Источники питания радиолюбительских устройств

Характеристики источников питания. Трансформаторы, выпрямители, сглаживающие фильтры. Практические расчеты.

Доброго дня уважаемые Радиолюбители!
Сегодня на сайте “Радиолюбитель“, в разделе “Практикум начинающего радиолюбителя“, мы рассмотрим вопрос применения источников питания для радиолюбительских устройств. Хорошо, когда в принципиальной схеме радиолюбительского устройства подробно описан источник питания собираемой схемы. А что делать, если на схеме указан только номинал питающего напряжения и больше ни слова? В этом случае, я надеюсь, вам поможет эта статья.

Для выбора источника питания для вашего устройства надо исходить из двух основных характеристик схемы:
– напряжение питания схемы;
– ток потребляемый схемой при работе.

В зависимости от напряжения питания схемы и потребляемого тока мы можем выбрать для питания схемы или химический источник тока, или задействовать электрическую сеть 220 вольт.

---

Питание любительских устройств химическими источниками тока

Мы пользуемся двумя разновидностями химических источников тока:
– гальваническими элементами,  в обиходе – батарейки, (которые из-за необратимости протекающих в них реакций невозможно перезарядить);
– электрические аккумуляторы ( перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока можно перезарядить ).
Для питания устройства, в зависимости от требуемого напряжения, можно использовать или отдельные гальванические элементы (аккумуляторы) или группу из нескольких штук – батарею.

Итак, если для питания устройства требуется небольшие напряжение и потребляемый ток, а также однозначно, если требуется автономное питание, мы смело можем применять химические источника тока.
Основное напряжение, которое выдают:
- гальванические элементы питания – 1,5 вольта (есть еще элементы, в основном литивые, выдающие 3 вольта);
– аккумуляторные элементы питания – 1,2 вольта (есть аккумуляторы, литий-ионные, выдающие 3,6 вольта).
На корпусах элементов (батарей) обычно указывается ее номинальная емкость и напряжение.

К примеру, напряжение питания нашей схемы 9 вольт, потребляемый ток – 50 мА.
У нас есть элементы питания “Duracell” на которых стоит: напряжение – 1,5 вольта, емкость – 1500 мА/ч.
Для получения напряжения 9 вольт нам необходимо составить батарею из 6 последовательно соединенных элементов:
6х1,5= 9 вольт.
Время непрерывной работы такой батареи составит:
1500/50= 30 часов.
Гальванические элементы можно заменить аккумуляторами, но тогда нам потребуется не 6, а 7 или 8 аккумуляторов:
6х1,2= 7,2 вольта, 7х1,2 = 8,4 вольта, 8х1,2 = 9,6 вольта.

---

Гальванические элементы и батареи:

Классификация по типу химической реакции:

Классификация по типу электролита:

Основные типоразмеры элементов и батарей:

---

Питание любительских устройств от сети 220 вольт

Прежде чем мы перейдем к практическому вопросу применения бытового сетевого переменного напряжения 220 вольт с частотой 50 Гц, немного теории.

Напряжение, как и ток, могут быть постоянными или переменными. Если с понятием “постоянный” все более или менее понятно, то что такое “переменное” напряжение и “переменный” ток:

То есть, в розетке с 220 вольтами, потребляемый устройством ток периодически меняет “плюс” с “минусом” и также, так как постоянно меняется напряжение, периодически меняется и значение потребляемого тока от “нуля” до максимальной величины. И все это происходит с частотой 50 Гц.

Так как в любой промежуток времени напряжение в сети разное, то для практических расчетов придумали понятие – среднеквадратичное значение напряжения в сети, которое по своей величине равно такому же постоянному напряжению.
Таким образом – 220 вольт переменного напряжения в нашей розетке – некая средняя величина, которая означает что при подключении к розетки любого прибора, лампочки и т.д., будет выполнена такая-же работа, как и при применении постоянного напряжения в 220 вольт.

---

В большинстве случаев для питания любительских устройств требуется напряжение намного меньшее чем сетевое.

Для понижения сетевого напряжения с 220 вольт до нужного значения (или для получения напряжения большего чем 220 вольт) в большинстве случаев применяют трансформаторы.

Трансформатор - индуктивное устройство для преобразования электрического тока. Трансформаторы разделяются на: силовые, автотрансформаторы, тока, импульсные, разделительные, согласующие и т.д. Нас интересуют трансформаторы напряжения. Трансформатор напряжения – предназначен для преобразования высокого напряжения в низкое.

---

Для дальнейшего изложения текста статьи я буду использовать радиолюбительскую программу “Multisim V12.0″ (наследник знаменитой программы “Electronics Workbench”), которая предназначена для моделирования электронных схем.  Вы можете самостоятельно найти в недрах интернета эту программу (я скачивал ее в RuTracker), установить и изучать работу в ней на примерах этой статьи.

Источник питания радиолюбительского устройства от сети 220 вольт будет иметь в своем составе несколько устройств:

Рассмотрим эти устройства:

Трансформатор – здесь я думаю, что нам все понятно. Нам нужен трансформатор напряжения,  который бы понизил сетевое напряжение в 220 вольт до нужного нам значения и при этом обеспечивал наше устройство необходимой силой тока.

---

Кроме того, при выборе трансформатора необходимо учитывать, что используя выпрямитель на диодах, в зависимости от типа диодов и схемы выпрямителя, на них будет падать напряжение до 2-3 вольт (обычно падение напряжения на диоде указывается в справочниках).
Кроме того, так как в основном приборы показывают среднее значение переменного напряжения а не максимальное, то среднее значение напряжения на выходе выпрямителя  будет соответствовать:

- для схемы однополупериодного выпрямителя: Uср= 0,318*U max

- для схемы двухполупериодного выпрямителя: Uср= 0,7*U max

К примеру: мы измерили тестером напряжение на вторичной обмотке трансформатора и у нас получилось – 10 вольт.
Максимальное напряжение на выходе трансформатора будет равно: Umax= 10/0,7 = 14 вольт.
В выпрямителе мы используем схему двухполупериодного выпрямителя (с падением напряжения на двух диодах по 1 вольту).
Тогда максимальное напряжение на выходе выпрямителя будет равно:
Uвых=  Umax -1 -1 = 14-1-1= 12 вольт

---

Для начала соберем вот такую схему с использованием трансформатора и посмотрим, что мы имеем на входе, и что – на выходе:

Здесь вы видите работу нашего трансформатора:
– красная синусоида – напряжение на входе трансформатора (сетевая розетка – 220 вольт);
– зеленая синусоида – напряжение на вторичной обмотке трансформатора (зависит от количества витков вторичной обмотки).
И там, и там – синусоиды, переменные напряжения. Теперь нам необходимо превратить синусоиду в горизонтальную линию нужного нам постоянного напряжения.

Выпрямитель. Для получения постоянного напряжения используют выпрямительные диоды или специализированные диодные мостики (есть и другие радиоэлементы, но их мы рассматривать не будем). И здесь мы остановимся более подробно.
Посмотрим, как изменится напряжение на выходе трансформатора при включении в цепь диода. Для этого трансформатор мы заменим генератором, который имитирует вторичную обмотку с выходным напряжением 15 вольт:

Как видите у нас на вторичной обмотке трансформатора, до диода (красная синусоида)- переменное напряжение 15 вольт. Диод обрезает отрицательную составляющую переменного напряжения и на выходе (зеленая осциллограмма) – переменное пульсирующее напряжение. Т.е. мы имеем после диода напряжение, которое периодически изменяется от “нуля” до максимального значения и обратно, и при этом мы имеем промежутки времени на которых напряжение равно “нулю”.

Такая схема выпрямителя на одном диоде называется – однополупериодный выпрямитель:

Однополупериодный выпрямитель – простейший выпрямитель, который имеет свои плюсы и минусы.
Плюс:
– экономия на количестве деталей.
Минусы:
– большая величина пульсаций (частота пульсаций равна частоте пульсаций питающего напряжения);
– сильная нагрузка на диод (требуется более мощный диод, по сравнению с другими схемами);
– низкий коэффициент использования мощности трансформатора
Такая схема выпрямителя применяется в маломощных устройствах, которые потребляют несколько десятков миллиампер, в импульсных источниках питания, и абсолютно не годится для устройств, потребляющих большой ток.

Диод для такой схемы следует выбирать из следующих соображений:
– максимальный ток через диод Imax = 3,14*Iср (среднего тока нагрузки);
– максимальное обратное напряжение на диоде Uобр.max = 3,14*Uср
Также следует учитывать, что выпрямленное напряжение на выходе диода приблизительно равно половине входного напряжения.

Кроме однополупериодного выпрямителя существует схема двухполупериодного выпрямителя:

Но эту схему мы рассматривать не будем (хотя она и намного лучше, чем схема однополупериодного выпрямителя) хотя бы только потому, что для нее требуется трансформатор с двумя вторичными обмотками.

В большинстве случаев на практике выбирают двухполупериодный выпрямитель собранный по мостовой схеме:

Соберем и мы такую схему:

Как видим на осциллограмме, частота пульсаций на выходе мостового выпрямителя увеличилась в два раза по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя.
Плюсы данной схемы:
– пульсирующее напряжение на выходе выпрямителя проще сгладить фильтром и получить почти практическое постоянное напряжение;
– увеличивается КПД, что позволяет применять трансформатор меньшей по сравнению с однополупериодной схеме мощностью (почти в 2 раза);
– в каждый полупериод сетевого напряжения работают 2 диода, а значит средний ток проходящий через каждый диод составляет половину среднего тока нагрузки.
Как недостаток нужно отметить сравнительно большое падение напряжения на двух диодах (около 1 вольта), что нужно учитывать при выборе трансформатора.

Сравним работу однополупериодного и двухполупериодного мостового выпрямителей:

Рассмотренные нами схемы имеют относительно большие коэффициенты пульсаций (одна больше, другая – меньше). В тоже время, для питания схем, требуется напряжение имеющее какой-то допустимый уровень пульсаций. В любом случае, как бы мы не старались, но пульсации будут, не возможно получить идеальное постоянное напряжение. Но разные схемы, в зависимости от своего назначения, обеспечивают нормальную свою работу при разных уровнях пульсаций.

Т.е., при конструировании блока питания, мы должны добиться на его выходе такого уровеня пульсаций, который бы обеспечивал нормальную работу нашего устройства.

---

Фильтр

Для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяется фильтр, который может быть емкостным (конденсатор включенный параллельно нагрузке) или индуктивным (дроссель включенный последовательно с нагрузкой), а также их сочетанием. Сегодня мы рассмотрим емкостный фильтр.

Принцип работы емкостного фильтра (как и индуктивного) очень прост. На возрастающем участке полуволны выпрямленного напряжения происходит зарядка конденсатора, а на спадающем участке – разряд конденсатора на нагрузку. Рассмотрим этот процесс на схеме однополупериодного выпрямителя:

Что мы видим. На входе диода переменное напряжение (синяя синусоида), а на выходе уже не полуволны, а, благодаря работе конденсатора (красная осциллограмма) – постоянное пульсирующее напряжение.

Чтобы уменьшить пульсацию, нам достаточно увеличить емкость конденсатора С1:

Как видите, увеличив емкость конденсатора в 10 раз, мы в несколько раз уменьшили величину пульсаций.

---

Из каких соображений выбирается величина емкости сглаживающего конденсатора.
Емкость сглаживающего конденсатора С должна быть примерно в 10 раз больше условия:

1/2*п*f*Rн

где f=50 для однополупериодного выпрямителя, и f=100 для двухполупериодного выпрямителя. Rн – сопротивление нагрузки, которое можно определить из закона Ома.

К примеру:
Напряжение питания нашего устройства 10 вольт, потребляемый ток – 0,5 Ампер.
Выпрямитель собран по двухполупериодной схеме.
Определяем сопротивление нагрузки по закону Ома: R=U/I = 10/0,5 = 20 Ом.
Исходя из вышеприведенного условия получаем:
1/2*п*f*Rн = 1/2*3,14*100*20 ≈ 8*10^-5 = 80 мкФ

Увеличиваем полученное значение в 10 раз – 800 мкФ, и берем ближайший больший номинал конденсатора – 1000 мкФ.

---

Для расчета двухполупериодного выпрямителя по мостовой схеме вы можете воспользоваться специальной программой:
Rectifier 1.0
Программа разработана Антоновым А.В. и позволяет произвести расчет мостового выпрямителя по заданным параметрам. Программа не требует своей установки на компьютер.

Данная программа очень проста. По заданным значениям на выходе выпрямителя, программа рассчитает необходимые данные по трансформатору, выпрямительным диодам и сглаживающему конденсатору.

  Программа для расчета мостового выпрямителя (506.9 KiB, 16,833 hits)

---

В следующей раз мы с вами рассмотрим последний элемент нашего блока питания – стабилизатор напряжения. 

В статье будет дано описание и расчет простого стабилизатора напряжения на стабилитроне, стабилитроне и эмиттерном повторителе на транзисторе, а также различные схемы стабилизаторов с применением специализированных микросхем.

---

---