4.3. Выпрямители
Из курса физики Вам известно, что выпрямитель представляет собой прибор, преобразующий переменный по величине и направлению ток в ток одного направления. Выпрямители относятся к вторичным источникам электропитания.
Простейший выпрямитель переменного тока состоит из трансформатора и полупроводникового диода (рис. 4.11 а). Для простоты будем считать трансформатор и диод идеальными, то есть у трансформатора активное сопротивление обмоток равно нулю, прямое сопротивление диода также равно нулю, а обратное сопротивление диода равно бесконечности (обратным током можно пренебречь).
На вход выпрямителя со
вторичной обмотки трансформатора подается синусоидальное напряжение (рис.
4.11 б). В первый полупериод, когда на верхней (по схеме) точке обмотки
положительный потенциал относительно нижней точки, диод открыт и через
нагрузочный резистор протекает ток. Во второй полупериод (полярность напряжения
указана в скобках) диод закрыт и ток в резисторе отсутствует. Таким образом,
выходное напряжение (оно снимается с нагрузочного резистора) имеет форму
половинок синусоиды (рис. 4.11в). Оно называется пульсирующим.
Рассмотренный выпрямитель называется однополупериодным, поскольку в нем используются только половины каждого из периодов сетевого напряжения. Схема однополупериодного выпрямителя в практике применяется очень редко, поскольку получается большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (по сравнению с двухполупериодным выпрямителем при одинаковых сопротивлениях нагрузки).
В практике применяются двухполупериодные выпрямители. Они бывают мостовыми и с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора. В двухполупериодных выпрямителях используются оба полупериода напряжения сети, поэтому они являются более эффективными, чем однополупериодные.
Рассмотрим работу двухполупериодного выпрямителя
с двумя диодами и выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора
(рис. 4.12а). Его можно рассматривать как совокупность двух
однополупериодных выпрямителей, к которым подсоединен один и тот же резистор
нагрузки.
Пусть в первый полупериод на верхней (по схеме) точке обмотки трансформатора оказался положительный потенциал относительно нижней точки и, соответственно, относительно средней точки. Тогда ток будет протекать от верхней точки обмотки через диод VD1 к выводу “+”, через резистор нагрузки к выводу “-” и средней точке обмотки. Во второй полупериод на нижней (по схеме) точке обмотки окажется положительный потенциал относительно средней и верхней точки. Ток в этом случае будет протекать от нижней точки обмотки через диод VD2 к выводу “+”, через резистор нагрузки к выводу “-” и средней точке вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, ток через резистор все время протекает в одном направлении и на выходе получается форма напряжения, изображенная на рисунке 4.12 в.
Недостатком рассмотренного выпрямителя является то, что в каждый из полупериодов напряжение снимается только с половины вторичной обмотки трансформатора. Более экономичным является двухполупериодный выпрямитель, собранный на четырех диодах (рис. 4.13 а). Эта схема называется мостовой, поскольку в ней применен диодный мост. К одной из диагоналей моста присоединяют вторичную обмотку трансформатора, а к другой - нагрузочный резистор. Иногда на схемах диодный мост изображают с помощью одного диода (рис. 4.13 б).
В положительный полупериод сетевого напряжения (сверху по схеме на обмотке “+”, снизу “-”) ток протекает от верхней точки обмотки через диод VD2 к клемме “+”, через резистор нагрузки к клемме “-”, через диод VD4 к
нижней точке обмотки. В отрицательный полупериод сетевого напряжения (полярность показана в скобках) ток протекает от нижней точки обмотки через диод VD3 к клемме “+”, через резистор нагрузки к клемме “-”, через диод VD1 к верхней точке обмотки. Таким образом, каждая пара диодов работает поочередно и оба полупериода ток через резистор нагрузки имеет одно и то же направление.
Для питания операционных усилителей необходимо
иметь два источника питания разной полярности, имеющих общую точку. На рисунке
4.13в показана схема выпрямителя, обеспечивающего двухполупериодное
выпрямление каждого из напряжений на резисторах
RН1,
RН2
Выпрямленное напряжение, получаемое на выходе всех рассмотренных типов выпрямителей, является пульсирующим; в нем можно выделить постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения - это среднее значение напряжения за период. Коэффициент пульсаций - это отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения к постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Для нормальной работы большинства электронных устройств необходимо, чтобы пульсации напряжения были как можно меньше. Поэтому на выходе выпрямителей достаточно часто устанавливают сглаживающие фильтры, уменьшающие пульсации выпрямленного напряжения.
Основным
и элементами фильтров служат
конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы, сопротивления которых
различны для постоянного и переменного токов. В зависимости от используемых
элементов различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры.
Простейшим емкостным фильтром служит конденсатор, включаемый параллельно резистору нагрузки. Рассмотрим, как изменится выходное напряжение при использовании такого фильтра в однополупериодном выпрямителе (рис. 4.14а). В интервал времени Dt положительного полупериода сетевого напряжения конденсатор через открытый диод заряжается в полярности, указанной на схеме. Когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора становится меньше напряжения, до которого зарядился конденсатор, он начинает разряжаться через нагрузочный резистор. Причем направление разрядного тока совпадает с направлением тока, протекающего в резисторе через открытый диод. В следующий положительный полупериод конденсатор через открытый диод снова заряжается и процессы разрядки повторяются. Тем самым заполняются паузы в токе, протекающем через резистор, и пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются (рис. 4.14 в).
В выпрямителях применяются
емкостно - индуктивные, емкостно - резистивные и электронные фильтры. Простейшие
варианты схем таких фильтров приведены на рисунках 4.15 а, б, в
соответственно. Емкостно-резистивные фильтры в настоящее время применяются очень
редко и при очень небольших токах нагрузки. Для фильтрации выпрямленного
напряжения достаточно часто используются электронные фильтры. В качестве примера
на рисунке 4.16 приведена схема электронного фильтра, примененного в
экономичном импульсном стабилизаторе н
апряжения [42]. Ток базы транзистора
VT2
протекает по цепи: плюс источника, резистор
R2,
переход баз-эмиттер транзистора, резистор нагрузки, минус источника. Ток базы
транзистора
VT1
протекает по цепи: плюс источника питания, переход эмиттер-база транзистора
VT1,
выводы коллектор-эмиттер транзистора
VT2,
резистор нагрузки, минус источника питания. Напряжение на конденсаторе С2
изменяется в основном за счет изменения силы тока базы транзистора
VT2,
а ток базы этого транзистора существенно меньше тока нагрузки (транзисторы
должны иметь большой коэффициент усиления по току).
Для получения высоких напряжений обычно
используют схемы умножения напряжения. На рисунке 4.17а приведена схема
умножителя напряжения. Ум
ножители напряжения позволяют получить большое значение
выпрямленного напряжения при не очень больших обратных напряжениях, приложенных
к диодам. Выпрямители по схеме умножения напряжения используют для питания
электронно-лучевых трубок осциллографов и телевизоров.
Если в распоряжении пользователя нет полупроводниковых диодов с необходимым обратным напряжением, то диоды можно включать последовательно для повышения допустимого обратного напряжения. Чтобы диоды не вышли из строя из-за разброса их обратных сопротивлений параллельно каждому диоду подключают резисторы сопротивлением 30-100 кОм (рис. 4.17 б). Сопротивление резисторов должно быть одинаковым и меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов. Тогда к каждому из диодов будут приложены примерно одинаковые обратные напряжения.
Если нужно
получить прямой ток, больший
предельного тока одного диода, используют параллельное соединение диодов (рис.
4.17в). Чтобы диоды не вышли из строя из-за разброса прямых токов (даже у
однотипных диодов разброс может составлять десятки процентов) последовательно с
диодами включают уравнительные резисторы сопротивлением десятые доли ома или
единицы ом. Сопротивления резисторов подбирают экспериментально, чтобы токи
через диоды были одинаковыми.
