Выпрямители напряжения
Электроника начинающим
Выпрямлением называют процесс преобразования переменного напряжения в постоянное, а устройства, осуществляющие эту функцию- выпрямителями. Зачем нужно выпрямлять напряжение? Да все просто…
Любое электронное устройство требует питание. Источником питания могут служить химические элементы (батарейки, аккумуляторы) либо энергия полученная механическим путем- например генераторы или промышленная сеть электрического тока.
Химические источники тока не во всех случаях могут обеспечить необходимую мощность, и поэтому в бытовой электронике (да и в радиолюбительских конструкциях также) гораздо проще использовать промышленную сеть, однако возникает нюанс- в электросети ток переменный, а для работы электронных устройств (во всяком случае большинства из них) требуется постоянное напряжение. И вот как все это выглядит с теоретической и практической точки зрения, мы сейчас и поговорим…
Немного теории
Сейчас, наверное, многие подумают «ну началось… формулы и прочее… скучно…» 😎
Почему я решил немного уделить внимание именно теории? В преобразовании переменного напряжения в постоянное существуют кое-какие тонкости именно в измерениях значений, и вот почему: есть такое понятие как действующее значение переменного тока и напряжения. Что это значит: переменное напряжение потому и назвали переменным что оно постоянно меняется- в течение одного и того-же промежутка времени, полярность сигнала неоднократно меняет свое значение. На графике это выглядит как синусоида:
В частности- в промышленной сети ( ну то есть в домашней розетке) колебания происходят с частотою в 50 Гц (а в некоторых странах стандартным считается 60 Гц).
Что из этого получается: при таких постоянных колебаниях значение переменного напряжения принято измерять не исходя из амплитуды импульса, а от, так называемого, действующего значения.
Сухая и скучная формулировка на это счет гласит:
Действующее (эффективное) значение переменного тока равно величине такого постоянного тока, который за время, равное одному периоду переменного тока, произведёт такую же работу (тепловой или электродинамический эффект), что и рассматриваемый переменный ток.
Ну а для упрощенности:
На практике чаще используется математическое определение этой величины — среднеквадратичное значение переменного тока.
Ну то есть: действующее значение для переменного напряжения (или тока) выглядит вот так:
Ничего нового я Вам тут не открыл, это школьный курс физики, однако почему я решил начать свой рассказ именно с этого? Здесь у нас всплывает пара тонкостей, про которые в школе Вам не рассказывали.. А именно вот что:
Первое. Когда мы измеряем переменное напряжение, то прибор показывает нам действующее значение. В реальности- же амплитуда импульса выше этого значения примерно в 1,4 раза (ну то есть в √2 раз ).
При выпрямлении постоянное напряжение должно увеличиться именно на эту величину. Пример— если мы в розетке имеем 220 Вольт переменного напряжения, то после выпрямления должно быть не менее 290V.
Второе. Все приборы работают таким образом, что при замерах переменного напряжения они показывают именно действующее значение. Однако вышеуказанная формула является упрощенной и она подходит только лишь при измерениях тока с частотою 50 Гц. Следовательно при измерениях переменного (или импульсного) напряжения другой частоты в показаниях возникнут погрешности.
Самый простой пример: стандартное напряжение накала кинескопа обычно составляет 6V. Но так как в телевизорах для питания накала используется импульсное напряжение частотою около 15 кГц, то мультиметр будет очень сильно врать- обычно показывает Вольт 3…4,5, не более.
Ну что? Переходим к практике? 😉 Сейчас будем немного экспериментировать и по ходу буду давать разъяснения.
Выпрямитель наглядно
Что нам понадобится:
1. Мультиметр
2. Осциллографический пробник
3. Источник переменного напряжения.
Ну с двумя первыми позициями и так все понятно (ссылки указал ).
Что касается источника переменного тока- оно у нас имеется в любой розетке, однако 220 Вольт это многовато и опасно, так что мы будем использовать понижающий трансформатор, вот такой:
У него две вторичные обмотки, по 9V переменного напряжения
Немного забегу вперед и скажу что я не зря выбрал трансформатор именно с двумя вторичками, но об этом позже.
Цепляем осциллограф. Все как и в теории- переменный ток синусоидальной формы
Для выпрямления переменного напряжения используют полупроводниковые диоды. Как мы знаем- диод имеет свойство пропускать напряжение лишь в одном направлении. То есть при включении в цепь переменного напряжения, он должен срезать отрицательную полуволну. Вот так это выглядит чисто теоретически
Пробуем? Впаиваем диод, подключаем на выход осциллограф, смотрим что у нас вышло
Ну да, опять все как по теории… Правда такое напряжение постоянным назвать трудно- слишком велики пульсации. Смотрим появилось-ли постоянное напряжение на выходе диода
Ну да, вроде что-то есть…
Пробуем ставить на выход конденсатор.
Напряжение на выходе вроде бы как выпрямилось. Проверяем мультиком что там у нас вышло
Маловато… Всего 1,4V постоянного напряжения… Давайте будем разбираться почему так вышло.
Во первых мы потеряли целую полуволну, а во вторых между положительными полуволнами возник интервал. В общем мы потеряли очень много полезной энергии и даже наличие конденсатора на выходе не сильно улучшило ситуацию.
Такой выпрямитель называется однополупериодный (ну то есть он пропускает только один полупериод переменного тока) и у него чрезвычайно низкий КПД.
Хотя вынужден пометить— при увеличении частоты переменного тока интервалы между полупериодами существенно сокращаются, что позволяет увеличить КПД, так что в импульсных источниках с рабочими частотами от 15 кГц и выше, однополупериодные выпрямители с успехом применяются.
Ну то есть что у нас получается? Для того чтобы сохранить всю энергию переменного тока, нам нужны оба полупериода- и положительный и отрицательный.
Как этого добиться?
Вариант первый.
Двухполупериодный выпрямитель
Как это выглядит: из середины вторичной обмотки трансформатора выводится провод, который будет служить «общим». Выпрямление переменного изображения производится по вот такой схеме:
Это, к слову, почему для экспериментов я постарался найти именно трансформатор с двойной вторичной обмоткой. 😎
В чем тут смысл- когда на одной из обмоток (например верхней по схеме) присутствует положительная полуволна, на другой будет отрицательная и наоборот. Пробуем?
На осциллограмме видно что на выходе присутствуют две положительные полуволны. Постоянное напряжение также стало примерно похожим на уровень переменного.
Чтобы избавиться от пульсаций- ставим на выходе конденсатор
Практически идеально: и пульсаций нет и постоянное напряжение увеличилось в 1,4 раза по сравнению с переменным.
Данный вариант выпрямления переменного напряжения вполне рабочий. Его довольно часто можно встретить в малогабаритной аппаратуре, однако тут есть один недостаток- требуется двойная обмотка на трансформаторе, поэтому на практике наибольшее распространение получил второй вариант выпрямителя
Мостовая схема выпрямителя
Выглядит она вот так:
Здесь уже средняя точка на вторичной обмотке не требуется, так что она позволяет выпрямлять переменное напряжение от любого источника: трансформатор или сразу сеть.
Как она работает: диоды включены таким образом, что они разделяют одновременно сразу обе полуволны переменного тока
На картинке: красным цветом показана положительная полуволна, синим— отрицательная.
Пробуем:
Как видим- использовал я лишь одну из обмоток, на выходе присутствуют обе полуволны.
Впаиваем кондер на выход
Идеально 😎
На схемах диодные мосты обычно принято рисовать вот таким образом
Или вообще даже вот так:
Что касается практики- диодные мостики могут собираться непосредственно на плате из 4 диодов, и существуют даже и готовые решения в виде специализированной детальки. Вот пара примеров:
