Выпрямитель переменного тока 12в

Какие бывают выпрямители?

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше "провалов" напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop — V_F). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V_F, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой "Полупроводниковые выпрямители".

Блок питания постоянного напряжения 12 вольт состоит из трех основных частей:

• Понижающий трансформатор с обычного входного переменного напряжения 220 В. На его выходе будет такое же синусоидальное напряжение, только пониженное до примерно 16 вольт по холостому ходу – без нагрузки.
• Выпрямитель в виде диодного моста. Он «срезает» нижние полусинусоиды и кладет их вверх, то есть получается напряжение, меняющееся от 0 до тех же 16 вольт, но в положительной области.
• Электролитический конденсатор большой емкости, который сглаживает полусинусоиды напряжения, делая их приближающимися к прямой линии на уровне в 16 вольт. Это сглаживание тем лучше, чем больше емкость конденсатора.

Самое простое, что нужно для получения постоянного напряжения, способного питать приборы, рассчитанные на 12 вольт – лампочки, светодиодные ленты и другое низковольтное оборудование.

Понижающий трансформатор можно взять из старого блока питания компьютера или просто купить в магазине, чтобы не заморачиваться с обмотками и перемотками. Однако чтобы выйти в конечном счете на искомые 12 вольт напряжения при работающей нагрузке, нужно взять трансформатор, понижающий вольт до 16.

Для моста можно взять четыре выпрямительных диода 1N4001, рассчитанных на нужный нам диапазон напряжений или аналогичные.

Конденсатор должен быть емкостью не менее 480 мкФ. Для хорошего качества выходного напряжения можно и больше, 1 000 мкФ или выше, но для питания осветительных приборов это совсем не обязательно. Диапазон рабочих напряжений конденсатора нужен, скажем, вольт до 25.

Компоновка прибора

Если мы хотим сделать приличный прибор, который не стыдно будет потом приделать в качестве постоянного блока питания, допустим, для цепочки светодиодов, нужно начать с трансформатора, платы для монтажа электронных компонентов и коробки, где все это будет закреплено и подключено. При выборе коробки важно учесть, что электрические схемы при работе разогреваются. Поэтому коробку хорошо найти подходящую по размерам и с отверстиями для вентиляции. Можно купить в магазине или взять корпус от блока питания компьютера. Последний вариант может оказаться громоздким, но в нем как упрощение можно оставить уже имеющийся трансформатор, даже вместе с вентилятором охлаждения.

На трансформаторе нас интересует низковольтная обмотка. Если она дает понижение напряжения с 220 В до 16 В – это идеальный случай. Если нет, придется ее перемотать. После перемотки и проверки напряжения на выходе трансформатора его можно закрепить на монтажной плате. И сразу продумать, как монтажная плата будет крепиться внутри коробки. У нее для этого имеются посадочные отверстия.

Дальнейшие действия по монтажу будут проходить на этой монтажной плате, значит, она должна быть достаточной по площади, длине и допускать возможную установку радиаторов на диоды, транзисторы или микросхему, которые должны еще поместиться в выбранную коробку.

Диодный мост собираем на монтажной плате, должен получиться такой ромбик из четырех диодов. Причем левая и правая пары состоят одинаково из диодов, подключенных последовательно, а обе пары параллельны друг другу. Один конец каждого диода маркирован полоской – это обозначен плюс. Сначала паяем диоды в парах друг к другу. Последовательно – это значит плюс первого соединен с минусом второго. Свободные концы пары тоже получатся – плюс и минус. Параллельно соединить пары – значит спаять оба плюса пар и оба минуса. Вот теперь имеем выходные контакты моста – плюс и минус. Или их можно назвать полюсами – верхним и нижним.

Остальные два полюса – левый и правый – используются как входные контакты, на них подается переменное напряжение с вторичной обмотки понижающего трансформатора. А на выходы моста диоды подадут пульсирующее знакопостоянное напряжение.

Если теперь подключить параллельно с выходом моста конденсатор, соблюдая полярность – к плюсу моста – плюс конденсатора, он напряжение начнет сглаживать, причем настолько хорошо, насколько велика у него емкость. 1 000 мкФ будет достаточно, и даже ставят 470 мкФ.

Внимание! Электролитический конденсатор – прибор небезопасный. При неверном подключении, при подаче на него напряжения вне рабочего диапазона или при большом перегреве он может взорваться. При этом разлетается по округе все его внутреннее содержимое – лохмотья корпуса, металлической фольги и брызги электролита. Что весьма опасно.

Ну вот и получился у нас самый простой (если не сказать, примитивный) блок питания для приборов напряжением 12 V DC, то есть постоянного тока.

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:

1. 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.
2. Использовать специальные схемы защиты, которые бы отключали блок питания при превышении тока на нагрузке.
3. Использовать более мощные блоки питания или блоки питания с большим запасом мощности.

Блок питания со стабилизатором на микросхеме

На рисунке ниже представлено развитие предыдущей простой схемы включением на выходе микросхемы 12-вольтового стабилизатора LM7812.

Это уже лучше, но максимальный ток в нагрузке такого блока стабилизированного питания по-прежнему не должен превышать 1 А.

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.

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.

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.

Делаем простой выпрямитель тока на 12 вольт, для заряда аккумуляторов авто. Всё началось с того, что привезли мне на роботу нерабочий блок питания на 22В и 110В. Решил из него сделать зарядное устройство для своей машины для аккумулятора. Аккумулятор естественно на 12В. Сначала разобрал блок питания и посмотрел что там есть внутри. Как оказалось, кроме трансформатора ничего и не было. Не работал БП из-за того, что один провод на подачу электроэнергии просто каким-то образом отвалился. Все же прибор советских времен и со временем поизносился. Корпус и все провода решил выкинуть и смастерить все заново.

Достал из прибора трансформатор. Там было две вторичные обмотки. Одна была на 22В, вторая — 110В. Но этот вольтаж мне не подходил для зарядки аккумулятора.

Разобрал трансформатор, достал все пластины, размотал вторичную обмотку на 22 В. Намотал новым, более толстым, проводом новую обмотку на 12В. Она содержала наполовину меньше витков чем прежняя, но так как сечение провода увеличил, заполнило окно полностью. Все аккуратно собрал и проверил. На выходе оказалось 13.4В. Это отлично подходило для АКБ.

Схема выпрямителя тока на 12 вольт

Далее решил не усложнять дело всякими хитроумными зарядными на микросхемах, а собрать простой и надежный выпрямитель на диодах. Взял диоды Д242. Они очень надежные, но немного греются, следует установить на радиаторы.

Спаял по стандартной схеме диодного моста. Подключил — все отлично работало, на выходе теперь было 13.7В. Как и должно быть, немного увеличилось напряжение после выпрямления. Но ничего страшного. Для аккумуляторов ведь надо не строго 12, а примерно 14 вольт для нормального заряда.

Все аккуратно вместил в новый корпус. Сделал выход на выпрямитель. Подключаю и с удовольствием пользуюсь. Сделал еще индикатор наличия электроэнергии — просто подключил к сети 220В обычный светодиод через резистор. Получился простой и надёжный выпрямитель для ЗУ на 12 вольт .