Полупроводниковые однофазные выпрямители блоков питания

Классификация, свойства, схемы, онлайн калькулятор. Расчёт ёмкос-
ти сглаживающего конденсатора

– Почему пульт не работает?
– Я, конечно, не электрик, но, по-моему, пульт не работает, потому что телевизора нет.
– А электрик? Он-то ведь в курсе, что без источника питания не обходится ни одно электронное устройство.
– Электрик, электрик... А что электрик!? Электрик Сидоров упал со столба и вежливо выругался...

Однако не стоит забывать о теме:
Выпрямитель – это простое электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Выпрямитель, как правило, содержит трансформатор, необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями нагрузки;
Вентильную группу (в большинстве случаев диодную), которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки;
Фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Расчёт трансформатора – штука громоздкая, в рамках этой статьи рассматриваться не будет, поэтому сразу перейдём к основным и наиболее распространённым схемам выпрямителей блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.
В процессе повествования давайте сделаем допущение, что под величинами переменных напряжений и токов в цепях выпрямителей мы будем подразумевать их действующие (эффективные) значения:
U_действ = U_ампл/√ 2 и I_действ = I_ампл/√ 2.

Именно такие (действующие) значения приводятся в паспортных характеристиках обмоток трансформаторов, да и большинство измерительных приборов отображают не что иное, как аккурат эффективные значения сигналов переменного тока.

Однополупериодный выпрямитель


Рис.1 Схема однополупериодного выпрямителя

На Рис.1 приведена однофазная однополупериодная схема выпрямления, а также осциллограммы напряжений в различных точках (чёрным цветом - напряжение на нагрузке при отсутствии сглаживающего конденсатора С1, красным – с конденсатором).
В данном типе выпрямителя напряжение с вторичной обмотки трансформатора поступает в нагрузку через диод только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды полупроводник закрыт, и напряжение в нагрузку подаётся только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора.
Однополупериодная схема выпрямителя применяется крайне редко и только для питания цепей с низким током потребления ввиду высокого уровня пульсаций выпрямленного напряжения, низкого КПД, и неэффективного использования габаритной мощности трансформатора.

Здесь обмотка трансформатора должна обеспечивать ток, равный удвоенному значению максимального тока в нагрузке: I_обм = 2×I_нагр  и напряжение холостого хода: U₂ ≈ 0,75×U_н.
При выборе диода D1 для данного типа схем, следует придерживаться следующих его параметров: U_обр > 3,14×U_н   и   I_макс > 3,14×I_н.


Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.


Рис.2 Схема двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой

Схема, приведённая на Рис.2, является объединением двух противофазных однополупериодных выпрямителей, подключённых к общей нагрузке. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки через открытый диод D1, в другом полупериоде – с нижней, через второй открытый диод D2.
Как и любая двухполупериодная, эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньший уровень пульсации по сравнению с однополупериодной схемой. К недостаткам следует отнести более сложную конструкцию трансформатора и такое же, как в однополупериодной схеме – нерациональное использование трансформаторной меди и стали.
Каждая из обмоток трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную значению максимального тока в нагрузке: I_обм = I_нагр  и напряжение холостого хода: U₂ ≈ 0,75×U_н.
Полупроводниковые диоды D1 и D2 должны обладать следующими параметрами:
U_обр > 3,14×U_н   и   I_макс > 1,57×I_н.
И наконец, классика жанра –

Мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей


Рис.3 Мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей

На Рис.3 (слева) изображена схема однополярного двухполупериодного мостового выпрямителя с использованием одной обмотки трансформатора. Графики напряжений на входе и выходе выпрямителя аналогичны осциллограммам, изображённым на Рис.2.
Во время положительного полупериода переменного напряжения ток протекает через цепь, образованную D2 и D3, во время отрицательного – через цепь D1 и D4. В обоих случаях направление тока, протекающего через нагрузку, одинаково.

Если сравнивать данную схему с предыдущей схемой выпрямителя с нулевой точкой, то мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций, менее жёсткие требования к обратному напряжению диодов, а главное – более рациональное использование трансформатора и возможность уменьшения его габаритной мощности.
К недостаткам следует отнести необходимость увеличения числа диодов, что приводит к повышенным тепловым потерям за счёт большего падения напряжения в выпрямителе.

В данном случае обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную: I_обм = 1,41×I_нагр  и напряжение холостого хода: U₂ ≈ 0,75×U_н.
Полупроводниковые диоды следует выбирать исходя из следующих соображений:
U_обр > 1,57×U_н   и   I_макс > 1,57×I_н.

При наличии у трансформатора двух одинаковых вторичных обмоток, или одной с отводом от середины выводом, однополярная схема преобразуется в схему двуполярного выпрямителя со средней точкой (Рис.3 справа).
Естественным образом, диоды в двуполярном исполнении должны выбираться исходя из двойных значений U_обр и I_макс по отношению к однополярной схеме.

Значения U_обр и I_макс приведены исходя из величин наибольшего (амплитудного) значения обратного напряжения, приложенного к одному диоду, и наибольшего (амплитудного) значения тока через один диод при отсутствии сглаживающих фильтров на выходе.

Конденсатор С1 во всех схемах – это простейший фильтр, выделяющий постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения в нагрузке.
Для выпрямителей, не содержащих стабилизатор, его ёмкость рассчитывается по формулам:
С1 = 6400×I_н/(U_н×К_п) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = 3200×I_н/(U_н×К_п) – для двухполупериодных,
где К_п – это коэффициент пульсаций, численно равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Для стабилизированных источников питания ёмкость С1 можно уменьшить в 5-10 раз.

Авторитетное печатное издание учит нас:
«Коэффициент пульсаций следует выбирать самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током определённой "чистоты":
10^-3...10^-2   (0,1–1%) – малогабаритные транзисторные приёмники и магнитофоны,
10^-4...10^-3   (0,01–0,1%) – усилители радио и промежуточной частоты,
10^-5...10^-4   (0,001–0,01%) – предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей».

Ну и под занавес приведём незамысловатый онлайн калькулятор.

Онлайн расчёт элементов выпрямителя блока питания

Выбор схемы выпрямителя	Рис.1 Рис.2 Рис.3 1-полярн Рис.3 2-полярн
Переменное выходное напряжение U2 (В)
Максимальный ток нагрузки Iн (А)
Пульсации выходного напряжения (%)
Выходное напряжение Uн на холостом ходу (В)
Выходное напряжение Uн при максимальном токе (В)
Хар-ки диодов – максимальный прямой ток (А)
Хар-ки диодов – максимальное обратное напряжение (В)
Ёмкость конденсатора С1 (МкФ)

А на следующей странице изучим сглаживающие фильтры силовых выпрямителей, не только ёмкостные, но и индуктивные, а также активные фильтры на биполярных транзисторах.

Дальше