Осциллограф-ваш помощник

Исследуем выпрямитель

Выпрямитель — одна из распространенных конструкций в радиолюбительском творчестве, необходимая для питания постоянным током самых разнообразных устройств. От выбора схемы выпрямителя и деталей для него зависят энергетические возможности этого источника питания и способность выдавать «чистое» напряжение, т. е. такое, у которого пульсации переменного тока ничтожны.

Измерить пульсации и выявить пути их снижения обычными измерительными приборами, имевшимися ранее в вашей лаборатории, практически невозможно. Сегодня, когда в вашем распоряжении появился осциллограф, сделать это чрезвычайно просто.

Итак, начинаем собирать выпрямитель. Первая деталь, которой нужно обзавестись, — понижающий трансформатор питания (рис. 10, а). Наиболее подходит для наших целей готовый выходной трансформатор кадровой развертки телевизоров — ТВК-110ЛМ (рис. 10, б). Подобные трансформаторы нередко используются в блоках питания радиолюбительских конструкций. Первичная (высокоомная) обмотка трансформатора выдерживает сетевое напряжение 220 В, на вторичной (низкоомной) при этом получается переменное напряжение около 14 В. Причем к обмотке можно подключать нагрузку, потребляющую ток до 1 А. Правда, напряжение на обмотке будет падать с ростом тока нагрузки.

Сначала подключите к выводам вторичной обмотки входные щупы осциллографа и включите первичную обмотку в сеть. Проводники от выводов первичной обмотки должны быть, конечно, в хорошей изоляции и с вилкой на конце. После подпайки проводников выводы нужно обернуть изоляционной лентой, чтобы исключить возможность поражения электрическим током во время экспериментов.

На осциллографе нажмите кнопку «0,5-50» переключателя 1, кнопка переключателя 2 должна быть отжата. Осциллограф работает в режиме автоматического запуска и с открытым входом (кнопки переключателей 7 и 13 соответственно должны быть отжаты), переключателями 3–6 устанавливают длительность развертки 5 мс/дел.

На экране осциллографа появится изображение синусоидальных колебаний небольшой амплитуды. Нажмите кнопку «0,1-10» переключателя 1 — изображение увеличится и займет около четырех делений шкалы (рис. 10, в). Значит, размах колебаний составит 40 В, хотя измеренное авометром переменное напряжение на вторичной обмотке равно 14 В В чем же дело?

Разгадка проста. На экране вы видите удвоенную амплитуду (положительный и отрицательный полупериоды) синусоидальных колебаний. Действующее значение переменного напряжения, измеряемое авометром, в 2√2 раз меньше. Разделив показания осциллографа на это значение, получите почти 14 В. Аналогично определяйте по изображению на экране осциллографа действующее значение синусоидального напряжения и в дальнейшем.

Подключите ко вторичной обмотке четыре диода (рис. 11, а; — двухполупериодиый выпрямитель, собранный по мостовой схеме, и резистор нагрузки R1, а к резистору подсоедините щупы осциллографа («земляной» щуп — к нижнему по схеме выводу резистора). На экране осциллографа будут только положительные полупериоды синусоидального напряжения, следующие с частотой вдвое большей частоты сетевого напряжения. Иначе говоря, отрицательные полупериоды «перевернулись» и заняли место между положительными (рис. 11, б).

Такое выпрямленное напряжение подавать на транзисторное устройство нельзя — слишком велики его пульсации. Напряжение нужно сгладить. Для этого достаточно подключить параллельно резистору оксидный конденсатор С1.

Для начала возьмите конденсатор, скажем, типа К50-6, емкостью 100 мкФ на номинальное напряжение не менее 25 В. Полупериоды сразу же исчезнут, а на уровне их вершин на экране возникнет слегка изогнутая линия (рис. 11, в). Это пульсации сглаженного напряжения.

Рис. 11

Чтобы лучше рассмотреть их и измерить амплитуду, нажмите кнопку 13 (осциллограф будет работать с закрытым входом) и поочередно нажимайте кнопки переключателей 1 и 2 до получения достаточно большого по вертикали изображения. Так, при нажатии кнопки «0,5-50» переключателя 1 и кнопки переключателя 2 на экране удастся увидеть картину, показанную на рис. 11, г. Она свидетельствует о том, что конденсатор заряжается от каждого полупериода сетевого напряжения и в промежутках между ними успевает немного разрядиться. В итоге на нагрузке действует постоянное напряжение с пульсациями около 1,5 В.

Еще более уменьшить пульсации удастся при подключении к резистору нагрузки конденсатора емкостью 500 мкФ — теперь они составят примерно 0,3 В. А при емкости конденсатора 1000 мкФ пульсации составят 0,12 В (120 мВ). Постоянное напряжение с такими пульсациями уже можно подавать на многие электронные устройства.

Однако измеренные пульсации в данном случае справедливы для тока нагрузки около 18 мА (определяется резистором R1). При увеличении тока нагрузки возрастут и пульсации. В этом вы можете убедиться сами, подключая к выпрямителю резисторы сопротивлением 510 Ом, а затем 300 Ом и измеряя амплитуду пульсаций в каждом случае.

Значительно уменьшить пульсации переменного тока можно, питая нагрузку через параметрический стабилизатор, подключенный к выпрямителю (рис. 12, а).

Для него понадобится стабилитрон VD5 и балластный резистор R1. Причем напряжение на нагрузке (резистор R2) будет определяться только используемым стабилитроном. К примеру, для указанного на схеме стабилитрона Д814Д оно составит 11,5…14 В (таков разброс напряжения стабилизации в зависимости от конкретно установленного экземпляра), для Д814Г — 10…12 В, для Д814В — 9…10,5 В и т. д.

Измерьте теперь амплитуду пульсаций на нагрузке — она составит около 0,02 В при емкости фильтрующего конденсатора 200 мкФ, т. е. значительно меньше даже по сравнению с пульсациями при конденсаторе фильтра 1000 мкФ! Иначе говоря, параметрический стабилизатор позволяет «сэкономить» емкость конденсатора фильтра.

А теперь вообще отключите конденсатор фильтра — на экране осциллографа, подключенного параллельно резистору нагрузки R2 появится изображение полупериодов синусоидального напряжения со срезанными вершинами (рис. 12, б). Это результат «работы» стабилитрона. До определенного напряжения он «выключен», после чего «пробивается» — напряжение на нем остается равным напряжению стабилизации (правда, оно немного изменяется в зависимости от тока через стабилитрон).

Рис. 12

Подключив вновь конденсатор фильтра, установите параллельно резистору нагрузки еще один резистор — сопротивлением 600…800 Ом. Пульсации на выходе стабилизатора резко возрастут и станут равными пульсациям на конденсаторе фильтра. Причина в том, что ток нагрузки возрос и стабилитрон вышел из режима стабилизации, т е. практически перестал действовать.

При указанном на схеме сопротивлении балластного резистора к стабилизатору можно подключить нагрузку, потребляющую ток до 7 мА. Если же сопротивление балластного резистора уменьшить до 130 Ом, ток нагрузки может доходить до 20 мА.

А как быть, если стабильным напряжением нужно питать нагрузку со значительно большим током потребления? В этом случае достаточно подключить к стабилитрону усилитель тока — эмиттерный повторитель на мощном транзисторе VT1 (рис. 13, а). Теперь даже при подключении к выходу получившегося блока питания резистора сопротивлением 100…130 Ом, что эквивалентно нагрузке с током потребления около 1 (X) мА, пульсации возрастут лишь вдвое. Правда, напряжение на нагрузке будет несколько меньше, чем на стабилитроне — из-за падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора (0,5…0,7 В).

При больших токах нагрузки транзистор выбирают с возможно большим коэффициентом передачи тока. Если же в наличии лишь транзистор с малым коэффициентом передачи, добавляют к нему маломощный транзистор (рис. 13, б) — и в итоге получается составной транзистор с большим коэффициентом передачи тока. Правда, в этом случае напряжение на выходе будет уже отличаться от напряжения на стабилитроне на 1…1.4 В. В любом варианте мощный транзистор нужно укрепить на теплоотводящей пластине из дюралюминия, алюминия или меди толщиной 2…3 мм и общей площадью поверхности не менее 15 см² (рис. 13, в).

С собранным блоком питания проведите эксперименты, подключая к выходу нагрузки с различными токами потребления и измеряя амплитуду пульсаций. Одновременно контролируйте амплитуду пульсаций на конденсаторе фильтра.

Результаты измерений позволят еще раз оценить зависимость пульсаций от емкости фильтрующего конденсатора и тока нагрузки.