Электроника:Эксперименты/Дискретные полупроводниковые схемы/Цепь «выпрямитель/фильтр»

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Цепь «выпрямитель/фильтр»

Оборудование и материалы

• Источник питания переменного тока низкого напряжения
• Блок мостового выпрямителя (каталог Radio Shack №276-1185 или аналог)
• Электролитический конденсатор, 1000 мкФ, не менее 25 Вт постоянного тока (каталог Radio Shack №272-1047 или аналог)
• Четыре соединительных штыря типа «банан» или другое клеммное оборудование для подключения к цепи потенциометра (каталог Radio Shack №274-662 или аналог)
• Металлическая монтажная коробка
• Лампочка 12 вольт, 25 ватт
• Ламповый цоколь

Настоятельно рекомендуется использовать мостового выпрямителя «в готовой сборке» вместо построения схемы мостового выпрямителя из отдельных диодов, потому что такие «блоки» крепятся болтами к металлическому радиатору. Вместо пластиковой монтажной коробки рекомендуется использовать металлическую из-за её способности функционировать в качестве теплоотвода для выпрямителя.

В этом эксперименте можно использовать конденсатор большего номинала, если его рабочее напряжение достаточно велико. Чтобы быть в безопасности, выберите конденсатор с номинальным рабочим напряжением, по крайней мере, в два раза превышающим среднеквадратичное выходное напряжение переменного тока низковольтного источника питания переменного тока.

12-вольтовые лампы высокой мощности можно приобрести в магазине товаров для отдыха и лодок. Можно и на 25 Вт и на 50 Вт. Эта лампа будет использоваться как «тяжёлая» нагрузка для блока питания.

Ссылки по теме

• «Уроки по электрическим цепям», том 2 «Переменный ток», глава 8: «Фильтры»

Цели эксперимента

• Функция ёмкостного фильтра в источнике питания переменного/постоянного тока
• Важность радиаторов для силовых полупроводников

Принципиальная схема

Рис. 1. Схематическая диаграмма: цепь «выпрямитель/фильтр».

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: цепь «выпрямитель/фильтр».

Ход эксперимента

Этот эксперимент включает создание схемы выпрямителя и фильтра для подключения к низковольтному источнику переменного тока, построенному ранее. С этим устройством у вас будет источник низковольтного постоянного тока, подходящий в качестве замены батареи в экспериментах с батарейным питанием.

Если вы хотите, чтобы это устройство имело собственный автономный источник питания 120 В переменного/постоянного тока, вы можете добавить все компоненты низковольтного источника переменного тока на сторону входа переменного тока этой цепи: трансформатор, шнур питания, штепсель. Даже если вы этого не сделаете, я рекомендую использовать металлическую монтажную коробку большего размера, чем необходимо, чтобы было место для дополнительных схем регулирования напряжения, которые вы, возможно, решите добавить в этот проект позже.

Выпрямитель

Блок мостового выпрямителя должен быть рассчитан на ток, по крайней мере, такой же, как и вторичная обмотка трансформатора, и на напряжение, по крайней мере, в два раза выше, чем среднеквадратичное напряжение на выходе трансформатора (это позволяет выдерживать пиковое напряжение, плюс дополнительный запас прочности). Выпрямитель Radio Shack, указанный в перечне деталей, рассчитан на 25 ампер и 50 вольт, что более чем достаточно для выхода низковольтного источника питания переменного тока, указанного в главе «Эксперименты для переменного тока».

Блоки выпрямителей такого размера часто оснащены клеммами быстрого отключения. Продаются бесплатные быстроразъёмные наконечники, которые обжимаются на оголённых концах провода.

Это предпочтительный способ подключения. Вы можете припаивать провода непосредственно к выводам выпрямителя, но я не рекомендую припаивать прямо к любому полупроводниковому компоненту по двум причинам: возможное тепловое повреждение во время пайки и сложность замены компонента в случае отказа.

Полупроводниковые устройства более склонны к отказам, чем большинство компонентов, используемых в этих экспериментами до сей поры и поэтому, если вы хотите сделать схему постоянной, вы должны построить её так, чтобы её можно было обслуживать. «Эксплуатируемая конструкция» включает в себя, среди прочего, возможность замены всех хрупких компонентов.

Это также означает, что «контрольные точки» доступны для измерительных щупов по всей цепи, чтобы поиск и устранение неисправностей можно было выполнять с минимальными неудобствами. Клеммные колодки по своей сути обеспечивают контрольные точки для измерения напряжения, а также позволяют легко отсоединять провода без ущерба для надёжности соединения.

Прикрутите блок выпрямителя к внутренней части металлического ящика. Площадь поверхности коробки будет действовать как радиатор, охлаждая выпрямительный блок, когда он пропускает большие токи.

Любая металлическая поверхность, предназначенная для снижения рабочей температуры электронного компонента, называется радиатором. Полупроводниковые устройства, как правило, подвержены повреждению из-за перегрева, поэтому очень важно обеспечить путь для передачи тепла от устройства во внешнюю воздушную среду, тогда рассматриваемая схема может работать с большим количеством энергии.

Фильтр

Конденсатор включён в цепь, чтобы действовать как фильтр для уменьшения напряжения пульсаций. Убедитесь, что вы правильно подключили конденсатор к выходным клеммам постоянного тока выпрямителя, чтобы полярность совпадала.

Будучи электролитическим конденсатором, он чувствителен к повреждению при переполюсовке. Особенно в этой цепи, где внутреннее сопротивление трансформатора и выпрямителя низкое и, следовательно, ток короткого замыкания велик, велика вероятность повреждения.

Внимание!

Неисправный конденсатор в этой цепи может взорваться в опасной степени!

Проверка цепи

После того, как схема «выпрямителя/фильтр» построена, подключите её к низковольтному источнику переменного тока следующим образом:

Рис. 3. Подключение схемы к источнику питания.

Измерьте выходное напряжение переменного тока низковольтного источника питания. Ваш мультиметр должен показывать примерно 6 вольт, если цепь подключена, как показано на рисунке 3 выше.

Это измерение напряжения является среднеквадратичным (RMS) напряжением источника питания переменного тока. Теперь переключите мультиметр на функцию измерения напряжения постоянного тока и измерьте выходное напряжение постоянного тока схемой «выпрямитель/фильтр».

Оно должно быть значительно выше среднеквадратичного значения напряжения переменного тока, измеренного ранее. Фильтрующее действие конденсатора обеспечивает выходное напряжение постоянного тока, равное пиковому напряжению переменного тока, поэтому индикация напряжения выше:

Рис. 4. Фильтрующее действие конденсатора обеспечивает повышенное напряжение.

Измерьте амплитуду пульсаций переменного напряжения с помощью цифрового вольтметра, настроенного на вольты (или милливольты) переменного тока. Вы должны заметить гораздо меньшее напряжение пульсаций в этой цепи, чем то, которое было измерено в любой из схем выпрямителя без фильтрации, построенных ранее.

Не стесняйтесь использовать аудио детектор для «прослушивания» пульсаций переменного напряжения, выдаваемых блоком «выпрямитель/фильтр». Как обычно, подключите небольшой «связующий» конденсатор последовательно с детектором, чтобы он не реагировал на постоянное напряжение, а только на пульсации переменного тока.

Должен быть слышен очень слабый звук. После измерения напряжения пульсаций переменного тока без нагрузки подключите 25-ваттную лампочку к выходу схемы «выпрямитель/фильтр» следующим образом:

Рис. 5. Подключаем 25-ваттную лампочку к схеме «выпрямитель/фильтр».

Повторно измерьте пульсации напряжения между клеммами «выход постоянного тока» блока «выпрямитель/фильтр». При большой нагрузке конденсатор фильтра разряжается между пиками выпрямленного напряжения, что приводит к большей пульсации, чем раньше:

Рис. 6. При большой нагрузке конденсатор фильтра разряжается между пиками выпрямленного напряжения.

Снижение пульсации

Если в условиях большой нагрузки требуется меньшая пульсация, можно использовать конденсатор большей ёмкости или можно построить более сложную схему фильтра с использованием двух конденсаторов и катушки индуктивности:

Рис. 7. Более сложная схема фильтра с использованием двух конденсаторов и катушки индуктивности.

Если вы решите построить такую схему фильтра, обязательно используйте индуктор с железным сердечником для максимальной индуктивности и достаточно толстый провод, чтобы безопасно выдерживать полный номинальный ток источника питания. Катушки индуктивности, используемые для фильтрации, иногда называют дросселями (т.е. ограничителями), потому что они «ограничивают» пульсации переменного напряжения на нагрузке.

Если подходящий дроссель не может быть получен, можно использовать вторичную обмотку понижающего силового трансформатора, подобного тому, который используется для понижения 120 вольт переменного тока до 12 или 6 вольт переменного тока в низковольтном источнике питания. Оставьте первичную (на 120 вольт) обмотку разомкнутой:

Рис. 8. Использование вторичной обмотки понижающего силового трансформатора.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 9. Схематическая диаграмма для моделирования в SPICE: цепь «выпрямитель/фильтр»

Список связей (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

Список связей SPICE

Fullwave bridge rectifier * Двухполупериодный мостовой выпрямитель
v1 1 0 sin(0 8.485 60 0 0)
rload 2 3 10k
c1 2 3 1000u ic=0
d1 3 1 mod1
d2 1 2 mod1
d3 3 0 mod1
d4 0 2 mod1
.model mod1 d
.tran .5m 25m
.plot tran v(1,0) v(2,3)
.end

Можно уменьшить значение R_{Нагрузка} (rload) в моделировании с 10 кОм до более низкого значения, чтобы изучить влияние нагрузки на пульсации напряжения. Как и в случае с нагрузочным резистором 10 кОм, пульсации на осциллограмме, построенной SPICE, не обнаруживаются.