Випрямляч - це пристрій для перетворення змінної напруги в постійне. Це одна з найбільш часто зустрічаються деталей в електроприладах, починаючи від фена для волосся, закінчуючи всіма типами блоків живлення з вихідною напругою постійного струму. Є різні схеми випрямлячів і кожна з них в певній мірі справляється зі своїм завданням. У цій статті ми розповімо про те, як зробити однофазний випрямляч, і навіщо він потрібен.

визначення

Випрямлячем називається пристрій, призначений для перетворення змінного струму в постійний. Слово «постійний» не зовсім коректно, справа в тому, що на виході випрямляча, в ланцюзі синусоїдального змінного напруги, в будь-якому випадку виявиться нестабілізована пульсуючі напруга. Простими словами: постійне по знаку, але змінюється за величиною.

Розрізняють два типи випрямлячів:

• Однополуперіодний. Він випрямляє тільки одну півхвилю вхідної напруги. Характерні сильні пульсації і знижений щодо вхідного напруга.

• Двухполуперіодний. Відповідно, випрямляється дві напівхвилі. Пульсації нижче, напруга вище ніж на вході випрямляча - це дві основні характеристики.

Що значить стабілізовану і нестабілізована напруга?

Стабілізованою називається напруга, яке не змінюється за величиною незалежно ні від навантаження, ні від стрибків вхідної напруги. Для трансформаторних джерел живлення це особливо важливо, тому що вихідна напруга залежить від вхідного і відрізняється від нього на Ктрансформаціі раз.

Нестабілізована напруга - змінюється в залежності від стрибків в мережі живлення і характеристик навантаження. З таким блоком живлення через просадок можливо неправильне функціонування підключених приладів або їх повна непрацездатність і вихід з ладу.

Вихідна напруга

Основні величини змінної напруги - амплітудне і діюче значення. Коли говорять «в мережі 220В перерви» мають на увазі чинне напруга.

Якщо говорять про амплітудної величиною, то мають на увазі, скільки вольт від нуля до верхньої точки напівхвилі синусоїди.

Опустивши теорію і ряд формул можна сказати, що чинне напруга в 1.41 разів менше амплітудного. або:

Uа = Uд * √2

Амплітудне напруга в мережі 220В дорівнює:

220 * 1.41 = 310

схеми

однополуперіодний випрямляч складається з одного діода. Він просто не пропускає зворотний півхвилю. На виході виходить напруга з сильними пульсаціями від нуля до амплітудного значення вхідної напруги.

Якщо говорити зовсім простою мовою, то в цій схемі до навантаження надходить половина від вхідної напруги. Але це не зовсім коректно.

Двухполуперіодні схеми пропускають до навантаження обидві напівхвилі від вхідного. Вище в статті згадувалося про амплитудном значенні напруги, так ось напруга на виході випрямляча той же нижче за величиною, ніж чинне змінне на вході.

Але, якщо згладити пульсації за допомогою конденсатора , То, ніж меншими будуть пульсації, тим ближче напруга буде до амплітудному.

Про згладжування пульсацій ми поговоримо пізніше. А зараз розглянемо схеми діодних мостів.

Їх дві:

1. Випрямляч за схемою Гретца або діодний міст ;

2. Випрямляч з середньою точкою.

Перша схема більш поширена. Складається з діодного моста - чотири діода з'єднані між собою «квадратом», а в його плечі підключена навантаження. Випрямляч типу «міст» збирається за схемою наведеною нижче:

Її можна підключити безпосередньо до мережі 220В, так зроблено в сучасних імпульсних блоках харчування , Або на вторинні обмотки мережевого (50 Гц) трансформатора. Діодні мости за цією схемою можна збирати з дискретних (окремих) діодів або застосувати власноручно написані збірку діодного моста в єдиному корпусі.

Друга схема - випрямляч з середньою точкою не може бути підключена безпосередньо до мережі. Її сенс полягає в використанні трансформатора з відведенням від середини.

За своєю суттю - це два однополуперіодних випрямляча, підключені до кінців вторинної обмотки, навантаження одним контактом підключається до точки з'єднання діодів, а другим - до відведення від середини обмоток.

Її перевагою перед першою схемою є менша кількість напівпровідникових діодів. А недоліком - використання трансформатора з середньою точкою або, як ще називають, відведенням від середини. Вони менш поширені ніж звичайні трансформатори з вторинною обмоткою без відводів.

згладжування пульсацій

Харчування пульсуючим напругою неприйнятно для ряду споживачів, наприклад, джерела світла і аудіоапаратура. Тим більше, що допустимі пульсації світла регламентуються в державних і галузевих нормативних документах.

Для згладжування пульсацій використовують фільтри - паралельно встановлений конденсатор, LC-фільтр, різноманітні П- і Г-фільтри ...

Але найпоширеніший і простий варіант - це конденсатор, встановлений паралельно навантаженні. Його недоліком є ​​те, що для зниження пульсацій на дуже потужною навантаженні доведеться встановлювати конденсатори дуже великої місткості - десятки тисяч микрофарад.

Його принцип роботи полягає в тому, що конденсатор заряджається, його напруга досягає амплітуди, напругу живлення після точки максимальної амплітуди починає знижуватися, з цього моменту навантаження живиться від конденсатора. Конденсатор розряджається в залежності від опору навантаження (або її еквівалентного опору, якщо вона не резистивная). Чим більше ємність конденсатора - тим менші будуть пульсації, якщо порівнювати з конденсатором з меншою ємністю, підключеного до цієї ж навантаженні.

Простим словами: чим повільніше розряджається конденсатор - тим менше пульсації.

Швидкості розряду конденсатора залежить від споживаного навантаженням струму. Її можна визначити за формулою постійної часу:

t = RC,

де R - опір навантаження, а C - ємність згладжує конденсатора.

Таким чином, з повністю зарядженого стану до повністю розрядженого конденсатор розрядиться за 3-5 t. Заряджається з тією ж швидкістю, якщо заряд відбувається через резистор, тому в нашому випадку це не має значення.

Звідси робимо висновок - щоб добитися прийнятного рівня пульсацій (він визначається вимогами навантаження до джерела живлення) потрібна ємність, яка розрядиться за час в рази перевищує t. Так як опору більшості навантажень порівняно малі, потрібна велика ємність, тому з метою згладжування пульсацій на виході випрямляча застосовують електролітичні конденсатори , Їх ще називають полярними або поляризованими.

Зверніть увагу, що плутати полярність електролітичного конденсатора вкрай не рекомендується, тому що це може призвести до його виходом з ладу і навіть вибухом. Сучасні конденсатори захищені від вибуху - у них на верхній кришці є виштамповка у вигляді хреста, по якій корпус просто тріснуть. Але з конденсатора вийде струмінь диму, буде погано, якщо вона потрапить вам в очі.

Розрахунок ємності ведеться виходячи з того який коефіцієнт пульсацій потрібно забезпечити. Якщо виражатися простою мовою, то коефіцієнтом пульсацій показує, на який відсоток просідає напруга (пульсує).

Щоб порахувати ємність згладжує конденсатора можна використовувати наближену формулу:

C = 3200 * Iн / Uн * Kп,

Де Iн - струм навантаження, Uн - напруга навантаження, Kн - коефіцієнт пульсацій.

Для більшості типів апаратури коефіцієнт пульсацій береться 0.01-0.001. Додатково бажано встановити керамічний конденсатор якомога більшої місткості, для фільтрації від високочастотних перешкод.

Як зробити блок живлення своїми руками?

Найпростіший блок живлення постійного струму складається з трьох елементів:

1. Трансформатор;

2. Доданий міст;

3. Конденсатор.

Якщо потрібно отримати високу напругу, і ви нехтуєте гальванічною розв'язкою то можна виключити трансформатор зі списку, тоді ви отримаєте постійну напругу аж до 300-310В. Така схема стоїть на вході імпульсних блоків живлення, наприклад, такого як у вас на комп'ютері. Про них ми недавно писали велику статтю - Як влаштований комп'ютерний блок живлення .

Це нестабілізований блок живлення постійного струму з сглаживающим конденсатором. Напруга на його виході більше ніж змінна напруга вторинної обмотці. Це означає, що якщо у вас трансформатор 220/12 (первинна на 220В, а вторинна на 12В), то на виході ви отримаєте 15-17В постоянки. Ця величина залежить від ємності згладжує конденсатора. Цю схему можна використовувати для харчування будь-якого навантаження, якщо для неї не важливо, то, що напруга може «плавати» при змінах напруги мережі живлення.

важливо:

У конденсатора дві основні характеристики - ємність і напруга. Як підбирати ємність ми розібралися, а з підбором напруги - немає. Напруга конденсатора повинно перевищувати амплітудне напруга на виході випрямляча хоча б в половину. Якщо фактичне напруга на обкладинках конденсатора перевищить номінальне - велика ймовірність його виходу з ладу.

Старі радянські конденсатори робилися з хорошим запасом по напрузі, але зараз все використовують дешеві електроліти з Китаю, де в кращому разі є малий запас, а в гіршому - і зазначеного номінальної напруги не витримає. Тому не економте на надійності.

Стабілізований блок живлення відрізняється від попереднього лише наявністю стабілізатора напруги (або струму). Найпростіший варіант - використовувати L78xx або інші лінійні стабілізатори , Типу вітчизняного КРЕН.

Так ви можете отримати будь-яку напругу, єдина умова при використанні подібних стабілізаторів, це те, напруга до стабілізатора повинна перевищувати стабілізовану (вихідну) величину хоча б на 1.5В. Розглянемо, що написано в даташіте 12В стабілізатора L7812:

Вхідна напруга не повинна перевищувати 35В, для стабілізаторів від 5 до 12В, і 40В для стабілізаторів на 20-24В.

Вхідна напруга повинна перевищувати вихідний на 2-2.5В.

Повна версія даташіта https://www.jameco.com/Jameco/Products/ProdDS/889305.pdf

Тобто для стабілізованого БП на 12В зі стабілізатором серії L7812 потрібно, щоб випрямлена напруга лежало в межах 14.5-35В, щоб уникнути осідань, буде ідеальним рішенням застосовувати трансформатора з вторинною обмоткою на 12В.

Але вихідний струм досить скромний - всього 1.5А, його можна підсилити за допомогою прохідного транзистора. Якщо у вас є PNP-транзистори , Можна використовувати цю схему:

На ній зображено тільки підключення лінійного стабілізатора «ліва» частина схеми з трансформатором і випрямлячем опущена.

Якщо у вас є NPN-транзистори типу КТ803 / КТ805 / КТ808, то підійде ця:

Варто зазначити, що в другій схемі вихідна напруга буде менше напруги стабілізації на 0.6В - це падіння на переході емітер база, докладніше про це ми писали в статті про біполярних транзисторах . Для компенсації цього падіння в ланцюг був введений діод D1.

Можна і в паралель встановити два лінійних стабілізатора, але не потрібно! Через можливих відхилень при виготовленні навантаження буде розподілятися нерівномірно і один з них може через це згоріти.

Встановіть і транзистор, і лінійний стабілізатор на радіатор, бажано на різні радіатори. Вони сильно гріються.

Регульовані блоки живлення

Найпростіший регульований блок живлення можна зробити з регульованим лінійним стабілізатором LM317, її ток теж до 1.5 А, ви можете посилити схему прохідним транзистором, як було описано вище.

Ось більш наочна схема для складання регульованого блоку живлення.

Щоб отримати більший струм можна і використовувати більш потужний регульований стабілізатор LM350.

В останніх двох схемах є індикація включення, яка показує наявність напруги на виході діодного моста, вимикач 220В, запобіжник первинної обмотки.

Ось приклад регульованого зарядного пристрою для акумулятора з тиристорним регулятором в первинній обмотці, по суті такий же регульований блок живлення.

До речі схожою схемою регулюють і зварювальний струм:

Про це викладалася стаття раніше: Як зробити простий регулятор струму для зварювального трансформатора

висновок

Випрямляч використовується в джерелах живлення для отримання постійного струму з змінного. Без його участі не вийде живити навантаження постійного струму, наприклад світлодіодну стрічку або радіоприймач.

Також використовуються в різноманітних зарядних пристроях для автомобільних акумуляторів, є ряд схем з використанням трансформатора з групою відводів від первинної обмотки, які перемикаються галетним перемикачем, а у вторинній обмотці встановлений тільки діодний міст. Перемикач встановлюють з боку високої напруги, так як, там в рази нижче ток і його контактів не будуть пригорати від цього.

За схемами зі статті ви можете зібрати найпростіший блок живлення як для постійної роботи з якимось пристроєм, так і для тестування своїх електронних саморобок.

Схеми не відрізняються високим ККД, але видають стабілізовану напругу без особливих пульсацій, слід перевірити ємності конденсаторів і розрахувати під конкретне навантаження. Вони відмінно підійдуть для роботи малопотужних аудіокоректор, і не створять додаткового фону. Регульований блок живлення стане корисним автолюбителями і автоелектриків для перевірки реле регулятора напруги генератора.

Регульований блок живлення використовується у всіх областях електроніки, а якщо його поліпшити захистом від КЗ або стабілізатором струму на двох транзисторах, то ви отримаєте майже повноцінний лабораторний блок живлення.

Олексій Бартош