Во многих электронных приборах, работающих при переменном токе в 220 вольт устанавливаются диодные мосты. Схема диодного моста на 12 вольт позволяет эффективно выполнять функцию по выпрямлению переменного тока. Это связано с тем, что для работы большинства приборов используется постоянный ток.
Как работает диодный мост
Переменный ток, имеющий определенную меняющуюся частоту, подается на входные контакты моста. На выходах с положительным и отрицательным значением образуется однополярный ток, обладающий повышенной пульсацией, значительно превышающей частоту тока, подаваемого на вход.
Появляющиеся пульсации нужно обязательно убрать, иначе электронная схема не сможет нормально работать. Поэтому, в схеме присутствуют специальные фильтры, представляющие собой электролитические с большой емкостью.
Сама сборка моста состоит из четырех диодов с одинаковыми параметрами. Они соединены в общую схему и размещаются в общем корпусе.
Диодный мост имеет четыре вывода. К двум из них подключается переменное напряжение, а два остальных являются положительным и отрицательным выводом пульсирующего выпрямленного напряжения.
Выпрямительный мост в виде диодной сборки обладает существенными технологическими преимуществами. Таким образом, на печатную плату устанавливается сразу одна монолитная деталь. Во время эксплуатации, для всех диодов обеспечивается одинаковый тепловой режим. Стоимость общей сборки ниже четырех диодов в отдельности. Однако, данная деталь имеет серьезный недостаток. При выходе из строя хотя-бы одного диода, вся сборка подлежит замене. При желании, любая общая схема может быть заменена четырьмя отдельными деталями.
Применение диодных мостов
В любых приборах и электронике, для питания которых используется переменный электрический ток, присутствует схема диодного моста на 12 вольт. Ее используют не только в трансформаторных, но и в импульсных выпрямителях. Наиболее характерным импульсным блоком является блок питания компьютера.
Кроме того диодные мосты применяются в люминесцентных компактных лампах или в энергосберегающих лампах. Они дают очень хороший эффект при использовании их в пускорегулирующих электронных аппаратах. Широко применяются и во всех моделях современных аппаратов.
Как сделать диодный мост
На простых механизмах удобно устанавливать аналоговые регуляторы тока. К примеру, они могут изменить скорость вращения вала мотора. С технической стороны выполнить такой регулятор просто (потребуется установка одного транзистора). Применим для регулировки независимой скорости моторов в робототехнике и источниках питания. Наиболее распространены два варианта регуляторов: одноканальные и двухканальные.
Видео №1 . Одноканальный регулятор в работе. Меняет скорость кручения вала мотора посредством вращения ручки переменного резистора.
Видео №2. Увеличение скорости кручения вала мотора при работе одноканального регулятора. Рост числа оборотов от минимального до максимального значения при вращении ручки переменного резистора.
Видео №3 . Двухканальный регулятор в работе. Независимая установка скорости кручения валов моторов на базе подстроечных резисторов.
Видео №4. Напряжение на выходе регулятора измерено цифровым мультиметром. Полученное значение равно напряжению батарейки, от которого отняли 0,6 вольт (разница возникает из-за падения напряжения на переходе транзистора). При использовании батарейки в 9,55 вольт, фиксируется изменение от 0 до 8,9 вольт.
Функции и основные характеристики
Ток нагрузки одноканального (фото. 1) и двухканального (фото. 2) регуляторов не превышает 1,5 А. Поэтому для повышения нагрузочной способности производят замену транзистора КТ815А на КТ972А. Нумерация выводов для этих транзисторов совпадает (э-к-б). Но модель КТ972А работоспособна с токами до 4А.
Одноканальный регулятор для мотора
Устройство управляет одним мотором, питание осуществляется от напряжения в диапазоне от 2 до 12 вольт.
Конструкция устройства
Основные элементы конструкции регулятора представлены на фото. 3. Устройство состоит из пяти компонентов: два резистор переменного сопротивления с сопротивлением 10 кОм (№1) и 1 кОм (№2), транзистор модели КТ815А (№3), пара двухсекционных винтовых клеммника на выход для подключения мотора (№4) и вход для подключения батарейки (№5).
Примечание 1. Установка винтовых клеммников не обязательна. С помощью тонкого монтажного многожильного провода можно подключить мотор и источник питания напрямую.
Принцип работы
Порядок работы регулятора мотора описывает электросхема (рис. 1). С учетом полярности на разъем ХТ1 подают постоянное напряжение. Лампочку или мотор подключают к разъему ХТ2. На входе включают переменный резистор R1, вращение его ручки изменяет потенциал на среднем выходе в противовес минусу батарейки. Через токоограничитель R2 произведено подключение среднего выхода к базовому выводу транзистора VT1. При этом транзистор включен по схеме регулярного тока. Положительный потенциал на базовом выходе увеличивается при перемещении вверх среднего вывода от плавного вращения ручки переменного резистора. Происходит увеличение тока, которое обусловлено снижением сопротивления перехода коллектор-эмитттер в транзисторе VT1. Потенциал будет уменьшаться, если ситуация будет обратной.
Принципиальная электрическая схема Материалы и детали
Необходима печатная плата размером 20х30 мм, изготовленная из фольгированного с одной стороны листа стеклотекстолита (допустимая толщина 1-1,5 мм). В таблице 1 приведен список радиокомпонентов.
Примечание 2. Необходимый для устройства переменный резистор может быть любого производства, важно соблюсти для него значения сопротивления тока указанные в таблице 1.
Примечание 3 . Для регулировки токов выше 1,5А транзистор КТ815Г заменяют на более мощный КТ972А (с максимальным током 4А). При этом рисунок печатной платы менять не требуется, так как распределение выводов у обоих транзисторов идентично.
Процесс сборки
Для дальнейшей работы нужно скачать архивный файл, размещенный в конце статьи, разархивировать его и распечатать. На глянцевой бумаге печатают чертеж регулятора (файл ), а монтажный чертеж (файл ) – на белом листе офисной (формат А4).
Далее чертеж монтажной платы (№1 на фото. 4) наклеивают к токоведущим дорожкам на противоположной стороне печатной платы (№2 на фото. 4). Необходимо сделать отверстия (№3 на фото. 14) на монтажом чертеже в посадочных местах. Монтажный чертеж крепится к печатной плате сухим клеем, при этом отверстия должны совпадать. На фото.5 показана цоколёвка транзистора КТ815.
Вход и выход клеммников-разъемов маркируют белым цветом. Через клипсу к клеммнику подключается источник напряжения. Полностью собранный одноканальный регулятор отображен на фото. Источник питания (батарея 9 вольт) подключается на финальном этапе сборки. Теперь можно регулировать скорость вращения вала с помощью мотора, для этого нужно плавно вращать ручку регулировки переменного резистора.
Для тестирования устройства необходимо из архива распечатать чертеж диска. Далее нужно наклеить этот чертеж (№1) на плотную и тонкую картонную бумагу (№2). Затем с помощью ножниц вырезается диск (№3).
Полученную заготовку переворачивают (№1) и к центру крепят квадрат черной изоленты (№2) для лучшего сцепления поверхности вала мотора с диском. Нужно сделать отверстие (№3) как указано на изображении. Затем диск устанавливают на вал мотора и можно приступать к испытаниям. Одноканальный регулятор мотора готов!
Двухканальный регулятор для мотора
Используется для независимого управления парой моторов одновременно. Питание осуществляется от напряжения в диапазоне от 2 до 12 вольт. Ток нагрузки рассчитан до 1,5А на каждый канал.
Конструкция устройства
Основные компоненты конструкции представлены на фото.10 и включают: два подстроечных резистора для регулировки 2-го канала (№1) и 1-го канала (№2), три двухсекционных винтовых клеммника для выхода на 2-ой мотор (№3), для выхода на 1-ый мотор (№4) и для входа (№5).
Примечание.1 Установка винтовых клеммников не обязательна. С помощью тонкого монтажного многожильного провода можно подключить мотор и источник питания напрямую.
Принцип работы
Схема двухканального регулятора идентична электрической схеме одноканального регулятора. Состоит из двух частей (рис.2). Основное отличие: резистор переменного сопротивления замен на подстроечный резистор. Скорость вращения валов устанавливается заранее.
Примечание.2. Для оперативной регулировки скорости кручения моторов подстроечные резисторы заменяют с помощью монтажного провода с резисторами переменного сопротивления с показателями сопротивлений, указанными на схеме.
Материалы и детали
Понадобится печатная плата размером 30х30 мм, изготовленная из фольгированного с одной стороны листа стеклотекстолита толщиной 1-1,5 мм. В таблице 2 приведен список радиокомпонентов.
Процесс сборки
После скачивания архивного файла, размещенного в конце статьи, нужно разархивировать его и распечатать. На глянцевой бумаге печатают чертеж регулятора для термоперевода (файл termo2), а монтажный чертеж (файл montag2) – на белом листе офисной (формат А4).
Чертеж монтажной платы наклеивают к токоведущим дорожкам на противоположной стороне печатной платы. Формируют отверстия на монтажом чертеже в посадочных местах. Монтажный чертеж крепится к печатной плате сухим клеем, при этом отверстия должны совпасть. Производится цоколёвка транзистора КТ815. Для проверки нужно временно соединить монтажным проводом входы 1 и 2 .
Любой из входов подключают к полюсу источника питания (в примере показана батарейка 9 вольт). Минус источника питания при этом крепят к центру клеммника. Важно помнить: черный провод «-», а красный «+».
Моторы должны быть подключены к двум клеммникам, также необходимо установить нужную скорость. После успешных испытаний нужно удалить временное соединение входов и установить устройство на модель робота. Двухканальный регулятор мотора готов!
В представленные необходимые схемы и чертежи для работы. Эмиттеры транзисторов помечены красными стрелками.
Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под “постоянным напряжением”. Как гласит нам Википедия, постоянное напряжение (он же и постоянный ток) – это такой ток, параметры,свойства и направление которого не изменяются со временем. Постоянный ток течет только в одном направлении и для него частота равна нулю.
Осциллограмму постоянного тока мы с вами рассматривали в статье Осциллограф. Основы эксплуатации :
Как вы помните, по горизонтали на графике у нас время (ось Х), а по вертикали напряжение (ось Y).
Для того, чтобы преобразовать переменное однофазное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение меньшего (можно и большего) значения, мы используем простой однофазный трансформатор . А для того, чтобы преобразовать в постоянное пульсирующее напряжение , мы с вами после трансформатора подключали Диодный мост . На выходе получали постоянное пульсирующее напряжение. Но с таким напряжением, как говорится, погоду не сделаешь.
Но как же нам из пульсирующего постоянного напряжения
получить самое что ни на есть настоящее постоянное напряжение?
Для этого нам нужен всего один радиокомпонент: конденсатор. А вот так он должен подключаться к диодному мосту:
В этой схеме используется важное свойство конденсатора: заряжаться и разряжаться. Конденсатор с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осциллограмме, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.
Зависимость пульсаций от емкости конденсатора
Давайте же рассмотрим на практике, зачем нам надо ставить конденсатор большой емкости. На фото ниже у нас три конденсатора различной емкости:
Рассмотрим первый. Замеряем его номинал с помощью нашего LC – метр . Его емкость 25,5 наноФарад или 0,025микроФарад.
Цепляем его к диодному мосту по схеме выше
И цепляемся осциллографом:
Смотрим осциллограмму:
Как вы видите, пульсации все равно остались.
Ну что же, возьмем конденсатор емкостью побольше.
Получаем 0,226 микрофарад.
Цепляем к диодному мосту также, как и первый конденсатор снимаем показания с него.
А вот собственно и осциллограмма
Не… почти, но все равно не то. Пульсации все равно видны.
Берем наш третий конденсатор. Его емкость 330 микрофарад. У меня даже LC-метр не сможет ее замерить, так как у меня предел на нем 200 микрофарад.
Цепляем его к диодному мосту снимаем с него осциллограмму.
А вот собственно и она
Ну вот. Совсем ведь другое дело!
Итак, сделаем небольшие выводы:
– чем больше емкость конденсатора на выходе схемы, тем лучше. Но не стоит злоупотреблять емкостью! Так как в этом случае наш прибор будет очень габаритный, потому что конденсаторы больших емкостей как правило очень большие. Да и начальный ток заряда будет огромным, что может привести к перегрузке питающей цепи.
– чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. С этим борются с помощью , а также используют интегральные стабилизаторы напряжения , которые выдают чистейшее постоянное напряжение.
Как подобрать радиоэлементы для выпрямителя
Давайте вернемся к нашему вопросу в начале статьи. Как все-таки получить на выходе постоянный ток 12 Вольт для своих нужд? Сначала нужно подобрать трансформатор, чтобы на выходе он выдавал … 12 Вольт? А вот и не угадали! Со вторичной обмотки трансформатора мы будем получать .
где
U Д – действующее напряжение, В
U max – максимальное напряжение, В
Поэтому, чтобы получить 12 Вольт постоянного напряжения, на выходе трансформатора должно быть 12/1,41=8,5 Вольт переменного напряжения. Вот теперь порядок. Для того, чтобы получить такое напряжение на трансформаторе, мы должны убавлять или добавлять обмотки трансформатора. Формула . Потом подбираем диоды. Диоды подбираем исходя из максимальной силы тока в цепи. Ищем подходящие диоды по даташитам (техническим описаниям на радиоэлементы). Вставляем конденсатор с приличной емкостью. Его подбираем исходя из того, чтобы постоянное напряжение на нем не превышало то, которое написано на его маркировке. Простейший источник постоянного напряжения готов к использованию!
Кстати, у меня получился 17 Вольтовый источник постоянного напряжения, так как у трансформатора на выходе 12 Вольт (умножьте 12 на 1,41).
Ну и напоследок, чтобы лучше запомнилось:
Электрический ток- это направленное или упорядоченное движение заряженных частиц: электронов в металлах, в электролитах - ионов, а в газах - электронов и ионов. Электрический ток может быть как постоянным, так и переменным.
Определение постоянного электрического тока, его источники
Постоянный ток (DC, по-английски Direct Current) - это электрический ток, у которого свойства и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.
Постоянный ток используется в автомобилях и в домах, в многочисленных электронных приборах: ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. д. Перемеренный электрический ток из розетки преобразуется в постоянный при помощи блока питания или трансформатора напряжения с выпрямителем.
Любой электроинструмент, устройство или прибор, работающие от батареек так же являются потребителями постоянного тока, потому что батарея или аккумулятор- это исключительно источники постоянного тока, который при необходимости преобразуется в переменный с использованием специальных преобразователей (инверторов).
Принцип работы переменного тока
Переменный ток
(AC по-английски Alternating Current)- это электрический ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах условно обозначается отрезком синусоиды « ~ ».
Иногда после синусоиды могут указываться характеристики переменного тока - частота, напряжение, число фаз.
Переменный ток может быть как одно- , так и трёхфазным, для которого мгновенные значения тока и напряжения меняются по гармоническому закону.
Основные характеристики переменного тока - действующее значение напряжения и частота.
Обратите внимание , как на левом графике для однофазного тока меняется направление и величина напряжения с переходом в ноль за период времени Т, а на втором графике для трехфазного тока существует смещение трех синусоид на одну третью периода. На правом графике 1 фаза обозначена буквой «а», а вторая буквой «б». Хорошо известно, что в домашней розетке 220 Вольт. Но мало кто знает, что это действующие значение переменного напряжения, но амплитудное или максимальное значение будет больше на корень из двух, т.е будет равно 311 Вольт.
Таким образом, если у постоянного тока величина напряжения и направление не изменяются в течении времени, то у переменного тока- напряжение постоянно меняется по величине и направлению (график ниже нуля это обратное направление).
И так мы подошли к понятию частота — это отношение числа полных циклов (периодов) к единице времени периодически меняющегося электрического тока. Измеряется в Герцах. У нас и в Европе частота равна 50 Герцам, в США- 60 Гц.
Что означает частота 50 Герц? Она означает, что у нас переменный ток меняет свое направление на противоположное и обратно (отрезок Т- на графике) 50 раз за секунду!
Источниками переменного тока являются
все розетки в доме и все то, что подключено напрямую проводами или кабелями к электрощиту. У многих возникает вопрос: а почему в розетке не постоянный ток? Ответ прост. В сетях переменного тока легко и с минимальными потерями преобразовывается величина напряжения до необходимого уровня при помощи трансформатора в любых объемах. Напряжение необходимо увеличивать для возможности передачи электроэнергии на большие расстояния с наименьшими потерями в промышленных масштабах. 
С электростанции
, где стоят мощные электрогенераторы, выходит напряжение величиной 330 000-220 000 , далее возле нашего дома на трансформаторной подстанции оно преобразуется с величины 10 000 Вольт в трехфазное напряжение 380 Вольт, которое и приходит в многоквартирный дом, а к нам в квартиру приходит однофазное напряжение, т. к. между напряжение равняется 220 В, а между разноименными фазами в электрощите 380 Вольт.
И еще одним из важных достоинств переменного напряжения является то, что асинхронные электродвигатели переменного тока конструктивно проще и работают значительно надежнее, чем двигатели постоянного тока.
Как переменный ток сделать постоянным
Для потребителей, работающих на постоянном токе- переменный преобразуется при помощи выпрямителей.
Преобразователь постоянного тока в переменный
Если с преобразованием переменного тока в постоянный не возникает сложностей, то со обратным преобразованием все гораздо сложнее. В домашних условиях для этого используется инвертор
- это генератор периодического напряжения из постоянного, по форме приближённого к синусоиде.
В блоках питания радио- и электроаппаратуры почти всегда используются выпрямители, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Связано это с тем, что практически все электронные схемы и многие другие устройства должны питаться от источников постоянного тока. Выпрямителем может служить любой элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, другими словами, по-разному пропускающий ток в противоположных направлениях. В современных устройствах в качестве таких элементов, как правило, используются плоскостные полупроводниковые диоды.
Плоскостные полупроводниковые диоды
Наряду с хорошими проводниками и изоляторами существует очень много веществ, занимающих по проводимости промежуточное положение между двумя этими классами. Называют такие вещества полупроводниками. Сопротивление чистого полупроводника с ростом температуры уменьшается в отличие от металлов, сопротивление которых в этих условиях возрастает.
Добавляя к чистому полупроводнику небольшое количество примеси, можно в значительной степени изменить его проводимость. Существует два класса таких примесей:
Рисунок 1. Плоскостной диод: а. устройство диода; б. обозначение диода в электротехнических схемах; в. внешний вид плоскостных диодов различной мощности.
- Донорные — превращающие чистый материал в полупроводник n-типа, содержащий избыток свободных электронов. Проводимость такого типа называют электронной.
- Акцепторные — превращающие такой же материал в полупроводник p-типа, обладающий искусственно созданным недостатком свободных электронов. Проводимость такого полупроводника называют дырочной. «Дырка» — место, которое покинул электрон, ведет себя аналогично положительному заряду.
Слой на границе полупроводников p- и n-типа (p-n переход) обладает односторонней проводимостью — хорошо проводит ток в одном (прямом) направлении и очень плохо в противоположном (обратном). Устройство плоскостного диода показано на рисунке 1а. Основа — пластинка из полупроводника (германий) с небольшим количеством донорной примеси (n-типа), на которую помещается кусочек индия, являющегося акцепторной примесью.
После нагрева индий диффундирует в прилегающие области полупроводника, превращая их в полупроводник p-типа. На границе областей с двумя типами проводимости и возникает p-n переход. Вывод, соединенный с полупроводником p-типа, называют анодом получившегося диода, противоположный — его катодом. Изображение полупроводникового диода на принципиальных схемах приведено на рис. 1б, внешний вид плоскостных диодов различной мощности — на рис. 1в.
Вернуться к оглавлению
Простейший выпрямитель
Рисунок 2. Характеристики тока в различных схемах.
Ток, протекающий в обычной осветительной сети, является переменным. Его величина и направление меняются 50 раз в течение одной секунды. График зависимости его напряжения от времени показан на рис. 2а. Красным цветом показаны положительные полупериоды, синим — отрицательные.
Поскольку величина тока изменяется от нуля до максимального (амплитудного) значения, вводится понятие действующего значения тока и напряжения. Например, в осветительной сети действующее значение напряжения 220 В — во включенном в эту сеть нагревательном приборе за одинаковые промежутки времени выделяется столько же тепла, сколько в том же устройстве, в цепи постоянного тока напряжением 220 В.
Но на самом деле напряжение в сети меняется за 0,02 с следующим образом:
- первую четверть этого времени (периода) — увеличивается от 0 до 311 В;
- вторую четверть периода — уменьшается от 311 В до 0;
- третью четверть периода — уменьшается от 0 до 311 В;
- последнюю четверть периода — возрастает от 311 В до 0.
В этом случае 311 В — амплитуда напряжения U о. Амплитудное и действующее (U) напряжения связаны между собой формулой:
Рисунок 3. Диодный мост.
При включении в цепь переменного тока последовательно соединенных диода (VD) и нагрузки (рис. 2б), ток через нее протекает только во время положительных полупериодов (рис. 2в). Происходит это благодаря односторонней проводимости диода. Называется такой выпрямитель однополупериодным — одну половину периода ток в цепи есть, во время второй — отсутствует.
Ток, протекающий через нагрузку в таком выпрямителе, не постоянный, а пульсирующий. Превратить его практически в постоянный можно, включив параллельно нагрузке конденсатор фильтра C ф достаточно большой емкости. В течение первой четверти периода конденсатор заряжается до амплитудного значения, а в промежутках между пульсациями разряжается на нагрузку. Напряжение становится почти постоянным. Эффект сглаживания тем сильнее, чем больше емкость конденсатора.
Вернуться к оглавлению
Схема диодного моста
Более совершенной является двухполупериодная схема выпрямления, когда используются и положительный, и отрицательный полупериод. Существует несколько разновидностей таких схем, но чаще всего используется мостовая. Схема диодного моста приведена на рис. 3в. На ней красная линия показывает, как протекает ток через нагрузку во время положительных, а синяя — отрицательных полупериодов.
Рисунок 4. Схема выпрямителя на 12 вольт с использованием диодного моста.
И первую, и вторую половину периода ток через нагрузку протекает в одном и том же направлении (рис. 3б). Количество пульсации в течение одной секунды не 50, как при однополупериодном выпрямлении, а 100. Соответственно, при той же емкости конденсатора фильтра эффект сглаживания будет более ярко выражен.
Как видно, для построения диодного моста необходимо 4 диода — VD1-VD4. Раньше диодные мосты на принципиальных схемах изображали именно так, как на рис. 3в. Ныне общепринятым считается изображение, показанное на рис. 3г. Хотя на ней только одно изображение диода, не следует забывать, что мост состоит из четырех диодов.
Мостовая схема чаще всего собирается из отдельных диодов, но иногда применяются и монолитные диодные сборки. Их проще монтировать на плате, но зато при выходе из строя одного плеча моста, заменяется вся сборка. Выбирают диоды, из которых монтируется мост, исходя из величины протекающего через них тока и величины допустимого обратного напряжения. Эти данные позволяет получить инструкция к диодам или справочники.
Полная схема выпрямителя на 12 вольт с использованием диодного моста приведена на рис. 4. Т1 — понижающий трансформатор, вторичная обмотка которого обеспечивает напряжение 10-12 В. Предохранитель FU1 — нелишняя деталь с точки зрения техники безопасности и пренебрегать им не стоит. Марка диодов VD1-VD4, как уже говорилось, определяется величиной тока, который будет потребляться от выпрямителя. Конденсатор С1 — электролитический, емкостью 1000,0 мкФ или выше на напряжение не ниже 16 В.
Напряжение на выходе — фиксированное, величина его зависит от нагрузки. Чем больше ток, тем меньше величина этого напряжения. Для получения регулируемого и стабильного выходного напряжения требуется более сложная схема. Получить регулируемое напряжение от схемы, приведенной на рис. 4 можно двумя способами:
- Подавая на первичную обмотку трансформатора Т1 регулируемое напряжение, например, от ЛАТРа.
- Сделав от вторичной обмотки трансформатора несколько отводов и поставив, соответственно, переключатель.
Остается надеяться, что описания и схемы, приведенные выше, окажут практическую помощь в сборке простого выпрямителя для практических нужд.
