Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока. Есть разные схемы выпрямителей и каждая из них в определённой мере справляется со своей задачей. В этой статье мы расскажем о том, как сделать однофазный выпрямитель, и зачем он нужен.
Определение
Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Слово «постоянный» не совсем корректно, дело в том, что на выходе выпрямителя, в цепи синусоидального переменного напряжения, в любом случае окажется нестабилизированное пульсирующие напряжение. Простыми словами: постоянное по знаку, но изменяющееся по величине.
Различают два типа выпрямителей:
Однополупериодный. Он выпрямляет только одну полуволну входного напряжения. Характерны сильные пульсации и пониженное относительно входного напряжение.
Двухполупериодный. Соответственно, выпрямляется две полуволны. Пульсации ниже, напряжение выше чем на входе выпрямителя – это две основных характеристики.
Что значит стабилизированное и нестабилизированное напряжение?
Стабилизированным называется напряжение, которое не изменяется по величине независимо ни от нагрузки, ни от скачков входного напряжения. Для трансформаторных источников питания это особенно важно, потому что выходное напряжение зависит от входного и отличается от него на Ктрансформации раз.
Нестабилизированное напряжение – изменяется в зависимости от скачков в питающей сети и характеристик нагрузки. С таким блоком питания из-за просадок возможно неправильное функционирование подключенных приборов или их полная неработоспособность и выход из строя.
Выходное напряжение
Основные величины переменного напряжения – амплитудное и действующее значение. Когда говорят «в сети 220В переменки» имеют в виду действующее напряжение.
Если говорят об амплитудной величине, то имеют в виду, сколько вольт от нуля до верхней точки полуволны синусоиды.
Опустив теорию и ряд формул можно сказать, что действующее напряжение в 1.41 раз меньше амплитудного. Или:
Амплитудное напряжение в сети 220В равняется:
Схемы
Однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода. Он просто не пропускает обратную полуволну. На выходе получается напряжение с сильными пульсациями от нуля до амплитудного значения входного напряжения.
Если говорить совсем простым языком, то в этой схеме к нагрузке поступает половина от входного напряжения. Но это не совсем корректно.
Двухполупериодные схемы пропускают к нагрузке обе полуволны от входного. Выше в статье упоминалось об амплитудном значении напряжения, так вот напряжение на выходе выпрямителя то же ниже по величине, чем действующее переменное на входе.
Но, если сгладить пульсации с помощью конденсатора, то, чем меньшими будут пульсации, тем ближе напряжение будет к амплитудному.
О сглаживания пульсаций мы поговорим позже. А сейчас рассмотрим схемы диодных мостов.
1. Выпрямитель по схеме Гретца или диодный мост;
2. Выпрямитель со средней точкой.
Первая схема более распространена. Состоит из диодного моста – четыре диода соединены между собой «квадратом», а в его плечи подключена нагрузка. Выпрямитель типа «мост» собирается по схеме приведенной ниже:
Её можно подключить напрямую к сети 220В, так сделано в современных импульсных блоках питания, или на вторичные обмотки сетевого (50 Гц) трансформатора. Диодные мосты по этой схеме можно собирать из дискретных (отдельных) диодов или использовать готовую сборку диодного моста в едином корпусе.
Вторая схема – выпрямитель со средней точкой не может быть подключена напрямую к сети. Её смысл заключается в использовании трансформатора с отводом от середины.
По своей сути – это два однополупериодных выпрямителя, подключенные к концам вторичной обмотки, нагрузка одним контактом подключается к точке соединения диодов, а вторым – к отводу от середины обмоток.
Её преимуществом перед первой схемой является меньшее количество полупроводниковых диодов. А недостатком – использование трансформатора со средней точкой или, как еще называют, отводом от середины. Они менее распространены чем обычные трансформаторы со вторичной обмоткой без отводов.
Сглаживание пульсаций
Питание пульсирующим напряжением неприемлемо для ряда потребителей, например, источники света и аудиоаппаратура. Тем более, что допустимые пульсации света регламентируются в государственных и отраслевых нормативных документах.
Для сглаживания пульсаций используют фильтры – параллельно установленный конденсатор, LC-фильтр, разнообразные П- и Г-фильтры…
Но самый распространенный и простой вариант – это конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Его недостатком является то, что для снижения пульсаций на очень мощной нагрузке придется устанавливать конденсаторы очень большой емкости – десятки тысяч микрофарад.
Его принцип работы заключается в том, что конденсатор заряжается, его напряжение достигает амплитуды, питающее напряжение после точки максимальной амплитуды начинает снижаться, с этого момента нагрузка питается от конденсатора. Конденсатор разряжается в зависимости от сопротивления нагрузки (или её эквивалентного сопротивления, если она не резистивная). Чем больше емкость конденсатора – тем меньшие будут пульсации, если сравнивать с конденсатором с меньшей емкостью, подключенного к этой же нагрузке.
Простым словами: чем медленнее разряжается конденсатор – тем меньше пульсации.
Скорости разряда конденсатора зависит от потребляемого нагрузкой тока. Её можно определить по формуле постоянной времени:
где R – сопротивление нагрузки, а C – емкость сглаживающего конденсатора.
Таким образом, с полностью заряженного состояния до полностью разряженного конденсатор разрядится за 3-5 t. Заряжается с той же скоростью, если заряд происходит через резистор, поэтому в нашем случае это неважно.
Отсюда следует – чтобы добиться приемлемого уровня пульсаций (он определяется требованиями нагрузки к источнику питания) нужна емкость, которая разрядится за время в разы превышающее t. Так как сопротивления большинства нагрузок сравнительно малы, нужна большая емкость, поэтому в целях сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяют электролитические конденсаторы, их еще называют полярными или поляризованными.
Обратите внимание, что путать полярность электролитического конденсатора крайне не рекомендуется, потому что это чревато его выходом из строя и даже взрывом. Современные конденсаторы защищены от взрыва – у них на верхней крышке есть выштамповка в виде креста, по которой корпус просто треснут. Но из конденсатора выйдет струя дыма, будет плохо, если она попадет вам в глаза.
Расчет емкости ведется исходя из того какой коэффициент пульсаций нужно обеспечить. Если выражаться простым языком, то коэффициентом пульсаций показывает, на какой процент проседает напряжение (пульсирует).
Чтобы посчитать емкость сглаживающего конденсатора можно использовать приближенную формулу:
Где Iн – ток нагрузки, Uн – напряжение нагрузки, Kн – коэффициент пульсаций.
Для большинства типов аппаратуры коэффициент пульсаций берется 0.01-0.001. Дополнительно желательно установить керамический конденсатор как можно большей емкости, для фильтрации от высокочастотных помех.
Как сделать блок питания своими руками?
Простейший блок питания постоянного тока состоит из трёх элементов:
Если нужно получить высокое напряжение, и вы пренебрегаете гальванической развязкой то можно исключить трансформатор из списка, тогда вы получите постоянное напряжение вплоть до 300-310В. Такая схема стоит на входе импульсных блоков питания, например, такого как у вас на компьютере. О них мы недавно писали большую статью – Как устроен компьютерный блок питания.
Это нестабилизированный блок питания постоянного тока со сглаживающим конденсатором. Напряжение на его выходе больше чем переменное напряжение вторичной обмотке. Это значит, что если у вас трансформатор 220/12 (первичная на 220В, а вторичная на 12В), то на выходе вы получите 15-17В постоянки. Эта величина зависит от емкости сглаживающего конденсатора. Эту схему можно использовать для питания любой нагрузки, если для нее неважно, то, что напряжение может «плавать» при изменениях напряжения питающей сети.
У конденсатора две основных характеристики – емкость и напряжение. Как подбирать емкость мы разобрались, а с подбором напряжения – нет. Напряжение конденсатора должно превышать амплитудное напряжение на выходе выпрямителя хотя бы в половину. Если фактическое напряжение на обкладках конденсатора превысит номинальное – велика вероятность его выхода из строя.
Старые советские конденсаторы делались с хорошим запасом по напряжению, но сейчас все используют дешевые электролиты из Китая, где в лучшем случае есть малый запас, а в худшем – и указанного номинального напряжения не выдержит. Поэтому не экономьте на надежности.
Стабилизированный блок питания отличается от предыдущего всего лишь наличием стабилизатора напряжения (или тока). Простейший вариант – использовать L78xx или другие линейные стабилизаторы, типа отечественного КРЕН.
Так вы можете получить любое напряжение, единственное условие при использовании подобных стабилизаторов, это то, напряжение до стабилизатора должно превышать стабилизированную (выходную) величину хотя бы на 1.5В. Рассмотрим, что написано в даташите 12В стабилизатора L7812:
Входное напряжение не должно превышать 35В, для стабилизаторов от 5 до 12В, и 40В для стабилизаторов на 20-24В.
Входное напряжение должно превышать выходное на 2-2.5В.
Т.е. для стабилизированного БП на 12В со стабилизатором серии L7812 нужно, чтобы выпрямленное напряжение лежало в пределах 14.5-35В, чтобы избежать просадок, будет идеальным решением применять трансформатора с вторичной обмоткой на 12В.
Но выходной ток достаточно скромный – всего 1.5А, его можно усилить с помощью проходного транзистора. Если у вас есть PNP-транзисторы, можно использовать эту схему:
На ней изображено только подключение линейного стабилизатора «левая» часть схемы с трансформатором и выпрямителем опущена.
Если у вас есть NPN-транзисторы типа КТ803/КТ805/КТ808, то подойдет эта:
Стоит отметить, что во второй схеме выходное напряжение будет меньше напряжения стабилизации на 0.6В – это падение на переходе эмиттер база, подробнее об этом мы писали в статье о биполярных транзисторах. Для компенсации этого падения в цепь был введен диод D1.
Можно и в параллель установить два линейных стабилизатора, но не нужно! Из-за возможных отклонений при изготовлении нагрузка будет распределяться неравномерно и один из них может из-за этого сгореть.
Установите и транзистор, и линейный стабилизатор на радиатор, желательно на разные радиаторы. Они сильно греются.
Регулируемые блоки питания
Простейший регулируемый блок питания можно сделать с регулируемым линейным стабилизатором LM317, её ток тоже до 1.5 А, вы можете усилить схему проходным транзистором, как было описано выше.
Вот более наглядная схема для сборки регулируемого блока питания.
Чтобы получить больший ток можно и использовать более мощный регулируемый стабилизатор LM350.
В последних двух схемах есть индикация включения, которая показывает наличие напряжения на выходе диодного моста, выключатель 220В, предохранитель первичной обмотки.
Вот пример регулируемого зарядного устройства для аккумулятора с тиристорным регулятором в первичной обмотке, по сути такой же регулируемый блок питания.
Кстати похожей схемой регулируют и сварочный ток:
Заключение
Выпрямитель используется в источниках питания для получения постоянного тока из переменного. Без его участия не получится запитать нагрузку постоянного тока, например светодиодную ленту или радиоприемник.
Также используются в разнообразных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, есть ряд схем с использованием трансформатора с группой отводов от первичной обмотки, которые переключаются галетным переключателем, а во вторичной обмотке установлен только диодный мост. Переключатель устанавливают со стороны высокого напряжения, так как, там в разы ниже ток и его контакты не будут пригорать от этого.
По схемам из статьи вы можете собрать простейший блок питания как для постоянной работы с каким-то устройством, так и для тестирования своих электронных самоделок.
Схемы не отличаются высоким КПД, но выдают стабилизированное напряжение без особых пульсаций, следует проверить емкости конденсаторов и рассчитать под конкретную нагрузку. Они отлично подойдут для работы маломощных аудиоусилителей, и не создадут дополнительного фона. Регулируемый блок питания станет полезным автолюбителями и автоэлектрикам для проверки реле регулятора напряжения генератора.
Регулируемый блок питания используется во всех областях электроники, а если его улучшить защитой от КЗ или стабилизатором тока на двух транзисторах, то вы получите почти полноценный лабораторный блок питания.
Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока. Есть разные схемы выпрямителей и каждая из них в определённой мере справляется со своей задачей. В этой статье мы расскажем о том, как сделать однофазный выпрямитель, и зачем он нужен.
Определение
Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Слово «постоянный» не совсем корректно, дело в том, что на выходе выпрямителя, в цепи синусоидального переменного напряжения, в любом случае окажется нестабилизированное пульсирующие напряжение. Простыми словами: постоянное по знаку, но изменяющееся по величине.
Различают два типа выпрямителей:
Однополупериодный. Он выпрямляет только одну полуволну входного напряжения. Характерны сильные пульсации и пониженное относительно входного напряжение.
Двухполупериодный. Соответственно, выпрямляется две полуволны. Пульсации ниже, напряжение выше чем на входе выпрямителя – это две основных характеристики.
Что значит стабилизированное и нестабилизированное напряжение?
Стабилизированным называется напряжение, которое не изменяется по величине независимо ни от нагрузки, ни от скачков входного напряжения. Для трансформаторных источников питания это особенно важно, потому что выходное напряжение зависит от входного и отличается от него на Ктрансформации раз.
Нестабилизированное напряжение – изменяется в зависимости от скачков в питающей сети и характеристик нагрузки. С таким блоком питания из-за просадок возможно неправильное функционирование подключенных приборов или их полная неработоспособность и выход из строя.
Выходное напряжение
Основные величины переменного напряжения – амплитудное и действующее значение. Когда говорят «в сети 220В переменки» имеют в виду действующее напряжение.
Если говорят об амплитудной величине, то имеют в виду, сколько вольт от нуля до верхней точки полуволны синусоиды.
Опустив теорию и ряд формул можно сказать, что действующее напряжение в 1.41 раз меньше амплитудного. Или:
Амплитудное напряжение в сети 220В равняется:
Схемы
Однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода. Он просто не пропускает обратную полуволну. На выходе получается напряжение с сильными пульсациями от нуля до амплитудного значения входного напряжения.
Если говорить совсем простым языком, то в этой схеме к нагрузке поступает половина от входного напряжения. Но это не совсем корректно.
Двухполупериодные схемы пропускают к нагрузке обе полуволны от входного. Выше в статье упоминалось об амплитудном значении напряжения, так вот напряжение на выходе выпрямителя то же ниже по величине, чем действующее переменное на входе.
Но, если сгладить пульсации с помощью конденсатора, то, чем меньшими будут пульсации, тем ближе напряжение будет к амплитудному.
О сглаживания пульсаций мы поговорим позже. А сейчас рассмотрим схемы диодных мостов.
1. Выпрямитель по схеме Гретца или диодный мост;
2. Выпрямитель со средней точкой.
Первая схема более распространена. Состоит из диодного моста – четыре диода соединены между собой «квадратом», а в его плечи подключена нагрузка. Выпрямитель типа «мост» собирается по схеме приведенной ниже:
Её можно подключить напрямую к сети 220В, так сделано в современных импульсных блоках питания, или на вторичные обмотки сетевого (50 Гц) трансформатора. Диодные мосты по этой схеме можно собирать из дискретных (отдельных) диодов или использовать готовую сборку диодного моста в едином корпусе.
Вторая схема – выпрямитель со средней точкой не может быть подключена напрямую к сети. Её смысл заключается в использовании трансформатора с отводом от середины.
По своей сути – это два однополупериодных выпрямителя, подключенные к концам вторичной обмотки, нагрузка одним контактом подключается к точке соединения диодов, а вторым – к отводу от середины обмоток.
Её преимуществом перед первой схемой является меньшее количество полупроводниковых диодов. А недостатком – использование трансформатора со средней точкой или, как еще называют, отводом от середины. Они менее распространены чем обычные трансформаторы со вторичной обмоткой без отводов.
Сглаживание пульсаций
Питание пульсирующим напряжением неприемлемо для ряда потребителей, например, источники света и аудиоаппаратура. Тем более, что допустимые пульсации света регламентируются в государственных и отраслевых нормативных документах.
Для сглаживания пульсаций используют фильтры – параллельно установленный конденсатор, LC-фильтр, разнообразные П- и Г-фильтры…
Но самый распространенный и простой вариант – это конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Его недостатком является то, что для снижения пульсаций на очень мощной нагрузке придется устанавливать конденсаторы очень большой емкости – десятки тысяч микрофарад.
Его принцип работы заключается в том, что конденсатор заряжается, его напряжение достигает амплитуды, питающее напряжение после точки максимальной амплитуды начинает снижаться, с этого момента нагрузка питается от конденсатора. Конденсатор разряжается в зависимости от сопротивления нагрузки (или её эквивалентного сопротивления, если она не резистивная). Чем больше емкость конденсатора – тем меньшие будут пульсации, если сравнивать с конденсатором с меньшей емкостью, подключенного к этой же нагрузке.
Простым словами: чем медленнее разряжается конденсатор – тем меньше пульсации.
Скорости разряда конденсатора зависит от потребляемого нагрузкой тока. Её можно определить по формуле постоянной времени:
где R – сопротивление нагрузки, а C – емкость сглаживающего конденсатора.
Таким образом, с полностью заряженного состояния до полностью разряженного конденсатор разрядится за 3-5 t. Заряжается с той же скоростью, если заряд происходит через резистор, поэтому в нашем случае это неважно.
Отсюда следует – чтобы добиться приемлемого уровня пульсаций (он определяется требованиями нагрузки к источнику питания) нужна емкость, которая разрядится за время в разы превышающее t. Так как сопротивления большинства нагрузок сравнительно малы, нужна большая емкость, поэтому в целях сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяют электролитические конденсаторы, их еще называют полярными или поляризованными.
Обратите внимание, что путать полярность электролитического конденсатора крайне не рекомендуется, потому что это чревато его выходом из строя и даже взрывом. Современные конденсаторы защищены от взрыва – у них на верхней крышке есть выштамповка в виде креста, по которой корпус просто треснут. Но из конденсатора выйдет струя дыма, будет плохо, если она попадет вам в глаза.
Расчет емкости ведется исходя из того какой коэффициент пульсаций нужно обеспечить. Если выражаться простым языком, то коэффициентом пульсаций показывает, на какой процент проседает напряжение (пульсирует).
Чтобы посчитать емкость сглаживающего конденсатора можно использовать приближенную формулу:
Где Iн – ток нагрузки, Uн – напряжение нагрузки, Kн – коэффициент пульсаций.
Для большинства типов аппаратуры коэффициент пульсаций берется 0.01-0.001. Дополнительно желательно установить керамический конденсатор как можно большей емкости, для фильтрации от высокочастотных помех.
Как сделать блок питания своими руками?
Простейший блок питания постоянного тока состоит из трёх элементов:
Если нужно получить высокое напряжение, и вы пренебрегаете гальванической развязкой то можно исключить трансформатор из списка, тогда вы получите постоянное напряжение вплоть до 300-310В. Такая схема стоит на входе импульсных блоков питания, например, такого как у вас на компьютере. О них мы недавно писали большую статью – Как устроен компьютерный блок питания.
Это нестабилизированный блок питания постоянного тока со сглаживающим конденсатором. Напряжение на его выходе больше чем переменное напряжение вторичной обмотке. Это значит, что если у вас трансформатор 220/12 (первичная на 220В, а вторичная на 12В), то на выходе вы получите 15-17В постоянки. Эта величина зависит от емкости сглаживающего конденсатора. Эту схему можно использовать для питания любой нагрузки, если для нее неважно, то, что напряжение может «плавать» при изменениях напряжения питающей сети.
У конденсатора две основных характеристики – емкость и напряжение. Как подбирать емкость мы разобрались, а с подбором напряжения – нет. Напряжение конденсатора должно превышать амплитудное напряжение на выходе выпрямителя хотя бы в половину. Если фактическое напряжение на обкладках конденсатора превысит номинальное – велика вероятность его выхода из строя.
Старые советские конденсаторы делались с хорошим запасом по напряжению, но сейчас все используют дешевые электролиты из Китая, где в лучшем случае есть малый запас, а в худшем – и указанного номинального напряжения не выдержит. Поэтому не экономьте на надежности.
Стабилизированный блок питания отличается от предыдущего всего лишь наличием стабилизатора напряжения (или тока). Простейший вариант – использовать L78xx или другие линейные стабилизаторы, типа отечественного КРЕН.
Так вы можете получить любое напряжение, единственное условие при использовании подобных стабилизаторов, это то, напряжение до стабилизатора должно превышать стабилизированную (выходную) величину хотя бы на 1.5В. Рассмотрим, что написано в даташите 12В стабилизатора L7812:
Входное напряжение не должно превышать 35В, для стабилизаторов от 5 до 12В, и 40В для стабилизаторов на 20-24В.
Входное напряжение должно превышать выходное на 2-2.5В.
Т.е. для стабилизированного БП на 12В со стабилизатором серии L7812 нужно, чтобы выпрямленное напряжение лежало в пределах 14.5-35В, чтобы избежать просадок, будет идеальным решением применять трансформатора с вторичной обмоткой на 12В.
Но выходной ток достаточно скромный – всего 1.5А, его можно усилить с помощью проходного транзистора. Если у вас есть PNP-транзисторы, можно использовать эту схему:
На ней изображено только подключение линейного стабилизатора «левая» часть схемы с трансформатором и выпрямителем опущена.
Если у вас есть NPN-транзисторы типа КТ803/КТ805/КТ808, то подойдет эта:
Стоит отметить, что во второй схеме выходное напряжение будет меньше напряжения стабилизации на 0.6В – это падение на переходе эмиттер база, подробнее об этом мы писали в статье о биполярных транзисторах. Для компенсации этого падения в цепь был введен диод D1.
Можно и в параллель установить два линейных стабилизатора, но не нужно! Из-за возможных отклонений при изготовлении нагрузка будет распределяться неравномерно и один из них может из-за этого сгореть.
Установите и транзистор, и линейный стабилизатор на радиатор, желательно на разные радиаторы. Они сильно греются.
Регулируемые блоки питания
Простейший регулируемый блок питания можно сделать с регулируемым линейным стабилизатором LM317, её ток тоже до 1.5 А, вы можете усилить схему проходным транзистором, как было описано выше.
Вот более наглядная схема для сборки регулируемого блока питания.
Чтобы получить больший ток можно и использовать более мощный регулируемый стабилизатор LM350.
В последних двух схемах есть индикация включения, которая показывает наличие напряжения на выходе диодного моста, выключатель 220В, предохранитель первичной обмотки.
Вот пример регулируемого зарядного устройства для аккумулятора с тиристорным регулятором в первичной обмотке, по сути такой же регулируемый блок питания.
Кстати похожей схемой регулируют и сварочный ток:
Заключение
Выпрямитель используется в источниках питания для получения постоянного тока из переменного. Без его участия не получится запитать нагрузку постоянного тока, например светодиодную ленту или радиоприемник.
Также используются в разнообразных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, есть ряд схем с использованием трансформатора с группой отводов от первичной обмотки, которые переключаются галетным переключателем, а во вторичной обмотке установлен только диодный мост. Переключатель устанавливают со стороны высокого напряжения, так как, там в разы ниже ток и его контакты не будут пригорать от этого.
По схемам из статьи вы можете собрать простейший блок питания как для постоянной работы с каким-то устройством, так и для тестирования своих электронных самоделок.
Схемы не отличаются высоким КПД, но выдают стабилизированное напряжение без особых пульсаций, следует проверить емкости конденсаторов и рассчитать под конкретную нагрузку. Они отлично подойдут для работы маломощных аудиоусилителей, и не создадут дополнительного фона. Регулируемый блок питания станет полезным автолюбителями и автоэлектрикам для проверки реле регулятора напряжения генератора.
Регулируемый блок питания используется во всех областях электроники, а если его улучшить защитой от КЗ или стабилизатором тока на двух транзисторах, то вы получите почти полноценный лабораторный блок питания.
Делал тут намедни презентацию на тему «Однополярные и двуполярные трансформаторные блоки питания», решил заодно и здесь продублировать. Наверное, будет полезно для начинающих.
Блок питания радиоэлектронной аппаратуры является вторичным источником питания, то есть он служит для преобразования электроэнергии (первичные — для ее производства). Как правило, происходит преобразование переменного тока напряжением 220 В в постоянный с напряжением, необходимым для нормальной работы устройства. Из этих функций вытекает структурная схема трансформаторного блока питания: трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор.
Последние две части могут отсутствовать, как, например, в трансформаторных зарядных устройствах ACP-7E телефонов Nokia .
В последнее время трансформаторные блоки активно вытесняются импульсными (легкими, компактными, способными переварить любую дрянь из розетки: 110-240 вольт, 50-60 Гц — трансформатор такого не потерпит), однако все еще есть ниши, где они актуальны: например, устройства высококачественного воспроизведения звука или радиоприемники, которые подвержены действию помех, излучаемых импульсными БП (да-да, некоторые экземпляры можно использовать как маленькие глушилки длинных, средних и коротких волн).
Рассмотрим наиболее простой и наиболее часто встречающийся подвид: однополярный трансформаторный блок питания
Сразу оговорюсь, что однополупериодная схема выпрямителя (один диод, как в детекторном приемнике) в трансформаторной схемотехнике не снискала популярности ввиду низкого КПД и высокого уровня пульсаций.
В разрывы первичной и вторичной обмотки включены предохранители (у современных трансформаторов по первичной обмотке включен термопредохранитель, срабатывающий при перегреве магнитопровода). По «вторичке» предохранителя может и не быть, но по «первичке» он обязателен — это электро- и пожаробезопасность.
Вторичных обмоток может быть несколько (на разные напряжения), у одной обмотки могут быть несколько отводов от разных витков… Все это можно узнать из паспорта на трансформатор.
Диодный мост выпрямляет напряжение, а конденсаторный фильтр сглаживает его пульсации (минимально рекомендуемая емкость — 100 мкФ, максимальная ограничивается экономическими соображениями, размерами корпуса устройства, максимально возможным током через диоды и здравым смыслом). Не стоит забывать о физике: на диодном мосту неизбежно потеряется 1 — 2 вольта, но после конденсатора то, что останется, увеличится в корень из двух (1,41) раз (конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения). Например, с трансформатора идут 12 вольт «переменки» (действующее значение). 1,4 вольта отдадим диодам — итого уже 10,6. А на конденсаторе будет 14,94 вольта (амплитудное значение). Поэтому рабочее напряжение конденсатора должно быть с запасом — 25 вольт вполне хватит, а вот 16 — это уже пороховая бочка. Может, и не долбанет, но ресурс быстрее выработается.
Выходное напряжение снимается с конденсатора и может питать устройство как напрямую, так и через стабилизатор: в этом случае рекомендуется, чтобы выходное напряжение БП было на 3 — 5 вольт выше номинального выходного напряжения стабилизатора. Используя интегральные стабилизаторы серии L78XX и компоненты из примера выше, можно сделать шикарный блок питания на девять вольт. Или на двенадцать, если падение напряжения на самом стабилизаторе 2-3 вольта (эта информация находится в даташите микросхемы). Или на пять, но 14,94 — 5 = 9,94 вольта, которые надо куда-то девать. А куда? Только в тепло. Поэтому стабилизаторы на малое напряжение, подключенные к большому входному, очень сильно греются.
Это слайд-шоу требует JavaScript.
Примеры устройств с таким БП: радиоприемник VEF 216 (встроенный) , радиотелефоны (внешний), магнитофон «Весна 306» (встроенный).
Это слайд-шоу требует JavaScript.
Принцип работы мостового выпрямителя незатейлив: в течение каждого полупериода ток идет через два диода, включенные в прямом направлении (на одном кремниевом диоде в среднем падает 0,7 вольт — отсюда и берется число потерь 1,4). Таким образом, на конденсатор будет приходить напряжение, пульсирующее с удвоенной частотой питающей сети. Если за эти полпериода конденсатор не будет успевать разрядиться, то можно рассчитывать на то, что уровень пульсаций выходного напряжения будет низок (здесь, например, это хорошо показано: красное напряжение — с конденсатора, серое — с моста).
Следующие схемотехнические решения можно заметить в звуковоспроизводящей аппаратуре высокого класса: это пленочные конденсаторы, шунтирующие первичную и вторичную обмотки трансформатора (высоковольтный C1, C2), керамические конденсаторы, шунтирующие диоды моста (C3—C6), и керамический или пленочный конденсатор емкостью 10 — 100 нФ, шунтирующий выходной электролитический (C7).
Конденсаторы на обмотках трансформатора предназначены для гашения высокочастотных помех от близких грозовых разрядов, щеточно-коллекторных узлов работающих электродвигателей и пр.
Шунтирование диодов помогает бороться с мультипликативной помехой радиоприему: она проявляется как фон в приемнике с частотой 100 Гц при настройке на мощную станцию в АМ-диапазоне.
Шунтирование выходного электролитического конденсатора помогает продлить срок его службы, так как «электролиты» склонны быстрее деградировать под действием высокочастотных помех. При наличии керамического или пленочного шунта малой емкости эти помехи через него закорачиваются на «землю».
Преимущества однополярных трансформаторных БП:
-Просты в изготовлении.
-Относительно легкие и маленькие.
-Легко обеспечить батарейное питание, что актуально для переносной техники (нужно всего лишь напыжевать достаточно батареек «в послед»).
К недостаткам можно отнести:
-Повышенное падение напряжение на выпрямителе (полтора вольта теряются, и при выпрямлении малого напряжения, например, трех вольт, это уже будет ощутимо — после конденсатора останется только 2,1 В).
-Мощные диоды в металлическом корпусе должны устанавливаться на радиатор через электроизолирующие прокладки, что в ряде случаев может быть затруднительно.
Следующий на очереди — двуполярный трансформаторный блок питания
Здесь используется трансформатор с двумя одинаковыми вторичными обмотками, соединенными последовательно (или это может быть одна обмотка со средней точкой). В этом случае средняя точка объявляется «землей», а с фильтров снимается напряжение как положительной, так и отрицательной полярности (измерения, разумеется, относительно «земли». И логично, что между «плюсом» и «минусом» 2Uвых).
Это слайд-шоу требует JavaScript.
Примеры устройств с таким БП: магнитофон «Вильма М-212С», усилитель «Радиотехника У-101», осциллограф «С1-94».
Это слайд-шоу требует JavaScript.
Диодный мост работает точно так же, как и в случае однополярного блока питания. Попеременно открываясь, то одна, то другая пара диодов пропускает переменное напряжение к конденсаторам фильтра.
К достоинствам двуполярного БП можно отнести:
-Значительное упрощение схем с операционными усилителями (исключаются цепочки, создающие «искусственный ноль» на входе — достаточно сравнить первую и вторую схемы отсюда).
-Уменьшение количества межкаскадных емкостей, так как в большинстве случаев постоянная составляющая сигнала отсутствует. А все мы знаем, что «электролиты» имеют свойство пересыхать.
-Акустика, подключенная к выходу исправного и настроенного усилителя с двуполярным питанием, не будет хлопать при включении, так как на выходе нет постоянной составляющей и конденсатора, блокирующего ее.
Однако есть и определенные недостатки:
-Снова повышенное падение напряжение на выпрямителе.
-Трансформатор со средней точкой сложен в изготовлении; он большой, тяжелый и совсем не портативный.
-Устройство чувствительно к перекосу плеч питания — например, если в звуковоспроизводящей технике при номинальных +/-14 вольт де-факто будут +12 и -16, форма выходного сигнала может сильно исказиться относительно нуля.
-«Исправный и настроенный усилитель», став вдруг неисправным, может выжечь акустику постоянным напряжением на выходе: нужна схема ее защиты при аварии.
Как следствие, такие блоки питания прижились в стационарной аппаратуре, где нет нужды в батарейном питании.
Необычная схема: однополярный БП с выпрямителем Миткевича
Этот блок питания также основывается на трансформаторе со средней точкой, но в качестве выпрямителя применяются два четвертьмоста, соединенные параллельно (выпрямитель Миткевича). Это двухполупериодный выпрямитель, и ток на фильтрующий конденсатор течет то с одной половины обмотки, то с другой через диод, находящийся в этот момент в прямом включении. Это было достаточно типичное решение для тех времен, когда диоды стоили дороже меди.
Пример устройства с таким БП: радиоприемник «Ишим».
Это слайд-шоу требует JavaScript.
Первым делом в глаза бросается то, что выпрямитель и фильтр включены по схеме с общим «плюсом», и с конденсатора снимается напряжение отрицательной полярности. Это обычная схемотехника 60-70-х гг.: тогда применялись германиевые транзисторы в основном p-n- p -структуры (ограничение технологии), у которых эмиттер подключается к «плюсу», а база и коллектор — к «минусу» питания.
В течение каждого полупериода ток протекает через один диод.
Положительными сторонами таких блоков питания можно считать:
-Экономию на диодах.
-Потери в выпрямители в два раза меньше, чем в мостовой схеме (ток в каждом полупериоде течет только через один диод).
Однако недостатки загнали этот вид блока питания в «Красную книгу РЭА»:
-Трансформатор со средней точкой сложен в изготовлении; он большой, тяжелый и совсем не портативный.
-В каждом полупериоде одна половина обмотки простаивает. Меди много, но работает она не вся.
Как быстро отличить импульсный блок питания от трансформаторного (имеются в виду те, что вставляются в розетку)?
Ипульсный: компактный, почти невесомый, часто бывает вытянут в осевом направлении. Жрет что угодно: чудовищный разброс по напряжению 110-240 вольт и частоте сети его не пугает (обычно эти параметры написаны на наклейке). Выходной ток при высоких напряжениях как правило, тоже достаточно большой — до 2 ампер. На секундочку: 2 А * 12 В = 24 Вт!
Трансформаторный: тяжелый, сбитый «кубик«. На наклейке обычно указано входное напряжение 230 вольт, иногда с маленькими зазорами (плюс-минус десять вольт). Частота — строго 50 Гц для постсоветского пространства. Ток обычно скромный: тот, что на картинке — девятивольтовый с полуамперным выходом (0,5 А * 9 В = 4,5 Вт). А ведь уже и такой блок достаточно громоздкий.
Для питания радиоприемников и другой старой техники, конечно, лучше выбрать трансформаторный.
