На днях ко мне обратился соседский сын – начинающий радиотехник – с просьбой пояснить, как работает выпрямитель «Ракета». Сказать, что я был удивлен, – ничего не сказать. Что за зверь такой? Оказывается, по Интернету давно на низких орбитах шастает множество таких «ракет». Причем по безалаберности конструкторов и доработчиков некоторые из них вообще летать не должны. В этой статье, написанной именно для новичков, мы разберемся с этой «ракетой», посмотрим, на каком топливе она летает, и постараемся понять принцип ее работы.
Разбираем схему
Найти схему сего чуда несложно, если, конечно, вам придет в голову обозвать его в поисковике словом «ракета». Вот она:
Да, фантазии автору этой конструкции не занимать. Прямо дом детского творчества. Макраме из радиоэлементов. Начинающему разобраться в такой схеме, мягко говоря, сложно. Поэтому приведем ее в более удобоваримое и соответствующее ЕСКД состояние.
Теперь вроде все понятно. Подаем переменное напряжение на вход трансформатора, выпрямленное напряжение снимаем с клемм Х1 и Х2. На ракету, правда, уже не похоже, но зато теперь можно разобраться с процессами, протекающими в схеме. Тем более, что она очень многим новичкам знакома. Ведь это обычный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.
Полезно! Этот тип выпрямителей широко используется, к примеру, в импульсных блоках питания электронной аппаратуры. Схему можно увидеть, в БП компьютеров, телевизоров, в сетевых адаптерах питания всевозможных гаджетов.
Как это работает
Согласно заявлению автора ролика, продвигающего «свою «интересную конструкцию», в процессе работы выпрямителя диоды поочередно «оттягивают электроны с конденсатора». Все. Коротко и, главное, исчерпывающе. Но оставим электроны, которые, конечно ничем никуда не оттягиваются, в покое, а соберем подобную схему и посмотрим, что за сигналы присутствуют на ее контрольных точках. Для начала внесем два изменения: перережем дорожку, соединяющую катоды диодов между собой, и отключим конденсатор.
Измерять будем в контрольных точках (КТ) 1, 2, 3 и 4 относительно выходной клеммы Х2, то есть средней точки трансформатора. На КТ1 и КТ2 мы видим две синусоиды. Они сдвинуты одна относительно другой на 180°, то есть находятся в противофазе.
Важно! Такая картина будет наблюдаться только в том случае, если обмотки IIa и IIb правильно сфазированы – начало одной соединено с концом другой. Если соединить обмотки началами или концами, то синусоиды будут в одной фазе.
Теперь измерим напряжения в контрольных точках 3 и 4. На графике отлично видно, что каждая из синусоид потеряла свою отрицательную полуволну. Ее срезали диоды D1 и D2, поскольку для отрицательных напряжений полупроводники включены в обратном направлении. Положительные же волны прошли через диоды беспрепятственно.
Восстановим целостность дорожки, соединяющей катоды диодов (см. схему выше). Теперь наши полуволны сложатся, и сигнал на КТ3 будет иметь следующий вид.
Такая же форма сигнала окажется и на выходе выпрямителя – клемме Х1. Напряжение можно считать выпрямленным, но для питания большинства электронной аппаратуры оно еще непригодно. Да, оно однополярное, но далеко не постоянное, а пульсирующее, имеющее вид какой-то пилы с тупыми зубьями.
Чтобы выходное напряжение превратилось в постоянное или по форме хотя бы приблизилось к нему, используют сглаживающие фильтры. Чаще всего в их качестве выступают конденсаторы относительно большой емкости. Устраним второй разрыв в нашей схеме и подключим к выходу конденсатор С1. Картинка в КТ3, а значит, и на выходе схемы выглядит куда лучше.
Почему все так изменилось? Да потому, что конденсатор обладает свойством накапливать электрическую энергию. В начале первой полуволны конденсатор С1 заряжается через диод D1 до максимального значения. Эта же полуволна питает нагрузку, подключенную к клеммам Х1 и Х2 (на схеме не показана).
Вскоре амплитуда полуволны идет на убыль и уже не может поддерживать нормальное постоянное напряжение на нагрузке. В конце концов, напряжение на D1 исчезает вообще, но наш конденсатор зарядился и в это время питает нагрузку запасенной энергией. Напряжение на нем уменьшается, но тут на выручку приходит вторая полуволна, сформированная диодом D2. Она быстренько заряжает конденсатор до первоначального значения, спасая положение. Далее процесс повторяется.
На графике выше выходное напряжение имеет вполне определенную форму, но на практике величина провалов, а значит, и качество питающего электронику напряжения будет зависеть от емкости конденсатора и, конечно, мощности нагрузки. Конденсатор небольшой емкости не сможет долго подпитывать мощный потребитель, и провалы будут куда серьезнее. Мощная нагрузка – нужна большая емкость.
Важно! Выбор номинала сглаживающего конденсатора – достаточно сложная и ответственная задача. Поставишь мало – получишь плохое сглаживание. Много – габариты конденсатора могут вырасти до размеров пивного бочонка, а эффект сглаживания существенно не увеличится.
Преимущества и недостатки
Что такое двухполупериодный выпрямитель со средней точной и как он работает, мы выяснили. Осталось разобраться, в его достоинствах и недостатках. Лучше он или хуже, к примеру, обычного мостового, называемого мостом Гретца?
Начнем с качества выпрямленного напряжения. В этом плане обе схемы имеют абсолютно одинаковые характеристики – выдают однополярное пульсирующее с частотой 100 Гц напряжение. КПД. Вот здесь не все так однозначно. В выпрямителе со средней точкой в формировании выходного напряжения в каждый момент времени участвует один диод, в мостовой схеме 2. На всех полупроводниках при прямом включении падает некоторое напряжение, которое составляет примерно 0.6 – 1.5 В в зависимости от типа и мощности полупроводника.
Это означает, что в мостовой схеме будет вдвое большее падение напряжение, и на диодах будет рассеиваться вдвое большая мощность, чем в схеме со средней точкой. Соответственно, КПД моста окажется несколько ниже. При незначительных токах этим можно пренебречь, но при больших токах КПД может существенно «просесть», а диоды моста придется устанавливать на массивные радиаторы.
Чтобы уменьшить рассеиваемую мощность выпрямителя, в нем используют диоды, имеющие малое прямое падение напряжения – так называемые диоды Шоттки. Эти же диоды понадобятся и в импульсных блоках питания, поскольку обычные плохо работают на высоких частотах.
Полезно! Мировая промышленность даже выпускает готовые диодные сборки Шоттки специально для использовании в выпрямителях со средней точкой.
Диоды эти стоят намного больше обычных. Вот тут проявляется еще одно достоинство выпрямителя со средней точкой. Для его построения понадобятся всего два диода. Ну и, конечно, радиатор для двух диодов будет куда компактнее, чем для четырех.
Осталось разобраться с трансформатором. Для мостовой схемы достаточно одной обмотки на нужное напряжение, для схемы со средней точкой нужно намотать еще одну, идентичную первой. Но дополнительная обмотка – это дополнительный расход обмоточного провода, кроме того, для этой обмотки необходимо предусмотреть место на магнитопроводе.
Важно! Бытует мнение, что обмотки для трансформатора со средней точкой можно мотать более тонким проводом, поскольку каждая из них в процессе работы работает только половину времени. Вторую половину отдыхает. Это не совсем так. Независимо от времени «отдыха» обмотка в рабочем цикле должна обеспечить необходимый для питания нагрузки ток и не может быть «вдвое тоньше», как рекомендуют «специалисты».
Получается, дополнительная обмотка – дополнительная проблема? Увы, да. Не проблема, конечно, но все же неудобство. Кроме того, при создании импульсных блоков питания эта проблема практически исчезает. Количество витков в обмотках импульсных трансформаторов много меньше, чем в обычных. Вторичные обмотки на 10-15 В могут содержать всего 3-5 витков. Так что, доматывая дополнительную для выпрямителя со средней точкой, мы особо не разоримся.
В общем, схема со средней точкой – достаточно эффективная вещь, особенно если дело касается больших мощностей. Ну а собирая простенький трансформаторный блок питания для маломощного гаджета, конечно, лучше воспользоваться старым добрым мостиком Гретца. Впрочем, тут все будет зависеть от конкретных возможностей и желания. В любом случае результат на «выхлопе» будет один – однополярное пульсирующее с частотой 100 Гц напряжение.
