Так что же все-таки получается после выпрямления?

16.03.2016 22:41

Очень много вопросов задают по статье как получить из переменного напряжения постоянное. Напомню, что мы получали постоянное напряжение с помощью типичной схемы, которая используется во всей электронике:

Да, та статья получилась чуток сыровата, но суть преобразования переменного тока в постоянный вроде бы объяснил. Но все равно, очень много вопросов идут в личку именно по этой статье. И тут приходится снова начинать писать по полчаса ответ каждому любопытному читателю. Поэтому я решил для всех вас накарябать статейку и помочь разобраться, что есть что.

 

Ну что же, придется возвращаться к истокам ;-) Вместо транса я возьму ЛАТР, который мне будет выдавать переменный ток:

 

 

Выставляем на ЛАТРе с помощью цифрового осциллографа напряжение амплитудой в 10 Вольт:

Как мы можем увидеть в нижнем левом углу, частота нашего сигнала 50 Герц, то бишь есть частота сети. Длина одного кубика по вертикали равна 2 Вольтам.

 

 

Далее берем 4 кремниевых диода

 

 

И спаиваем из них диодный мост вот по такой схеме:

 

 

Подаем напряжение с ЛАТРа на диодный мост, а с других концов цепляем щуп осцила

 

Тыкаем щупом осцила в эти красные кружочки на схеме. Землю на один кружочек, сигнальный на другой.

 

Смотрим, что получилось на экране

 

Да все дело в том, что сопротивление щупа осциллографа обладает очень высоким входным сопротивлением, или иначе простыми словами: мы подцепили очень-очень высокоомный резистор к выходу диодного моста. Поэтому диодный мост в холостом режиме, то есть в режиме без нагрузки, не функционирует.

 

 

Для того, чтобы проверить диодный мост на работоспособность, нам надо его нагрузить. Это может быть резистор в несколько десятков или сотен Ом, лампочка, либо какая-нибудь электронная безделушка. В моем случае я взял лампочку накаливания на 12 Вольт от поворотника мотоцикла:

 

 

Цепляем ее к диодному мосту

 

 

Тыкаем  щуп  осцила в эти точки и смотрим осциллограмму

Как мы видим, напряжение с ЛАТРа чуть просело. Все зависит, конечно, от подключаемой нагрузки и мощности самого ЛАТРа. Про это я писал еще в статье Работа трансформатора

 

 

Теперь тыкаем щупом в эти точки

Классика жанра!  ;-)  Превращаем отрицательную полуволну в положительную и получаем "горки" с частотой в 100 Герц ;-). Но ваш внимательный глаз ничего не заметил? Хотя если даже мы и выпрямили напряжение с помощью диодного моста, то почему амплитуда каждой полуволны стала еще чуть меньше? Дело все в том, что на P-N переходе диода в прямом смещении падает напряжение в 0,6-0,7 Вольт. Именно поэтому оно и вычитается с амплитуды напряжения, которое надо выпрямить.

 

 

Давайте теперь к диодному мосту запаяем конденсатор емкостью в 5000 мкФ и не будем цеплять никакую нагрузку

 

Тыкаем щупом сюда

Получили вот такую осциллограмму постоянного тока. Она в 1,41 раз больше, чем действующее (среднеквадратичное) значение сигнала с ЛАТРа (о действующем напряжении чуть ниже)

 

 

А теперь цепляем лампочку

 

 

Осциллограмма кардинально изменилась.

Как мы видим, напряжение просело и у нас получилась осциллограмма постоянного напряжения с небольшими пульсациями. Вот эти маленькие "холмики" и есть пульсации, в отличите от "гор" сразу после диодного моста с лампочкой-нагрузкой. Физический смысл здесь такой: конденсатор не успевает разряжаться на нагрузке, как снова приходит новая "горка" и снова заряжает конденсатор.

 

Правило диодного выпрямителя с конденсатором очень простое: чем больше емкость конденсатора и чем больше  сопротивление нагрузки, тем меньше по амплитуде будут пульсации, и наоборот.

 

Но почему у нас просело напряжение? Ведь было уже 10 Вольт постоянки на кондере без нагрузки?


 

А как цепанули лампочку стало намного меньше...

В чем же проблема? А проблема именно в законе сохранения энергии...

 

 

Итак, давайте еще раз вспомним: что такое среднеквадратичное значение напряжения?

Допустим у нас есть лампочка накаливания. Я ее подцепил к источнику постоянного тока и она у меня загорелась с какой-то яркостью. Потом я цепляю эту лампу к источнику переменного тока и добиваюсь такого же свечения лампы. Форма сигнала постоянного и переменного напряжения разные, а мощность, выдаваемая в нагрузку, в данном случае лампочку, одинаковая. Можно сказать, что среднеквадратичное значение переменного тока равняется значению постоянного тока.

 

 

То есть если у нас лампочка на 12 Вольт, я могу подать на нее 12 Вольт с блока питания или 12 Вольт с ЛАТРа. Лампочка будет светить с такой же яркостью. Мультиметр в режиме измерения  переменного тока показывает именно среднеквадратичное значение напряжения.

 

 

Итак, чему же равняется среднеквадратичное значение вот этого сигнала?

 

 

А давайте замеряем. Для этого я беру мой любимый прибор токоизмерительные клещи, в который встроен целый мультиметр с True RMS и начинаю замерять среднеквадратичное значение

Мультик показал 7,18 Вольт. Это и есть среднеквадратичное значение этого сигнала.

 

Для синусоидальных сигналов оно легко вычисляется по формуле:

где

Umax - максимальная амплитуда

UД - действующее (среднеквадратичное) значение напряжения.

Если считать по формуле, то получим 10/√2=7,07 Вольт. Сходится с небольшой погрешностью.

 

Как мы подцепили нагрузку, у нас сразу просела амплитуда напряжения с ЛАТРа, а следовательно, и среднеквадратичное значение напряжения

 

6, 68 Вольт.  Хотя по формуле получается 9/1,41=6,38. Спишем на погрешности измерения).

 

 

Но чему же равняется среднеквадратичное значение напряжения после диодного моста с включенной нагрузкой-лампочкой?

 

 

Здесь даже мои клещи-мультиметр выдают неверные показания среднеквадратичного значения пульсирующего выпрямленного сигнала. Они могут измерять среднеквадратичное значение только двухполярных сигналов, типа таких:

 

или таких

 


Для определения среднеквадратичного значения такого сигнала:

нам понадобится формула и табличка.

 

Вот формула:

 

где Ka - это коэффициент амплитуды

Umax  - максимальная амплитуда сигнала

U - действующее (среднеквадратичное) значение сигнала

 

 

А вот и табличка:

Теперь ищем по табличке наш пульсирующий сигнал с выпрямителя. Как мы видим, его коэффициент амплитуды равен 1,41 или, если быть точнее, √2.

 

Вычисляем по формуле и получаем:

 

 

После того, как мы поставили конденсатор, у нас почти получилась осциллограмма постоянного тока с значением в 6 Вольт, если пренебречь небольшими пульсациями. Можно даже сказать, что это значение постоянного тока будет равняться среднеквадратичному значению переменного тока номиналом в 6 Вольт.

Если бы мы еще больше сгладили сигнал, то думаю, получили бы где-то 6-6,1 Вольт, так как с ЛАТРа выходило 6,68 Вольт. 0,6-0,7 Вольт мы потеряли на диодах.

Так что плюсы конденсатора не только то, что он минимизирует пульсации, но и добавляет среднеквадратичное значение напряжения. Действительно, лампочка без конденсатора горела хуже, чем с ним.

 

Итак, какие выводы делаем из всего вышесказанного и показанного? Среднеквадратичное значение напряжения на выходе диодного выпрямителя с конденсатором чуточку меньше, чем до диодного моста.  По 0,6-0,7 Вольт падает на диодах. Если бы мы поставили диоды Шоттки, то выиграли бы 0,3-0,4 Вольта, так как падения на Шоттках 0,2-0,3 Вольта. Так что, схема двухполупериодного выпрямителя очень даже ничего с энергетической точки зрения, поэтому-то она  и является базовой схемой в электронике.

 

Читайте также:

Среднеквадратичное значение напряжения

 

Параметры переменного напряжения

 

Как получить из переменного напряжения постоянное