Занимательная микроэлектроника

Семисегментные индикаторы (рис. 3.13, а) бывают сдвоенными и строенными; кроме них, встречаются шестнадцатисегментные индикаторы, которые позволяют формировать буквы и специальные знаки. Такие индикаторы для удобства управления ими выполняют с общим анодом (тогда на индикатор подается общее питание, а зажигание сегментов производится коммутацией Их к «земле») и с общим катодом (сегменты имеют общую «землю», а зажигание производится подачей тока на каждый сегмент). Почти всегда выпускаются идентичные внешне типы и той и другой конфигурации. Для формирования длинных строк используют матричные индикаторы (рис. 3.13, б), которые нередко встречаются в виде довольно больших дисплеев, содержащих несколько сотен точек.

Рис. 3.13. Светодиодные индикаторы:

_{а — семисегментный; б — дисплей на основе матричного индикатора}

ЖК-дисплеи

Жидкокристаллические (ЖК) индикаторы встречаются обычно в виде готовых ЖК-дисплеев для распространенных применений — например, для часов, магнитол, музыкальных центров, или в виде многоразрядного набора цифр. Есть и матричные ЖК-дисплеи для формирования бегущей строки, многострочные — для текстовых сообщений и т. п., вплоть до полнофункциональных ЖК-матриц, в том числе цветных, тех, что используются в большинстве современных массовых устройств, от мобильных телефонов до широкоэкранных телевизионных панелей.

Все ЖК-дисплеи отличаются практически нулевым потреблением энергии в статическом режиме, энергия уходит только на переключение ЖК-ячейки. Правда, большинство матричных ЖК-дисплеев, предназначенных для демонстрации произвольных изображений (в том числе все цветные), не могут обойтись без подсветки, которая довольно энергоемка (так, в ноутбуках — более половины общего потребления). Но нас здесь интересуют лишь обычные ЖК-дисплеи, применяемые в качестве цифровых или цифробуквенных табло. Устройство ячейки такой простейшей (пассивной) матрицы или индикатора с зеркалом вместо подсветки показано на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Устройство пассивной ЖК-ячейки

Здесь слой жидких кристаллов толщиной несколько микрон находится между двумя стеклянными электродами, причем за счет специальной структуры поверхности стекла молекулы кристалла ориентированы параллельно плоскости этих электродов. Сверху и снизу такого «сэндвича» расположены пластины-поляризаторы, ориентированные перпендикулярно друг другу. Толщина слоя жидких кристаллов рассчитана так, что в исходном состоянии он поворачивает плоскость поляризации световой волны ровно на 90°. В результате в обесточенной ячейке (на рис. 3.14, слева) свет беспрепятственно проходит через весь «пирог», отражается от зеркала (оно сделано матовым, чтобы не отражало окружающих предметов) и возвращается обратно. Подобная матрица в обесточенном состоянии выглядит, как обычная стеклянная пластинка.

Когда вы подаете на электроды напряжение (на рис. 3.14, справа), то электрическое поле ориентирует молекулы жидкого кристалла вдоль его силовых линий, т. е. перпендикулярно плоскости электродов. Жидкий кристалл теряет свои свойства и перестает поворачивать плоскость поляризации света. За счет перпендикулярной ориентации поляризационных пластин весь «пирог» перестает пропускать свет. Образуется черная точка (или сегмент цифрового индикатора — в зависимости от конфигурации электродов).

Подобные монохромные ЖК-дисплеи всем хорошо знакомы, и используются в наручных и настольных часах, в портативных измерительных приборах, в дисплеях калькуляторов, плееров, магнитол, фотокамер. Величина напряжения сверх некоего, очень небольшого, предела (порядка 1–3 В), на «яркость» (точнее, на контрастность) такой ячейки практически не влияет. Поэтому таким способом получаются очень контрастные, выразительные монохромные цифробуквенные индикаторы и небольшие табло, для приличной разборчивости символов на которых достаточно лишь слабой внешней засветки.

Управлять сегментами такого индикатора, кстати, приходится с помощью разнополярного напряжения (это существенное, но не принципиальное Неудобство), потому что однажды «засвеченный» сегмент может оставаться в таком состоянии часами даже после снятия напряжения с электродов, И возвращать в исходное состояние его приходится принудительно, подачей напряжения противоположной полярности.

Пассивные ЖК-матрицы как уже говорилось, отличаются практически нулевым потреблением энергии, но имеют малое быстродействие — система параллельных электродов по сути представляет собой отличней конденсатор, Да еще и заполненный электролитом (жидкими кристаллами) как будто специально для увеличения его емкости. Вместе с неизбежно высоким сопротивлением тончайших прозрачных электродов ячейка образует отличный фильтр низкой частоты. Поэтому время реакции при подаче импульса напряжения — сотня-другая миллисекунд. Для цифровых индикаторов это не имеет никакого значения, но для компьютерных и телевизионных дисплеев с сотнями тысяч и миллионами ячеек это никуда не годится, потому там необходимы активные матрицы, содержащие усилительные тонкопленочные транзисторы (TFT).

Управляют ЖК-дисплеями обычно от специальных микросхем-драйверов, с одной из таких микросхем мы познакомимся в главе 10. Следует отметить, что применение ЖК-индикаторов, на взгляд автора, оправданно лишь в автономных устройствах, где важно низкое потребление. В приборах, питающихся от сети, целесообразнее светодиодные индикаторы — они значительно красивее и эргономичнее. Однако сформировать на светодиодах произвольное изображение (например, даже просто отобразить названия месяцев и дней недели в часах-календаре) гораздо сложнее, чем на ЖК-дисплее, конфигураций которых выпускается значительно больше.

Электромагнитные реле

Конечно, выдающийся американский физик Джозеф Генри, помогая художнику Самюэлю Морзе в постройке телеграфа, и не думал ни о какой электронике, которая потом завоюет мир. Электромагнитное реле он изобрел даже не в рамках науки, которая, как известно, есть способ познания мира и чурается практики, а просто, чтобы «помочь товарищу», который, впрочем, наверняка платил неплохие деньги.

Так это было или иначе — важно, что электромагнитное реле стало одним из самых главных технологических изобретений XIX века. По популярности ему не затмить, конечно, электрического освещения, электрогенератора и электродвигателя, телеграфа, телефона и прочих достижений «века электричества», но факт, что именно этот не очень известный широкой публике приборчик еще недавно был одним из важнейших компонентов любой электрической системы. На нем даже строили компьютеры.

Реле стало первым в истории — задолго до ламп и транзисторов — усилителем электрических сигналов. С помощью реле напрямую не усилить предвыборную речь кандидата в президенты, но если текст закодировать нулями-единицами, как мы это будем делать далее, то реле справится с такой задачей ничуть не хуже любого другого устройства, — именно на этом свойстве было основано его применение в телеграфе Морзе.

Конечно, быстродействие реле, как ключевого элемента, оставляет желать лучшего — даже о килогерцах здесь речь не идет, обычная скорость срабатывания составляет для самых малогабаритных и быстродействующих реле составляет десятки миллисекунд, что соответствует частотам в десятки герц. Но в режиме быстрого переключения реле использовать и не надо, для этого существуют другие электронные компоненты. Реле хороши там, где нужно надежно коммутировать нагрузку с минимальными потерями в контакте. Огромным преимуществом реле является не только полная гальваническая развязка между входом и выходом, но и низкое сопротивление контактов. По этой причине их применяли до самого последнего времени, например, для коммутации в измерительных схемах, где очень важно, чтобы сопротивление измерительных цепей было минимальным и стабильным. Учтите, что указываемые в справочниках параметры контактов (типа «переходное сопротивление не более 1 Ом») обычно сильно завышены, они рассчитаны на наихудший случай.

На рис. 3.15, а изображена схема простейшего электромагнитного реле, а на рис. 3.15, б — его подключение.

Рис. 3.15. Схематичное устройство (а) и рекомендуемая схема включения (б) электромагнитного реле

Любое реле— независимо от конструкции— обязательно содержит три главных компонента: обмотку, якорь и контакты, последних может быть от одной пары до дюжины. Контакты бывают нормальнозамкнутые (тогда при срабатывании реле они размыкаются, см. рис. 3.15), нормальноразомкнутые (при срабатывании замыкаются) и перекидные.

Обмотка реле представляет собой катушку индуктивности (соленоид), около Которой (или в которой) при подаче тока перемещается якорь, выполненный Из ферромагнитного материала. Разумеется, вокруг этой базовой конструкции за много лет были накручены различные «прибамбасы»: так, существуют реле, которые при каждой подаче импульса тока перебрасываются в противоположное положение, реле, контакт в которых может иметь три стабильных положения, т. е. трехпозиционные (замкнуто — нейтраль — замкнуто) и т. п., но мы их не будем рассматривать, потому что большинство функций таких специализированных реле давно выполняют логические микросхемы, и куда успешней.

Подробности

Несколько отличаются по конструкции т. н. герконовые реле, у которых якорем служат сами контакты. Слово «геркон» расшифровывается, как «герметизированный контакт». Герконы выпускаются и отдельно, они представляют собой стеклянную трубочку с двумя или тремя выводами от запаянного в нее контакта (простого или перекидного), защищенного таким образом от влияния внешней среды. Контакт под воздействием внешнего магнитного поля (например, при поднесении постоянного магнита) может замыкаться и размыкаться. Герконы часто служат в качестве датчиков положения. Герконовые реле обычно представляют собой такой геркон, на который намотана обмотка с теми или иными параметрами.

Главным и основным свойством, побуждающим инженера-электротехника и электроника прибегать к обычным реле в век господства транзисторов и микросхем, является полная (более полной и представить себе трудно) гальваническая развязка не только обмотки от коммутируемого напряжения, но, если пар контактов больше одной, то и различных коммутируемых напряжений друг от друга. Коммутация происходит чисто механическим способом, потому коэффициент усиления по мощности у реле ого-го-го какой! Например, обмотка реле РЭС9 потребляет 30 мА при 27 вольтах, что составляет меньше ватта, но может двумя парами контактов коммутировать нагрузки до 1 А при 220 вольтах переменного тока на каждый контакт в отдельности, т. е. в сумме почти полкиловатта! В этом отношении их могут «переплюнуть» только оптоэлектронные реле, о которых речь шла ранее.

Главный недостаток электромагнитных реле в сравнении с полупроводниковыми устройствами — энергетический порог, с которого начинается управление обмотками, весьма велик. Все же токи в 30–50 мА при напряжениях 15–27 вольт, т. е. мощности порядка ватта (это для малогабаритных реле — для реле покрупнее нужна еще большая мощность) — запредельны для современной электроники, и это слишком большая роскошь, если требуется всего только включить нагрузку в виде лампочки. В справочниках приводится либо величина тока через обмотку, либо величина рабочего напряжения, что равнозначно, потому что величина сопротивления обмотки тоже всегда указывается. Обычно одинаковые типы реле имеют разновидности с разными сопротивлениями обмоток (это определяется т. н. «паспортом реле»).

Заметки на полях

Другим недостатком обмоток реле, как нагрузки для полупроводниковых приборов, является то, что они представляют собой индуктивность. Для постоянного тока зто просто сопротивление, но в момент переключения она может доставить немало неприятностей. В момент разрыва или замыкания управляющей цепи на обмотке реле возникает импульс напряжения (по полярности он препятствует направлению изменения тока в обмотке), и если индуктивность обмотки велика, а ее собственное (активное) сопротивление мало, то импульс этот может вывести из строя коммутирующий прибор (например, транзистор). В любом случае это создает сильные помехи остальным элементам схемы по шине питания. Поэтому при стандартном включении реле всегда рекомендуется устанавливать параллельно его обмотке диод (даже если коммутация происходит не от полупроводниковых источников, а от таких же реле) в таком направлении, чтобы в статическом режиме, когда все успокоилось и никто ничего не коммутирует, диод этот тока не пропускал (см. рис. 3.15, б). Тогда выброс напряжения ограничивается на уровне напряжения на открытом диоде, т. е. 0,6 В. Для управления подобными элементами (кроме реле, это, например, обмотки двигателей) в мощные коммутирующие транзисторы, подобные показанным на рис. 3.9, б, часто устанавливают защитные диоды еще в процессе их изготовления. Маломощные реле, управляемые от логических схем, также не требуют установки специальных диодов, роль которых играют защитные диоды микросхем (см. главу 8).

Следует учитывать еще вот какую особенность электромагнитных реле: ток (напряжение) срабатывания у них много превышает ток (напряжение) отпускания. Так, если в характеристиках указано, что номинальное напряжение реле составляет 27 В, то это напряжение, при котором замыкание нормально разомкнутых до этого контактов гарантируется. Но совершенно не обязательно (а иногда и не нужно) выдерживать это напряжение длительное время. Так, 27-вольтовые реле спокойно могут удерживать контакты в замкнутом состоянии вплоть до того момента, пока напряжение на их обмотке не снизится до 5–8 В. Это очень удобное свойство электромагнитных реле — называемое гистерезисом, — которое позволяет избежать дребезга при срабатывании-отключении и даже сэкономить на энергии при работе с ними. Так, на рис. 3.16, а приведена схема управления реле, которое в начальный момент времени подает на него нужное номинальное напряжение для срабатывания, а затем неограниченное время удерживает реле в сработавшем состоянии при пониженной величине тока через обмотку.

На рис. 3.16 также приведены еще две классические схемы. Первая (рис. 3.16, б) называется «схемой самоблокировки» и очень часто применяется в управлении различными мощными устройствами, например, электродвигателями станков. Мощные реле-пускатели для таких двигателей имеют даже специальную отдельную пару маломощных контактов, предназначенную для осуществления самоблокировки. В этих случаях ток через стандартные кнопки «Пуск» и «Стоп» не превышает тока через обмотку пускателя (который составляет несколько десятков или сотен миллиампер), в то время, как мощность разрываемой цепи может составлять многие киловатты, притом цепи трехфазной со всякими дополнительными неприятностями типа огромных индуктивностей обмоток мощных двигателей.

Рис. 3.16. Некоторые схемы включения реле:

_{а — со снижением напряжения удержания; б — схема самоблокировки с кнопками «Пуск» и «Стоп»; в — схема классического электромеханического звонка}

Другая схема (рис. 3.16, в) скорее забавна, и есть дань прошлому, когда никакой электроники не существовало. Это схема простейшего электрического звонка, которая может быть реализована на любом реле. Оно и само по себе при подключении по этой схеме задребезжит (правда, звук может быть самым разным, в зависимости от быстродействия и размеров реле, потому лучше употребить слово «зазуммерит»), но в обычном звонке якорь еще связывают со специальной тягой, которая в процессе работы стучит по металлической чашке, формируя звуковой сигнал. Есть и более простая конструкция электромеханического звонка, когда на обмотку реле просто подают переменное напряжение, от чего якорь вибрирует с его частотой (так устроены, например, звонки старинных телефонов с крутящимся диском), но нас тут интересует именно классическая схема, потому что в ней в чистом виде реализован другой основополагающий принцип электроники, так или иначе присутствующий в любых генераторах колебаний — принцип положительной обратной связи. Якорь в первый момент притягивается, в результате питание размыкается, якорь отпускает— питание замыкается, якорь притягивается и т. д. Частота генерируемых колебаний зависит исключительно от механической инерции деталей реле.

Глава 4

Правильное питание — залог здоровья

Не так-то просто понять, как справиться с вредителями. Сначала их надо изучить, разобраться, как они устроены, чем питаются…

Реклама средств от насекомых

Трансформаторы и фильтрующие конденсаторы зачастую составляют основную часть массы и габаритов многих современных микроэлектронных устройств. Однако реальной альтернативы обычным трансформаторным источникам питания, которые мы здесь будем рассматривать, всего две: либо электрохимические источники тока (батареи и аккумуляторы), либо импульсные источники питания (экзотику вроде солнечных батарей мы учитывать не будем).

Главное преимущество электрохимических источников (см. Приложение 2) — мобильность, в чем им замены нет. Главный недостаток— они не обеспечивают долговременной эксплуатации для подавляющего большинства электронных приборов, за исключением специально спроектированных малопотребляющих (вроде наручных часов) либо включающихся на непродолжительное время (пульты управления бытовой техникой) устройств. А для таких изделий, как плееры, цифровые фотоаппараты, мобильные телефоны И ноутбуки, емкость электрохимических источников явно недостаточна, К тому же общий срок службы их оставляет желать лучшего. Так что масса неудобств, которые приходится испытывать пользователям, есть вынужденная плата за мобильность. И одно из самых серьезных ограничений — отсутствие унификации зарядных устройств, хотя бы для аккумуляторов одного типа. Лично мне приходится таскать с собой в деревню и обратно пять типов зарядных устройств (два для разных мобильников, одно для фотоаппарата, одно для карманного компьютера и одно для шуруповерта), а ведь я далеко не самый «мобильный» из своих знакомых. Правда, положение потихоньку выправляется — по крайней мере для мобильных телефонов и КПК зарядники постепенно унифицируются, хотя и недостаточно быстрыми темпами.

Остальные варианты мобильными не являются, и носят общее название вторичных источников питания, потому что они преобразуют энергию бытовой электросети в нужное напряжение постоянного тока. Главное преимущество импульсных источников — экономичность и значительно лучшие массогабаритные характеристики по сравнению с трансформаторными источниками. Поэтому практически все стационарные современные бытовые приборы снабжаются именно такими источниками — компьютеры, телевизоры, музыкальные центры и т. д. Главный их недостаток— сложность конструкции и вытекающая отсюда относительно высокая стоимость. Как правило, их целесообразно применять для относительно мощных приборов, с энергопотреблением 50—100 Вт и выше. Если вы попробуете создать импульсный источник, рассчитанный на 5—10 Вт, то вы в габаритах, стоимости и надежности скорее всего проиграете, даже с использованием серийно выпускающихся модулей.

Самостоятельно конструировать, изготавливать и настраивать импульсные источники принципиально сложнее обычных. В конце главы я приведу конструкцию небольшого самодельного импульсного преобразователя напряжения, но на практике в 99,9 % случаев всегда можно найти подобный серийно выпускающийся аналог. А так мы в основном ограничимся обычными трансформаторными источниками с аналоговым регулированием. Кстати, импульсные источники тоже в большинстве своем содержат трансформатор, но он не является определяющим элементом.

Упомянем еще об одной альтернативе, которая была весьма модной в радиолюбительских кругах в советские времена — бестрансформаторные источники питания от сети. Вы можете наткнуться на нечто подобное, если перелистаете старые журналы «Радио». В связи с этим следует сказать только одно.

Никогда без крайней нужды не стройте прибора, работающего от сети переменного тока без трансформатора!

Это опасно для жизни — ваша схема будет всегда находиться под высоким напряжением относительно земли (без кавычек — т. е. водопроводных труб, батарей отопления и т. п.). Если ваша схема предназначена для управления мощной сетевой нагрузкой, то это управление следует обязательно осуществлять через гальванически развязывающие элементы — реле, электронные реле, трансформаторы и т. п., в остальных случаях в бестрансформаторных конструкциях нет никакой нужды.

Трансформаторы

Независимо от конкретной конструкции, трансформаторы всегда устроены по одной схеме: на замкнутом каркасе из металлических пластин или ленты Находятся несколько обмоток. Самые распространенные разновидности трансформаторов — с Ш-образным и тороидальным сердечником схематично показаны на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Трансформаторы с Ш-образным и тороидальным сердечником:

_{1 — сердечник; 2 — обмотки; 3 — выводы обмоток}

Если есть возможность, то лучше выбрать тороидальный трансформатор, т. к. у него меньшее магнитное поле рассеяния. В случае чего на него можно домотать недостающие обмотки или добавить витков к имеющимся. При выборе трансформатора следует предпочесть те, Которые залиты компаундом (в старинных конструкциях употреблялся просто парафин). По крайней мере, катушка с обмотками должна прочно, без люфта, держаться на стержне, а сами пластины должны быть обязательно плотно сжаты специальной скобой (естественно, это относится в первую очередь к Ш-образным трансформаторам). Иначе трансформатор неизбежно будет во время работы гудеть.

Одна из обмоток называется первичной — так как мы рассматриваем сетевые трансформаторы, то она всегда рассчитана на сетевое напряжение. Найти ее, если характеристики обмоток неизвестны, не очень сложно— она всегда имеет наибольшее сопротивление из всех, причем для малогабаритных трансформаторов это сопротивление может достигать сотен и даже тысяч ом. Иногда она поделена на две, которые перед включением нужно соединить (конец к началу), может иметь отводы для более точной подгонки напряжений или для обеспечения возможности переключения 220/120 В. Сравнивая сопротивления выводов между собой, можно найти эти отводы. Другой способ определения первичной обмотки — она всегда намотана наиболее тонким проводом (вообще, чем толще провод, тем меньше напряжение на обмотке, как мы увидим далее).

Остальные обмотки — вторичные, их можно соединять между собой в любой комбинации. Каждая обмотка имеет начало и конец. Для суммирования напряжений обмоток надо соединять конец одной обмотки с началом другой. Смысл понятий начала и конца обмоток очевиден: где начинали мотать обмотку, там начало. Если намотать следующую обмотку в том же направлении (а так всегда и поступают), то у нее начало будет там же, где и у первой. Если это фабричный трансформатор и выводы у него пронумерованы, то нечетные выводы принимаются за начала обмоток, а четные — за концы, т. е. при соединении двух обмоток с нумерацией выводов 1–2 и 5–6 для сложения напряжений нужно соединить вывод 2 первой обмотки с выводом 5 второй (или вывод 1 первой с выводом 6 второй), оставшиеся выводы 1–6 (или 5–2) будут, соответственно, началом и концом объединенной обмотки. Для серийно выпускающихся трансформаторов, а также у торгующих ими организаций имеются справочники по типовым разновидностям с указанием характеристик обмоток и нумерации их выводов.

Я надеюсь, что вам никогда не придется самим мотать сетевые трансформаторы, так что приведу только главное соотношение (его можно назвать «законом трансформатора»):

U₁/U₂ = n₁/n₂,

где U₁, U₂ — напряжение первичной и вторичной обмоток, n₁, n₂ — число витков первичной и вторичной обмоток, соответственно.

Как видите, все необычайно просто. Если, скажем, первичная обмотка имеет 220 витков (это должен быть довольно мощный трансформатор, у маломощных число витков может составлять несколько тысяч), а вторичная — 22 витка, то при подключении к сети 220 В на вторичной обмотке будет 22 вольта. Токи находятся в обратном соотношении: если ток такой вторичной обмотки составляет 1 А, то первичная обмотка будет потреблять от сети 100 мА. Если вторичных обмоток несколько, то для определения потребления тока от сети их токи нужно пересчитать на первичную обмотку в отдельности (число витков при этом знать необязательно, достаточно только напряжения), а затем сложить. Можно пойти и другим путем — суммировать мощности, потребляемые вторичными обмотками (которые равны произведениям токов на напряжения), а затем поделить полученную сумму на 220, в результате получим ток в первичной обмотке.

Заметки на полях

Кстати, из этого закона вытекает простой метод определения числа витков в обмотках трансформатора, если это зачем-то нужно: намотайте поверх имеющихся обмоток несколько витков любого провода, включите трансформатор и измерьте напряжение на этой импровизированной обмотке. Поделив число намотанных витков на полученное значение напряжения, вы определите величину числа витков на один вольт, которая едина для всех обмоток, а далее пересчитать полученный результат уже не составляет трудностей.

При определении напряжений вторичных обмоток учтите, что их нужно выбирать с запасом (это относится и к покупным, и к самодельным трансформаторам), поскольку под нагрузкой напряжение «садится», и это «просаживание» тем больше, чем меньше мощность трансформатора. Если вам задано минимально допустимое напряжение 7 В — выбирайте трансформатор с 9—12-вольтовой обмоткой, не ошибетесь. Мощность трансформатора можно подсчитать, если известно сечение его магнитопровода (для Ш-образных трансформаторов это сечение центрального стержня, на котором находится катушка с обмотками, для тороидального— просто поперечное сечение тора), по формуле S = 1,15∙√P, где S — сечение в см2, Р — мощность в Вт.

Простейший нестабилизированный источник питания

Схема простейшего источника питания приведена на рис. 4.2. Именно по такой схеме устроены практически все распространенные ныне блоки питания, встроенные в сетевую вилку. Иногда в них вторичная обмотка имеет несколько отводов, и присутствует ползунковый переключатель, который коммутирует эти отводы, меняя выходное напряжение.

Рис. 4.2. Простейший нестабилизированный однополярный источник питания

Так как эти блоки весьма дешевы, то если вам не требуется большой мощности, спокойно можно покупать такой блок, разбирать его и встраивать в вашу аппаратуру (или Даже не встраивать— хотя, на мой вкус, громоздкие «надолбы» на розетках отнюдь не украшают интерьер, все время хотят вывалиться и к тому же не во всякую розетку влезают). Нужно только обратить внимание на допустимый ток, который указан на корпусе такого блока. Что касается номинального напряжения, то этот вопрос мы сейчас рассмотрим чуть подробнее.

Как работает эта схема? Здесь переменный синусоидальный ток со вторичной обмотки трансформатора (II) подается на конструкцию из четырех диодов, которая называется диодным мостом и представляет собой двухполупериодный выпрямитель (есть и другие способы двухполупериодного выпрямления, но этот самый распространенный). В мосте могут быть использованы любые типы выпрямительных диодов, лишь бы предельно допустимый ток их был не меньше необходимого (для указанных на схеме 1N4001 это 1 А), а предельно допустимое напряжение было не меньше половины амплитудного значения входного переменного напряжения (т. к. в данном случае это всего 7 В, то здесь подходят вообще все выпрямительные диоды). Мало того, такие мосты выпускаются уже в сборе, в одном корпусе, на котором иногда даже нарисовано, куда подключать переменное и откуда снимать постоянное напряжения (типичный пример из отечественных — КЦ407А).

Проследим за работой моста. Предположим, что на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки в данный момент напряжение выше, чем на нижнем. Тогда ток в нагрузку (на рис. 4.2 она обозначена пунктиром) потечет через правый верхний диод моста, а возвратится в обмотку через левый нижний. Полярность на нагрузке, как видим, соблюдается. В следующем полупериоде, когда на верхнем выводе обмотки напряжение ниже, чем на нижнем, ток через нагрузку потечет, наоборот, через левый верхний диод и возвратится через правый нижний. Как видим, полярность опять соблюдается. Отсюда и название такого выпрямителя: двухполупериодный, т. е. он работает во время обоих полупериодов переменного тока. Форма напряжения на выходе такого моста (в отсутствие конденсатора) соответствует пульсирующему напряжению, показанному на рис. 2.5, а Естественно, такое пульсирующее напряжение нас не устраивает, мы хотим иметь настоящее постоянное напряжение без пульсаций, потому в схеме присутствует сглаживающий (фильтрующий) конденсатор, который вместе с выходным активным сопротивлением трансформатора и сопротивлением диодов представляет собой не что иное, как известный нам по главе 2 интегрирующий фильтр низкой частоты. Все высокие частоты отфильтровываются, а на выходе получается «ровное» постоянное напряжение.

К сожалению, такая идиллия имеет место только при отсутствии нагрузки, к чему мы вернемся чуть позже, но сначала попробуем определить, какова величина постоянного напряжения на выходе фильтра.

В отсутствие нагрузки конденсатор с первых же полупериодов после включения питания заряжается до амплитудного значения пульсирующего напряжения, которое равно амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке за вычетом падения напряжения на двух диодах, стоящих на пути тока. Так как в установившемся режиме через эти диоды ток весьма мал (только для подпитки собственных токов утечки конденсатора и диодов), то и падение напряжения на них мало и близко к нулю. Амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке равно 10∙√2 = 14,1 В, так что на холостом ходу напряжение на выходе источника практически равно 14 В. Почему же на схеме написано 12 В?

При подключении нагрузки происходит сразу много всего. Во-первых, снижается напряжение на вторичной обмотке, поскольку трансформатор имеет конечную мощность. Во-вторых, увеличивается падение напряжения на диодах, которое может при максимально допустимом для них токе достигнуть

В на каждом. В-третьих, и в главных, во время «провалов» пульсирующего напряжения нагрузка питается только за счет того, что через нее разряжается конденсатор. Естественно, напряжение на нем при этом каждый раз немного снижается. Поэтому график выходного напряжения при подключенной нагрузке представляет собой уже не ровную постоянную линию, а выглядит примерно так, как показано на рис. 4.3 (причем снижение входного напряжения за счет «просаживания» трансформатора здесь не учитывается).

Рис. 4.3. Вид пульсаций на выходе нестабилизированного источника:

_{1 — исходное пульсирующее напряжение в отсутствие фильтрующего конденсатора; 2 — выходное напряжение при наличии фильтрующего конденсатора и нагрузки}