Выпрямитель: трансформатор, диодный мост и конденсатор

Схема

Предохранитель FU1 стоит в первичной цепи, трансформатор T1 понижает и изолирует сетевое напряжение. Мост VD1–VD4 можно собрать из отдельных диодов или поставить готовую сборку — у неё два вывода переменного напряжения (~) и выводы + и −. В каждую полуволну ток проходит через два диода: один со стороны плюса, другой со стороны минуса. Конденсатор C1 — электролитический, полярность обязательна.

Расчёт по шагам

Исходные данные: вторичная обмотка 12 В действующего, ток нагрузки 0,5 А, сеть 50 Гц, после фильтра — стабилизатор на 5 В.

1. Амплитуда после моста. $12 \cdot \sqrt{2} = 16{,}97$ В, минус падение на двух диодах. У моста Vishay GBU4 падение до 1,0 В на диод при 4 А (документ 88614), поэтому на конденсаторе около 17 − 2 = 15 В. Напряжение обмотки на холостом ходу и при повышенном сетевом напряжении выше номинального — его берут из даташита трансформатора.
2. Пульсации. Между вершинами конденсатор отдаёт ток нагрузки. Если считать, что он разряжается весь полупериод 1/(2f) = 10 мс, то ΔU ≈ I/(2fC) = 0,5/(2 · 50 · 2200 · 10⁻⁶) = 2,3 В. Это оценка сверху: разряд заканчивается раньше, когда синусоида догоняет напряжение конденсатора, и точный расчёт для этих данных даёт 1,9 В — напряжение колеблется между 15 и 13,1 В.
3. Запас для стабилизатора. Минимум пульсаций 13,1 В должен быть выше выхода стабилизатора плюс его падение напряжения. Для MC7805 с падением 2 В (onsemi MC7800/D) это 7 В — запас большой, и трансформатор можно было бы взять на меньшее напряжение. Чем ниже дно пульсаций, тем меньше мощность и нагрев стабилизатора. Но 13,1 В — расчёт для идеального источника. С сопротивлением обмоток и просадкой трансформатора под нагрузкой дно ниже: по нашей модели с падением 1 В на диод и сопротивлением обмотки 0,3 Ом оно около 12,8 В, при 1 Ом — около 11,8 В (это оценка, а не данные даташита). Поэтому дно пульсаций проверяют по напряжению трансформатора под нагрузкой из его даташита и при минимальном напряжении сети.
4. Импульсы тока через мост. Конденсатор подзаряжается за 1,6 мс перед каждой вершиной, и весь заряд, израсходованный за полупериод, приходит за это время. От идеального источника без сопротивления обмоток импульс достигает 5,5 А — в 11 раз больше тока нагрузки. Сопротивление обмоток и диодов растягивает и уменьшает импульсы, но они остаются в несколько раз больше I.
5. Ток пульсаций конденсатора. Действующее значение переменной составляющей тока C1 в этом примере — около 1,3 А, в 2,5 раза больше тока нагрузки (для идеального источника, с реальной обмоткой меньше). Его сравнивают с допустимым током пульсаций из даташита конденсатора — см. шаг 6.
6. Выбор конденсатора. Nichicon UPW1E222MHD — 2200 мкФ на 25 В, 16×25 мм — допускает 2555 мА при 105 °C и частоте 100 кГц (каталог CAT.8100N). На 100 Гц ток пересчитывают с коэффициентом: для ёмкостей 1200–15000 мкФ это 0,80 при 50 Гц и 0,85 при 120 Гц; с запасом берём 0,80 и получаем 2,04 А — больше 1,3 А. Напряжение 25 В выше 15–17 В с запасом на повышенную сеть. Ресурс серии при 105 °C и номинальном токе пульсаций — 8000 ч для корпусов диаметром от 16 мм; при меньшей температуре и токе он больше, его считает калькулятор срока службы конденсатора.
7. Мост. GBU4 рассчитан на средний ток 3,0 А на плате при 40 °C без радиатора и 4,0 А на радиаторе (Vishay 88614). Обратное напряжение каждого диода моста — амплитуда, 17 В, а у GBU4A, младшего в серии, VRRM 50 В. Грубая оценка мощности — 2 · V_F · I = 2 · 1 · 0,5 = 1 Вт, при тепловом сопротивлении 22 °C/Вт на плате это около 22 °C нагрева. Мост из 1N4001–1N4007 тоже подходит: каждый диод проводит половину времени и средний ток через него 0,25 А при допустимом 1 А (Vishay 88503).
8. Трансформатор. Ток вторичной обмотки — те же импульсы моста в обе стороны, его действующее значение в примере около 1,4 А. Габаритная мощность получается до 12 · 1,4 ≈ 17 ВА при 7,5 Вт постоянного тока на выходе. Сечение провода и сердечник — в расчёте трансформатора.

Графики построены для идеального источника: пунктир — выпрямленное напряжение обмотки, сплошная линия — напряжение на конденсаторе, внизу — ток через мост.

Бросок тока при включении

В момент включения конденсатор разряжен и для моста — почти короткое замыкание. Ток ограничивают только сопротивление обмоток трансформатора, диодов и ESR конденсатора, и первая полуволна может дать ток в десятки ампер. У GBU4 однократный импульс тока (одна полуволна 8,3 мс) — до 150 А, у 1N4001 — до 30 А. С маленьким трансформатором это обычно не проблема: его обмотки сами ограничивают ток. С мощным трансформатором и большой ёмкостью ставят NTC-термистор или резистор с реле — подобрать их помогает калькулятор пускового тока.

Предохранитель

Предохранитель в первичной цепи защищает от замыкания в трансформаторе и после него. При включении через него проходит бросок тока намагничивания трансформатора и заряда конденсатора, поэтому ставят инерционный предохранитель (обозначение T), а номинал выбирают по номинальному току первичной обмотки из даташита трансформатора с запасом. Быстрый предохранитель (F) того же номинала может перегорать при включении. Для защиты от перегрузки по выходу полезен второй предохранитель или самовосстанавливающийся PTC после моста: первичный при замыкании на выходе может не успеть сработать, пока перегревается обмотка.

Детали

Варианты

• Однополупериодный выпрямитель (один диод): конденсатор подзаряжается раз в период, пульсации вдвое больше, ΔU ≈ I/(fC), а ток обмотки содержит постоянную составляющую, подмагничивающую сердечник. Годится только для малых токов.
• Двухполупериодный со средней точкой: два диода и трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки. Падение — на одном диоде вместо двух, что заметно при низком напряжении, но каждая половина обмотки работает только половину времени.
• Двуполярное питание ±U: мост и обмотка со средней точкой, отвод — на общий провод, два конденсатора — к плюсу и минусу.
• Импульсный блок питания вместо трансформатора на 50 Гц легче и экономичнее, но сложнее; сравнение по КПД — в выборе LDO или DC-DC.

Почему не работает

• Стабилизатор после выпрямителя «гудит» и выход пульсирует с частотой 100 Гц. Дно пульсаций опускается ниже выхода стабилизатора плюс его падение: увеличьте ёмкость или напряжение обмотки.
• Конденсатор вздулся или быстро потерял ёмкость. Ток пульсаций больше допустимого или конденсатор стоит у горячего радиатора. Пересчитайте ток пульсаций и ресурс.
• Перегорает предохранитель при включении. Быстрый предохранитель вместо инерционного или слишком большая ёмкость при мощном трансформаторе.
• Трансформатор сильно греется при номинальном токе нагрузки. Его габаритная мощность выбрана по U · I, а импульсный ток моста больше.
• Выходное напряжение на холостом ходу выше расчётного. Так и должно быть: без нагрузки конденсатор заряжается до амплитуды, а напряжение обмотки на холостом ходу выше номинального. Проверьте, что конденсатор и стабилизатор выдерживают это напряжение.
• Мост горячий. Посчитайте мощность по импульсному току и поставьте мост на радиатор — тепловой расчёт в калькуляторе радиатора.