Сборка надежного низковольтного AC/DC блока питания: Мостовой выпрямитель и емкостной фильтр

Детали и материалы

• Низковольтный источник переменного тока (6 В RMS, вход 120 VAC)
• Мостовый выпрямительный модуль (например, Radio Shack #276-1185 или аналогичный)
• Электролитический конденсатор, 1000 мкФ, ≥25 В DC (Radio Shack #272-1047 или аналогичный)
• Четыре «банановых» разъема или похожая клеммная аппаратура (Radio Shack #274-662 или аналогичный)
• Металлический корпус (желательно коробка, способная служить радиатором)
• Лампа накаливания 12 В, 25 Вт (подходит для тестирования под нагрузкой)
• Патрон для лампы, совместимый с лампой

ПРИМЕЧАНИЯ К ДЕТАЛЯМ И МАТЕРИАЛАМ

Использование коммерческого мостового выпрямительного модуля предпочтительнее сборки из четырех дискретных диодов, потому что модуль рассчитан на установку на радиатор и предлагает надежные, обслуживаемые соединения. Металлический корпус служит эффективным радиатором для выпрямителя, помогая держать температуру полупроводникового перехода в безопасных пределах.

Рабочее напряжение электролитического конденсатора должно быть не менее удвоенного RMS напряжения переменного тока от источника питания, чтобы учесть пиковое напряжение и обеспечить запас безопасности. Для 6 В RMS источника конденсатор на 25 В адекватен; более высокий номинал напряжения допустим, если размер и стоимость приемлемы.

Высоковаттные 12-вольтовые лампы (25 Вт или 50 Вт) легко доступны в магазинах для жилых фургонов и лодок. Они обеспечивают реалистичную тяжелую нагрузку для оценки снижения пульсаций.

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, Chapter 8: Filters

Цели обучения

• Понять, как емкостной фильтр сглаживает выход постоянного тока выпрямителя
• Осознать важность радиатора для силовой полупроводниковой техники

Схема

Иллюстрация

Инструкции

В этом эксперименте вы соберете схему выпрямителя и фильтра, которая преобразует низковольтный выход переменного тока вашего предыдущего модуля блока питания в стабильный источник постоянного тока. Полученный блок питания может заменить аккумулятор в батарейных экспериментах и может быть расширен в самодостаточный блок 120 VAC → DC добавлением трансформатора, шнура и вилки на стороне переменного тока.

СБОРКА ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ

Мостовый выпрямитель должен выдерживать не менее номинального тока вторичной обмотки трансформатора и иметь напряжение не менее 2× RMS вторичного напряжения для учета пикового напряжения и запаса безопасности. Модуль Radio Shack (25 А, 50 В) комфортно соответствует этим требованиям для 6 В AC источника.

Большинство выпрямительных модулей включают быстророзъемные клеммы. Используйте обжатые «quick-disconnect» наконечники на концах проводов для надежного, заменяемого соединения. Избегайте пайки прямо на выводах полупроводников, чтобы предотвратить тепловое повреждение и сохранить легкое обслуживание.

Закрепите выпрямитель внутри металлического корпуса. Площадь поверхности корпуса функционирует как радиатор, рассеивая тепло, генерируемое высоким током.

СБОРКА ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЧАСТИ

Подключите электролитический конденсатор к выходным клеммам постоянного тока выпрямителя, обеспечивая правильную полярность. Конденсатор действует как низкоимпдансный резервуар, сглаживающий волну постоянного тока, снижая напряжение пульсаций. Поскольку электролитические конденсаторы чувствительны к полярности, обратное подключение может вызвать катастрофический отказ — используйте тестовую точку или мультиметр для проверки полярности перед окончательной сборкой.

ТЕСТИРОВАНИЕ СХЕМЫ

После сборки подключите блок выпрямителя/фильтра к низковольтному источнику переменного тока, как показано:

Измерьте выход переменного тока источника питания; он должен быть примерно 6 В RMS. Затем переключите мультиметр в режим DC и измерьте выход выпрямителя. Постоянное напряжение будет близко к пиковому напряжению переменного тока (≈8,5 В), иллюстрируя эффект фильтрации.

Для оценки пульсаций переключите прибор на AC вольты (или AC милливольты). Пульсации будут существенно ниже, чем в нефильтрованном выпрямителе. Для качественной проверки можно «послушать» аудиодетектором: слабый тон указывает на остаточные пульсации.

Далее подключите 25-ваттную лампу к выходу постоянного тока:

Снова измерьте пульсации. Под тяжелой нагрузкой фильтрующий конденсатор разряжается между пиками, поэтому пульсации растут. Это демонстрирует нагрузозависимую природу фильтрации.

СНИЖЕНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ

Если требуются более низкие пульсации под нагрузкой, увеличьте фильтрующую емкость или реализуйте многоступенчатый фильтр, например конденсатор-индуктор-конденсатор (C-L-C) сеть. Например:

Используйте железосердечный дроссель с адекватным номиналом тока; его индуктивность блокирует переменные пульсации, пропуская постоянный ток. Если подходящий дроссель недоступен, вторичная обмотка понижающего трансформатора может служить дросселем — оставив первичную разомкнутой — потому что магнитное ядро трансформатора естественно предоставляет индуктивное сопротивление пульсациям.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для валидации вашего дизайна запустите SPICE симуляцию, используя следующий нетлист:

Fullwave bridge rectifier
v1 1 0 sin(0 8.485 60 0 0)
rload 2 3 10k
c1 2 3 1000u ic=0
d1 3 1 mod1
d2 1 2 mod1
d3 3 0 mod1
d4 0 2 mod1
.model mod1 d
.tran .5m 25m
.plot tran v(1,0) v(2,3)
.end

Изменяйте нагрузочный резистор для изучения поведения пульсаций под разными условиями нагрузки.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ

• Basic AC‑DC Power Supplies Worksheet