Выпрямители для питания радиоприемников

---

Рис.1

Выпрямитель служит для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, необходимое для питания радиоприемника.

Непосредственно сетевое напряжение редко подается прямо на выпрямитель, так как значения напряжения в сети 127 или 220 В не подходят для питания различных элементов схемы радиоприемника. Прежде чем сетевое напряжение поступит на выпрямитель, его трансформируют, то есть повышают или понижают в зависимости от того, какой узел приемника предполагают питать. Повышение или понижение сетевого напряжения осуществляется с помощью трансформатора, называемого силовым. Обычно с этого же трансформатора получают и напряжение накала ламп, которое значительно ниже сетевого.

Выпрямительный элемент обладает односторонней проводимостью, то есть может пропускать ток только в одном направлении. Иначе говоря выпрямительный элемент или как его еще называют вентиль, имеет различное сопротивление в прямом и обратном направлении. Если на анод вентиля подать положительное, а на катод отрицательное напряжение, сопротивление вентиля будет мало и ток через него пойдет в нагрузку (рис.2а).

Рис.2

Если изменить полярность приложенного напряжения, сопротивление вентиля резко (в сотни и тысячи раз) возрастет, и ток в нагрузке будет очень мал (рис.2б). Это свойство вентилей, в качестве которых в маломощных выпрямителях применяют вакуумные кенотроны, селеновые шайбы, германиевые или кремниевые диоды, используются для превращения переменного напряжения в постоянное.

На рис.3 показана схема простейшего выпрямителя, а на рис.4 - график изменения напряжения в сети и нагрузке.

Рис.3

Рис.4

Как видно из графика, через нагрузку будут проходить в основном положительные полуволны сетевого напряжения, а отрицательные будут настолько малы, что ими обычно пренебрагают. Через нагрузку пойдет пульсирующий ток, и для того, чтобы сгладить пульсации, после выпрямителя устанавливают сглаживающий фильтр, состоящий обычно из нескольких конденсаторов и дросселя или сопротивления. При наличии сглаживающего фильтра пульсации напряжения на нагрузке резко уменьшаются и напряжение на нагрузке приближается к постоянному.

В рассмотренном случае используются только положительные полуволны переменного напряжения. Однако, если использовать два вентиля и нагрузку включить так, как показано на рис.5, обе полуволны переменного напряжения будут использоваться поочередно.

Рис.5

Напряжение на нагрузке иллюстрируется графиком, изображенным на рис.6.

Рис.6

В первом случае (с одним вентилем) выпрямитель носит название однополупериодного. Во втором - двухполупериодного. Двухполупериодные выпрямители обладают большим к.п.д., сглаживание пульсаций при этой схеме осуществляется значительно проще.

Существует несколько практических схем выпрямителей. Выбор той или иной схемы определяется необходимыми напряжением и током, способом питания от электросети (непосредственно или через трансформатор) и видом вентиля (кенотрон, селеновые шайбы, германиевый или кремниевый диод). В вещательных приемниках в фильтре выпрямителя устанавливается конденсатор большой емкости, поэтому ниже будут рассмотрены схемы выпрямителей, работающих только на емкостную нагрузку.

Схемы выпрямителей

Схема однополуперидного выпрямителя изображена на рис.7. Такие выпрямители используются для питания маломощных приемников и других устройств с малым током потребления.

Рис.7

Схема двухполупериодного выпрямителя изображена на рис.8.

Рис.8

Эта схема нашла наибольшее распостранение в выпрямителях для питания радиоприемников.
Если в двухполупериодной схеме применяют полупроводниковые диоды, выпрямитель удобнее строить по мостовой схеме, изображенной на рис.9.

Рис.9

Выпрямитель, собранный по мостовой схеме, обеспечивает двухполупериодное выпрямление и обладает всеми преимуществами двухполупериодного выпрямителя. Однако конструктивно мостовой выпрямитель значительно проще двухполупериодного, так как трансформатор не имеет вывода от средней точки, а обмотка содержит в два раза меньше витков. Использование полупроводниковых диодов делает такой выпрямитель очень экономичным в связи с тем, что не требуется расхода дополнительной мощности на разогрев катода кенотрона.

В радиолюбительской практике мостовым схемам, собранным на полупроводниковых диодах, следует отдать предпочтение. В некоторых случаях - при бестрансформаторном питании или для получения высоких выпрямленных напряжений порядка 1000 В и более - применяется схема выпрямителя с удвоением или умножением напряжения.

Простейшая схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения изображена на рис.10.

Рис.10

Расчет выпрямителя

Существует несколько способов расчета выпрямителей. В этой статье приводится приближенный расчет, который может быть применим к любой из перечисленных схем. Результаты расчета приемлемы для большинства случаев в радиолюбительской практике.

Расчет выпрямителя следует начать с определения потребляемой мощности. Допустим, что в приемнике установлены четыре радиолампы 6И1П, 6К4П, 6Ж1П и 6П14П.

Полная мощность, потребляемая приемником, подсчитывается как сумма мощностей, необходимых для питания анодно-экранных цепей, цепей накала радиоламп (в том числе и кенотрона), а также лампочек освещения шкалы. Из справочника находим токи и напряжения, необходимые для питания указанных радиоламп. Для типовых режимов значение токов и напряжений даны в табл.1.

Таблица 1

Суммарный ток, потребляемый от выпрямителя анодно-экранными цепями всех ламп, будет равен:

Ia+Ic2 = 7,5+3+11+3,7+7,4+6+10+50+7 = 105,6 mA.

Мощность, потребляемая анодно-экранными цепями приемника, будет равна сумме мощностей, потребляемых каждой лампой. Для упрощения будем считать, что анодные и экранные напряжения равны. Мощность, теряемая на гасящих сопротивлениях в анодно-экранных цепях, для упрощения расчета не учитывается, хотя составляет она примерно 10...20% от общей мощности.

Для 6Ж1П: Ра+Рс2=Ua(Ia+Ic2)=120 x 10,5=1,26 Вт

Для 6К4П: Ра+Рс2=Ua(Ia+Ic2)=250 x 14,7=3,7 Вт

Для 6И1П: Ра+Рс2=Ua(Ia+Ic2)=170 х 23,4=4,0 Вт

Для 6П14П: Ра+Рс2=Ua(Ia+Ic2)=250 х 57=14,25 Вт.
 

Общая мощность, потребляемая анодно-экранными цепями:

Ра+Рс2=1,26+3,7+4,0+14,25=23,21 Вт.

Для расчета силового трансформатора нужно знать полную мощность, потребляемую приемником. Мощность, расходуемая на накал ламп равна:

Рн=Uн(Iн1+Iн2+Iн3+Iн4)=6,3(0,175+0,3+0,3+0,76)=9,8 Вт.

В приемнике используются две лампочки освещения шкалы. Напряжение питания лампочек 6,3 В, ток 0,28 А. Мощность, расходуемая на них равна:

Рл=Uл х Iл=6,3 х 0,28=3,5 Вт.

Общая мощность, которую потребляет приемник от источника питания, равна:

Рп=Ра+Рс2+Рн+Рл=23,21+9,8+3,5=37 Вт.

Часть мощности (2...3 Вт) будет расходоваться в дросселе фильтра и на самом вентиле. Кроме этого, к.п.д. маломощных трансформаторов равен 70...80%, и поэтому полная мощность, потребляемая приемником от сети, будет равна:

Рс=(37+2)/0,7=39/0,7=57 Вт.

Выпрямленное напряжение для питания анодно-экранных цепей не превышает 250 В, ток, потребляемый этими цепями, равен 105,6 мА. В качестве вентиля могут быть использованы германиевые плоскостные диоды типа Д7Ж.

Выпрямленный максимальный ток диодов Д7Ж равен 0,3 А. Амплитуда обратного напряжения при нормальной температуре равна 400 В. В нашем случае по току диоды вполне подходят, а амплитуда обратного напряжения в мостиковой схеме равна амплитуде переменного напряжения (для нашего случая амплитуда обратного напряжения равна 250 х 1,4=350 В).

Схема выпрямителя изображена на рис.11.

Рис.11

Площадь сечения сердечника силового трансформатора из трансформаторной стали определяют, исходя из мощности, потребляемой питаемым устройством, по эмпирической формуле:

Площадь сечения сердечника можно определить также, исходя из графика, помещенного на рис.12.

Рис.12

Зная площадь сечения сердечника можно определить необходимое число витков на вольт N. Для маломощных трансформаторов существует приближенная зависимость:

Sж N = 60; N = 60/Sж = 8 вит/В.

Число витков на 1 В можно определить и по графику изображенному на рис.13.

Рис.13

Число витков каждой обмотки W находят как произведение величины напряжения на этой обмотке в вольтах на число N. Это правило справедливо для всех обмоток. Так, для сетевой обмотки Iа, рассчитанной на включение в сеть 127 В у трансформатора, изображенного на рис.11, требуется:

W1а=127 N=127 x 8=1016 вит.

При включении трансформатора в сеть с напряжением 220 В, можно использовать обмотку 127 В, включив последовательно с ней дополнительную обмотку, рассчитанную на разность (220-127=93 В) напряжений.

W1б = 93 N = 93 x 8 = 744 вит.

Анодное напряжение в приемнике равно 250 В. С учетом потерь напряжения в дросселе фильтра, внутреннем сопротивлении выпрямителя (сопротивление вентиля, обмотки трансформатора и т.д.), напряжение на повышающей обмотке II должно быть порядка 250 В. Число витков в этой обмотке будет равно:

W2=250 x 8=2000 вит.

Обмотка накала ламп (W3) содержит:

W3=6,3 х 8=50,4=51 вит.

Диаметр провода обмоток определяется по допустимой плотности тока в проводе обмоток. Для маломощных трансформаторов при использовании обмоточного провода с обычной эмалевой изоляцией допустимая плотность тока равна 2 А на квадратный миллиметр площади сечения провода. Исходя из этого, диаметр провода для каждой обмотки определяется по формуле:

 

где: d - диаметр провода в мм; I - ток в обмотке в амперах.

Ток в сетевой обмотке рассчитывают, исходя из мощности, потребляемой выпрямителем. Ток в обмотке Ia, при подключении к сети 127 В составит:
 

I 1a=Рс/Uс=56/127=0,44 А.

Ток в обмотке Iб равен:

I 1б=56/220=0,25 А.

Определяем диаметр по меди (без изоляции) провода обмоток. Для сетевой обмотки Ia на 127 В:

Для сетевой обмотки Iб на 220 В:

Для повышающей обмотки II:

Общий ток накала ламп приемника равен сумме токов накала и лампочек освещения шкалы.

Iн=Iн1+Iн2+Iн3+Iн4+Iнл=0,175+0,3+0,3+0,76+0,28+0,28=2,1А.

Диаметр провода обмотки III равен:

Диаметр провода обмоток с изоляцией находят по справочной литературе. Для нашего случая провод с изоляцией будет иметь следующие значения:

d Iа=0,545; d Iб=0,44; d2=0,27; d3=1,33.

Необходимый диаметр провода можно определить из графика, помещенного на рис.14.

Рис.14

Выбор размеров (длины и ширины) сторон Ш-образного сердечника, может быть произведен произвольно, в зависимости от имеющихся образцов и желаемой формы. Удобнее всего собирать сердечник прямоугольной формы с соотношением сторон 5:6. В этом случае ширина средней пластины Ш-образного сердечника равна:

Толщина набора составит:

В справочнике находим ближайший размер стандартных Ш-образных пластин. Сердечник следует набирать из пластин Ш-25.

После выбора сердечника следует проверить уместятся ли обмотки в окне сердечника. Для этого необходимо определить число слоев провода и число витков в каждом слое, а затем с учетом всех прокладок и толщины стенки каркаса подсчитать толщину и высоту всех обмоток. Этот расчет не сложен и не приводится.

Расчет фильтра выпрямителя производится по заданным величинам выпрямленного тока, напряжения, коэффициента пульсаций и емкости конденсатора на входе фильтра С1. Для приемников второго класса коэффициент пульсаций может быть равен р=0,1,что обеспечит однозвенный фильтр, схема которого изображена на рис.7-11.

Емкость конденсатора С1 выбираем равной 20 мкФ на рабочее напряжение 450 В. Для однозвенного фильтра и двухполупериодного выпрямителя произведение:

LC = (2,5 pо)/p,

где L - индуктивность фильтра в Гн; C - емкость конденсатора С2 в мкФ; pо - коэффициент пульсаций на входе фильтра в %. Принимаем р0 = 10%. Тогда:

LC = (2,5 х 10)/0,1 = 250; L = 250/С2 = 250/20 = 12,5 Гн.

По величине индуктивности можно рассчитать конструктивные данные дросселя. Сечение сердечника дросселя:

где L - индуктивность дросселя в Гн; I - выпрямленный ток в мА; l - длина воздушного зазора в мм.

Число витков дросселя Wд:

Диаметр провода dд обмотки дросселя:

Диаметр провода с изоляцией равен 0,27 мм. На этом приближенный расчет выпрямителя можно считать законченным.