Основные типы схем диодных выпрямителей, описание их работы, достоинства и недостатки каждой схемы

Перед тем, как начать писать про сами схемы диодных выпрямителей для начала, и для новичков, предлагаю разобраться с работой обычного диода. Давайте рассмотрим случай когда диоды имеют прямое и обратное подключение к источнику питания. Ниже на рисунке можно эти два способа подключения.

Допустим у нас имеется источник постоянного тока с напряжением 5 вольт, обычный выпрямительный диод и некоторая нагрузка, которая на рисунке представлена в виде резистора. Диод возьмем типа 1n4007, который может выдерживать ток до 1 ампера и имеет максимальное обратное напряжение до 1000 вольт. Как известно диоды являются полупроводниками. То есть, они способны проводить электрический ток только в одном направлении. На рисунке слева показано прямое подключение диода, с правой стороны мы видим обратное подключение.

При прямом включении диод открыт и достаточно свободно пропускает через себя ток. Но при этом, в любом случае, на диоде будет присутствовать небольшое падение напряжения. Величина этого напряжения у обычных диодов где-то порядка 0,6 вольт. Причем, чем больше сила тока, что проходит через диод, тем это падение напряжения также может увеличиваться (и быть более 1 вольта). Следовательно, если на нашем источнике постоянного тока имеется 5 вольт, то минимум диод оставит на себе 0,6 вольт. И на самой нагрузке уже будет напряжение на 0,6 вольт меньше, а именно вместо 5 вольт будет 4,4 вольта. Это явление обязательно нужно учитывать при расчетах своих блоков питания. При прямом включении в первую очередь имеет значение, какой максимальный ток может пропустить через себя диод, не выходя из строя из-за пробоя (теплового).

При обратном включении диод оказывается полностью закрытым, и ток он в этом случае через себя не пропускает. В этом случае, как видно из рисунка, все напряжение источника питания оседает именно на диоде. И это место подобно разомкнутому ключу. Естественно, нагрузка при этом не работает, поскольку через нее не может пройти электрический ток. Хотя все же токи утечки присутствуют у диодов, но они крайне малы и ими обычно пренебрегают.

Теперь несколько предложений насчет переменного тока и его особенностей. На графике переменный, синусоидальный ток имеет примерно такой вид.

То есть, у нас есть понижающий трансформатор, работающий с сетевым напряжением 220 вольт. Как на его входе, так и на выходе присутствует именно переменная форма тока и напряжения. Только на входе величина напряжения 220 вольт, а на выходе (в случае понижающего трансформатора) будет допустим 12 вольт. Но форма тока одинаковая. А что именно представляет собой этот переменный ток? Дело в том, что переменный тип тока – это постоянный ток, который меняет свою полярность со временем, имея при этом синусоидальную форму. На рисунке графика, что выше, выше нуля по оси времени, это положительная полуволна. Это когда на одном из двух проводов будет только плюс, а на втором только минус. А ниже этой оси будет отрицательная полуволна. На двух проводах плюс и минус поменяются местами. Переменный ток легко преобразуется и при передачи электроэнергии на большие расстояния имеет меньшие потери в линиях электропередач. Непосредственно для питания электроники переменный тип тока не используется.

Ну, а теперь давайте перейдем к первой схеме самого простого варианта диодного выпрямителя. Это однополупериодный диодный выпрямитель на одном диоде. Его схем представлена на рисунке ниже.

Как видно в этой простой схеме диод один и он подключен последовательно с концами выходной обмотки трансформатора. Работа данного типа выпрямителя сводится к тому, что он просто срезает одну полуволну из двух. На рисунке можно увидеть, что на концах вторичной обмотки указан переменный тип тока, а после диода уже постоянный тип тока, но имеющего достаточно большие пульсации. Чтобы сгладить эти пульсации и придать уже выпрямленному току более ровную и прямую форму, более соответствующую постоянному току, после диода ставится электролитический сглаживающий конденсатора.

Чем больше будет емкость сглаживающего конденсатора, тем лучше будет это самое сглаживание пульсирующего напряжения и тока. А принцип действия сглаживания очень прост. Конденсатор во время импульса заряжается, а когда импульса нет, то в это время конденсатор отдает ранее накопленный электрический заряд. В итоге получается за счет ранее накопленной конденсатором энергии сгладить форму электрического тока.

Из-за низкого КПД подобные схемы однотактных диодных выпрямителей используются крайне редко в силовых трансформаторах (с железным сердечником, работающие с частотой 50 Гц). Поскольку половина габаритной мощности самого трансформатора оказывается на востребованной. Но в маломощных импульсных блоках питания, однотактных обратноходовых они применяются часто. Поскольку сам принцип работы таких ИБП полностью соответствует однотактности и недостаток схемы данного типа выпрямителя полностью компенсируется и перестает быть таковым.

Вторая схема – это двухполупериодный мостовой диодный выпрямитель.

Данный тип диодного выпрямителя более востребован и чаще всего используется в схемах трансформаторных блоков питания (и не только). Хотя также имеет свои особенности и недостатки. Этот выпрямитель относится уже к типу двухтактных, поскольку выпрямляются сразу два полупериода переменного тока. Схема мостового диодного выпрямителя содержит в себе 4 одинаковых диода, рассчитанных на нужное обратное напряжение и максимальный прямой ток. Как видно на графике отрицательная полуволна просто переворачивается диодами вверх, тем самым дополняя положительную полуволну. В этом случае величина пульсаций уменьшается вдвое, по сравнению с однополупериодной схемой выпрямителя. Но все равно, чтобы эти пульсации свести к минимуму в схему нужно добавить сглаживающий конденсатора. Хотя емкость его уже может быть в два раза меньше предыдущего случая. В мостовой схеме в процессе выпрямления одно из полупериодов участвуют сразу два диода из четырех. Это показано на рисунке ниже.

То есть, электрическая цепь для одного полупериода будет содержать выходную обмотку трансформатора, к концам которой последовательно подключены два диода. И тут сразу можно заметить имеющийся недостаток этой схемы диодного выпрямителя. А именно, это то, что мы на выпрямителе уже теряем более одного вольта, и чем больше ток будет проходить через этот выпрямитель, тем большими будут потери как мощности, так и величины выходного напряжения. Если мы на вторичной обмотке имеем 5 вольт, а диоды как минимум оставят на себе 1,2 вольта, то в нагрузку дойдет только лишь 3,8 вольт. Думаю смысл понятен. Следовательно, данную разновидность диодных выпрямителей целесообразно использовать при малых токах. Поскольку большие токи будут понижать общий КПД схемы.

И последний тип диодного выпрямителя, это двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. То есть, это когда выходная обмотка силового трансформатора имеет средний вывод. Рисунок данной схемы можно увидеть ниже.

Этот тип диодных выпрямителей также является двухполупериодным, как и мостовая схема, представленная чуть выше. Имеет такую же величину пульсаций на выходе, которые можно сгладить все тем же электролитическим конденсатором. Хотя в это схеме уже используется всего два диода. Следовательно, меньше диодов, меньше потерь и КПД будет выше, но есть и свои недостатки у схемы. А именно, поскольку в один полупериода работает только одна часть вторичной обмотки, а вторая часть обмотки только во второй полупериод, то получается что увеличивается общая масса и габариты самого силового трансформатора. А это уже ведет к большему расходу железа и меди при изготовлении таких выпрямителей с такими трансформаторами. Ну, и больший вес и размеры, что также не всегда удобно. Но вот если эту схему использовать для высокочастотных импульсных трансформаторов, то имеющейся недостаток перестает быть таковым

Как известно, при увеличении рабочей частоты трансформатора значительно уменьшаются его размеры и вес. И в таких трансформаторах уже используются на железные сердечники, а ферритовые, вес которых также меньше. Следовательно, если импульсный блок питания работает допустим на частоте 50 кГц, то размеры трансформатора уже будут в разы меньше, чем в случае с трансформатором, рассчитанного на частоту 50 Гц. Так что двухполупериодные диодные выпрямителя со средней точкой повсеместно используются именно в импульсных блоках питания. Примером может быть обычный компьютерный БП.

P.S. Так что при разработке своих блоков питания обязательно учитывайте все имеющиеся достоинства и недостатки, присущие в вышеописанным типам диодных выпрямителей. Правильный выбор нужного типа диодного выпрямителя, это залог высокого КПД и минимальных размеров и массы конечного устройства.

Источник - https://electrohobby.ru/vid-diod-vipram-fdv.html

Как один мигающий светодиод может заставить мигать множество других обычных светодиодов

В этой статье хотел рассказать о том, каким образом можно с помощью одного мигающего светодиода сделать так, чтобы в месте с ним мигали множество других, обычных (не мигающих) светодиодов. Причем, данный эффект не требует каких то дополнительных электронных частей. А чтобы было понятно даже новичкам как именно это работает, то расскажу о происходящих процессах в этой схеме.

Пару слов о том, как устроены мигающие светодиоды, и чем они отличаются от обычных светодиодов. По сути, мигающий светодиод – это усложненная версия простого светодиода, внутрь которого заложена очень маленькая микросхема. То есть, на катоде светодиода располагается сам кристалл, что излучает свет при прохождении через него электрического тока. А вот на аноде этого светодиода имеется миниатюрная схема. Основой этой схемы является высокочастотный генератор. Возникает вопрос, причем тут ВЧ генератор, если такие светодиоды мигают с очень низкой частотой. А все очень просто.

Дело в том, что для того, чтобы сделать генератор низкой частоты в схеме должен присутствовать конденсатор достаточно большой емкости. Поместить такой конденсатор внутрь светодиода не представляется возможным, с условием, что размеры должны остаться прежние. Чтобы решить эту проблему разработчики пошли другим путем. Они сделали генератор высокой частоты, для которого нужны конденсаторы очень маленькой емкости, и их размеры вполне могут уместиться внутри корпуса светодиода. После чего просто добавили еще схему делителя частоты. В результате мы получили миниатюрную схему, что вполне нормально располагается на небольшой площади анода светодиода.

Теперь давайте перейдем к тому, как сделать цепочку последовательно соединенных светодиодов (обычных, немигающих) и заставить их все мигать без дополнительных электронных схем. А решение очень простое. Мы должны к этой цепочке добавить всего один мигающий светодиод. В результате один мигающий светодиод заставит мигать все остальную светодиодную цепь.

Это происходит за счет того, что мигающий светодиод выполняет роль низкочастотного генератора. То есть, он при своем горении нормально проводит через себя ток, на который он изначально рассчитан. Обычные индикаторные светодиоды рассчитаны на ток до 20 мА. В тот момент времени, когда этот светодиод не горит, то он подобен разомкнутому переключателю (ток он через себя не пропускает).

И получается, что у нас один мигающий светодиод подобен переключателю, который то замыкается, то размыкается. Следовательно, все остальные обычные, немигающие светодиоды также будут то загораться, то гаснуть, синхронно с мигающим светодиодом. Это ведь последовательная электрическая цепь. А в такой цепи сила тока одинаковая. То есть, поскольку каждому из светодиодов нужен ток в 20 мА, то все эти полупроводники горят своей максимальной яркостью. Но для тут уже важна величина питающего напряжения. В среднем напряжение питания одного светодиода равно где-то около 3,2 вольта. Когда мы соединим последовательно например уже два светодиода, то для их нормального горения уже нужно около 6,4 вольта.

То есть, рабочее напряжение светодиодов складывается. Ну, и чем больше светодиодов мы соединим последовательно между собой, то во столько раз и увеличивается напряжение питания, которые мы должны на эту всю цепочку подать.

В итоге получается, мигает один светодиод, а за ним, синхронно, все остальные. И тут имеется свое ограничение на количество светодиодов цепочки. Как я выше написал, с каждым новым добавленным светодиодом в эту цепочку напряжение питания нужно увеличивать где-то на 3,2 вольта (напряжение питания одного светодиода). И при большом количестве полупроводников уже становится проблематичным подыскивать нужный источник питания. Да и слишком высокое напряжение, также не совсем безопасно. Возникает вопрос, а можно ли сделать несколько таких цепей и соединить их между собой уже параллельно.

Если сделать несколько таких цепей из обычных, не мигающих светодиодов и соединить их параллельно между собой, а в конце добавить один мигающий, то тут будет так. При параллельном соединении у нас уже увеличивается ток (если у нас две цепи, то ток увеличиться вдвое). И для одного мигающего светодиода увеличенного тока уже будет многовато, он может сгореть.

Если добавить в каждую новую цепочку новый мигающий светодиод, то начнется разнобой в их мигании. То есть, уже не будет полной синхронности между имеющимися последовательными цепями.

И тут для решения этой задачи понадобиться использование усилительных узлов схемы. А именно это применение транзисторных усилительных каскадов.

P.S. Этой простой схемы, с одними только последовательно соединенными светодиодами может быть вполне хватить для изготовления например елочной гирлянды. Естественно, при этом нужно учитывать величину сетевого напряжения, амплитудное значение которой равно 310 вольт. А также нужно добавить в этой цепочке еще простой диодный мост, рассчитанный на рабочий ток самих светодиодов. Для моста подойдут диоды например типа 1n4007. Хотя, поскольку ток небольшой, то и диоды подойдут практически любые выпрямительные.

Источник - https://electrohobby.ru/mig-svetodiod-mig-drug-vrr.html

Как работает схема блокинг генератора, описание и пояснение принципа действия схемы и ее компонентов

В данной статье предлагаю разобрать работу обычной схемы блокинг генератора. Данная схема является базовой в электронике. Но не смотря на ее простоту у новичков поначалу могут возникать некоторые неясности в работе как самой схемы блокинг генератора, так и отдельных ее функциональных узлов. Сама схема простого варианта блокинг генератора представлена на рисунке ниже.

Причем стоит заметить, что схемы блокинг генератора могут иметь некоторые отличия, хотя общая схема все же остается одной и той же. Прежде чем начать описывать и объяснять как именно работает эта схема для начала хотелось бы пояснить работу отдельных компонентов, что входят в состав схемы блокинг генератора. И начнем с работы самой обычной катушки и конденсатора. На рисунке ниже представлен график изменения тока и напряжения на катушке индуктивности.

Если мы на обычную катушку (намотанную медным проводом) подадим напряжение, допустим 12 вольт. То в силу того, что катушка имеет способность препятствовать прохождению тока по ней в начальный момент мы получим минимальный ток и максимальное напряжение на этой самой катушке. Но постепенно с накоплением магнитного поля вокруг катушки ток, проходящий через катушку, будет увеличиваться, а напряжение на концах катушки будет уменьшаться. Это показано на графике, рисунок которого можно увидеть выше. Когда же мы резко убираем ранее подаваемое напряжение питания с катушки, то на концах этой катушки образуется кратковременный всплеск напряжения. Причем полярность измениться на противоположную. Там, где был плюс источника питания на выводе катушки, появится минус, ну и со вторым выводом катушки будет также (где был минус появится плюс). Длительность этого скачка напряжения самоиндукции катушки довольно мала (какие-то мили и микросекунды), но вот величина этого напряжения может в несколько раз превышать напряжение питания (то, что ранее было подано на катушку).

Трансформатор может содержать две и более катушек.

Когда мы на первичную обмотку трансформатора подадим напряжение, замкнув переключатель (схема на рисунке выше), то все повторится также как и в вышеописанном случае с обычной катушкой. Причем за счет процесса трансформации на вторичной катушке сначала появится напряжение максимальной величины, которое постепенно снизится до нуля. После размыкания переключателя, что стоит в цепи первичной обмотки трансформатора, накопленное в сердечнике электромагнитное поле создает ЭДС самоиндукции во всех имеющихся обмотках трансформатора. Также полярность будет уже противоположной. Это напряжение также будет уменьшаться. Точки, что нарисованы над обмотками трансформатора, указывают направление обмоток. В нашем случае обмотки на трансформаторе намотаны в одну сторону.

Конденсатор ведет себя в сравнении с катушкой с точностью да наоборот.

То есть, когда мы на разряженный конденсатор подаем изначально напряжение от источника питания, то вначале будет максимальный ток (протекать через конденсатор) и минимальное напряжение (начиная с нуля). И с процессом заряда конденсатора ток в цепи конденсатора будет постепенно уменьшаться, а напряжение на обкладках конденсатора будет увеличиваться до значения источника питания. Когда же мы изменим полярность источника питания, которым заряжаем конденсатор, то сначала будет протекать ток разряда конденсатора, после чего конденсатор уже начнет заряжаться полярностью, что соответствует источнику питания.

Теперь можно пояснить работу и самого блокинг генератора.

Как известно для того, чтобы биполярный транзистор открылся между его базой и эмиттером должно присутствовать напряжение не менее 0,6 вольт. Для транзисторов типа N-P-N на базу должен подаваться плюс, а на эмиттер минус. Итак, мы на схему подали напряжение питания. Изначально транзистор в схема блокинг генератора закрыт. Следовательно через его силовой переход коллектор-эмиттер ток не течет, также как и через первую обмотку трансформатора. В схеме имеется смещающий резистор R1. Его задача подать на базу транзистора небольшой положительный потенциал от плюса источника питания. То есть, сделать так, чтобы транзистор был на пороге своего открытия. И именно первоначальный ток начинает протекать через R1.

Начальный ток, проходящий через резистор R1 начинает постепенно заряжать конденсатор C1 (через вторичную обмотку трансформатора). И как только напряжение на данном конденсаторе достигнет величины 0,6 вольт, транзистор постепенно начинает открываться. Начинает возникать ток, идущий через первичную обмотку трансформатора и коллекторно-эмиттерный переход транзистора. Тут начинаются индуктивные процесс в самом трансформаторе. С увеличением тока в первичной обмотке на вторичной обмотке индуцируется постоянное напряжение, которое способствует заряду конденсатора C1 (на выводе конденсатора, что ближе к вторичной обмотке будет присутствовать плюс, а на выводе, что ближе к базе транзистора, будет присутствовать минус).

От величины емкости конденсатора C1 будет зависеть сколько по времени будет транзистор VT1 находится в открытом состоянии. Процессы открытия транзистора и накопления электромагнитной энергии на трансформаторе носят лавинообразный характер. То есть, открытие транзистора VT1 происходят практически мгновенно. Далее время завершения первой стадии (накопления энергии трансформатором) зависит от характеристик самого трансформатора и от величины конденсатора C1. Чем больше размеры сердечника трансформатора и чем больше емкость конденсатора, тем первая стадия будет продолжительней. Следовательно, при этом уменьшается частота работы блокинг генератора.

После того как конденсатор C1 зарядился базовый ток начал уменьшаться, что приведет к началу закрытия транзистора VT1. Причем стоит заметить, что при индуктивных процесса в трансформаторе, что происходили вначале, конденсатор зарядился полярностью, которая будет способствовать закрытию транзистора. То есть, на базу транзистора начал подаваться минус от конденсатора C1, а на эмиттер поступил плюс. А при такой полярности транзистор такой проводимости N-P-N будет еще больше закрыт. И именно это и является причиной быстрого закрытия транзистора. После чего накопленная электромагнитная энергия в сердечнике трансформатора теперь начинает создавать ЭДС самоиндукции на всех выводах своих обмоток. Полярность уже будет противоположная, относительно той, которая подавалась на обмотки от источника питания.

Причем напряжение на переходе коллектор-эмиттер закрытого транзистора будет уже складываться из двух напряжений. А именно, напряжение источника питания суммируется с напряжением первичной обмотки. На данной стадии работы схемы полярность первичной обмотки трансформатора будет такова, что на выводе обмотке, что ближе к плюсу источника питания, будет индуцироваться минус. А на выводе, что ближе к коллектору транзистора, будет индуцироваться плюс. Вот и получается, что это как две батарейки соединенных последовательно, дающие суммарное напряжение. Далее, конденсатор C1 (закрывающий своим обратным напряжением транзистор) постепенно разряжается через R1 и цепь источника питания. Когда его заряд дойдет до нуля, то процесс работы данной схемы блокинг генератора повторится с самого начала. А именно, конденсатор C1 уже начнет заряжаться полярностью, которая способствует открытию транзистора, и когда величина напряжения между базой и эмиттером дойдет до значения 0,6 вольт, транзистор снова начнет открываться и все повторится сначала.

Так что как видно в работе блокинг генератора все просто. В итоге при работе этой схемы мы можем получать импульсы с большой скважностью. То есть, импульсы имеющие достаточно малую ширину, относительно всего периода.

Такие и подобные схемы блокинг генераторов используются повсеместно в простых однотактных импульсных блоках питания. Блокинг генератор является преобразователем электрической энергии, где одна величина входного напряжения преобразуется в другую, более низкую (если это понижающий источник питания). В таком простейшем виде блокинг генератор не лучшее решение, как для импульсного блока питания, поскольку имеет существенную нестабильность в своей работе (по частоте, по температуре, величине выдаваемого напряжения и т.д.). Чтобы сделать эту схему блокинг генератора более стабильной, в нее еще добавляют дополнительные узлы и электронные компоненты, делающие схему пригодной для практического использования.

Источник - https://electrohobby.ru/kak-rabot-shem-blok-gener-hfv.html