Выпрямитель, параметрический стабилизатор, БП

Регулируемый, стабилизированный БП - одна из распространённых конструкций применяемых в радиолюбительской лаборатории. БП применяется для питания постоянным током различных устройств. От выбора схемы выпрямителя и деталей для него зависят энергетические возможности этого источника питания и способность выдавать "чистое" напряжение, то есть такое, у которого пульсации переменного тока ничтожно малы.
Измерить пульсации и выявить пути их снижения обычными измерительными приборами, практически невозможно. Но при наличии осциллографа, сделать это чрезвычайно просто.


Переменный ток, в отличие от тока постоянного, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени.
Чтобы вызвать в цепи такой ток, используются источники переменного тока, создающие переменную ЭДС, периодически изменяющуюся по величине и направлению. Такие источники называются генераторами переменного тока.
Переменный ток для промышленных целей и для освещения вырабатывается мощными генераторами, приводимыми во вращение паровыми или водяными турбинами и двигателями внутреннего сгорания.
Графический метод даёт возможность наглядно представить процесс изменения той или иной переменной величины в зависимости от времени.
Построение графиков переменных величин, меняющихся с течением времени, начинают с построения двух взаимно перпендикулярных линий, называемых осями графика. Затем на горизонтальной оси в определенном масштабе откладывают отрезки времени, а на вертикальной, также в некотором масштабе, — значения той величины, график которой собираются построить (ЭДС, напряжения или тока).
На фото ниже, изображён графически переменный ток. В данном случае мы откладываем значения тока, причём вверх по вертикали от точки пересечения осей 0 (ноль) откладываются значения тока одного направления, которое принято называть положительным, а вниз от этой точки — противоположного направления, которое принято называть отрицательным.


Сама точка 0 (ноль) служит одновременно началом отсчета значений тока (по вертикали вниз и вверх) и времени (по горизонтали вправо). Иначе говоря, этой точке соответствует нулевое значение тока и тот начальный момент времени, от которого мы намереваемся проследить, как в дальнейшем будет изменяться ток.
Сама кривая названа синусоидой потому, что она является графическим изображением переменной тригонометрической величины, называемой синусом.

Синусоидальный характер изменения тока — самый распространённый в электротехнике, поэтому, говоря о переменном токе, в большинстве случаев имеют в виду синусоидальный ток.

Для сравнения различных переменных токов (ЭДС и напряжений) существуют величины, характеризующие тот или иной ток. Они называются параметрами переменного тока.

Период, амплитуда и частота — параметры переменного тока.

Переменный ток характеризуется двумя параметрами — периодом и амплитудой, зная которые мы можем судить, какой это переменный ток, и построить график тока.


Промежуток времени, на протяжении которого совершается полный цикл изменения тока, называется периодом. Период обозначается буквой Т и измеряется в секундах.

Промежуток времени, на протяжении которого совершается половина полного цикла изменения тока, называется полупериодом. Следовательно, период изменения тока (ЭДС или напряжения) состоит из двух полупериодов. Совершенно очевидно, что все периоды одного и того же переменного тока равны между собой.

Как видно из графика, в течение одного периода своего изменения ток достигает дважды максимального значения.

Im, Em и Um — общепринятые обозначения амплитуд тока, ЭДС и напряжения.

Мы прежде всего обратили внимание на амплитудное значение тока, однако, как это видно из графика, существует бесчисленное множество промежуточных его значений, меньших амплитудного.

Значение переменного тока (ЭДС, напряжения), соответствующее любому выбранному моменту времени, называется его мгновенным значением.

i, е и u — общепринятые обозначения мгновенных значений тока, ЭДС и напряжения.

Мгновенное значение тока, как и амплитудное его значение, легко определить с помощью графика. Для этого из любой точки на горизонтальной оси, соответствующей интересующему нас моменту времени, проведем вертикальную линию до точки пересечения с кривой тока; полученный отрезок вертикальной прямой определит значение тока в данный момент, т. е. мгновенное его значение.

Очевидно, что мгновенное значение тока по истечении времени Т/2 от начальной точки графика будет равно нулю, а по истечении времени - T/4 его амплитудному значению. Ток также достигает своего амплитудного значения; но уже в обратном направлении, по истечении времени, равного 3/4 Т.

Итак, график показывает, как с течением времени меняется ток в цепи, и что каждому моменту времени соответствует только одно определенное значение как величины, так и направления тока. При этом значение тока в данный момент времени в одной точке цепи будет точно таким же в любой другой точке этой цепи.

Число полных периодов, совершаемых током в 1 секунду, называется частотой переменного тока и обозначается латинской буквой f.

Частота переменного тока измеряется единицей, называемой герцем.



Период Т, см. фото ниже, - время, в течение которого периодически изменяющаяся величина а проходит полный цикл своего изменения. Период измеряется в секундах. Так как периоду соответствует изменение фазы на 360 градусов или 2Пи радиан, то по оси абсцисс можно откладывать вместо времени соответствующее значение угла (рис. б на фото ниже).


Частота - количество периодов в секунду:


Частота измеряется в следующих величинах: 1 МГц = 10³ кГц = 10⁶ Гц; 1 кГц = 1000 Гц.

Круговая частота - количество периодов за 2Пи (6,28) секунд:


Длина волны излучения - определяется по формуле:


где с - скорость света, равная приблизительно 300 000 км/с.

Взаимозависимости между частотой и длиной волны приведены в таблице ниже:


Фаза, фазовый угол (обозначается греческой буквой фи) - угол, определяющий значение периодически изменяющейся величины в данный момент времени.

Начальная фаза - фазовый угол в начальный момент времени (угол фи на рисунке выше).

Сдвиг фаз - сдвиг времени моментов достижения одинаковых значений (например, нулевых, положительных или отрицательных максимальных значений) двух синусоидальных величин одной и той же частоты. Угол сдвига фаз фи равен разности начальных фазовых углов.
На фото ниже приведены кривые синусоидальных напряжения и тока, сдвинутых по фазе на угол:


Амплитудное значение А_m - наибольшее из мгновенных значений.

Действующее (эффективное) значение величины, изменяющейся по синусоидальному закону:


Среднее за полупериод значение синусоидально изменяющейся величины:


Формулы для определения амплитудных, мгновенных, действующих и средних значений тока и напряжения приведены в таблице ниже:



Итак, начинаем собирать БП. Первая деталь, которой нужно обзавестись, - понижающий трансформатор питания. Порывшись в закромах, обнаружился вот такой вот трансформатор:


Подобные трансформаторы нередко используются в блоках питания радиолюбительских конструкций. Первичная (высокоомная) обмотка трансформатора рассчитана на сетевое напряжение 220 В, обозначена она цифрами 1 и 2, на вторичных (низкоомных) обмотках при этом получаются низкие напряжения, в данном трансформаторе две вторичные обмотки. Но их количество может быть как меньше, так и больше, это зависит от модели трансформатора. В данном конкретном трансформаторе вторичные обмотки обозначены 3 и 4,
5 и 6.
На электрической принципиальной схеме наш трансформатор будет выглядеть следующим образом:


Теперь нам необходимо подать напряжение сети 220 В на первичную обмотку трансформатора и измерить вольтметром переменного тока или мультиметром, в режиме измерения переменного тока, на какое напряжение рассчитаны наши вторичные обмотки.

Проводники от выводов первичной обмотки должны быть, конечно, в хорошей изоляции и с вилкой на конце. Для изоляции, учитывая современные реалии, лучше всего использовать термоусадку, но можно и по старинке использовать кембрики. Необходимо это для того, чтобы исключить возможность поражения электрическим током во время экспериментов.

Подготавливаем кабель с вилкой на конце для подпайки к трансформатору:


Теперь нам необходимо припаять вилку к первичной обмотке трансформатора и хорошо заизолировать, при добавлении вилки в схему у нас также изменится и она, теперь наша схема выглядит следующим образом:


А на практике, это выглядит вот так:


Теперь, мы подключаем мультиметр и измеряем напряжения на наших обмотках:


Как мы видим из фото, у нас абсолютно идентичные две обмотки, рассчитанные на примерно 14 В (14,4 В). И не забываем, что это переменное напряжение. Переменное напряжение имеет форму синусоиды. Для того, чтобы это увидеть нам необходимо подключить выводы одной из вторичных обмоток к щупам осциллографа, выставив длительность развёртки 5мс/дел. и чтобы синусоида уместилась на экране, выставить 5В/дел.

Продолжение следует...

Продолжение...

В итоге мы увидим:


Как видно из фото размах сигнала у нас, примерно 7 клеток, а так как мы выставили 5В/дел. то получается размах сигнала около 35 В. Хотя измеренное мультиметром переменное напряжение на вторичной обмотке равно, примерно 14,4 В. Почему так?
Дело в том, что на экране мы видим удвоенную амплитуду (положительный и отрицательный полупериоды) синусоидальных колебаний. Действующее же значение переменного напряжения, измеренное мультиметром, в два умноженное на корень из двух, раз меньше:


Разделив показания осциллографа на это значение, мы и получим почти 14,4 В.
Далее нам необходимо "выпрямить" наше напряжение, то есть получить из переменного напряжения, постоянное. Для этого нам потребуется четыре диода, из которых мы соберём по мостовой схеме двухполупериодный выпрямитель. И временно добавим нагрузочный резистор R1. Наша схема преобразится следующим образом:


Для того, чтобы всё это было не на соплях, а более менее цивильно, расположим это всё на небольшой "макетной" платке из куска какой-то прессованной бумаги. Трансформатор прикрутим, для диодного моста забил стойки из штырьков от разъёмов с материнки и для резистора, диоды применил валявшиеся под рукой КД2999А, и сразу померяем какое у нас на выходе получилось постоянное напряжение:


И сразу посмотрим осциллографом, что у нас там, должны быть положительные полуволны:


Ну вот, что-то похожее на то, что должно быть в идеале:


Итак, мы видим после диодного моста положительные полуволны синусоидального напряжения, следующие с частотой, вдвое большей частоты сетевого напряжения. Иными словами, отрицательные полупериоды "перевернулись" и заняли место между положительными.
Такое выпрямленное напряжение подавать на полупроводниковые устройства нельзя, так как слишком велики пульсации. Это напряжение необходимо сгладить. Для этого необходимо к выходу диодного моста подключить полярный электролитический конденсатор, что мы и сделаем.

Припаиваем конденсатор, я установил на 2200 мкФ х 25 В и померяем напряжение:


Как видно оно возросло с 12,5 В до 18,9 В. При подключении конденсатора, напряжение увеличивается на корень из двух. Соответственно изменилась и наша электрическая принципиальная схема, теперь она выглядит вот так вот:


Так же посмотрев осциллограмму, мы можем убедиться, что у нас напряжение стало постоянным и представляет собой прямую линию (5 В/дел.):


Теперь добавив обратно в схему нагрузочный резистор:


И переведя осциллограф в режим с закрытым входом, мы можем посмотреть пульсации напряжения (50мВ/дел.):


Как мы видим из осциллограммы амплитуда их составляет порядка 60 мВ с данной нагрузкой. Это происходит из-за того, что конденсатор заряжается от каждого полупериода сетевого напряжения и в промежутках между ними успевает немного разрядиться. В итоге на нагрузке действует постоянное напряжение с пульсациями около 60 мВ.
Постоянное напряжение с такими пульсациями уже можно подавать на многие электронные устройства. Однако измеренные пульсации в данном случае справедливы для тока нагрузки 16 мА (определяется резистором R1), это тот ток который потребляет наш резистор:


При увеличении тока нагрузки возрастут и пульсации. Значительно уменьшить пульсации можно, питая нагрузку через параметрический стабилизатор. Для его изготовления понадобится стабилитрон и балластный резистор. При этом напряжение на нагрузке будет определяться только используемым стабилитроном.

Этот полупроводниковый прибор тоже диод, кремниевый, но предназначен он не для выпрямления переменного тока, хотя и может выполнять такую функцию, а для стабилизации, то есть поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры. Условное графическое обозначение стабилитрона на электрических принципиальных схемах показано ниже:


По устройству и принципу работы кремниевые стабилитроны широкого применения аналогичны плоскостным выпрямительным диодам. Но работает стабилитрон не на прямом, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на том участке обратной ветви вольт-амперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор. Разобраться в сущности действия стабилитрона нам поможет его вольт-амперная характеристика, показанная ниже:


Здесь по горизонтальной оси отложены в некотором масштабе обратное напряжение U_обр, а по вертикальной оси вниз - обратный ток I_обр.

* резерв.

* резерв.

* резерв.

* резерв.

Спасибо. Слежу за темой

Ну да, сюда можно заглянуть что бы вспомнить. И другие темы полезны для такого новичка как я.
Вообще хорошо ты по полочкам раскладываешь. Все понятно.

Atari1974 пишет:Вообще хорошо ты по полочкам раскладываешь.

Было бы ещё время свободное, чтобы это всё по полочкам раскладывать, но по мере возможностей стараюсь.


Тебе уже пора собирать БП, аппетит ещё не нагулял?