Как подобрать конденсатор для выпрямителя. Подбор диодов для выпрямительного моста: ключевые характеристики и рекомендации — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как правильно выбрать диоды для выпрямительного моста. На какие параметры обратить внимание при подборе диодов. Какие характеристики диодов наиболее важны для надежной работы выпрямителя.

Содержание

Ключевые характеристики диодов для выпрямительного моста

При подборе диодов для выпрямительного моста необходимо обратить внимание на несколько важных параметров:

Максимальный прямой ток
Максимальное обратное напряжение
Максимальная рабочая частота
Диапазон рабочих температур

Рассмотрим каждую из этих характеристик подробнее на примере популярного диода 1N4007.

Максимальный прямой ток диода

Максимальный прямой ток — это ток, который диод способен длительно пропускать через себя без повреждений. Для 1N4007 он составляет 1 А при температуре до 75°C.

При выборе диодов для моста рекомендуется делать запас по току минимум 50%. Например, если требуется выходной ток 0.5 А, лучше использовать диоды на 1 А.

Максимальное обратное напряжение диода

Это напряжение, которое диод способен выдержать в закрытом состоянии. Для 1N4007 оно составляет 1000 В.

При выборе диодов по этому параметру также рекомендуется делать запас 25-100% от требуемого значения.

Максимальная рабочая частота диода

Это наибольшая частота, на которой диод сохраняет свои характеристики. Для 1N4007 она составляет 1 МГц.

Для обычных сетевых блоков питания (50-60 Гц) большинство диодов подходят по этому параметру. Для импульсных БП может потребоваться более высокочастотный диод.

Диапазон рабочих температур диода

Это температурный диапазон, в котором диод сохраняет свои характеристики. Для 1N4007 он составляет от -65°C до +175°C.

Важно учитывать, что кремниевые диоды начинают необратимо разрушаться при температуре около 150-180°C. Поэтому не рекомендуется эксплуатация на предельных температурах.

Готовые диодные мосты или отдельные диоды?

Для выпрямителей можно использовать как отдельные диоды, так и готовые диодные мосты. Рассмотрим плюсы и минусы каждого варианта:

Преимущества отдельных диодов:

Возможность подобрать диоды с оптимальными характеристиками
Меньшая стоимость при больших мощностях
Упрощенная замена в случае выхода из строя

Преимущества готовых диодных мостов:

Компактность
Простота монтажа
Подобранные характеристики диодов

Для маломощных блоков питания удобнее использовать готовые мосты. При больших мощностях лучше собирать мост из отдельных диодов с необходимым запасом по характеристикам.

Расчет параметров выпрямительного моста

Для правильного выбора диодов необходимо рассчитать основные параметры выпрямителя:

Максимальное входное напряжение (амплитудное значение)
Максимальный ток нагрузки
Частота входного напряжения

На основе этих данных подбираются диоды со следующими характеристиками:

Максимальное обратное напряжение > 1.5 * Uвх.макс
Максимальный прямой ток > 1.5 * Iнагр.макс
Максимальная частота > 2 * fвх

Как проверить работоспособность диодного моста?

Для проверки исправности диодного моста можно использовать следующие методы:

Прозвонка мультиметром в режиме проверки диодов
Измерение прямого падения напряжения на каждом диоде
Проверка обратного сопротивления диодов

Исправный диодный мост должен пропускать ток только в прямом направлении и иметь высокое сопротивление в обратном. Падение напряжения на исправных кремниевых диодах составляет около 0.6-0.7 В.

Типичные неисправности выпрямительных мостов

Наиболее распространенные проблемы с диодными мостами:

Пробой одного или нескольких диодов
Обрыв диода
Увеличение прямого падения напряжения
Уменьшение обратного сопротивления

Причинами неисправностей чаще всего являются перегрузка по току, перенапряжение или перегрев. Для повышения надежности важно правильно выбирать диоды с запасом по характеристикам и обеспечивать достаточное охлаждение.

Расчет электролитического конденсатора в сетевом выпрямителе

Расчет сглаживающего конденсатора в сетевом выпрямителе.

Входной выпрямитель является неотъемлемым элементом большинства преобразователей, питающихся от переменного сетевого напряжения. После диодного моста напряжение на конденсаторе будет иметь вид пилы, верхняя точка которой равна амплитудному напряжению сети (минус падение напряжения на диодах моста, что несущественно для устройств, питающихся от 220В), а нижняя зависит от емкости конденсатора и тока потребления нагрузки выпрямителя. В этой статье приведен пример расчета емкости сглаживающего конденсатора выпрямителя. Более полная информация приведена в статье А.И. Колпакова.

В качестве примера приведен расчет конденсатора для реального преобразователя, разработка которого была доведена до практического воплощения, Pвых=1200Вт (выходное напряжение 60В, ток 20А, КПД около 90%)

Исходные данные для расчета:

Uвх = 220В (напряжение сети)

f = 50Гц (частота сетевого напряжения)

Задаваемые параметры:

Umin =260В (минимальное напряжение — задается минимальное значение пилообразного напряжения на конденсаторе)

Iнагр = 5. 13А (ток потребления нагрузки выпрямителя, если известна мощность нагрузки, то ток можно вычислить как I=Pвх/Uмин, в моем случае Pвх=Pвых/КПД, т.е I=(1200/0.9)/260=5.13А )

Вычисляется время заряда конденсатора (в течение которого ток потребляется от сети). Так как напряжение изменяется по синусоидальному закону, используем для расчета формулу тригонометрии:
t(зар) = (arccos(Umin/Umax))/(2*pi*f)
Для синусоиды Umax = Uвх*1.41=220*1.41= 310 В (амплитудное сетевое напряжение), т.е.
t(зар) = (arccos(260/310))/(2*3.141*50) = 0.00183 c
Вычисляется время разряда конденсатора:
t(раз) = T-t(зар)
в двухполупериодном выпрямителе T = (1/f)/2 = 1/50/2=0.01с (частота сети в двухполупериодном выпрямителе удваивается)

t(раз) = 0.01-0.00183 = 0.0082 с
Находится емкость конденсатора, на которой за время t(раз) при токе нагрузки Iнагр напряжение с Umax уменьшится до Umin:
C = Iнагр*dt/dU,
в нашем случае dt это t(раз), а dU является разница (Umax-Umin)
C = 5.13*0.0082/(310-260) = 0.00084Ф = 840 мкФ
Находим пиковый зарядный ток:
Ipic = C*dU/dt,
где dU = Umax-Umin, а dt — это время заряда конденсатора, т.е. t(зар)
Ipic = 0.00084*(310-260)/0.00183 = 23А
Находим среднеквадратичное значение импульсного тока через конденсатор по формуле:
Irms = √(I(зар)²+I(разр)²),
где I(зар)-среднеквадратичный ток через конденсатор на цикле заряда, а I(разр) — среднеквадратичный ток через конденсатор на цикле разряда.
Считаем, что ток заряда конденсатора имеет треугольную форму, тогда
I(зар) = Ipic*√((t(зар)/T)/3) = 23*√((0.00183/0.01)/3) = 5.7A
На интервале разряда через конденсатор течет ток нагрузки, поэтому
I(разр) = Iнагр*t(раз)/T = 5.13*0.0082/0.01 = 4.2А
Итак, Irms = √(5.7²+4.2²) = 7.1А
Полученное Irms
используется при выборе конденсатора (для электролитических конденсаторов обычно указывается допустимое значение импульсного тока для частоты 100Гц). Если у выбранного конденсатора допустимое значение импульсного тока меньше, необходимо набирать конденсаторы с меньшей емкостью и соединять в параллель исходя из условия: суммарная емкость не меньше рассчитанной, а ток, приходящийся на каждый из конденсаторов (ток по конденсаторам с одинаковой емкостью разделится равномерно), не более допустимого.

Расхождение теоретического расчета с практикой.

В заключение скажу, насколько вышеизложенная теория разошлась с практикой, и решайте сами, стоит ли применять эту методику.

Суммарная реальная емкость конденсаторов в моем преобразователе составила 1020мкФ, при этом измеренные осциллографом параметры были следующие:

Umin равнялось примерно 265-275В (близко к расчетному)
t(зар) составляло около 3мс (приличная погрешность — по расчету 1.8мс, а учитывая, что емкость выше расчетной, должно быть еще меньше)
Ipic составило 21А (близко к расчетному)

Ликбез КО. Лекция №4 Сглаживающие фильтры питания.

Сглаживающие фильтры питания.
Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой – во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.
Основные схемы сглаживающих фильтров питания.

Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой ёмкости, шунтирующего нагрузку (сопротивление нагрузки). Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:
1 / (ωС) << Rн
Во время действия синусоидального сигнала, когда напряжение на диоде выпрямителя прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к максимальному. Когда напряжение на выходе диодного выпрямителя оказывается меньше напряжения заряда конденсатора, конденсатор разряжается через нагрузку Rн и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается по мере разряда конденсатора через нагрузку. В каждый следующий полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

Чем больше емкость С и сопротивление нагрузки Rн, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе среднее значение выходного напряжения Uср к максимальному значению синусоиды Umax. Если нагрузку вообще отключить, то в режиме холостого хода на конденсаторе получится постоянное напряжение равное Umax, без всяких пульсаций.

Работа простейшего сглаживающего фильтра на конденсаторе в цепи однополупериодного выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

Красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающего конденсатора, а синим – при его наличии.

Если пульсации должны быть малыми, или сопротивление нагрузки Rн мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т.е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится использовать более сложный сглаживающий фильтр.

Работа сглаживающего Г-образного фильтра на конденсаторе и дросселе в цепи двухполупериодного мостового выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

Как и в примере с однополупериодным выпрямителем, красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающих элементов (конденсатора и дросселя), а синим – при их наличии.

Логично следует, что чем больше ёмкости и индуктивности фильтров, и чем больше в нём реактивных элементов (сложнее фильтр), тем меньше коэффициент пульсаций такого выпрямителя.

В качестве сглаживающих конденсаторов используются электролитические конденсаторы. Чем больше ёмкость, тем лучше. Кроме того, для надёжности, конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в полтора-два раза превышающее выходное напряжение диодного моста.
Определение выходного напряжения выпрямителя и выбор сглаживающего фильтра для блока вторичного питания
К описанному в статье, следует добавить важную информацию, используемую для конструирования источников (блоков) питания постоянного тока:

1. Любой p-n переход, любого полупроводникового прибора, в том числе диода имеет характеристику – падение напряжения на переходе. Это напряжение обычно указывают в справочниках. Для германиевых диодов оно может быть от 0,3 вольт до 0,5 вольт, а для кремниевых диодов – от 0,6 вольт до 1,5 вольт.

Это значит, что если мы возьмём трансформатор с выходным напряжением 6,3 вольта, выпрямим его однофазным двухполярным мостовым выпрямителем (диодным мостом) у которого на каждом диоде по справочнику падает по 1 вольту (Uпр.= 1 В), то на выходе выпрямителя мы получим всего лишь 4,3 вольта. Напряжение в 2 вольта «потеряется» на 2-х диодах по пути прохождения тока. Начинающие радиолюбители обычно этого не учитывают, потому и недоумевают, почему на выходе маленькое напряжение.

2. Переменный электрический ток измеряется приборами, которые, как правило, показывают его среднее значение, а не максимальное. Максимальное значение переменного напряжения это – значение электрического напряжения соответствующее его максимальному значению синусоиды.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 * Umax

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2 Umax / π = 0,636 * Umax

Значение среднего напряжения — 0,636 за счёт особенностей конструкции измерительных приборов округляется и принимается равной 0,7.

3. Исходя из изложенного выше, можно сделать вывод, который справедлив в том случае, когда нагрузка на блок питания маленькая. Обратите внимание на рисунки ниже.
Выходное напряжение выпрямителей с фильтром питания:
а) с большой нагрузкой :
б) с маленькой нагрузкой :
Эти рисунки поясняют, что при малой нагрузке выходное напряжение выпрямителя с фильтром питания равно максимальной амплитуде синусоиды поступающей на выпрямитель, за вычетом падения напряжения на диодах.
Пример определения выходного напряжения, и подбора сглаживающего конденсатора для источника вторичного питания
Рассмотрим случай со средним переменным напряжением на выходе трансформатора, измеренным мультиметром равным 6,3 вольта, и нагрузкой (сопротивлением нагрузки) равной 200 Ом.

Выходное напряжение c мостового выпрямителя будет определено следующим образом:

— максимальное напряжение на выходе трансформатора:

Umax = Uизм / 0,7 = 6,3в / 0,7 = 9 вольт

— максимальное выходное напряжение на выходе выпрямителя:

Uвых. = Umax – UVD1 – UVD2 = 9 – 1 – 1 = 7 вольт

— емкость сглаживающего конденсатора выбираем из условия:

1 / (2*π*f*С) << Rн , откуда 1 / (2*π*f *Rн) << С

— подставим данные:

1/(2*3,14*50*200) = 1,59*10-5 (Фарад) = 15,9 мкФ

— учитывая условие, при котором емкость конденсатора должна быть намного больше полученному по приведенному условию, выбираем конденсатор ёмкостью более чем в пять раз больше расчётного значения — 100 мкФ*16 вольт.
Схема, состоящая из трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра является источником нестабилизированного питания. От таких источников можно питать любые устройства, потребляющие слабый ток, не критичные к наличию пульсаций и нестабильности питающего напряжения. Для максимального подавления пульсаций и стабилизации питающего напряжения применяют Стабилизаторы напряжения.

Какой реальный пусковой ток в моем выпрямителе переменного / постоянного тока?

Сейчас я работаю с выпрямителями и блоками питания и пытаюсь совместить симуляции с реальными наблюдениями за моей схемой.

Это мостовой диодный выпрямитель (4x 1N5821) с 4 параллельными алюминиевыми конденсаторами емкостью 470 мкФ, 63 В. Пиковое напряжение на входе переменного тока составляет 33,9 В, и цепь нагружена резистором 330R 5 Вт.

Входной переменный ток поступает от трансформатора 240В-24В и имеет быстродействующий предохранитель 1А на стороне 24В.

При моделировании LTSpice диодов со встроенными 1N5819 и конденсаторами с ESR 0,1, при первом запуске из источника поступает большой ток, достигающий пика в 18,6A.

Так почему предохранитель не перегорает при каждом включении?

Изменить: Обновить — я измерил наклон выходного напряжения при первом включении выпрямителя, из которого я рассчитываю ток по i = 1 / c * dv / dt. Я обнаружил, что у меня примерно 4А во время первого цикла зарядки.

Ответ о предохранителях находится на правильном пути, я чувствую, но я собираюсь оставить это открытым на некоторое время.

Bimpelrekkie

Пусковой ток — очень короткое (по времени) событие. Предохранитель — это (сравнительно) медленное устройство, провод в предохранителе должен нагреваться. Нужно со временем собирать определенное количество энергии, чтобы нагреться и растаять. Если интегрированный во времени импульс пускового тока не превышает определенного значения, предохранитель не перегорит. Вы когда-нибудь замечали, что существуют быстрые и медленные предохранители? Но даже быстрый предохранитель может быть слишком медленным в вашем случае. Что хорошо, вы хотите, чтобы это произошло, конечно, когда что-то серьезно не так.

Кроме того, 18.6A может быть оптимистичным. Я имею в виду, что на практике это, вероятно, будет ниже. Учли ли вы сопротивление постоянного тока вторичной стороны трансформатора?

СТАБИЛИЗАЦИЯ Uвых КОНДЕНСАТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Puc.2

В описанных устройствах это время постоянно и равно полному периоду сетевого напряжения. Если же выход моста закорачивать ключом К на часть длительности полупериода сети, а в оставшуюся часть полупериода ключ К размыкать, и заряжать в это время выходным током моста конденсатор С2, то напряжение на нем будет зависеть от доли этой оставшейся части по отношению ко всему полупериоду сети. И если, как при ШИМ, автоматически менять время открытого состояния ключа в зависимости от напряжения на С2, можно получить автостабилизацию выходного напряжения конденсаторного выпрямителя. Схема стабилизированного конденсаторного выпрямителя приведена на рис.3. Параллельно выходу диодного моста включен транзистор VT1, работающий в ключевом режиме (ключ К на рис.2)

Puc.3

. База ключевого транзистора VT1 через пороговый элемент (стабилитрон VD3) соединена с накопительным конденсатором С2, отделенным по постоянному току от выхода моста диодом VD2 для исключения быстрого разряда при открытом VT1. Пока напряжение на С2 меньше напряжения стабилизации VD3, выпрямитель работает известным образом. При увеличении напряжения на С2 и открывании VD3 транзистор VT1 также отрывается и шунтирует выход выпрямительного моста. Вследствие этого напряжение на выходе моста скачкообразно уменьшается практически до нуля, что приводит к уменьшению напряжения на С2 и последующему выключению стабилитрона и ключевого транзистора. Далее напряжение на конденсаторе С2 снова увеличивается до момента включения стабилитрона и.транзистора и т.д. Эти процессы обеспечивают автоматическую стабилизацию выходного напряжения.

В режиме холостого хода выпрямителя ключевой транзистор VT1 открыт большую часть полупериода сетевого напряжения, и на накопительный конденсатор С2 поступают узкие импульсы тока с большой паузой (рис.4а). При подключении нагрузки длительность открытого состояния транзистора уменьшается (рис.4б). Это приводит к увеличению длительности импульса тока, поступающего через VD2 на С2, и увеличению напряжения на нем, т.е. к поддержанию выходного напряжения на прежнем уровне. Процесс автостабилизации выходного напряжения очень похож на функционирование импульсного стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием. Только в предлагаемом устройстве частота следования импульсов равна частоте пульсации напряжения на С2 (в схеме на рис.3 эта частота равна 100 Гц).

Ключевой транзистор VT1 для уменьшения потерь должен быть с большим коэффициентом усиления, например составной КТ972А, КТ829А, КТ827А и др. Стабилизированный выпрямитель, собранный по схеме рис.3, обеспечивает выходное напряжение: — на холостом ходу — 11,68 В; — на нагрузке 290 Ом — 11,6В. Такая небольшая разница выходных напряжений (всего 0,08 В) является подтверждением хорошей стабилизации выходного напряжения и правильности выбора величины емкости гасящего конденсатора С1 для данной нагрузки. С уменьшением его емкости до 0,5 мкФ эта разница достигает 0,16 В. Напряжение пульсации на нагрузке 290 Ом не превышает 40 мВ. Эта величина определяется емкостью сглаживающего конденсатора С2 и чувствительностью базовой цепи VT1.

Увеличить выходное напряжение выпрямителя можно применив более высоковольтный стабилитрон или два низковольтных, соединенных последовательно. При двух стабилитронах Д814В и Д814Д и емкости конденсатора С1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке сопротивлением 250 Ом может составлять 23…24 В.

Приведенные примеры показывают, как экспериментальным путем подобрать элементы бестрансформаторного конденсаторного выпрямителя на требуемое стабилизированное напряжение при заданной нагрузке. По предложенной методике можно застабилизировать выходное напряжение однополупериодного диодно-конденсаторного выпрямителя, выполненного, например, по схеме рис.5. Для выпрямителя с плюсовым выходным напряжением параллельно диоду VD1 включен п-р-п транзистор КТ972А или КТ829А, управляемый с выхода выпрямителя через стабилитрон VD3.

Puc.5

При достижении на конденсаторе С2 напряжения, соответствующего моменту открывания стабилитрона, транзистор VT1 тоже открывается. В результате амплитуда положительной полуволны напряжения, поступающего на С2 через диод VD2, уменьшается почти до нуля. При уменьшении же напряжения на С2 транзистор VT1, благодаря стабилитрону,закрывается,что приводит к увеличению выходного напряжения.

Процесс сопровождается широтно-импульсным регулированием длительности импульсов на входе VD2, аналогично тому как это происходит в выпрямителе по схеме рис.3. Следовательно, напряжение на конденсаторе С2 остается стабилизированным как на холостом ходу, так и под нагрузкой.

В выпрямителе с отрицательным выходным напряжением параллельно диоду VD1 нужно включить р-п-р транзистор КТ973А или КТ825А. Выходное стабилизированное напряжение на нагрузке сопротивлением 470 Ом — около 11В, напряжение пульсации — 0,3…0,4 В.

В обоих предложенных вариантах бестрансформаторного выпрямителя стабилитрон работает в импульсном режиме при токе в единицы миллиампер, который никак не связан с током нагрузки выпрямителя, с разбросом емкости гасящего конденсатора и колебаниями напряжения сети. Поэтому потери в нем существенно уменьшены, и теплоотвод ему не требуется. Ключевому транзистору радиатор также не требуется.

Резисторы R1, R2 на рис.3 и 5 ограничивают входной ток при переходных процессах в момент включения устройства в сеть. Из-за неизбежного «дребезга» контактов сетевых вилки и розетки, процесс включения сопровождается серией кратковременных замыканий и разрывов цепи. При одном из таких замыканий гасящий конденсатор С1 может зарядиться до полного амплитудного значения напряжения сети, т.е. примерно до 300 В. После разрыва и последующего замыкания цепи из-за «дребезга» это и сетевое напряжения могут сложиться и составить в сумме около 600 В. Это наихудший случай, который необходимо учитывать для обеспечения надежной работы устройства. Конкретный пример: максимальный коллекторный ток транзистора КТ972А равен 4 А, поэтому суммарное сопротивление ограничительных резисторов должно составлять 600В/4А=150 Ом. С целью уменьшения потерь сопротивление резистора R1 можно выбрать 51 Ом, а резистора R2 — 100 Ом. Их мощность рассеяния — не менее 0,5 Вт. Допустимый коллекторный ток транзистора КТ827А составляет 20 А, поэтому для него резистор R2 необязателен.

Литература:
1. Дорофеев М. Бестрансформаторный с гасящим конденсатором. — Радио, 1995, N1, С.41,42; N2, С.36,37.
2. Хухтиков Н. Зарядное устройство. -Радио, 1993, N5, С.37.
3. Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. -Радио, 1997.N5.C.48-50.
4.Ховайко О. Источник питания с конденсаторным делителем напряжения.- Радио, 1997.N11.C.56.
5. Банников В. Упрощенный расчет бестрансформаторного блока питания. — Радиолюбитель, 1998, N1, С.14-16; N2,C16,17.
6. Радиоежегодник, 1991, С.80.

Н.ЦЕСАРУК
г. Тула
РЛ №3, 1999
Источник: shems.h2.ru

Какие диоды нужны для диодного моста. Наиболее важные характеристики диода для выпрямителя тока.

Диодный мост используется там, где есть необходимость в получении постоянного тока из переменного. То есть, если взять самый обычный трансформаторный блок питания, то в его основных элементах будет присутствовать – понижающий трансформатор (с железным магнитопроводом), диодный выпрямительный мост, фильтрующий конденсатор (электролит относительно большой емкости). Силовой трансформатор из более высокого сетевого напряжения, величиной 220 вольт, делает более низкое (стандартными напряжениями являются 3, 5, 6, 9, 12, 24 вольта). Но, с выхода этого трансформатора выходит (так же как и входит) переменный ток. И для того, чтобы из переменного тока сделать постоянный, то есть его выпрямить, и используется диодный мост. Но, на выходе моста мы получим постоянный ток, который будет иметь форму скачков напряжения. Эти скачки сглаживаются фильтрующим конденсатором электролитом.

В этой теме давайте с Вами рассмотрим, как именно правильно подобрать диодный мост, и на какие основные и важные параметры, характеристики в первую очередь обращать внимание. Как известно, диодный мост состоит из четырёх одинаковых диодов, спаянных определенным образом (схема диодного моста). Для примера возьмём такой популярный диод, как 1N4007.

1 » Максимальный долговременный прямой ток.

Максимальный долговременный прямой ток – это одна из наиболее важных характеристик диода. К примеру, у диода (1N4007) этот ток равен 1 ампер. Это значит, что при температуре не выше 75 °С данный диод спокойно может через себя пропускать силу тока до 1 ампера без ущерба для себя (не получая тепловой или электрический пробой). Ток выше 1 ампера уже грозит увеличением вероятности пробоя и последующего выхода из строя (либо при сгорании он станет диэлектриком, то есть его внутреннее сопротивление уже будет бесконечно большим, или же после сгорания он, наоборот, станет проводником, у которого сопротивление станет очень малым). При выборе диодов для мостов и готовых диодных сборок мостов нужно делать некий запас по току. Например, Ваш блок питания должен выдавать на выходе максимальный ток 0,5 ампера, и поставив диодный мост на 1 ампер мы получим 50% запас по току, что обеспечивает на дополнительную защиту от случайных токовых перегрузок до 1 ампера. Это позволит обеспечить дополнительную надёжность работающего диодного моста в блоке питания.

2 » Максимальное обратное напряжение диодов в диодном мосте.

Максимальное обратное напряжение диодов – это та максимальная величина амплитудного напряжения, которое будет приложено к диоду при его обратном включении. Напомню, что обратное включение диода, это когда плюс источника питания подсоединяется к минусу (катоду) диода, а минус источника питания подсоединяется к плюсу диода (аноду). То есть, наоборот, плюс к минусу, а минус к плюсу. При этом подключении (обратном) диод находится в закрытом состоянии, его сопротивление бесконечно большое. Следовательно, максимальная амплитуда напряжения оседает на диоде. Максимальное обратное напряжение у нашего (к примеру взятого) диода 1N4007 равна 1000 вольтам (1кВ). Это значит, что диодный мост, собранный на таких диодах может выдерживать амплитудное переменное напряжение аж до 1000 вольт. Напряжение выше этого значения уже, как и в случае с током, увеличивает вероятность электрического пробоя диода, с последующим выходом его из строя. При подборе диода по этой характеристики также делайте некий запас (от 25% до 100%, а то и более). Хотя 1000 вольт это и так достаточно много!

3 » Максимальная рабочая частота диода.

Максимальная рабочая частота диода – это наиболее высокая частота, на которой диод (диодный выпрямительный мост) может работать не теряя свои номинальные характеристики, функционировать (переходить из закрытого состояния в открытое и обратно) с максимальный быстродействием, сохраняя свою надёжность. Наш диод серии 1N4007 имеет максимальную рабочую частоту 1 мГц. Это достаточно высокая частота. Работая в схеме обычного блока питания (запитываемого от сети с частотой 50 Гц) этих диодов более чем будет достаточно, касательно этой характеристики. И даже они нормально будут работать в схемах импульсных БП, где обычно используется частота около 10-18 кГц.

4 » Интервал рабочих температур диода.

Интервал рабочих температур диода, что будет работать в схеме диодного моста – это температурная характеристика диода. Она говорит о том, что в определённом диапазоне температур диод будет нормально работать, и его другие параметры останутся в рамках допустимого (поскольку температура полупроводника влияет на электрические характеристики, например изменением внутреннего сопротивления диода). У диода 1N4007 интервал рабочих температур лежит в пределах -65…+175°С. При очень низких температура вряд ли в быту Вы будете использовать диодный мост, а вот высокая температура легко может образоваться при прохождении большой величины тока. Причем, как известно, большинство диодов, и мостов сделаны из кремния. Кремний имеет свою критическую температуру, после которой он начинает необратимо разрушаться. Эта температура около 150-180°С. Работа диода на предельных температурах, это также не совсем хорошо. Нормальной температурой для работы полупроводников можно считать от 0 до 60 °С.

5 » Падение напряжения на диоде.

Падение напряжения на диоде – это то напряжение, которое присутствует на диоде при его прямом включении. Как я ранее говорил о обратном напряжении диода, так вот прямое включение диода, это когда плюс диода (его анод) подключен к плюсу источника питания, а минус диода (его катод) подключен к минусу источника питания. При таком подключении диод находится в открытом состоянии, через него нормально проходит ток. Но даже в открытом состоянии диод имеет своё некоторое внутреннее сопротивление, которое и вызывает определенное падение напряжения на этом диоде. К примеру на нашем диоде 1N4007 при токе в 1 ампер падение напряжения составляет около 1,1 вольта. В общем это самое падение напряжения у диодов из кремния лежит в пределах от 0,6 до 1,2 вольта. На это падение напряжения влияет и сила тока, которая проходит через этот диод. А в целом, чем меньше это самое падение напряжения на полупроводнике, тем меньшая мощность на нём оседает, тем меньше он будет грется, тем лучше (для некоторых схем очень важно, чтобы было как можно меньшее падение напряжения на диоде).

6 » Максимальный импульсный ток.

Максимальный импульсный ток диода. Этот пункт логичнее было указать вторым, но я его опустил по причине упорядочивания по важности характеристик диода. Итак, первым пунктом у нас было максимальный долговременный ток, то есть ток, величина которого постоянна во времени. Импульсный ток уже характеризует амплитудное значение силы тока. Во времени это ток может меняться, и в некоторые моменты времени быть равен нулю. Поэтому общая мощность, которая будет оседать на диоде при прохождении через него импульсного тока будет меньше, чем та, которая была бы при долговременном токе. К примеру, для диода 1N4007 при длительности импульса 3.8 мс величина тока равна 30 ампер. И тут мы видим ощутимую разницу. Если при длительном токе диод может выдерживать до 1 ампера, то при импульсном это значение увеличилось аж в 30 раз.

Видео по этой теме:

P.S. Это и были основные характеристики диодов, которые будут работать в диодном мосте, на которые нужно обращать внимание при выборе. Хотя если свести к еще большей простоте, то для обычных трансформаторных блоков питания важны две характеристики, это максимальный длительный ток и обратное напряжение (первый и второй пункт в моей статье). Все остальные параметры обычно у современных диодов достаточно велики и их более чем достаточно для всех диодных мостов, которые могут быть использованы для простых блоков питания.

Схема диодного моста с конденсатором

Многие электронные приборы, для работы которых применяется переменный ток в 220 вольт, используют в своих схемах диодные мосты. Основной функцией данного устройства являются действия по выпрямлению переменного тока. Это связано с тем, что многие приборы рассчитаны на питание постоянного тока. Поэтому, и возникает постоянная необходимость в выпрямлении.

Существует много вариантов подключения подобных устройств. Так, существует диодный мост, схема с конденсатором у которого, отличается от традиционной сборки. Дешевые полупроводниковые диоды позволяют повсеместно применять такие схемы.

Работа диодного моста

Принцип работы диодного моста заключается в следующем. На его вход, обозначенный переменным значком, производится подача переменного тока с изменяющейся полярностью. Частота изменений, как правило, совпадает с частотой в электрической сети. На выходе, где расположены положительный и отрицательный выводы, получается ток исключительно с одной полярностью.

Однако, на выходящем токе будут наблюдаться пульсации с частотой, превышающей частоту переменного тока, подаваемого на вход. Такие пульсации являются нежелательными и препятствуют нормальной работе всей схемы. Для ликвидации таких пульсаций, применяются специальные фильтры. Для самых простых фильтров используются электролитические конденсаторы с большой емкостью. Таким образом, во всех блоках питания устанавливается диодный мост, схема с конденсатором которого позволяет эффективно сглаживать все пульсации выходящего тока.

Чтобы повысить производительность выпрямляющих устройств, в их конструкции применяется схема диодной сборки. В ее состав входят четыре диода с одинаковыми параметрами, объединенные в одном общем корпусе. Для их соединения используется схема мостового выпрямителя. Такая сборка очень компактная, для всех диодов соблюдается одинаковый тепловой режим. Стоимость общей конструкции значительно ниже, чем у четырех отдельных диодов. Однако, существенным недостатком является необходимость замены всего диодного моста, при выходе из строя хотя-бы одного диода.

Применение диодных мостов

Эти схемы применяются, практически, во всех областях электроники, где для питания используется переменный ток однофазной электрической сети. Данный элемент имеет в своей конструкции блоки питания трансформаторного и импульсного типа. В качестве примера импульсного варианта можно привести блок питания компьютера.

Диодные мосты также используются для устойчивой работы люминесцентных и энергосберегающих ламп. Они устанавливаются в светильники, взамен устаревших дросселей. Диодные приборы с большой мощностью входят в состав конструкции сварочных аппаратов.

Простой конденсаторный выпрямитель

Выпрямитель — это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока. Есть разные схемы выпрямителей и каждая из них в определённой мере справляется со своей задачей. В этой статье мы расскажем о том, как сделать однофазный выпрямитель, и зачем он нужен.

Определение

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Слово «постоянный» не совсем корректно, дело в том, что на выходе выпрямителя, в цепи синусоидального переменного напряжения, в любом случае окажется нестабилизированное пульсирующие напряжение. Простыми словами: постоянное по знаку, но изменяющееся по величине.

Различают два типа выпрямителей:

Однополупериодный. Он выпрямляет только одну полуволну входного напряжения. Характерны сильные пульсации и пониженное относительно входного напряжение.

Двухполупериодный. Соответственно, выпрямляется две полуволны. Пульсации ниже, напряжение выше чем на входе выпрямителя – это две основных характеристики.

Что значит стабилизированное и нестабилизированное напряжение?

Стабилизированным называется напряжение, которое не изменяется по величине независимо ни от нагрузки, ни от скачков входного напряжения. Для трансформаторных источников питания это особенно важно, потому что выходное напряжение зависит от входного и отличается от него на Ктрансформации раз.

Нестабилизированное напряжение – изменяется в зависимости от скачков в питающей сети и характеристик нагрузки. С таким блоком питания из-за просадок возможно неправильное функционирование подключенных приборов или их полная неработоспособность и выход из строя.

Выходное напряжение

Основные величины переменного напряжения — амплитудное и действующее значение. Когда говорят «в сети 220В переменки» имеют в виду действующее напряжение.

Если говорят об амплитудной величине, то имеют в виду, сколько вольт от нуля до верхней точки полуволны синусоиды.

Опустив теорию и ряд формул можно сказать, что действующее напряжение в 1.41 раз меньше амплитудного. Или:

Амплитудное напряжение в сети 220В равняется:

Схемы

Однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода. Он просто не пропускает обратную полуволну. На выходе получается напряжение с сильными пульсациями от нуля до амплитудного значения входного напряжения.

Если говорить совсем простым языком, то в этой схеме к нагрузке поступает половина от входного напряжения. Но это не совсем корректно.

Двухполупериодные схемы пропускают к нагрузке обе полуволны от входного. Выше в статье упоминалось об амплитудном значении напряжения, так вот напряжение на выходе выпрямителя то же ниже по величине, чем действующее переменное на входе.

Но, если сгладить пульсации с помощью конденсатора, то, чем меньшими будут пульсации, тем ближе напряжение будет к амплитудному.

О сглаживания пульсаций мы поговорим позже. А сейчас рассмотрим схемы диодных мостов.

1. Выпрямитель по схеме Гретца или диодный мост;

2. Выпрямитель со средней точкой.

Первая схема более распространена. Состоит из диодного моста – четыре диода соединены между собой «квадратом», а в его плечи подключена нагрузка. Выпрямитель типа «мост» собирается по схеме приведенной ниже:

Её можно подключить напрямую к сети 220В, так сделано в современных импульсных блоках питания, или на вторичные обмотки сетевого (50 Гц) трансформатора. Диодные мосты по этой схеме можно собирать из дискретных (отдельных) диодов или использовать готовую сборку диодного моста в едином корпусе.

Вторая схема – выпрямитель со средней точкой не может быть подключена напрямую к сети. Её смысл заключается в использовании трансформатора с отводом от середины.

По своей сути – это два однополупериодных выпрямителя, подключенные к концам вторичной обмотки, нагрузка одним контактом подключается к точке соединения диодов, а вторым – к отводу от середины обмоток.

Её преимуществом перед первой схемой является меньшее количество полупроводниковых диодов. А недостатком – использование трансформатора со средней точкой или, как еще называют, отводом от середины. Они менее распространены чем обычные трансформаторы со вторичной обмоткой без отводов.

Сглаживание пульсаций

Питание пульсирующим напряжением неприемлемо для ряда потребителей, например, источники света и аудиоаппаратура. Тем более, что допустимые пульсации света регламентируются в государственных и отраслевых нормативных документах.

Для сглаживания пульсаций используют фильтры – параллельно установленный конденсатор, LC-фильтр, разнообразные П- и Г-фильтры…

Но самый распространенный и простой вариант – это конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Его недостатком является то, что для снижения пульсаций на очень мощной нагрузке придется устанавливать конденсаторы очень большой емкости – десятки тысяч микрофарад.

Его принцип работы заключается в том, что конденсатор заряжается, его напряжение достигает амплитуды, питающее напряжение после точки максимальной амплитуды начинает снижаться, с этого момента нагрузка питается от конденсатора. Конденсатор разряжается в зависимости от сопротивления нагрузки (или её эквивалентного сопротивления, если она не резистивная). Чем больше емкость конденсатора – тем меньшие будут пульсации, если сравнивать с конденсатором с меньшей емкостью, подключенного к этой же нагрузке.

Простым словами: чем медленнее разряжается конденсатор – тем меньше пульсации.

Скорости разряда конденсатора зависит от потребляемого нагрузкой тока. Её можно определить по формуле постоянной времени:

где R – сопротивление нагрузки, а C – емкость сглаживающего конденсатора.

Таким образом, с полностью заряженного состояния до полностью разряженного конденсатор разрядится за 3-5 t. Заряжается с той же скоростью, если заряд происходит через резистор, поэтому в нашем случае это неважно.

Отсюда следует – чтобы добиться приемлемого уровня пульсаций (он определяется требованиями нагрузки к источнику питания) нужна емкость, которая разрядится за время в разы превышающее t. Так как сопротивления большинства нагрузок сравнительно малы, нужна большая емкость, поэтому в целях сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяют электролитические конденсаторы, их еще называют полярными или поляризованными.

Обратите внимание, что путать полярность электролитического конденсатора крайне не рекомендуется, потому что это чревато его выходом из строя и даже взрывом. Современные конденсаторы защищены от взрыва – у них на верхней крышке есть выштамповка в виде креста, по которой корпус просто треснут. Но из конденсатора выйдет струя дыма, будет плохо, если она попадет вам в глаза.

Расчет емкости ведется исходя из того какой коэффициент пульсаций нужно обеспечить. Если выражаться простым языком, то коэффициентом пульсаций показывает, на какой процент проседает напряжение (пульсирует).

Чтобы посчитать емкость сглаживающего конденсатора можно использовать приближенную формулу:

Где Iн – ток нагрузки, Uн – напряжение нагрузки, Kн – коэффициент пульсаций.

Для большинства типов аппаратуры коэффициент пульсаций берется 0.01-0.001. Дополнительно желательно установить керамический конденсатор как можно большей емкости, для фильтрации от высокочастотных помех.

Как сделать блок питания своими руками?

Простейший блок питания постоянного тока состоит из трёх элементов:

Если нужно получить высокое напряжение, и вы пренебрегаете гальванической развязкой то можно исключить трансформатор из списка, тогда вы получите постоянное напряжение вплоть до 300-310В. Такая схема стоит на входе импульсных блоков питания, например, такого как у вас на компьютере. О них мы недавно писали большую статью — Как устроен компьютерный блок питания.

Это нестабилизированный блок питания постоянного тока со сглаживающим конденсатором. Напряжение на его выходе больше чем переменное напряжение вторичной обмотке. Это значит, что если у вас трансформатор 220/12 (первичная на 220В, а вторичная на 12В), то на выходе вы получите 15-17В постоянки. Эта величина зависит от емкости сглаживающего конденсатора. Эту схему можно использовать для питания любой нагрузки, если для нее неважно, то, что напряжение может «плавать» при изменениях напряжения питающей сети.

У конденсатора две основных характеристики – емкость и напряжение. Как подбирать емкость мы разобрались, а с подбором напряжения – нет. Напряжение конденсатора должно превышать амплитудное напряжение на выходе выпрямителя хотя бы в половину. Если фактическое напряжение на обкладках конденсатора превысит номинальное – велика вероятность его выхода из строя.

Старые советские конденсаторы делались с хорошим запасом по напряжению, но сейчас все используют дешевые электролиты из Китая, где в лучшем случае есть малый запас, а в худшем – и указанного номинального напряжения не выдержит. Поэтому не экономьте на надежности.

Стабилизированный блок питания отличается от предыдущего всего лишь наличием стабилизатора напряжения (или тока). Простейший вариант – использовать L78xx или другие линейные стабилизаторы, типа отечественного КРЕН.

Так вы можете получить любое напряжение, единственное условие при использовании подобных стабилизаторов, это то, напряжение до стабилизатора должно превышать стабилизированную (выходную) величину хотя бы на 1.5В. Рассмотрим, что написано в даташите 12В стабилизатора L7812:

Входное напряжение не должно превышать 35В, для стабилизаторов от 5 до 12В, и 40В для стабилизаторов на 20-24В.

Входное напряжение должно превышать выходное на 2-2.5В.

Т.е. для стабилизированного БП на 12В со стабилизатором серии L7812 нужно, чтобы выпрямленное напряжение лежало в пределах 14.5-35В, чтобы избежать просадок, будет идеальным решением применять трансформатора с вторичной обмоткой на 12В.

Но выходной ток достаточно скромный – всего 1.5А, его можно усилить с помощью проходного транзистора. Если у вас есть PNP-транзисторы, можно использовать эту схему:

На ней изображено только подключение линейного стабилизатора «левая» часть схемы с трансформатором и выпрямителем опущена.

Если у вас есть NPN-транзисторы типа КТ803/КТ805/КТ808, то подойдет эта:

Стоит отметить, что во второй схеме выходное напряжение будет меньше напряжения стабилизации на 0.6В – это падение на переходе эмиттер база, подробнее об этом мы писали в статье о биполярных транзисторах. Для компенсации этого падения в цепь был введен диод D1.

Можно и в параллель установить два линейных стабилизатора, но не нужно! Из-за возможных отклонений при изготовлении нагрузка будет распределяться неравномерно и один из них может из-за этого сгореть.

Установите и транзистор, и линейный стабилизатор на радиатор, желательно на разные радиаторы. Они сильно греются.

Регулируемые блоки питания

Простейший регулируемый блок питания можно сделать с регулируемым линейным стабилизатором LM317, её ток тоже до 1.5 А, вы можете усилить схему проходным транзистором, как было описано выше.

Вот более наглядная схема для сборки регулируемого блока питания.

Чтобы получить больший ток можно и использовать более мощный регулируемый стабилизатор LM350.

В последних двух схемах есть индикация включения, которая показывает наличие напряжения на выходе диодного моста, выключатель 220В, предохранитель первичной обмотки.

Вот пример регулируемого зарядного устройства для аккумулятора с тиристорным регулятором в первичной обмотке, по сути такой же регулируемый блок питания.

Кстати похожей схемой регулируют и сварочный ток:

Заключение

Выпрямитель используется в источниках питания для получения постоянного тока из переменного. Без его участия не получится запитать нагрузку постоянного тока, например светодиодную ленту или радиоприемник.

Также используются в разнообразных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, есть ряд схем с использованием трансформатора с группой отводов от первичной обмотки, которые переключаются галетным переключателем, а во вторичной обмотке установлен только диодный мост. Переключатель устанавливают со стороны высокого напряжения, так как, там в разы ниже ток и его контакты не будут пригорать от этого.

По схемам из статьи вы можете собрать простейший блок питания как для постоянной работы с каким-то устройством, так и для тестирования своих электронных самоделок.

Схемы не отличаются высоким КПД, но выдают стабилизированное напряжение без особых пульсаций, следует проверить емкости конденсаторов и рассчитать под конкретную нагрузку. Они отлично подойдут для работы маломощных аудиоусилителей, и не создадут дополнительного фона. Регулируемый блок питания станет полезным автолюбителями и автоэлектрикам для проверки реле регулятора напряжения генератора.

Регулируемый блок питания используется во всех областях электроники, а если его улучшить защитой от КЗ или стабилизатором тока на двух транзисторах, то вы получите почти полноценный лабораторный блок питания.

знаю что паралельно диодному мосту должен стоять сглаживающий конденсатор
— как правильно подобрать номинал сглаживающего конденсатора в микрофарадах «mF» паралельно диодному мосту .
— интуитивно подозревая что конденсатор должен быть большой емкости. ничего под рукой не оказалось как три конденсатора по 250мФ (400В) подключил паралельно. на выходе после диодного моста из 12В получилось 16В (что очень нежелательно в моем случае, нужны стабильные 12 и 24VDC)
ВОПРОС; как емкость конденсатора влияет на выходное напряжение после моста ? есть ли готовая формула расчета .

и еще вопрос по теме; — почему при паралельном подключении 6-ти гидроклапанов к одному трансформатору, питание в сети поднимается с 12В-вплоть до 17-тиVDC, а если подключать на обмотку трансформатора 24В питание поднимается вплоть до 34VDC . где искать грабли ? может отделить катушки клапанов дополнительными диодами на каждую обмотку .

Вопрос задан более трёх лет назад
50426 просмотров

На самом деле вам стоило бы почитать какую-нибудь книжку по электротехнике.

Если вкратце, то переменное напряжение в среднем в сети переменного тока равно нулю, потому что оно постоянно меняет знак, и меняется от одного амплитудного значения до другого. Поэтому в сети переменного тока принято измерять действующее значение напряжения, которое есть , потому что такое значение согласуется по энергетическим характеристикам с постоянным напряжением той же величины.

Однако после выпрямления тока, на выходе получается пульсирующее напряжение с амплитудой . Если таким напряжение заряжать конденсатор, не подключая нагрузку, то конденсатор зарядится до этого самого амплитудного значения. В вашем случае , что вы и наблюдаете.

Расчет емкости конденсатора фильтра зависит от величины нагрузки и допустимого уровня пульсации. Ваш выпрямленный ток грубо можно представить как сумму постоянного и переменного тока. Переменная составляющая может проходить через конденсатор, который представляет для нее некоторое сопротивление. Для того, чтобы эффективно давить переменную составляющую, необходимо, чтобы сопротивление конденсатора для переменного тока было значительно меньше сопротивления нагрузки, которую создают потребители.

Тут можно посчитать емкостное сопротивление, нужно иметь в виду, что после диодного моста частота переменной составляющей тока будет 100Гц

Без детального описания схемы дальше сказать что-то будет сложно. Если вы не разбираетесь в схемотехнике, лучше купить готовый блок питания.

Простой расчет выпрямителя с сетевым трансформатором

Приведено описание упрощенного расчета источника питания на основе сетевого трансформатора и мостового выпрямителя. Простой блок питания состоит из силового трансформатора, выпрямителя и подавляющего пульсации конденсатора.

Схема выпрямителя

Выпрямители бывают разные, но в таких блоках питания чаще всего используются мостовые выпрямители, как в блоке питания, схема которого показана на рисунке 1. Здесь рассматривается упрощенный расчет именно такого блока питания.

Рис. 1. Принципиальная схема блока сетевого понижающего выпрямителя.

Трансформатор

Самой сложной деталью этой схемы является именно силовой трансформатор. Конечно сейчас можно приобрести готовый трансформатор практически под любые ваши «нужды», но это не всегда возможно.

И зачастую трансформатор приходится делать самостоятельно или, что бывает чаще, перематывать готовый, но неисправный (с горелыми обмотками) либо неподходящий трансформатор под необходимые для конкретного случая параметры.

И так, для изготовления силового трансформатора необходим сердечник с каркасом для обмоток и провод для намотки обмоток. Обычно сердечники встречаются двух типов — «Ш»-образные и тороидальные.

Проще всего наматывать «Ш»-образный, такой как показан на рисунке 2, особенно при большом числе витков, так как его обмотки наматываются на каркас как нитки на катушку, а потом сердечник собирается из отдельных «Ш»-образных пластин «в перекрышку». О нем и будем говорить. Для начала необходимо разобраться с требуемыми параметрами трансформатора.

А именно, — входное переменное напряжение (U), выходное переменное напряжение (Uo), мощность, которую нужно получить на выходе (Р).

Рис. 2. Ш-образный сердечник для трансформатора.

Если мы живем в РФ, то входное напряжение U = 220V. Выходное напряжение Uo — такое какое вам нужно. Мощность Р зависит от выходного напряжения и максимально необходимой величины выходного тока (Іо).

Мощность рассчитываем: Р = Uо * Іо (напряжение в V, ток в А, мощность в W).

Таким образом, нам нужны исходные данные, — Uo и Іо. И здесь придется оторваться от расчета трансформатора и начать расчет с выпрямителя, чтобы узнать какие должны быть эти значения. Точный расчет мостового выпрямителя довольно сложен, так как необходимо учитывать множество параметров.

Расчет параметров

Здесь приводится упрощенный расчет, пригодный для радиолюбительской практики.

Сначала определяемся с напряжением. Для вычисления необходимого напряжения на вторичной обмотке трансформатора Uо (рис.3) нужно знать необходимое напряжение на выходе выпрямителя без нагрузки (Uв). Uo = 0,75Uв.

Под нагрузкой выходное напряжение Uв будет снижаться. Практически выходное напряжение на выходе мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором лежит в пределах от Uo/0,75 при работе без нагрузки до Uo-2Uд при максимальной нагрузке (где Uд — прямое напряжение падения на одном диоде выпрямителя при максимальном токе нагрузки).

Для вычисления максимального тока через обмотку Іо нужно знать максимальный ток нагрузки /в. Іо = 1,41/в

Теперь мы знаем необходимые параметры трансформатора по напряжению и току вторичной обмотки. Этого достаточно для подбора или расчета и изготовления трансформатора. Далее переходим к определению необходимых размеров сердечника.

На рисунке 2 показан обычный «Ш»-образный сердечник. Мощность такого сердечника трансформатора зависит от площади поперечного сечения его центральной части (на которую надевается катушка). Площадь определяется:

S = L * Т,

при этом все берется в сантиметрах.

Необходимую площадь S для необходимой мощности можно рассчитать так:

Теперь можно выбрать сердечник, зная какой площади должен быть его средний керн. Найти именно такой как нужно сердечник сложно, поэтому следует руководствоваться принципом, что площадь сечения его среднего керна должна быть не меньше расчетной (конечно, в разумных пределах).

Подобрав сердечник переходим к расчету числа витков на 1V напряжения :

N = 50 / S,

где N — число витков на 1V, a S — площадь в см2 сечения среднего керна того конкретного сердечника, который будете использовать (а не который получился при расчете). На следующем этапе займемся расчетом уже самих обмоток. Число витков первичной (сетевой) обмотки, с учетом того, что в сети номинальное напряжение 220V, рассчитывается так:

N1 = N * 220.

Затем необходимо определить диаметр намоточного провода для первичной обмотки :

где D1 диаметр провода в мм, Р — рассчитанная ранее мощность в W, а 220 — это напряжение в электросети. Полученный диаметр намоточного провода может быть нестандартным, поэтому округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра.

Число витков вторичной (выходной) обмотки рассчитывается так:

N2 = N * Uo.

Затем необходимо определить диаметр намоточного провода для первичной обмотки :

Полученный диаметр намоточного провода может быть нестандартным, поэтому округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра. Все. Можно наматывать трансформатор. Конечно, в идеале все обмотки должны быть намотаны плотно виток в витку.

Но для первичной обмотки, число витков которой может измеряться тысячами, это может быть слишком уж утомительно. Поэтому наматываем внавал, но осторожно, аккуратно, и плотно, как будто бы пытаемся намотать виток к витку, но не получается. Нельзя чтобы провода начала и конца первичной обмотки соприкасались или были слишком близко, — может пробить.

Сильно натягивать провод тоже нельзя, — разрушится тоненькая прозрачная изоляция, которой покрыт намоточный провод. По той же причине нельзя провод скребсти при намотке о края катушки или другие предметы, способные повредить изоляцию.

Сначала на каркас наматывают первичную обмотку. Затем её покрывают слоем изоляции, например, бумаги, но лучше — специальной фторопластовой лентой или стеклолакотканью. Потом на эту изоляцию наматывают вторичную обмотку.

Она содержит всего 106 витков и довольно толстого провода. Так что не ленитесь, — мотайте строго виток к витку. После окончания обмотки можно переходить к сборке сердечника.

Сердечники трансформатора обычно бывают в собранном виде с каркасом, так что предварительно их нужно разбирать, равно как и при перемотке неисправного или неподходящего трансформатора. Запомните как он разбирался и сборку делайте в обратном порядке.

Следует учесть, что все сказанное выше имеет отношение только к силовым трансформаторам, работающим на переменном токе частотой 50 Гц. И так, трансформатор есть, продолжаем рассчитывать выпрямитель. Следующий этап — выбор диодов.

Максимально допустимое обратное напряжение диода должно быть не ниже значения Uд = 1,5Uв.

По максимально допустимому прямому току диоды выбирают так, чтобы значение максимального прямого тока было больше величины Ід = 1,2/в. Теперь переходим к расчету емкости сглаживающего конденсатора С. Ниже приводится расчет при условии что частота переменного напряжения на входе выпрямителя равна 50 Гц.

Емкость сглаживающего конденсатора в мкФ С = (300*lв/q)/Uв. Где q — допустимый коэффициент пульсаций, выражающийся в отношении амплитуды пульсаций к величине выходного постоянного напряжения. Обычно для источников питания бытовой аппаратуры берется q = от 0,1 до 0,01.

Максимально допустимое рабочее напряжение конденсатора должно быть не ниже Uв, но его лучше взять с запасом, так не менее 1,5Uв.

Пример расчета

Теперь можно попробовать рассчитать реальный блок питания.

Исходные данные:

U = 220V,
Ue = 15V,
Ів = 0,5А,
q=0,01.

1. Находим необходимые параметры трансформатора:

Uo = 0,75Uв = 0,75*15=11,25V

lo= 1,41*Ів= 1.41 * 0,5 = 0,705А (напряжение вторичной обмотки равно 11,5V, а ток не ниже 0,705А)

2. Р = Uo * Іо = 11,5 * 0,705 = 8,1075W. Возьмем мощность с запасом — 9W

4. N = 50/S = 50/3= 16,6667

5. N1 = N * 220 = 16,6667 * 220 = 3666,674 витков, округляем до 3667 витков.

выбираем ближайший стандартный обмоточный провод ПЭВ-0,13 (0,13 мм).

6. N2 = N * Uo = 16,6667 * 11,5 = 191,667 округляем до 192 витков.

выбираем ближайший стандартный обмоточный провод ПЭВ-0,54 (0,54 мм).

8. Находим параметры диодов:

Uд — 1,5Uв = 1,5*15 =22,5V

Ід= 1,2 * Iв = 1,2* 0,5 = 0,6А (максимальное обратное напряжение не ниже 22,5V, максимальный прямой ток не ниже 0,6А)

9. Находим параметры конденсатора: C=(300*lв/q)/Uв= (300*0,5/0,01)/15 = 1000 мкФ (не ниже 1000 мкФ)

10. Допустимое напряжение конденсатора не ниже 15V.

Иванов А. РК-09-17.

Емкость

— Как выбрать конденсатор для схемы выпрямителя

Номинальное напряжение сглаживающего конденсатора (которое, как мы предполагаем, вы спрашиваете) является критическим параметром и было рассмотрено в предыдущем ответе Игнасио. Однако вам также необходимо учитывать значение емкости. Это значение будет определять, сколько пульсаций останется на сглаженном выходе постоянного тока. Так сколько же достаточно? Ответ, как и многое другое в этом бизнесе, — «это зависит от обстоятельств» ….

В частности, уровень пульсаций зависит от емкости сглаживающего конденсатора, тока, потребляемого от источника питания, и частоты источника переменного тока.

В общем, вы можете принять, что меньшее значение конденсатора даст вам больше пульсаций для данного тока нагрузки, чем большее значение. В этом случае возникает соблазн подумать: «Ну, я просто остановлюсь здесь на очень большом значении и покончим с этим». Это не лучшая идея, и вот почему:

В момент включения напряжение на конденсаторе (при условии, что он разряжен — может и не быть) должно быть 0 В. Входное напряжение повысится более или менее сразу, но конденсатору нужно время для зарядки.Это приводит к большому пусковому току (большему по сравнению с рабочим током) и является одной из причин, по которой блоки питания снабжены предохранителями с выдержкой времени или медленными предохранителями. Чем больше конденсатор, тем дольше сохраняется это состояние, поскольку большая емкость требует больше времени для зарядки в цепи, чем меньшие значения. На мой взгляд, большие пусковые токи — плохая новость, и их можно легко избежать, если тщательно спроектировать.

Во-первых, определите, какая пульсация вам приемлема. Это будет зависеть от приложения. Для цифровых систем вам, возможно, удастся больше пульсации, и вы, как правило, также будете регулировать свою подачу после исправления и сглаживания.Для аналоговых приложений вы можете минимизировать пульсации. Заметьте, я здесь не привожу никаких цифр, а только практические правила :).

Приняв решение о приемлемой пульсации для максимального необходимого тока нагрузки и используемой частоты, просто подставьте числа в формулу ниже, и вы получите минимальное значение емкости, необходимое в фарадах. Естественно, вы получите ценность, которую не сможете купить в магазинах, просто получите следующую ценность от этого.

C = (Iload * t) / dV

Где Iload = максимальный ток нагрузки, t = время между пиками напряжения выпрямленного напряжения, а dV — допустимое пульсирующее напряжение.

Надеюсь, это поможет.

PS Я должен добавить, что в приложениях, где используются очень большие сглаживающие конденсаторы, вы часто увидите какой-то механизм, используемый для ограничения пускового тока. Например, в аудиоусилителях это часто бывает в виде силовых резисторов, соединенных последовательно с конденсаторами. Они ограничивают пусковой ток при зарядке конденсаторов и замыкаются накоротко под управлением таймера или схемы, которая измеряет напряжение на конденсаторах. Таким образом можно получить преимущества использования больших крышек без большого выброса.Компромисс между временем, затрачиваемым на работу, и дополнительными затратами. Я когда-либо видел, как это используется в аудиоусилителях или блоках питания, где сглаживаемое напряжение>, скажем, 50 В постоянного тока, а выходные токи, как ожидается, будут значительными.

Конденсатор

— значение емкости для схемы полноволнового выпрямителя

Регулятор напряжения 7812 требует входного напряжения на несколько вольт выше 12 для правильной работы (см. Технический паспорт). Разница между этим минимальным напряжением и 12 В называется «выпадением».7812 — регулятор с довольно высоким падением напряжения. Пока входное напряжение является достаточным (соблюдается минимальное падение напряжения), регулятор может обеспечивать плавный постоянный ток, при котором входная пульсация от мостового выпрямителя уменьшается примерно на 80 дБ (проверьте точное значение уменьшения пульсации в децибелах в данных. простыня).

Если вы измеряете напряжение на конденсаторе, вы увидите, что он заряжается до более высокого напряжения, чем 12. Вторичная обмотка трансформатора составляет 12 В, но это номинальное среднеквадратичное напряжение переменного тока.Пиковое напряжение на самом деле выше, и именно оно заряжает конденсатор. Если вторичные обмотки работают при среднеквадратичном напряжении 12 В, то конденсатор будет заряжаться до пикового значения около 17 В. Таким образом, на пике наблюдается выпадение напряжения 5В.

В каждом цикле конденсатор заряжается до пикового напряжения. Затем он разряжается, поскольку регулятор потребляет от него ток. Конденсатор должен быть достаточно большим, чтобы, когда регулятор потребляет ток от него между циклами зарядки, напряжение не упадет ниже минимального напряжения, указанного для этого регулятора.

Это должно быть обеспечено при наихудшей нагрузке регулятора, когда он потребляет наибольший ток.

Помимо удовлетворения потребляемого тока в наихудшем случае, если вы дополнительно увеличите емкость конденсатора до большего значения, единственное преимущество, которое он дает, состоит в том, что он снижает размах пульсаций. Это незначительное преимущество, поскольку регулятор уже активно снижает эту пульсацию на 80–90 децибел. Если пульсация составляет 0,5 В от пика к пику на входе регулятора и уменьшается на 80 дБ, то на выходе она становится равной 50 \ $ \ mu \ $ V от пика к пику.Если вы уменьшите входное напряжение до 0,3 В от пика к пику с конденсатором большего размера, пульсация на выходе изменится с 50 \ $ \ mu \ $ V до 30 \ $ \ mu \ $ V. Оба эти значения малы и, возможно, несущественны для схемы.

Если для схемы требуется меньше пульсаций, гораздо лучший способ получить это — использовать лучший стабилизатор с большим количеством децибел подавления пульсаций, а не увеличивать емкость конденсатора. Регулятор, который улучшает подавление с 85 дБ до 110 дБ, будет иметь то же значение, что и действительно огромная и непрактичная замена конденсатора.

Слишком большой конденсатор нагружает диоды выпрямителя трансформатора при подаче питания, потому что чем больше конденсатор, тем больше и устойчивее будет пусковой ток.

Как выбрать конденсаторы — правильный путь

А конденсатор везде. В источниках питания, светодиодном освещении, в коммерческой электронике, при обработке сигналов и т. Д. Вам понадобится конденсатор. Какова его конкретная роль в основном? Конденсатор выполняет несколько функций. Это устранит проблемы с шумом в цепи, работая как фильтр.Это основная часть в фильтрах нижних и верхних частот, полосовых, полосовых и т. Д. Также очень важно при выпрямлении получить постоянное постоянное напряжение. В источниках питания конденсатор действует как накопитель энергии. Много приложений для этой простой электронной части. Я больше не буду обсуждать здесь, из чего состоит конденсатор, а просто сосредоточусь на том, как выбрать конденсаторы.

Как выбрать конденсатор — важные факторы

При выборе конденсатора для вашей схемы необходимо учитывать важные параметры.Либо вы хотите перейти на микросхему, либо на сквозную. Либо пленка, либо электролитическая и так далее. Давайте обсудим здесь все соображения.

1. Как выбрать конденсатор

Емкость

Емкость — это электрическое свойство конденсатора. Таким образом, это вопрос номер один при выборе конденсатора. Какая емкость вам нужна? Что ж, это зависит от вашего приложения. Если вы собираетесь фильтровать выходное выпрямленное напряжение, то вам наверняка понадобится большая емкость.Однако, если конденсатор предназначен только для фильтрации шума сигнала в цепи небольшого сигнала, тогда подойдет малая емкость от пико до нанофарад. Итак, знайте свое приложение.

Предположим, что приложение действительно предназначено для фильтрации выпрямленного напряжения, тогда вам понадобится большая емкость в сотни микрофарад. Вы можете использовать метод проб и ошибок, пока пульсации напряжения не будут соответствовать требованиям. Или вы можете провести расчеты для начала.

Для моста и двухполупериодного выпрямителя требуемую емкость можно вычислить, как показано ниже.

Cmin = ток нагрузки / (пульсация напряжения X частота)

Где;

Cmin — минимально необходимая емкость

Ток нагрузки — это просто нагрузка выпрямителя

Пульсации напряжения — это колебания напряжения от пика до пика при измерении на выходе выпрямителя

Частота — для мостового и двухполупериодного выпрямителей это удвоенная частота сети.

Пример:

Схема ниже представляет собой мостовой выпрямитель с входным напряжением 120 В среднеквадратического значения при 60 Гц, током нагрузки 2 А и требованием пульсации напряжения 43 В от пика к пику.Мы оценим, какой должна быть минимальная емкость, необходимая для C1.

Схема мостового выпрямителя

Cmin = ток нагрузки / (пульсация напряжения X частота)

Cmin = 2A / (43 В X 2 X 60 Гц) = 387 мкФ

На основе моделирования, приведенного ниже, напряжение пульсаций от пика до пика при использовании 387 мкФ составляет 35,5 В. Это близко к 43В. Поскольку результатом вычислений является минимальная емкость, при выборе емкости с более высоким значением пульсационное напряжение будет еще больше уменьшаться.

2.

Допуск — также фактор при выборе конденсатора

Помимо емкости, еще одна вещь, которую следует учитывать при выборе конденсаторов, — это допуск. Если ваше приложение очень критично, то учитывайте очень маленький допуск. Конденсаторы имеют несколько вариантов допуска, например 5%, 10% и 20%. Это ваш призыв. В большинстве случаев более высокий допуск дешевле, чем деталь с более низким допуском. Вы всегда можете использовать деталь с допуском 20% и просто добавить больше полей в свой дизайн.

3. Как выбрать конденсатор

Номинальное напряжение

Конденсатор будет поврежден из-за напряжения. Таким образом, необходимо учитывать напряжение при выборе конденсатора. Вам необходимо знать уровень напряжения, на котором будет установлен конденсатор. Конденсатор в большинстве случаев устанавливается параллельно цепи, устройству или подсхеме. Хотя случаев для последовательной установки конденсатора немного. В своих конструкциях я не допускаю напряжения более 75% .Это означает, что если фактическое напряжение цепи составляет 10 В, минимальное напряжение конденсатора, которое я выберу, составляет 13,33 В (10 В / 0,75). Однако такого напряжения нет. Итак, я перейду на следующий более высокий уровень, то есть на 16 В. Можете ли вы использовать 20 В, 25 В или даже выше? Ответ положительный. Это зависит от вашего бюджета, потому что чем выше напряжение, тем дороже конденсатор. Это также будет зависеть от требований к физическому размеру. Физический размер конденсатора в большинстве случаев прямо пропорционален номинальному напряжению.

Например, в приведенной выше примерной схеме максимальный уровень напряжения на конденсаторе — это пиковый уровень 120 В среднеквадратического значения, который составляет около 170 В (1.41 X 120 В). Таким образом, номинальное напряжение конденсатора должно быть 226,67 В (170 / 0,75). И я выберу стандартное значение рядом с этим.

4. Выбор конденсатора

Номинальный ток — знайте пульсирующий ток

Если вы не любитель электроники и не работаете в поле какое-то время, возможно, вы не знакомы с термином пульсирующий ток. Это термин, обозначающий ток, который проходит через конденсатор. В идеальном случае нет тока, который будет течь к конденсатору, когда он установлен на линии постоянного напряжения.Однако, если фактическое напряжение на конденсаторе не является чистым постоянным током, например, есть небольшие колебания напряжения, это приведет к пульсации тока. Для схемы с низким энергопотреблением и колебаниями напряжения можно пренебречь, вам не следует беспокоиться об этом номинальном токе пульсаций.

Однако для конденсаторов, устанавливаемых для фильтрации пульсирующего постоянного тока от выпрямителя, ток пульсаций имеет решающее значение. Чем выше нагрузка, тем выше ток пульсации. Итак, как выбрать конденсаторы для этого приложения? Для выпрямления в большинстве случаев требуется большая емкость, чтобы получить напряжение, близкое к прямолинейному.Таким образом, первый вариант — рассмотреть электролитический конденсатор. В некоторых приложениях, где пульсации тока очень высоки, электролитический конденсатор больше не будет работать, так как его пульсирующий ток меньше. В этом случае выбираются пленочные конденсаторы, так как они имеют очень высокий номинальный ток пульсации. Однако недостатком является то, что емкость ограничена несколькими микрофарадами, поэтому требуется большее их количество параллельно. Рассматривая приведенную ниже схему выпрямителя, конденсатор фильтра 330 мкФ и нагрузку 2 А от источника переменного тока 120 В среднеквадратического значения при 60 Гц.Это то же самое, что и приведенная выше схема, но перерисовано и смоделировано в LTspice. LTspice — это бесплатный инструмент для моделирования схем от Linear Technology. Если вы хотите узнать, как выполнять моделирование на LTspice, прочтите статью «Учебники по моделированию цепи LTSpice для начинающих».

Смоделированный пульсирующий ток равен 3,4592 A .

Полноволновой выпрямитель

Если вы не разбираетесь в моделировании, вы можете оценить фактический ток пульсаций, используя приведенное ниже уравнение.

Iripple = C X dV X Частота

Где;

Iripple — это фактическая пульсация тока, протекающая через конденсатор

С — емкость в цепи

dV — это изменение входного напряжения от нуля до пика

Частота — это частота переменного напряжения (не частота выпрямленного сигнала).

Сделаем расчет по вышеперечисленным данным:

Iripple = C X dV X Частота

Iripple = 330 мкФ X (170 В-0 В) X 60 Гц = 3.366A

Вычисленное значение очень близко к результату моделирования. Затем я буду рассматривать здесь максимальное напряжение тока 75%. Таким образом, выбранный конденсатор должен иметь номинальный ток пульсации не менее 4,5 A (3,366 A / 0,75).

5.

Учитывайте рабочую температуру при выборе конденсаторов

Также необходимо учитывать факторы окружающей среды при выборе конденсаторов. Если ваш продукт будет подвергаться воздействию температуры окружающей среды 100 ° C, не используйте конденсатор, рассчитанный только на 85 ° C.Аналогичным образом, если минимальная температура окружающей среды составляет -30 ° C, не используйте конденсатор, который может выдерживать только температуру -20 ° C.

Эта спецификация кажется очень простой. Однако, если конденсатор подвергается воздействию очень сильного пульсирующего тока, произойдет внутренний нагрев, и это приведет к повышению температуры выше температуры окружающей среды. Значит, нужен больший запас на рабочую температуру. Например, максимальная температура окружающей среды, в которой будет установлен продукт, составляет 60 ° C.Не выбирайте конденсатор, рассчитанный только на 60 ° C. Выберите, возможно, номинальную температуру 105 ° C. Это даст достаточный запас за счет внутреннего нагрева.

6. Выбор диэлектрического материала конденсатора

В микросхеме резистора вы встретите эту опцию при просмотре онлайн-магазинов, таких как Mouser и Digikey. Что означает этот параметр? Это диэлектрический материал, из которого изготовлен конденсатор. Я не могу подробно останавливаться на физике конструкции конденсатора, но в своих проектах я всегда использую диэлектрик X7R, NP0 или C0G.Обычно они имеют более высокий температурный диапазон. Ниже приведены несколько примеров X7R, NP0 или C0G по сравнению с X5R.

X7R, NP0 / C0G диэлектрический материал X5R диэлектрический материал

7. Как выбрать конденсатор

— срок службы Ожидаемая продолжительность

Срок службы или ожидаемый срок службы конденсатора — это время, в течение которого конденсатор будет оставаться исправным в соответствии с конструкцией. Это очень важно для электролитических конденсаторов. Для керамических конденсаторов это не проблема, и, вероятно, не стоит на нее обращать внимание при выборе конденсаторов для цепей малых сигналов.Для него все еще есть предел жизни, но его более чем достаточно, чтобы выдержать весь жизненный цикл продукта. В отличие от электролитических конденсаторов, если они не будут должным образом оценены, они выйдут из строя до окончания жизненного цикла продукта, и этого не должно происходить. Пульсации тока сократят срок службы конденсатора. Так что лучше управляй им. В таблицах данных или у поставщиков есть справочные расчеты срока службы конденсаторов. Это простые уравнения, которые можно использовать при выборе конденсатора с учетом ожидаемого срока службы.Некоторые также предоставляют график для облегчения понимания. Ниже пример расчета и графика взяты из таблицы KEMET. KEMET — один из ведущих производителей конденсаторов.

Расчет ожидаемого срока службы конденсатора

8.

Физические размеры и тип установки являются факторами при выборе конденсатора

Последнее, о чем следует подумать, — это физические размеры, а также способ монтажа. Иногда выбор конденсатора продиктован доступным пространством.Чип-конденсаторы имеют небольшие размеры, но имеют ограниченное значение емкости. С другой стороны, электролитические конденсаторы имеют большую емкость, но они громоздкие. Вы собираетесь использовать поверхностный монтаж или деталь со сквозным отверстием? Что ж, решать вам. Оцените свои требования к пространству, прежде чем уходить далеко от других параметров.

Технические характеристики конденсатора образца

Ниже приведены характеристики конденсаторов, которые я взял со страницы электроники Mouser. Он имеет емкость, напряжение, допуск, ток пульсации, рабочую температуру, физические размеры, ориентацию при установке и срок службы.Но учтите, что указанный срок службы — это просто базовый срок службы или это срок службы при максимально допустимой рабочей температуре.

Характеристики номинала конденсатора

Связанные

Схемы сглаживания конденсаторов

и расчеты »Электроника

Накопительные конденсаторы

используются для сглаживания необработанной выпрямленной волны в источнике питания — важно выбрать правильный конденсатор с правильным значением и номинальным током пульсаций.

Пособие по схемам источника питания и руководство Включает:
Обзор электронных компонентов источника питания Линейный источник питания Импульсный источник питания Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания

В источнике питания, будь то линейный источник питания или импульсный источник питания, использующий источник питания переменного тока и диодные выпрямители, необработанный выпрямленный выход обычно сглаживается с помощью накопительного конденсатора перед подачей на какие-либо регуляторы или другие подобные электронная схема.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

идеально подходят для работы в качестве сглаживающих конденсаторов, поскольку многие электролитические компоненты способны обеспечивать достаточно высокую емкость и выдерживать уровень пульсаций тока, необходимый для сглаживания формы волны.

По сути, схема сглаживания заполняет основные провалы в необработанной выпрямленной форме волны, так что схема линейного регулятора или импульсного источника питания может работать правильно. Они изменяют форму волны от той, которая изменяется от нуля до пикового напряжения в течение цикла входящей формы волны мощности, и меняют ее на такую, где изменения намного меньше.По сути, они сглаживают форму волны, и отсюда и название.

Поскольку сглаживающие конденсаторы используются как в источниках питания с линейным стабилизатором, так и в импульсных источниках питания, они составляют важную часть многих из этих электронных схем.

Двухполупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором

Основы сглаживания конденсатора

Конденсаторное сглаживание используется для большинства типов источников питания, будь то линейный регулируемый источник питания, импульсный источник питания или даже просто сглаженный и нерегулируемый источник питания.

Типичный электролитический конденсатор, используемый для сглаживания

Необработанный постоянный ток, подаваемый диодным выпрямителем сам по себе, будет состоять из серии полусинусоидальных волн с напряжением, изменяющимся от нуля до √2-кратного среднеквадратичного напряжения (без учета диодных и других потерь).

Форма волны такого рода не будет использоваться для питания схем, потому что любые аналоговые схемы будут иметь огромный уровень пульсации, наложенной на выход, и любые цифровые схемы не будут работать, потому что питание будет отключаться каждые полупериод.

Конденсаторное сглаживание обеспечивает правильную работу следующих каскадов линейно регулируемого источника питания или импульсного источника питания.

Для сглаживания выхода выпрямителя используется накопительный конденсатор, размещенный на выходе счетчика параллельно с нагрузкой.

Сглаживание работает, потому что конденсатор заряжается, когда напряжение выпрямителя превышает напряжение конденсатора, а затем, когда напряжение выпрямителя падает, конденсатор обеспечивает требуемый ток из своего накопленного заряда.

Таким образом, конденсатор может обеспечивать заряд, когда он недоступен от выпрямителя, и, соответственно, напряжение изменяется значительно меньше, чем если бы конденсатор отсутствовал.

Конденсаторное сглаживание не обеспечивает полной стабильности напряжения, всегда будет некоторое изменение напряжения. Фактически, чем выше емкость конденсатора, тем больше сглаживание, а также чем меньше потребляемый ток, тем лучше сглаживание.

Сглаживающее действие накопительного конденсатора

Следует помнить, что единственный путь разрядки конденсатора, помимо внутренней утечки, — это через нагрузку к выпрямителю / системе сглаживания.Диоды предотвращают обратный ток через трансформатор и т. Д.

Еще один момент, о котором следует помнить, заключается в том, что сглаживание конденсатора не дает какой-либо формы регулирования, и напряжение будет меняться в зависимости от нагрузки и любых изменений на входе.

Регулировка напряжения может быть обеспечена линейным регулятором или импульсным источником питания.

Емкость сглаживающего конденсатора

Выбор емкости конденсатора должен соответствовать ряду требований. В первом случае значение должно быть выбрано так, чтобы его постоянная времени была намного больше, чем временной интервал между последовательными пиками выпрямленного сигнала:

Где:
R _{нагрузка} = общее сопротивление нагрузки для источника питания
C = значение конденсатора в фарадах
f = частота пульсаций — это будет вдвое больше частоты сети, чем используется двухполупериодный выпрямитель.

Сглаживающий конденсатор пульсации напряжения

Поскольку на выходе выпрямителя, использующего схему сглаживающего конденсатора, всегда будет некоторая пульсация, необходимо иметь возможность оценить приблизительное значение. Чрезмерное указание конденсатора приведет к увеличению стоимости, размера и веса, а недостаточное указание приведет к снижению производительности.

Пульсация от пика до пика для выходного сигнала сглаживающего конденсатора в источнике питания (полная волна)

На приведенной выше диаграмме показаны пульсации для двухполупериодного выпрямителя со сглаживанием конденсатора.Если бы использовался полуволновой выпрямитель, то половина пиков была бы потеряна, а пульсации были бы примерно вдвое больше напряжения.

Для случаев, когда пульсации мала по сравнению с напряжением питания — что почти всегда имеет место — можно рассчитать пульсации, зная условия цепи:

Двухполупериодный выпрямитель

Однополупериодный выпрямитель

Эти уравнения обеспечивают более чем достаточную точность. Хотя разряд конденсатора для чисто резистивной нагрузки является экспоненциальным, погрешность, вносимая линейным приближением, очень мала для низких значений пульсаций.

Также стоит помнить, что вход регулятора напряжения представляет собой не чисто резистивную нагрузку, а нагрузку с постоянным током. Наконец, допуски электролитических конденсаторов, используемых для сглаживающих схем выпрямителя, велики — в лучшем случае ± 20%, и это скроет любые неточности, вносимые допущениями в уравнениях.

Пульсации тока

Две из основных характеристик конденсатора — это его емкость и рабочее напряжение. Однако для приложений, где могут протекать большие уровни тока, как в случае сглаживающего конденсатора выпрямителя, важен третий параметр — его максимальный ток пульсаций.

Ток пульсации не равен току питания. Есть два сценария:

Ток разряда конденсатора: В цикле разряда максимальный ток, подаваемый конденсатором, возникает, когда выходной сигнал схемы выпрямителя падает до нуля. В этот момент весь ток в цепи подается конденсатором. Это равно полному току цепи.
Пиковый ток, подаваемый конденсатором в фазе разряда
Ток зарядки конденсатора: В цикле зарядки сглаживающего конденсатора конденсатор должен заменить весь потерянный заряд, но этого можно добиться только тогда, когда напряжение выпрямителя превышает напряжение сглаживающего конденсатора.Это происходит только в течение короткого периода цикла. Следовательно, ток в этот период намного выше. Чем больше конденсатор, тем лучше он уменьшает пульсации и тем короче период заряда.
Более короткое время зарядки приводит к очень большим уровням пикового тока, поскольку сглаживающий конденсатор должен поглотить достаточный заряд для периода разряда за очень короткое время.
Период, в течение которого конденсатор источника питания заряжается

Пи-секционные сглаживающие сети

В некоторых приложениях линейный регулятор напряжения не будет использоваться, может потребоваться улучшенная форма сглаживания.Это может быть обеспечено использованием двух конденсаторов и последовательной катушки индуктивности или резистора.

Подход сглаженного источника питания используется в некоторых высоковольтных системах и в некоторых других специализированных областях, но он не так распространен, как источники питания с линейным регулированием и импульсные источники питания, которые обеспечивают гораздо лучшее регулирование и сглаживание.

Этот подход также можно увидеть во многих старинных беспроводных устройствах, где использование линейно регулируемого источника питания было невозможно.

Пи-секционный сглаживающий фильтр

Существует два варианта сглаживающей системы Пи-секции.При наличии двух конденсаторов между линией и землей последовательным элементом служила индуктивность или резистор. Катушка индуктивности стоила намного дороже и обеспечивала лучшую производительность, но резистор был гораздо более дешевым вариантом, хотя он рассеивал больше энергии.

Сглаживающие конденсаторы являются важными элементами как линейных источников питания, так и импульсных источников питания, и поэтому они широко используются.

При выборе емкостного конденсатора для сглаживания приложений в источнике питания важно не только значение емкости для обеспечения требуемого снижения пульсации напряжения, но также очень важно гарантировать, что номинальный ток пульсации конденсатора не будет превышен.Если потребляется слишком большой ток, конденсатор нагревается и его ожидаемый срок службы сокращается, или в крайних случаях он может выйти из строя, иногда катастрофически.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Конструкция блока питания постоянного тока

Сглаживание

Мы видели, что на выходе трансформатора и выпрямителя было постоянное напряжение; но он содержит большой нежелательный компонент переменного тока.

Мы можем уменьшить эту составляющую переменного тока, добавив конденсатор, как показано здесь. Эффект от этого —

для увеличения среднего выходного напряжения и
для обеспечения тока при падении выходного напряжения.

Это показано на графике ниже. Также обратите внимание на добавление переключателя и предохранителя в токоведущую шину.

Как и прежде, все рассчитанные значения относятся к среднеквадратичному напряжению 12 В от трансформатора.

Для наших расчетов мы выберем конденсатор 10 мФ (10000 мкФ) и примем нагрузку 6 Ом,

внутреннее сопротивление трансформатора 0.5 Ом, а падение напряжения выпрямителя 2В.

Желтая линия показывает выходное напряжение от предыдущего несглаженного источника питания с нагрузкой 2А

На предыдущей странице мы видели, что среднеквадратичное значение нашей «постоянной» волны составляет примерно 10,6 В.

Давайте посмотрим, как добавление конденсатора изменит это.

Максимальное выходное напряжение немного упало; но самое низкое выходное напряжение изменилось с 0 В до 11,6

Это означает, что среднеквадратичное значение выходной волны теперь намного выше.

Примечание: добавление сглаживающего конденсатора увеличивает среднее выходное напряжение.

Расчет пульсационного напряжения

Размер нашей волны пульсации, показанной выше, составляет 1,3 В пик-пик и это «почти» пилообразная волна. Среднеквадратичное значение для пилообразной волны составляет Vrms = Vpp / 2 * sqrt (3) = Vpp / 3,46

Здесь пульсация Vpp составляет 1,3 В, поэтому Vrms для волны переменного тока составляет 1,3 / 3,46 В = 0,375 В (несглаженное значение было 5,4 В)

Среднеквадратичное значение выходного сигнала равно 12.0 В. Это выше, чем 10,6 В для несглаженного питания.

Расчет конденсатора

Величина пульсации напряжения определяется (приблизительно *) значением
Пульсация Vpk-pk = Iload / 4 f C (см. Ниже), где
f — частота до выпрямления (здесь 50 Гц) и
C — номинал конденсатора.

Пример: для нашего источника питания 12 В нам требуется пульсация напряжения менее 1 В от пика до пика при нагрузке 2 А.

Переставляя Vpk-pk Ripple = Iload / fC, мы получаем C = Iload / 4 * f * Vpk-pk Rpple

C = 2A / 4 * 50 Гц * 1 В, откуда C = 2/200 Фарад = 10000 мкФ

(* на самом деле пульсации напряжения также зависят от внутреннего сопротивления трансформатора и выпрямителя.Большее сопротивление дает лучшее сглаживание, но худшее регулирование нагрузки)

Почему пульсация Vpk-pk = Iload / 4 f C?

В каждом полупериоде выходное напряжение растет и падает. Время разряда t между каждым пиком и впадиной составляет тогда примерно половину каждого полупериода — или одну четверть периода T неректифицированной волны.
Мы используем Q (заряд) = C V = I t и перестраиваем, чтобы получить V = I t / C, так что V = I T / 4 C.

T = 1 / f, откуда V = I / 4 f C

Расчет напряжения

Минимальное выходное напряжение Vout = Vpk — (пульсация Vpk-pk)

В приведенном выше примере Vpk = 14.6 В и пульсация Vpk-pk = 1,3 В, поэтому Vout (мин.) = 13,3 В

Пульсации тока

Накопление и высвобождение заряда в конденсаторе приводит к протеканию через него переменного тока. Это вызывает нагрев конденсатора и может иметь разрушительные последствия. На следующей странице мы оцениваем величину этого тока.

Рабочий пример

Разработайте источник питания, работающий от сети, в соответствии со следующими характеристиками: Выходное напряжение 24 В ± 20% при 5 А с максимальным напряжением пульсаций 4 В пик-пик.

Нам понадобится:

подходящий трансформатор, рассчитанный на постоянный ток 5 А
мостовой выпрямитель, способный пропускать пиковый ток 2 * 5А непрерывно,
с номинальным обратным напряжением более 3 * Vrms (или 2 * Vpk)
сглаживающий конденсатор

Расчеты:

1: Выберите выпрямитель : в нашем техническом паспорте выбранного выпрямителя указано, что прямое падение напряжения на нем равно 2.7 В при 5 А

2: выработайте необходимое напряжение: Vrms * 1,414 должно быть> 24 + 2,7 + (Vripple = 4V) = 30,7; Vrms = 30,7 / 1,414 = 22V .

3: выберите трансформатор: Ближайший подходящий трансформатор — 24 В при 8 А — это будет нормально.

4: выберите конденсатор: запомните, пульсации Vpk-pk = Iload / 4 f C — или C = Iload / 4 f * Vpk-pk пульсации

C = 5/4 * 50 * 4V = 5/800 = 0,00625 = 6250 мкФ

с минимальным номинальным напряжением 24 * sqrt (2) = 34 В + 20% запас прочности = 40 В

см. Следующую страницу для расчета тока пульсации

Как выбрать емкость конденсатора для фильтрации шума источника питания?

Стабилизированный источник питания должен быть разработан с учетом низкого входного и выходного шума.Шум источника питания можно уменьшить, выбрав подходящий конденсатор для вашего источника питания. Размер конденсатора зависит от силы тока нагрузки. Для этой цели вы можете использовать несколько конденсаторов параллельно. В этой статье мы узнаем, как выбрать емкость конденсатора для фильтрации шума источника питания и фильтры EMI на входе источника питания.

Выберите значение конденсатора для фильтра источника питания

Для питания небольших электронных схем вам может потребоваться напряжение постоянного тока.В то время как вся разводка питания находится в сети переменного тока. Следовательно, требуется преобразование мощности из переменного тока в постоянный. Процесс называется выпрямлением, а схема называется выпрямителем.

Выпрямитель состоит из двухполупериодного или однополупериодного выпрямителя. Каждый выпрямитель состоит из диодов. Выходной выпрямитель представляет собой пульсирующий постоянный ток (колеблющийся постоянный ток), а не чистый постоянный ток. Для очистки выхода выпрямителя нужен фильтр. Фильтры могут быть сформированы из конденсаторов. Соответствующая емкость конденсатора требуется для подавления пульсаций напряжения.

Используйте следующую формулу, чтобы выбрать емкость конденсатора для фильтрации помех питания.

$ C = \ frac {\ Delta I} {2f_ {AC} V_ {rpp}} $

Ток — это ток нагрузки, подаваемый конденсатором на нагрузку. Где V _rpp — размах пульсаций напряжения на выходе. Теоретически бесконечное значение емкости конденсатора устранит пульсации напряжения.

Параметры для выбора конденсатора.

Это параметр для выбора конденсаторов для источника питания.Для учета этих параметров обратитесь к паспорту конденсатора.

Напряжение:

Показывает максимальное рабочее постоянное или переменное среднеквадратичное напряжение конденсатора. Рабочее напряжение действительно для определенного диапазона напряжений.

Частота:

Зависит от производителя. Они могут указывать ESR и ESL или ESL и добротность для расчета резонансной частоты.

Температурный коэффициент:

Показывает, как изменяется емкость при изменении температуры.Требуется небольшой температурный коэффициент, чтобы емкость не менялась.

Поляризация:

Конденсатор фильтра в цепи постоянного тока может помочь определить полярность напряжения поляризованным конденсатором. Но в случае большой мощности переменного тока поляризованный конденсатор выходит из строя.

Расчет конденсатора фильтра для сглаживания пульсаций

В предыдущей статье мы узнали о коэффициенте пульсаций в цепях питания, здесь мы продолжаем и оцениваем формулу для расчета тока пульсаций и, следовательно, значение конденсатора фильтра для устранения пульсаций в цепи постоянного тока. выход.

В предыдущем посте объяснялось, как содержимое постоянного тока после выпрямления может нести максимально возможное количество пульсаций напряжения и как оно может быть значительно уменьшено с помощью сглаживающего конденсатора.

Хотя окончательное содержание пульсаций, которое представляет собой разницу между пиковым значением и минимальным значением сглаженного постоянного тока, никогда не устраняется полностью и напрямую зависит от тока нагрузки.

Другими словами, если нагрузка относительно выше, конденсатор начинает терять способность компенсировать или корректировать коэффициент пульсаций.

Стандартная формула для расчета конденсатора фильтра

В следующем разделе мы попытаемся оценить формулу для расчета конденсатора фильтра в цепях питания для обеспечения минимальной пульсации на выходе (в зависимости от спецификации тока подключенной нагрузки).

C = I / (2 xfx Vpp)

где I = ток нагрузки

f = входная частота переменного тока

Vpp = минимальная пульсация (размах напряжения после сглаживания), которая может быть допустимой или допустимой для пользователя, потому что практически невозможно сделать этот ноль, так как это потребует неработоспособного, нежизнеспособного конденсатора чудовищного значения, которое, вероятно, невозможно для кого-либо реализовать.

Давайте попробуем понять связь между током нагрузки, пульсациями и оптимальным значением конденсатора на основе следующей оценки.

Связь между током нагрузки, пульсацией и емкостью конденсатора

В упомянутой формуле мы видим, что пульсации и емкость обратно пропорциональны, что означает, что если пульсации должны быть минимальными, емкость конденсатора должна увеличиваться, и наоборот.

Предположим, мы согласны с тем, что значение Vpp, которое, скажем, 1 В, должно присутствовать в конечном содержании постоянного тока после сглаживания, тогда значение конденсатора может быть рассчитано, как показано ниже:

Пример:

C = I / 2 xfx Vpp (при f = 100 Гц и требовании тока нагрузки 2 ампер))

Vpp в идеале всегда должно быть равным единице, потому что ожидание более низких значений может потребовать огромных непрактичных значений конденсаторов, поэтому «1» Vpp можно принять как разумное значение.

Решая приведенную выше формулу, мы получаем:

C = I / (2 xfx Vpp)

= 2 / (2 x 100 x 1) = 2/200

= 0,01 Фарад или 10,000 мкФ (1 Фарад = 1000000 мкФ)

Таким образом, приведенная выше формула ясно показывает, как можно рассчитать требуемый конденсатор фильтра с учетом тока нагрузки и минимально допустимого тока пульсаций в компоненте постоянного тока.

Ключевые характеристики диодов для выпрямительного моста

Максимальный прямой ток диода

Максимальное обратное напряжение диода

Максимальная рабочая частота диода

Диапазон рабочих температур диода

Рекомендации по выбору диодов для выпрямительного моста

Готовые диодные мосты или отдельные диоды?

Преимущества отдельных диодов:

Преимущества готовых диодных мостов:

Расчет параметров выпрямительного моста

Как проверить работоспособность диодного моста?

Типичные неисправности выпрямительных мостов

Расчет электролитического конденсатора в сетевом выпрямителе

Расчет сглаживающего конденсатора в сетевом выпрямителе.

Расхождение теоретического расчета с практикой.

Ликбез КО. Лекция №4 Сглаживающие фильтры питания.

Какой реальный пусковой ток в моем выпрямителе переменного / постоянного тока?

Bimpelrekkie

СТАБИЛИЗАЦИЯ Uвых КОНДЕНСАТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Какие диоды нужны для диодного моста. Наиболее важные характеристики диода для выпрямителя тока.

1 » Максимальный долговременный прямой ток.

2 » Максимальное обратное напряжение диодов в диодном мосте.

3 » Максимальная рабочая частота диода.

4 » Интервал рабочих температур диода.

5 » Падение напряжения на диоде.

6 » Максимальный импульсный ток.

Схема диодного моста с конденсатором

Работа диодного моста

Применение диодных мостов

Простой конденсаторный выпрямитель

Простой расчет выпрямителя с сетевым трансформатором

Схема выпрямителя

Трансформатор

Расчет параметров

Пример расчета

— Как выбрать конденсатор для схемы выпрямителя

— значение емкости для схемы полноволнового выпрямителя

Как выбрать конденсаторы — правильный путь

1. Как выбрать конденсатор

2.

3. Как выбрать конденсатор

4. Выбор конденсатора

5.

6. Выбор диэлектрического материала конденсатора

7. Как выбрать конденсатор

8.

и расчеты »Электроника

Основы сглаживания конденсатора

Емкость сглаживающего конденсатора

Сглаживающий конденсатор пульсации напряжения

Пульсации тока

Пи-секционные сглаживающие сети

Конструкция блока питания постоянного тока

Сглаживание

Для наших расчетов мы выберем конденсатор 10 мФ (10000 мкФ) и примем нагрузку 6 Ом,

Расчет пульсационного напряжения

Расчет конденсатора

Почему пульсация Vpk-pk = Iload / 4 f C?

Расчет напряжения

Пульсации тока

Рабочий пример

Как выбрать емкость конденсатора для фильтрации шума источника питания?

Выберите значение конденсатора для фильтра источника питания

Параметры для выбора конденсатора.

Напряжение:

Частота:

Температурный коэффициент:

Поляризация:

Расчет конденсатора фильтра для сглаживания пульсаций

Стандартная формула для расчета конденсатора фильтра

Связь между током нагрузки, пульсацией и емкостью конденсатора

Похожие записи

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий Отменить ответ