В блоках питания радио- и электроаппаратуры почти всегда используются выпрямители, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Связано это с тем, что практически все электронные схемы и многие другие устройства должны питаться от источников постоянного тока. Выпрямителем может служить любой элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, другими словами, по-разному пропускающий ток в противоположных направлениях. В современных устройствах в качестве таких элементов, как правило, используются плоскостные полупроводниковые диоды.
Плоскостные полупроводниковые диоды
Наряду с хорошими проводниками и изоляторами существует очень много веществ, занимающих по проводимости промежуточное положение между двумя этими классами. Называют такие вещества полупроводниками. Сопротивление чистого полупроводника с ростом температуры уменьшается в отличие от металлов, сопротивление которых в этих условиях возрастает.
Добавляя к чистому полупроводнику небольшое количество примеси, можно в значительной степени изменить его проводимость. Существует два класса таких примесей:
Рисунок 1. Плоскостной диод: а. устройство диода, б. обозначение диода в электротехнических схемах, в. внешний вид плоскостных диодов различной мощности.
Слой на границе полупроводников p- и n-типа (p-n переход) обладает односторонней проводимостью ? хорошо проводит ток в одном (прямом) направлении и очень плохо в противоположном (обратном). Устройство плоскостного диода показано на рисунке 1а. Основа ? пластинка из полупроводника (германий) с небольшим количеством донорной примеси (n-типа), на которую помещается кусочек индия, являющегося акцепторной примесью.
После нагрева индий диффундирует в прилегающие области полупроводника, превращая их в полупроводник p-типа. На границе областей с двумя типами проводимости и возникает p-n переход. Вывод, соединенный с полупроводником p-типа, называют анодом получившегося диода, противоположный ? его катодом. Изображение полупроводникового диода на принципиальных схемах приведено на рис. 1б, внешний вид плоскостных диодов различной мощности ? на рис. 1в.
Что хорошего в приборе и что мешает
Как переделать сварочный аппарат переменного тока в постоянный — на этот вопрос мастеру ответит нужная полупроводниковая схема с устройством выпрямителя:
- Лучшими показателями обладает трёхфазная система, она позволяет использовать мощность сети до 380 В.
- На подобном оборудовании работают там, где нужен большой непрерывный процесс, чтобы в этот временной промежуток, не прерываясь, сваривать крупные стальные детали. С помощью этих мощных аппаратов можно производить ворота, контейнеры, любые хозяйственные металлические сооружения.
- Такой инструмент пригодится в основном не на частном хоздворе, а для малого бизнеса и реализации изготовленных изделий. Все потому, что это громоздкие и тяжелые конструкции, в отличие от приспособлений с меньшим количеством фаз, нуждаются в дополнительных установках для перемещения аппарата.
В подобной системе трансформатор способен снизить массу, но его сердечник нужно уметь самостоятельно намотать или купить готовый с необходимыми параметрами.
Простейший выпрямитель
Рисунок 2. Характеристики тока в различных схемах.
Ток, протекающий в обычной осветительной сети, является переменным. Его величина и направление меняются 50 раз в течение одной секунды. График зависимости его напряжения от времени показан на рис. 2а. Красным цветом показаны положительные полупериоды, синим ? отрицательные.
Поскольку величина тока изменяется от нуля до максимального (амплитудного) значения, вводится понятие действующего значения тока и напряжения. Например, в осветительной сети действующее значение напряжения 220 В ? во включенном в эту сеть нагревательном приборе за одинаковые промежутки времени выделяется столько же тепла, сколько в том же устройстве, в цепи постоянного тока напряжением 220 В.
Но на самом деле напряжение в сети меняется за 0,02 с следующим образом:
- первую четверть этого времени (периода) ? увеличивается от 0 до 311 В,
- вторую четверть периода ? уменьшается от 311 В до 0,
- третью четверть периода ? уменьшается от 0 до 311 В,
- последнюю четверть периода ? возрастает от 311 В до 0.
В этом случае 311 В ? амплитуда напряжения Uо. Амплитудное и действующее (U) напряжения связаны между собой формулой:
При включении в цепь переменного тока последовательно соединенных диода (VD) и нагрузки (рис. 2б), ток через нее протекает только во время положительных полупериодов (рис. 2в). Происходит это благодаря односторонней проводимости диода. Называется такой выпрямитель однополупериодным ? одну половину периода ток в цепи есть, во время второй ? отсутствует.
Ток, протекающий через нагрузку в таком выпрямителе, не постоянный, а пульсирующий. Превратить его практически в постоянный можно, включив параллельно нагрузке конденсатор фильтра Cф достаточно большой емкости. В течение первой четверти периода конденсатор заряжается до амплитудного значения, а в промежутках между пульсациями разряжается на нагрузку. Напряжение становится почти постоянным. Эффект сглаживания тем сильнее, чем больше емкость конденсатора.
Проблемы простого блока питания с нагрузкой
Сопротивление, нарисованное на схеме – это эквивалент нагрузки. Нагрузка должна быть такова, чтобы ток, ее питающий, при подаваемом напряжении в 12 В не превысил 1 А. Можно рассчитать мощность нагрузки и сопротивление по формулам.
Откуда сопротивление R = 12 Ом, а мощность P = 12 ватт. Это значит, что если мощность будет больше 12 ватт, а сопротивление меньше 12 Ом, то наша схема начнет работать с перегрузкой, будет сильно греться и быстро сгорит. Решить проблему можно несколькими способами:
- Стабилизировать выходное напряжение так, чтобы при изменяющемся сопротивлении нагрузки ток не превышал максимально допустимого значения или при внезапных скачках тока в сети нагрузки – например, в момент включения некоторых приборов – пиковые значения тока срезались до номинала. Такие явления бывают, когда блок питания запитывает радиоэлектронные устройства – радиоприемники, и пр.
- Использовать специальные схемы защиты, которые бы отключали блок питания при превышении тока на нагрузке.
- Использовать более мощные блоки питания или блоки питания с большим запасом мощности.
Схема диодного моста
Более совершенной является двухполупериодная схема выпрямления, когда используются и положительный, и отрицательный полупериод. Существует несколько разновидностей таких схем, но чаще всего используется мостовая. Схема диодного моста приведена на рис. 3в. На ней красная линия показывает, как протекает ток через нагрузку во время положительных, а синяя ? отрицательных полупериодов.
Рисунок 4. Схема выпрямителя на 12 вольт с использованием диодного моста.
И первую, и вторую половину периода ток через нагрузку протекает в одном и том же направлении (рис. 3б). Количество пульсации в течение одной секунды не 50, как при однополупериодном выпрямлении, а 100. Соответственно, при той же емкости конденсатора фильтра эффект сглаживания будет более ярко выражен.
Как видно, для построения диодного моста необходимо 4 диода ? VD1-VD4. Раньше диодные мосты на принципиальных схемах изображали именно так, как на рис. 3в. Ныне общепринятым считается изображение, показанное на рис. 3г. Хотя на ней только одно изображение диода, не следует забывать, что мост состоит из четырех диодов.
Мостовая схема чаще всего собирается из отдельных диодов, но иногда применяются и монолитные диодные сборки. Их проще монтировать на плате, но зато при выходе из строя одного плеча моста, заменяется вся сборка. Выбирают диоды, из которых монтируется мост, исходя из величины протекающего через них тока и величины допустимого обратного напряжения. Эти данные позволяет получить инструкция к диодам или справочники.
Полная схема выпрямителя на 12 вольт с использованием диодного моста приведена на рис. 4. Т1 ? понижающий трансформатор, вторичная обмотка которого обеспечивает напряжение 10-12 В. Предохранитель FU1 ? нелишняя деталь с точки зрения техники безопасности и пренебрегать им не стоит. Марка диодов VD1-VD4, как уже говорилось, определяется величиной тока, который будет потребляться от выпрямителя. Конденсатор С1 ? электролитический, емкостью 1000,0 мкФ или выше на напряжение не ниже 16 В.
Напряжение на выходе ? фиксированное, величина его зависит от нагрузки. Чем больше ток, тем меньше величина этого напряжения. Для получения регулируемого и стабильного выходного напряжения требуется более сложная схема. Получить регулируемое напряжение от схемы, приведенной на рис. 4 можно двумя способами:
Остается надеяться, что описания и схемы, приведенные выше, окажут практическую помощь в сборке простого выпрямителя для практических нужд.
В электротехнике существует несостыковка. С одной стороны, передавать энергию на большие расстояния удобнее, если она имеет форму переменного напряжения. С другой, для питания смартфонов, светодиодов в лампочках, плат в телевизорах и подобной бытовой техники требуется постоянный ток. Данную проблему успешно решает такое семейство радиодеталей, как выпрямительные диоды.
Мини сварочный трансформатор
Если вам не нужно варить рельсы или швеллера из стали 4–5 мм, можно собрать компактный сварочник для спайки стальной проволоки (изготовление каркасов для самоделок) или сварки тонкой жести. Для этого можно взять готовый трансформатор от мощного бытового прибора (идеальный вариант — микроволновка), и перемотать вторичную обмотку. Сечение провода 15–20 мм², потребляемая мощность не более 2–3 кВт.
Расчет схемы производится также, как и для более мощных агрегатов. При сборке выпрямителя можно использовать менее мощные диоды.
Что такое диоды
Диод – это полупроводниковый элемент на основе кристалла кремния. Ранее эти детали также изготавливались из германия, но со временем этот материал был вытеснен из-за своих недостатков. Электрический диод функционирует как клапан, т.е. он пропускает ток в одном направлении и блокирует его в другом. Такие возможности в эту деталь заложены на уровне атомарного строения его полупроводниковых кристаллов.
Читать также: Красота под ногами: делаем садовые дорожки из формы
Один диод не может получить из переменного напряжения полноценное постоянное. Поэтому на практике используют более сложные сочетания этих элементов. Сборка из 4 или 6 деталей, объединённых по специальной схеме, образует диодный мост. Он уже вполне способен справиться с полноценным выпрямлением тока.
Интересно. Диоды обладают паразитной чувствительностью к температуре и свету. Прозрачные выпрямители в стеклянном корпусе могут использоваться как датчики освещённости. Германиевые диоды (прим. Д9Б) подходят в качестве термочувствительного элемента. Собственно из-за сильной зависимости свойств этих элементов от температуры их и перестали производить.
Отличительные черты трёхфазной аппаратуры
Принцип работы прибора, собранного по электросхеме для выпрямителя, питающегося тремя сетевыми фазами, основан на наличии небольшой пульсации выходного напряжения. Волны в процессе перекрывают одна другую, не давая напряжению снизиться до нулевого значения.
Сварочную установку сооружают, включая в фазы полупроводники за трансформаторными обмотками. Выводы соединяют, получая в итоге единственный выход. Через подобный мост пропускаются разделенные надвое волны, образующие учащенную пульсацию, но с меньшей силой. В подобной конструкции понадобится вывод нуля, а трансформатор соединяют с питанием по специальной схеме.
Мастера на практике знают, что наиболее качественная работа получается с применением аппаратов, работающих на постоянном токе, обеспечивающих дугу стабильным горением с прочным швом. Чтобы получить необходимые параметры, несмотря на рост технологических открытий, появлению новшеств в приборостроении, мастера своими руками производят и по-прежнему используют, простейшие выпрямители.
Однофазный и трёхфазный диодный мост
Существует две основные разновидности выпрямляющих сборок:
- Однофазный мост. Чаще используется в бытовых электроприборах. Имеет 4 вывода. На два их них подаётся переменное напряжение, т.е. фаза (L) и ноль (N). С двух оставшихся снимается постоянное, т.е. плюс (+) и минус (-).
- Трёхфазный мост. Встречается в мощных промышленных установках и оборудовании, питающимся от сети 380 вольт. На его вход подаются три фазы (L1, L2, L3). С выхода так же снимается постоянное напряжение. Такие мосты отличаются большими размерами и внушительными токами, которые они способны через себя пропустить.
Принцип работы диодного моста
Понять, как мост выполняет свою задачу, можно, разобравшись в том, как ведёт себя отдельный диод. Изначально имеются только два провода с переменным напряжением (L и N). Оно имеет форму синусоиды (рис. а). Если в схему добавить один диод, то он будет пропускать только положительную полуволну (рис. б), если этот компонент развернуть, то отрицательную составляющую (рис. в). Такое напряжение уже не будет переменным. Всё же оно не годится для питания серьёзных электроприборов. В нём наблюдаются моменты, когда ток совсем отсутствует. Применение четырёх диодов позволит получить постоянное напряжение без всяких прерываний (рис. г). Трёхфазные мосты выпрямляют по такому же методу. Однако они делают это одновременно с тремя синусоидами.
Выпрямитель
Полученное после диодного моста напряжение имеет форму синусоиды, у которой отрицательная составляющая отражена относительно оси времени. Проще говоря, оно имеет форму холмов и называется пульсирующим. Такое напряжение положительное. Не содержит моментов, когда ток не течёт. Но всё же оно нестабильное. Например, в точке «a» оно рано 0 вольт, а в «b» – имеет максимальное значение. Данный выпрямитель нельзя считать законченным.
Для решения этой проблемы требуется сглаживающий электролитический конденсатор. На плате он обычно располагается там же, где и диодная сборка. Ёмкость накапливает энергию в те моменты, когда она имеет пиковые значения (точка b), и отдаёт её в моменты провалов (a). На выходе получается прямая линия – полноценный постоянный ток, пригодный для питания последующих электронных компонентов, процессоров, микросхем и т.п.
Применение на практике
Для примера, рассмотрим инверторный аппарат TELWIN Force 165. Во входном выпрямителе используются диодные сборки GBPC3508. Выпрямительный мост GBPC3508 может работать с током 35 А, обратное напряжение – 800 В.
С ним вместе идет обязательно сглаживающий фильтр из конденсаторов большой емкости. Кроме этого имеется фильтр электромагнитной совместимости, который не пропускает помехи от инвертора в бытовую сеть.
На выходе инвертора используются мощные сдвоенные диоды с общим катодом. Они имеют высокое быстродействие в отличие от диодов расположенных на входе устройства.
Благодаря малому времени восстановления, менее 50 наносекунд, приборы успевают переключать высокочастотный ток на выходе вторичной обмотки.
В данном приборе используются сдвоенные диоды марок STTH6003CW, FFH30US30DN или VS-60CPH03, рассчитаны на прямой ток 30 ампер на один прибор (60 ампер на оба) и обратное напряжение 300 вольт.
Устанавливаются на радиатор. Для защиты полупроводников от перегрузки используется RC фильтр. Схема управления требует стабильный источник питания без бросков напряжения.
Для этого в приборе предусмотрены стабилитроны или уже готовый интегральный стабилизатор, которые обеспечивают стабильное питание на микросхемах управления. В результате получается компактное устройство, позволяющее качественно варить металл.
Недостатки полного моста
У полноценного двухполупериодного моста имеются недостатки:
- Ток вынужден протекать не по одному диоду, а сразу по двум, включенным последовательно. Поэтому удваивается падение напряжения на выпрямительном элементе. Для маломощных мостов на кремниевых диодах оно может достигать 2 вольт. В мощных выпрямителях – порядка 10 В. Отсюда существенные потери мощности на выпрямляющем элементе и его повышенный нагрев.
- При выходе из строя одного и четырёх диодов мост продолжает работать. Данный дефект может быть незаметен без специальных замеров. Однако он создаёт риск более серьёзной поломки устройства, которое питается через неисправный мостик.
Регулирование выходного напряжения
Если напряжение блока питания надо регулировать от нуля, то оптимальной схемой будет параметрический стабилизатор с добавлением переменного резистора.
Плавное регулирование напряжения.
Резистор в 1 кОм, включенный между базой транзистора и общим проводом, защитит триод от выхода из строя при обрыве цепи движка потенциометра. При вращении ручки переменного резистора напряжение на базе транзистора будет меняться от 0 до Uст стабилитрона с отставанием примерно в 0,6 вольт. Надо учитывать, что параметры узла будут хуже из-за использования потенциометра – наличие движущегося контакта (даже хорошего качества) неизбежно снизит стабильность напряжения на базе транзистора.
Конструкция
Схема любого выпрямительного моста включает в себя диоды. Они могут быть по отдельности распаяны на печатную плату или находиться в одном корпусе. Касаемо размера выпрямители бывают миниатюрными, например, импортные MB6S или советские КЦ405А. Последние в народе именуют «ка-цэшками» или «шоколадками».
Встречаются образцы с внушительными габаритами. Например, трёхфазный выпрямительный мост китайского производства. Прибор предназначен для токов в сотни ампер, поэтому имеет винтовой крепёж под силовые провода и плоскую металлическую теплопроводящую поверхность с отверстиями для фиксации на радиаторе охлаждения.
Маркировка выпрямителей
Не существует общепринятых правил, согласно которым производители маркируют свои диодные мосты. Каждый вправе называть своё изделие так, как считает нужным, т.е. по своей собственной номенклатуре.
Однако у большинства из этих деталей есть схожие признаки, помогающие визуально определить назначение их выводов. На фото трёхфазного моста (см. выше) отдельно выделен символ переменного тока – волнистая линия. Он указывает на то, что к этому контакту подключается входное синусоидальное напряжение. Также на некоторых моделях мостиков входные выводы помечаются буквами AC (Alternative Current), указывающими на переменный ток. При этом выходные контакты, с которых снимается постоянный ток, обозначаются символами DC (Direct Current) или традиционными «+» и «-». Дополнительно на некоторых выпрямителях со стороны плюса «подпилен» один из углов. Также на «+» может указывать и удлинённый вывод. Подобная маркировка свойственна многим электронным компонентам и называется ключом.
Блок питания повышенной мощности
Более мощным блок питания можно сделать, добавив в схему несколько мощных каскадов на транзисторах Дарлингтона типа TIP2955. Один каскад даст прибавку нагрузочного тока в 5 А, шесть составных транзисторов, подключенных параллельно, обеспечат нагрузочный ток в 30 А.
Транзисторы Дарлингтона типа TIP2955
Схема, обладающая такой выходной мощностью, требует соответствующего охлаждения. Транзисторы должны быть обеспечены радиаторами. Возможно, понадобится и дополнительный вентилятор охлаждения. Кроме того, можно защититься еще плавкими предохранителями (на схеме не показано).
На рисунке показано подключение одного составного транзистора Дарлингтона, дающего возможность увеличения выходного тока до 5 ампер. Можно увеличивать и дальше, подключая новые каскады параллельно с указанным.
Подключение одного составного транзистора Дарлингтона
Внимание! Одним из главных бедствий в электрических цепях является внезапное короткое замыкание в нагрузке. При этом, как правило, возникает ток гигантской силы, который сжигает все на своем пути. В этом случае сложно придумать такой мощный блок питания, который способен это выдержать. Тогда применяют схемы защиты, начиная от плавких предохранителей и кончая сложными схемами с автоматическим отключением на интегральных микросхемах.
Диодный мостик своими руками
Чтобы самостоятельно собрать выпрямитель, понадобится 4 однотипных диода. При этом они должны подходить по обратному напряжению, максимальному току и рабочей частоте. Соединения нужно сделать в соответствии со схемой ниже. Между двумя катодами снимается положительное напряжение, между анодами – отрицательное. К точкам, в которых подключены разноимённые выводы диодов, подсоединяется источник переменного напряжения. Всю схему можно за пару минут спаять навесным монтажом или потрудиться и выполнить в виде небольшой печатной платы.
Дополнительная информация. Обратные напряжения диодов, включенных в последовательную цепь, складываются между собой.
Выбор типа сборки
Для каждой задачи существует свой оптимальный вариант выпрямительной диодной сборки. Все их можно условно разделить на 3 вида:
- Выпрямитель на одном диоде. Применяется в самых простых и дешёвых схемах, где нет к.л. требований к качеству выходного напряжения, как, например, в ночниках.
- Сдвоенный диод. Эти детали внешне похожи на транзисторы, ведь они выпускаются в таких же корпусах. Они также имеют 3 вывода. По сути, это два диода, помещённых в один корпус. Один из выводов – средний. Он может быть общим катодом или анодом внутренних диодов.
- Полноценный диодный мост. 4 детали в одном корпусе. Подходит для устройств с большими токами. Применяется в основном на входах и выходах различных блоков питания и зарядных устройств.
Дополнительная информация. Выпрямители используются и в автомобилях. Они нужны для преобразования идущего с генератора переменного напряжения в постоянное. Оно, в свою очередь, необходимо для зарядки аккумулятора. Обычный бензогенератор вырабатывает переменный ток.
Читать также: Летние кивки – какие должны быть
Добавляем выпрямитель
Самодельный мощный сварочный трансформатор с точки зрения схемотехники — обычный блок питания. Соответственно выпрямитель устроен так же просто, как в сетевом заряднике для мобильного телефона. Только элементная база будет выглядеть на несколько порядков массивнее.
Как правило, в простую схему из диодного моста добавляют пару конденсаторов, гасящих импульсы выпрямленного тока.
Можно собрать выпрямитель и без них, но чем ровнее ток, тем качественней получается сварочный шов. Для сборки собственно моста применяются мощные диоды типа Д161–250(320). Поскольку при нагрузке на элементах выделяется много тепла, его нужно рассеивать с помощью радиаторов. Диоды крепятся к ним с помощью болтового соединения и термопасты.
Разумеется, ребра радиаторов должны либо обдуваться вентилятором, либо выступать над корпусом. Иначе вместо охлаждения они будут греть трансформатор.
Проверка элементов
В большинстве случаев для проверки выпаивать мостик из платы не требуется. Тестировать его следует точно так же, как 4 p-n перехода с подключением по схеме диодного моста. Данное измерение настолько распространено, что его возможность реализована в любом мультиметре. Прибор для теста нужно переключить в режим диодной прозвонки.
Падение напряжения в прямом направлении на исправном выпрямительном диоде составляет 500-700 мВ. В обратном – прибор отобразит «1». Сгоревшая деталь чаще всего показывает в обоих направлениях «0», т.е. короткое замыкание. Реже бывает полный обрыв элемента (также в обе стороны). Все замеры следует повторить для каждого входящего в состав моста диода. Итого 8 измерений, т.е. 4 в прямом направлении и 4 – в обратном. Если тестируется диод Шоттки, то этот параметр составляет 200-400 мВ.
Принцип работы однофазной мостовой схемы
Процесс протекания переменного тока можно представить в виде волны, колеблющейся с определенной частотой. Это процедура очень быстрая, которую представить можно, как в один определенный момент, проходит ток сначала в одну сторону затем в другую.
В сварке специалисты добиваются, чтобы эти перемещения осуществлялись в одностороннем порядке:
- Во вторичную обмотку трансформатора впаивают полупроводник, он осуществляет электрический пропуск в нужном направлении, что и является постоянным током. Так как переменный ток с наличием частот, своими волнами создаст паузы, которые недопустимы в рабочем процессе.
- В схеме, припаивают электродетали в обратном направлении по отношению друг к другу, тогда, и электронный поток потечет в обратную сторону.
- Если создать схему с парами элементов, направленных один к другому, получат поток из волн с колебанием от нулевого значения до максимального. Этот предел рассчитывают на возможность вторичной трансформаторной обмотки.
- Таким же способом получают колебания, снижающиеся до минимума, с момента которого начинается новый подъём. При этом вырабатывается плюс полюсного напряжения, а его минус располагается в обмотке трансформатора.
- Эту схему применяют с наличием в устройстве вывода, чтобы не разбирать обмотку, его можно создать самостоятельной намоткой. Эта конструкция славится своей экономичностью по отношению к количеству полупроводниковых элементов.
- Разделение обмотки на несколько участков позволяет пользоваться только её частью.
- Наиболее удобной и применимой у электротехников является мостовое выпрямительное сооружение. Подобный план состоит из квадрата с полупроводниками по сторонам. Одни углы у него выдают постоянный ток, другие показывают выход напряжения от трансформатора.
Этот пример имеет преимущество, он не требует создавать вывод от второй обмотки, но понадобится много полупроводниковых вентилей. Сварка будет с небольшой мощностью, для них подбирают специальных размеров электроды, и сваривают детали ограниченные в параметрах. Следует учесть, уменьшает колебания волн, при работе сварочного аппарата, параллельное включение конденсаторного приспособления.
Использование барьера Шоттки
Применение диода Шоттки оправдано в двух случаях. Во-первых, когда нужно выпрямить высокочастотный ток. Барьер Шоттки идеально подходит для подобной задачи, ведь он имеет низкую ёмкость перехода и, соответственно, является быстродействующим. Во-вторых, когда требуется выпрямить большой ток в десятки или сотни ампер. В этом случае деталь отлично себя показывает ввиду низкого падения напряжения и малого тепловыделения.
Диодные мосты в мире электроники играют роль согласующего элемента. С их помощью можно подключать устройства, требующие постоянный ток, к сети удобного для передачи переменного напряжения. Подобных устройств очень много в быту, они крайне важны для комфортной жизни человека.
Главным элементом, использующимся при создании выпрямительного узла, является диод. В основе его работы лежит электронно-дырочный переход (p-n).
Общепринятое определение гласит: p-n переход — это область пространства, находящаяся на границе соединения двух полупроводников разного типа. В этом пространстве образуется переход n-типа в p-тип. Значение проводимости зависит от атомного строения материала, а именно от того, насколько прочно атомы удерживают электроны. Атомы в полупроводниках располагаются в виде решётки, а электроны привязаны к ним электрохимическими силами. Сам по себе такой материал является диэлектриком. Он или плохо проводит ток, или не проводит его совсем. Но если в решётку добавить атомы определённых элементов (легирование), физические свойства такого материала кардинально изменяются.
Примешанные атомы начинают образовывать, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки. Образованный избыток электронов формирует отрицательный заряд, а дырок — положительный.
Избыток заряда одного знака заставляет носителей отталкиваться друг от друга, в то время как область с противоположным зарядом стремится притянуть их к себе. Электрон, перемещаясь, занимает свободное место, дырку. При этом на его старом месте также образовывается дырка. В результате чего создаётся два потока движения зарядов: один основной, а другой обратный. Материал с отрицательным зарядом в качестве основных носителей использует электроны, его называют полупроводником n-типа, а с положительным зарядом, использующим дырки, p-типа. В полупроводниках обоих типов неосновные заряды образуют ток, обратный движению основных зарядов.
В радиоэлектронике из материалов для создания p-n перехода используется германий и кремний. При легировании кристаллов этих веществ образуется полупроводник с различной проводимостью. Например, введение бора приводит к появлению свободных дырок и образованию p-типа проводимости. Добавление фосфора, наоборот, создаст электроны, и полупроводник станет n-типа.
Добавить ссылку на обсуждение статьи на форуме
РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Основы — слишком просто? Вам сюда. Продолжаем. >
| Теги статьи: | Добавить тег |
Выпрямители. Как и почему.
Автор: Опубликовано 20.04.2006
Итак, дорогие мои, мы собрали нашу схемку и пришло время ее проверить, испытать и нарадоваться сему щастью. На очереди у нас — подключение схемы к источнику питания. Приступим. На батарейках, аккумуляторах и прочих прибамбасах питания мы останавливаться не будем, перейдем сразу к сетевым источникам питания. Здесь рассмотрим существующие схемы выпрямления, как они работают и что умеют. Для опытов нам потребуется однофазное (дома из розетки) напряжение и соответствующие детальки. Трехфазные выпрямители используются в промышленности, мы их рассматривать также не будем. Вот электриками вырастете — тогда пжалста.
Источник питания состоит из нескольких самых важных деталей: Сетевой трансформатор — на схеме обозначается похожим как на рисунке,
Выпрямитель — его обозначение может быть различным. Выпрямитель состоит из одного, двух или четырех диодов, смотря какой выпрямитель. Сейчас будем разбираться.
а) — простой диод. б) — диодный мост. Состоит из четырех диодов, включенных как на рисунке. в) — тот же диодный мост, только для краткости нарисован попроще. Назначения контактов такие же, как у моста под буквой б).
Конденсатор фильтра. Эта штука неизменна и во времени, и в пространстве, обозначается так:
Обозначений у конденсатора много, столько же, сколько в мире систем обозначений. Но в общем они все похожи. Не запутаемся. И для понятности нарисуем нагрузку, обозначим ее как Rl — сопротивление нагрузки. Это и есть наша схема. Также будем обрисовывать контакты источника питания, к которым эту нагрузку мы будем подключать.
Далее — пара-тройка постулатов. — Выходное напряжение определяется как Uпост = U*1.41. То есть если на обмотке мы имеем 10вольт переменного напряжения, то на конденсаторе и на нагрузке мы получим 14,1В. Примерно так. — Под нагрузкой напряжение немного проседает, а насколько — зависит от конструкции трансформатора, его мощности и емкости конденсатора. — Выпрямительные диоды должны быть на ток в 1,5-2 раза больше необходимого. Для запаса. Если диод предназначен для установки на радиатор (с гайкой или отверстие под болт), то на токе более 2-3А его нужно ставить на радиатор.
Так же напомню, что же такое двуполярное напряжение. Если кто-то подзабыл. Берем две батарейки и соединяем их последовательно. Среднюю точку, то есть точку соединения батареек, назовем общей точкой. В народе она известна так же как масса, земля, корпус, общий провод. Буржуи ее называют GND (ground — земля), часто ее обозначают как 0V (ноль вольт). К этому проводу подключаются вольтметры и осциллографы, относительно нее на схемы подаются входные сигналы и снимаются выходные. Потому и название ее — общий провод. Так вот, если подключим тестер черным проводом в эту точку и будем мерить напряжение на батарейках, то на одной батарейке тестер покажет плюс1,5вольта, а на другой — минус1,5вольта. Вот это напряжение +/-1,5В и называется двуполярным. Обе полярности, то есть и плюс, и минус, обязательно должны быть равными. То есть +/-12, +/-36В, +/-50 и т.д. Признак двуполярного напряжения — если от схемы к блоку питания идут три провода (плюс, общий, минус). Но не всегда так — если мы видим, что схема питается напряжением +12 и -5, то такое питание называется двухуровневым, но проводов к блоку питания будет все равно три. Ну и если на схему идут целых четыре напряжения, например +/-15 и +/-36, то это питание назовем просто — двуполярным двухуровневым.
Ну а теперь к делу.
1. Мостовая схема выпрямления.
Самая распространенная схема. Позволяет получить однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Схема обладает минимальными пульсациями напряжения и несложная в конструкции.
2. Однополупериодная схема.
Так же, как и мостовая, готовит нам однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Разница лишь в том, что у этой схемы удвоенные пульсации по сравнению с мостовой, но один диод вместо четырех сильно упрощает схему. Используется при небольших токах нагрузки, и только с трансформатором, много большим мощности нагрузки, т.к. такой выпрямитель вызывает одностороннее перемагничивание трансформатора.
3. Двухполупериодная со средней точкой.
Два диода и две обмотки (или одна обмотка со средней точкой) будут питать нас малопульсирующим напряжением, плюс ко всему мы получим меньшие потери в сравнении с мостовой схемой, потому что у нас 2 диода вместо четырех.
4. Мостовая схема двуполярного выпрямителя.
Для многих — наболевшая тема. У нас есть две обмотки (или одна со средней точкой), мы с них снимаем два одинаковых напряжения. Они будут равны, пульсации будут малыми, так как схема мостовая, напряжения на каждом конденсаторе считается как напряжение на каждой обмотке помножить на корень из двух — всё, как обычно. Провод от средней точки обмоток выравнивает напряжения на конденсаторах, если нагрузки по плюсу и по минусу будут разными.
5. Схема с удвоением напряжения.
Это две однополупериодные схемы, но с диодами, включенными по разному. Применяется, если нам надо получить удвоенное напряжение. Напряжение на каждом конденсаторе будет определяться по нашей формуле, а суммарное напряжение на них будет удвоенным. Как и у однополупериодной схемы, у этой так же большие пульсации. В ней можно усмотреть двуполярный выход — если среднюю точку конденсаторов назвать землей, то получается как в случае с батарейками, присмотритесь. Но много мощности с такой схемы не снять.
6. Получение разнополярного напряжения из двух выпрямителей.
Совсем не обязательно, чтобы это были одинаковые блоки питания — они могут быть как разными по напряжению, так и разными по мощности. Например, если наша схема по +12вольтам потребляет 1А, а по -5вольтам — 0,5А, то нам и нужны два блока питания — +12В 1А и -5В 0,5А. Так же можно соединить два одинаковых выпрямителя, чтобы получить двуполярное напряжение, например, для питания усилителя.
7. Параллельное соединение одинаковых выпрямителей.
Оно нам дает то же самое напряжение, только с удвоенным током. Если мы соединим два выпрямителя, то у нас будет двойное увеличение тока, три — тройное и т.д.
Ну а если вам, дорогие мои, всё понятно, то задам, пожалуй, домашнее задание. Формула для расчета емкости конденсатора фильтра для двухполупериодного выпрямителя:
Для однополупериодного выпрямителя формула несколько отличается:
Двойка в знаменателе — число «тактов» выпрямления. Для трехфазного выпрямителя в знаменателе будет стоять тройка.
Во всех формулах переменные обзываются так: Cф — емкость конденсатора фильтра, мкФ Ро — выходная мощность, Вт U — выходное выпрямленное напряжение, В f — частота переменного напряжения, Гц dU — размах пульсаций, В
Для справки — допустимые пульсации: Микрофонные усилители — 0,001…0,01% Цифровая техника — пульсации 0,1…1% Усилители мощности — пульсации нагруженного блока питания 1…10% в зависимости от качества усилителя.
Эти две формулы справедливы для выпрямителей напряжения частотой до 30кГц. На бОльших частотах электролитические конденсаторы теряют свою эффективность, и выпрямитель рассчитывается немного не так. Но это уже другая тема.
| Как вам эта статья? | Заработало ли это устройство у вас? | |
| 75 | 3 | 0 |
| 0 | 2 |
Принцип работы диода
Диод — это полупроводниковый прибор, имеющий малое сопротивление для тока в одном направлении, и препятствующий его прохождению в обратном. Физически диод состоит из одного p-n перехода. Конструктивно представляет собой элемент, содержащий два вывода. Вывод, подключённый к p-области, называется анодом, а соединённый с n-областью — катодом.
При работе диода существует три его состояния:
Прямым потенциалом называется такой сигнал, когда плюсовой полюс источника питания подключён к области p-типа полупроводника, другими словами, полярность внешнего напряжения совпадает с полярностью основных носителей. При обратном потенциале отрицательный полюс подключён к p-области, а положительный к n.
В области соединения материала n- и p-типа существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов и находится в уравновешенном состоянии. Высота барьера не превышает десятые доли вольта и препятствует продвижению носителей заряда вглубь материала.
Если к прибору подключено прямое напряжение, то величина потенциального барьера уменьшается и он практически не оказывает сопротивление протеканию тока. Его величина возрастает и зависит только сопротивления p- и n- области. При прикладывании обратного потенциала, величина барьера увеличивается, так как из n-области уходят электроны, а из p-области дырки. Слои обедняются и сопротивление барьера прохождению тока возрастает.
Основным показателем элемента является вольт-амперная характеристика. Она показывает зависимость между приложенным к нему потенциалом и током, протекающим через него. Представляется эта характеристика в виде графика, на котором указывается прямой и обратный ток.
Классическая модель
Классические стабилизаторы – это большой класс устройств, собираемых на основе таких полупроводниковых деталей, как биполярные транзисторы и стабилитроны. Среди них основную функцию по поддержанию напряжения на уровне 12 В выполняют стабилитроны – разновидность диодов, подключаемых в обратной полярности (к катоду такого полупроводникового прибора подключается плюс источника питания, к аноду – минус), работающих в режиме пробоя. Суть работы данных полупроводниковых деталей заключается в следующем:
- При напряжении подключенного к стабилитрону источника питания меньше 12 В он находится в закрытом положении и не участвует в регулировке данной характеристики электрического тока.
- При превышении порога в 12 Вольт стабилитрон «открывается» и поддерживает данное значение в заданном его характеристиками диапазоне.
В случае превышения напряжения, подаваемого на стабилитрон, относительно заявленного как максимальное производителем прибор очень быстро выходит из строя из-за эффекта теплового пробоя.
Чтобы любая модель стабилитрона служила максимально долго, рекомендуется по его спецификации уточнить тот диапазон напряжений, силы тока, в котором его следует эксплуатировать.
В зависимости от подключения различают два варианта классического стабилизатора: линейный – регулировочные элементы подключаются последовательно нагрузке; параллельный – стабилизирующие напряжение устройства располагаются параллельно запитываемым приборам.
Ещё важно знать: 3 нюанса об эксплуатации
Самоделка по способу эксплуатации несколько отличается от заводского варианта. Это объясняется тем, что у покупного агрегата имеются встроенные функции, помогающие в работе. Их сложно установить на аппарате, собранном дома, а потому придется придерживаться нескольких правил при эксплуатации.
- Зарядное устройство, собранное своими руками не будет отключаться при полной зарядке аккумулятора. Именно поэтому необходимо периодически следить за оборудованием и подключать к нему мультиметр – для контроля заряда.
- Нужно быть очень аккуратным, не путать «плюс» и «минус», иначе зарядное устройство сгорит.
- Оборудование должна быть выключено, когда происходит соединение с зарядным устройством.
Выполняя эти простые правила, получится правильно произвести подпитку АКБ и не допустить неприятных последствий.
Как сделать регулирующий БП из обычного, от принтера
Пойдет речь о блоке питания принтера canon, струйный. Они много у кого остаются без дела. Это по сути отдельное устройство, в принтере держится на защелке. Его характеристики: 24 вольта, 0,7 ампера.
Достанем плату. Такие бп легко переделать на нужное напряжение и можно сделать также регулируемый. С обратной стороны, если перевернем, есть регулируемый стабилитрон tl431. С другой стороны увидим средний контакт идет на базу транзистора q51.
Если подаем напряжение, то данный транзистор открывается и на резистивном делителе появляется 2,5 вольта, которые нужно для работы стабилитрона. И на выходе появляется 24 вольта. Это самый простой вариант. Как его завести можно еще — это выбросить транзистор q51 и поставить перемычку вместо резистора r 57 и всё. Когда будем включать, всегда на выходе непрерывно 24 вольта.
Как сделать регулировку?
Такой вариант получился. Поставил переменный резистор. Ручку и получился регулируемый блок питания — вполне удобный.
Мнение эксперта
It-Technology, Cпециалист по электроэнергетике и электронике
Задавайте вопросы «Специалисту по модернизации систем энергогенерации»
Как спаять блок питания на 12 вольт. Делаем простой трансформаторный БП своими руками. « ЭлектроХобби Этот конденсатор большой величины, размещенный на выходе цепи источника питания, обычно называют сглаживающим конденсатором. Спрашивайте, я на связи!
Схема простого выпрямителя
Синусоидальное напряжение представляет собой периодический сигнал, изменяющийся во времени. С математической точки зрения он описывается функцией, в которой начало координат соответствует времени равным нулю. Сигнал состоит из двух полуволн. Находящаяся полуволна в верхней части координат относительно нуля называется положительным полупериодом, а в нижней части — отрицательным.
При подаче переменного напряжения на диод через подключённую к его выводам нагрузку, начинает протекать ток. Этот ток обусловлен тем, что в момент поступления положительного полупериода входного сигнала диод открывается. В этом случае к аноду прикладывается положительный потенциал, а к катоду отрицательный. При смене волны на отрицательный полупериод диод запирается, так как меняется полярность сигнала на его выводах.
Таким образом, получается, что диод как бы отрезает отрицательную полуволну, не пропуская её на нагрузку и на ней появляется пульсирующий ток только одной полярности. В зависимости от частоты приложенного напряжения, а для промышленных сетей она составляет 50 Гц, изменяется и расстояние между импульсами. Такого вида ток называется выпрямленным, а сам процесс —однополупериодным выпрямлением.
Читать также: Клетки для кур бройлеров своими руками
Выпрямляя сигнал, используя один диод, можно питать нагрузку, не предъявляющую особых требований к качеству напряжения. Например, нить накала. Но если запитать, например, приёмник, то появится низкочастотный гул, источником которого и будет промежуток, возникающий между импульсами. В некоторой мере для избавления от недостатков однополупериодного выпрямления совместно с диодом применяется параллельно включённый нагрузке конденсатор. Этот конденсатор будет заряжаться при поступлении импульсов и разряжаться при их отсутствии на нагрузку. А значит, чем больше значение ёмкости конденсатора, тем ток на нагрузке будет более сглажен.
Но наибольшего качества сигнала возможно достичь, если использовать для выпрямления одновременно две полуволны. Устройство, позволяющее это реализовать, получило название диодный мост, или по-другому — выпрямительный.
Сварочный выпрямитель своими руками
Выпрямитель для сварочного аппарата строится вокруг полупроводниковых элементов, суть которых – пропускать электрические потоки только в одном направлении. На сегодняшний день использовать в схемах выпрямления можно три устройства:
- диод (самый лучший, потому что самый простой, при его использовании в схему выпрямительного устройства не надо вводить блоки управления);
- тиристор (для протекания тока он должен получить сигнал от системы управлении, когда проходящий ток опускается до нуля или напряжение на нем становится меньше, чем в следующей фазе, вентиль запирается);
- транзистор (полностью управляемый “вентиль”, для открытия и закрытия которого необходимо подавать сигнал на управляющий электрод, к тому же, самый дорогостоящий элемент).
Настройка выходного напряжения и зарядного тока
На плате DC-DC преобразователя установлены два подстроечных резистора, один позволяет установить максимальное выходное напряжение, другим можно выставить максимальный зарядный ток.
Включите зарядное устройство в сеть (к выходным проводам ничего не подсоединено), индикатор будет показывать напряжение на выходе устройства, и ток равный нулю. Потенциометром напряжения установите на выходе 5 вольт. Замкните между собой выходные провода, потенциометром тока установите ток короткого замыкания 6 А. Затем устраните короткое замыкание, разъединив выходные провода и потенциометром напряжения, установите на выходе 14.5 вольт.
Блок питания со стабилизатором на микросхеме
На рисунке ниже представлено развитие предыдущей простой схемы включением на выходе микросхемы 12-вольтового стабилизатора LM7812.
Блок питания со стабилизатором на микросхеме
Это уже лучше, но максимальный ток в нагрузке такого блока стабилизированного питания по-прежнему не должен превышать 1 А.
Диодный мост
Такое устройство представляет собой электрический прибор, служащий для преобразования переменного тока в постоянный. Словосочетание «диодный мост» образуется из слова «диод», что предполагает использование в нём диодов. Схема диодного моста выпрямителя зависит от сети переменного тока, к которой он подключается. Сеть может быть:
В зависимости от этого и выпрямительный мост называется мостом Гретца или выпрямителем Ларионова. В первом случае используется четыре диода, а во втором прибор собирается уже на шести.
Первая схема выпрямительного прибора собиралась на радиолампах и считалась сложным и дорогим решением. Но с развитием полупроводниковой техники диодный мост полностью вытеснил альтернативные способы выпрямления сигнала. Вместо диодов редко, но ещё применяются селеновые столбы.
Конструкции и характеристики прибора
Конструктивно выпрямительный мост выполняется из набора отдельных диодов или литого корпуса, имеющего четыре вывода. Корпус может быть плоского или цилиндрического вида. По принятому стандарту, значками на корпусе прибора отмечаются выводы подключения переменного напряжения и выходного постоянного сигнала. Выпрямители, имеющие корпус с отверстием, предназначены для крепления на радиатор. Основными характеристиками выпрямительного моста являются:
- Наибольшее прямое напряжение. Это максимальная величина, при которой параметры прибора не выходят за границы допустимых.
- Наибольшее допустимое обратное напряжение. Это максимальное импульсное напряжение, при котором мост длительно и надёжно работает.
- Наибольший рабочий ток выпрямления. Обозначает средний ток, протекающий через мост.
- Максимальная частота. Частота подаваемого на мост напряжения, при которой прибор работает эффективно и не превышает допустимый нагрев.
Превышение значений характеристик выпрямителя приводит к резкому сокращению срока его службы или пробою p-n переходов. Необходимо отметить такой момент, что все параметры диодов указываются для температуры окружающей среды 20 градусов. К недостаткам применения мостовой схемы выпрямления относят большее падение напряжения, по сравнению с однополупериодной схемой, и более низкое значение коэффициента полезного действия. Для уменьшения величины потерь и снижения нагрева мосты часто изготавливают с применением быстрых диодов Шотки.
Схема подключения устройства
На электрических схемах и печатных платах диодный выпрямитель обозначается в виде значка диода или латинскими буквами. Если выпрямитель собран из отдельных диодов, то рядом с каждым ставится обозначение VD и цифра, обозначающая порядковый номер диода в схеме. Редко используются надписи VDS или BD.
Диодный выпрямитель может подключаться напрямую к сети 220 вольт или после понижающего трансформатора, но схема включения его остаётся неизменной.
При поступлении сигнала в каждом из полупериодов ток сможет протекать только через свою пару диодов, а противоположная пара будет для него заперта. Для положительного полупериода открытыми будут VD2 и VD3, а для отрицательного VD1 и VD4. В итоге на выходе получится постоянный сигнал, но его частота пульсации будет увеличена в два раза. Для того чтобы уменьшить пульсацию выходного сигнала, используется, как и в случае с одним диодом, параллельное включение конденсатора С1. Такой конденсатор ещё называют сглаживающим.
Но случается так, что диодный мост ставится не только в переменную сеть, но и подключается в уже выпрямленную. Для чего нужен диодный мост в такой цепи, станет понятно, если обратить внимание в каких схемах используется такое его включение. Эти схемы связаны с использованием чувствительных радиоэлементов к переполюсовке питания. Использование моста позволяет осуществить простую, но эффективную защиту «от дурака». В случае ошибочного подключения полярности питания радиоэлементы, установленные за мостом, не выйдут из строя.
Проверка на работоспособность
Такой тип электронного прибора можно проверить, не выпаивая из схемы, так как в конструкциях устройств никакое его шунтирование не используется. В случае выпрямителя, собранного из диодов, проверяется каждый диод в отдельности. А в случае с монолитным корпусом измерения проводятся на всех четырёх его выводах.
Суть проверки сводится к прозвонке мультиметром диодов на короткое замыкание. Для этого выполняются следующие действия:
- Мультиметр переключается в режим позвонки диодов или сопротивления.
- Штекер одного провода (чёрного) вставляется в общее гнездо тестера, а второго (красного) в гнездо проверки сопротивления.
- Щупом, подключённым чёрным проводом, дотроньтесь до первой ножки, а щупом красного провода до третьего вывода. Тестер должен показать бесконечность, а если поменять полярность проводов, то мультиметр покажет сопротивление перехода.
- Минус тестера подается на четвёртую ногу, а плюс на третью. Мультиметр покажет сопротивление, при смене полярности бесконечность.
- Минус на первую ногу, плюс на вторую. Тестер покажет открытый переход, при смене – закрытый.
Такие показания тестера говорят об исправности выпрямителя. В случае отсутствия мультиметра можно воспользоваться обычным вольтметром. Но при этом придётся подать питание на схему и замерить напряжение на сглаживающем конденсаторе. Его величина должна превышать входное в 1,4 раза.
Популярные записи
- Пасхальное яйцо своими руками на пасху 2022 году — 5 лучших поделок Регулятор оборотов двигателя постоянного тока 12 вольт Как сделать кораблик из пенопласта Как сделать сварочные клещи для точечной сварки Как построить конюшню для лошадей Паперкрафт для начинающих, бумажное моделирование, объемные скульптуры и простые фигуры из бумаги для детей Как сделать букет в коробке своими руками: пошаговая инструкция Капельное орошение в теплице и на огороде своими руками
Инверторный сварочный выпрямитель: разбираем, что к чему
Схема работы инверторного аппарата немного другая, чем у классического. Вместо понижающего трансформатора у него на входе устанавливается электронный фильтр, который преобразует частоту входящего электрического тока с 50 Гц до нескольких десятков кГц. После устанавливается понижающий трансформатор, а уже потом выпрямительный мост. Достоинства таких сварочных аппаратов в малом весе, по сравнению с обычными. Это достигается за счет того, что магнитопровод высокочастотного трансформатора имеет меньшие массогабаритные показатели.
Выпрямители инверторных сварочных аппаратов строятся на базе тиристоров, с системой импульсно фазового управления. Далее, как и положено, в цепь сварки, параллельно нагрузке, подключают конденсатор, а перед сварочным электродом – реостат и дроссель. Недостаток рассматриваемых выпрямителей – в количестве электроники, собрать его самому почти невозможно, как и починить. Однопостовые сварочные выпрямители с хорошими показателями выпрямленного тока при наличии всех необходимых компонентов можно собирать у себя дома, и это достойная альтернатива покупке нового выпрямителя.
- Автор: Михаил Малофеев
- Распечатать
Оцените статью:
- 5
- 4
- 3
- 2
- 1
(0 голосов, среднее: 0 из 5)
Поделитесь с друзьями!
