Начало работы в электронике: выпрямители

В майском/июньском выпуске Elektor мы приветствовали диод как первого представителя семейства полупроводников, без которого невозможно представить современную электронику. Теперь займемся расчетами с выпрямителями. В конце концов, мы не можем просто спаять детали и надеяться, что это сработает. Давайте сначала посмотрим на наш однополупериодный выпрямитель (Рисунок 1).

Чем больше емкость электролитического конденсатора, тем меньше будет падать напряжение в отрицательные полупериоды переменного напряжения; а также, поскольку сопротивление становится меньше (и, следовательно, ток, потребляемый нагрузкой, увеличивается), напряжение будет падать больше в течение отрицательных полупериодов («коллапс», говорит инженер-электронщик). Мы можем выразить это в формуле:

Мы предположили, что ток постоянный. Теперь предположим, что у нас есть трансформатор на 15 В, однополупериодный выпрямитель и нагрузка с потребляемым током 1 А. Напряжение, обеспечиваемое выпрямителем, должно стабилизироваться микросхемой стабилизатора, для которой требуется минимальное входное напряжение 18 В для обеспечения стабильное выходное напряжение 15 В. (Мы вернемся к этой микросхеме в следующем выпуске.) В этом случае, какой емкости должен быть конденсатор? Во-первых, нам нужно рассчитать пиковое значение переменного напряжения; в предыдущей статье этой серии мы видели, что к пиковому значению относится:

Для нашего удобства мы вычитаем 0,7 В из этого пикового напряжения (которое представляет собой прямое напряжение кремниевого диода, используемого в качестве выпрямителя):

Что касается перфекционистов среди вас, то мы округлили результат до десятичной дроби — в данном случае это достаточно точно. Поскольку микросхеме требуется входное напряжение не менее 18 В (это минимальное входное напряжение можно найти в техническом описании микросхемы), допускается падение напряжения максимум на 2,5 В за один период. Перепишем формулу напряжения на конденсаторе и сложим значения тока, напряжения и частоты:

Следующим большим стандартным значением будет 10 000 мкФ, а для тока всего 1 А это довольно «громоздкий» конденсатор. Теоретически существует два способа достижения более низкого значения (и, следовательно, уменьшения и удешевления электролитического конденсатора):

Это полноволновое выпрямление будет обсуждаться позже; ниже мы сначала займемся «повышением напряжения трансформатора». Если мы используем трансформатор на 18 В вместо версии на 15 В в приведенном примере, мы измерим пиковое напряжение на диоде около 24,7 В, а это означает, что максимально допустимая разница напряжений составит 6,7 В. Таким образом, выбор конденсатора может быть соответственно меньше; расчетное значение составляет около 3000 мкФ, а следующее большее стандартное значение составляет либо 3300 мкФ, либо 4700 мкФ. Как однажды сказал известный голландский футбольный философ (Йохан Кройфф), каждое преимущество имеет свой недостаток: это решение предполагает более высокое энергопотребление, а также более высокую тепловыделение в регуляторе напряжения. Для этого мы рассмотримфигура 2.

Компонент с номером детали 7815 представляет собой стабилизатор постоянного напряжения. Пока нас не интересует, как эта штука работает. Здесь важно то, что эта микросхема превращает (в определенных пределах) изменяющееся входное напряжение постоянного тока в (почти) постоянное выходное напряжение постоянного тока. Следующее применимо к выходной мощности в обоих случаях (пример с трансформатором 15 В и пример с трансформатор 18 В):

Рассеяние в ИС (мощность, преобразованная в тепло в ИС) равно разнице между входным и выходным напряжением, умноженной на ток (во многих случаях — и здесь — мы можем пренебречь собственным энергопотреблением ИС).

Конечно, входное напряжение микросхемы не является постоянным; в данном случае мы используем среднее арифметическое минимального и максимального входного напряжения (что достаточно точно для наших целей). В результате потери мощности в стабилизаторе напряжения возрастают примерно на 50% — это очень много избыточного тепла, которое имеет быть рассеянным. Тот факт, что трансформатор теперь должен выдавать 22 Вт вместо 20 Вт (с учетом потерь в диоде и стабилизаторе напряжения), не имеет большого значения, если только это не вынуждает нас использовать трансформатор немного большего размера.