная версия технического паспорта доступна на сайте https://www.jameco.com/Jameco/Products/ProdDS/889305.pdf.
Это означает, что для 12 В постоянного тока при использовании AVR серии L7812 напряжение выпрямления должно быть между 14,5 и 35 В, чтобы избежать просадки, поэтому идеальным вариантом будет трансформатор с вторичной обмоткой 12 В.
Однако выходной ток не очень велик, всего 1,5 А, и может быть увеличен с помощью транзистора включения-выключения. Если у вас транзисторы PNP, вы можете использовать эту схему.
Здесь показаны только соединения линейного регулятора, «левая» часть схемы с трансформатором и выпрямителем опущена.
Если у вас есть NPN-транзистор типа KT803/KT805/KT808, то он будет работать.
Обратите внимание, что во второй схеме выходное напряжение будет на 0,6 В ниже напряжения стабилизации — это падение напряжения на переходе эмиттер-база, которое более подробно описано в нашей статье о биполярных транзисторах. Чтобы компенсировать это падение, в схему вводится диод D1.
Вы также можете установить два линейных регулятора параллельно, но это не обязательно! Из-за возможных производственных отклонений нагрузка будет распределяться неравномерно, и в результате один из них может перегореть.
Установите оба транзистора и AVR на теплоотвод, желательно на отдельные теплоотводы. Они становятся очень горячими.
Регулируемые источники питания
Простейший регулируемый источник питания можно сделать с помощью регулируемого линейного регулятора LM317, который также может потреблять до 1,5 А. Вы можете усилить эту схему с помощью транзисторов включения-выключения, описанных выше.
Вот более наглядная схема для сборки регулируемого источника питания.
Для получения большего тока можно также использовать более мощный регулятор LM350.
Последние две цепи имеют индикацию включения, показывающую наличие напряжения на выходе диодного моста, выключатель 220 В и первичный предохранитель.
Вот пример регулируемого зарядного устройства с тиристорным регулятором в первичной обмотке, по сути, тот же регулируемый источник питания.
Кстати, сварочный ток регулируется по аналогичной схеме.
Мы уже упоминали об этом в предыдущей статье: Как сделать простой регулятор тока для сварочного трансформатора
Подводя итог
Выпрямитель используется в источниках питания для преобразования постоянного тока из переменного. Без него вы не сможете питать нагрузки постоянного тока, такие как светодиодные ленты или радиоприемники.
Также используется в различных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, существует множество схем, в которых используются трансформаторы с набором выводов в первичной обмотке, переключаемых галетным переключателем, и только диодным мостом во вторичной обмотке. Выключатель устанавливается на стороне высокого напряжения, так как ток там в несколько раз меньше, и в результате контакты не сгорают.
Вы можете использовать приведенные в этой статье схемы для сборки простого источника питания для продолжительной работы с вашим оборудованием и для тестирования ваших электронных самоделок.
Эти решения не очень эффективны, но они дают стабильное напряжение без сильных пульсаций, при этом следует проверить емкость конденсаторов и произвести расчеты для конкретной нагрузки. Они отлично подходят для маломощных аудиоусилителей и не создают дополнительного фона. Регулируемые источники питания очень полезны для автолюбителей и электриков, тестирующих реле регулятора напряжения генератора переменного тока.
Регулируемые источники питания используются во всех областях электроники, а если дополнить его защитой от короткого замыкания или регулятором тока на двух транзисторах, то можно получить практически полноценный лабораторный источник питания.
