2. Выпрямители

В аппаратуре, использующей однофазную сеть, применяются однофазные выпрямители. Все типы выпрями­телей делятся на неуправляемые и управляемые (регулируемые). Неуправляе­мые выпрямители выполняются на диодах, а управляемые — на тиристорах. По форме выпрямленного напряжения выпрямители делятся на однополупериодные (однотактные) и двухполупериодные (двухтактные). На выходе выпрямителей источников вторичного электропитания устанавливаются сглаживающие фильтры. Часто они органически вписываются в структуру выпрямителя.

Рассмотрим принцип действия простейшего маломощного однофазного однополупериодного выпрямителя на выпрямительном диоде VD (нелинейный элемент) и RС - фильтре, включенных последовательно (рис.1.2, б).

На вход выпрямителя подается переменное напряжение с частотой сети с вторичной обмотки сетевого трансформатора. За счет нелинейной вольт- амперной характеристики диода (за счет вентильных свойств выпрямительного диода) в его цепи протекает импульсный ток косинусоидальной формы (рис.1.2, а). При положительной полуволне напряжения на входе выпрямителя конденсатор С фильтра быстро заряжается практически до амплитудного значения напряжения через малое внутреннее сопротивление открытого диода VD. При отрицательной полуволне входного напряжения диод закрыт, и конденсатор медленно разряжается через сопротивление нагрузки R_Н. При этом на нагрузке действует практически постоянное напряжение с небольшими пульсациями.

Этот процесс с точки зрения спектрального анализа можно объяснить так. Спектр тока в цепи диода состоит из постоянной составляющей, первой (основной) гармоники, имеющей частоту сети, и высших гармоник, имеющих кратные частоты. Параметры фильтра выбираются таким образом, чтобы для первой гармоника (следовательно, и для всех высших гармоник) сопротивление фильтра было минимальным. При этом все гармонические составляющие, включая первую, замыкаются через конденсатор (отфильтровываются), а постоянная составляющая выделяется на нагрузочном сопротивлении.

Уровень пульсаций у источников вторичного питания оценивают коэффициентом пульсаций К_П. Коэффициент пульсаций К_П характеризует качество выпрямленного напряжения и определяется как отношение амплитуды первой (самой большой) гармоники выпрямленного напряжения U_П1 (пульсаций) к постоянной составляющей выпрямленного напряжения

.

Однополупериодные выпрямители имеют малый выпрямленный ток, сильные пульсации (изменения амплитуды) выходного напряжения и поэтому используются редко.

Широкое применение в маломощных источниках питания находят две схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей — с нулевым выводом и мостовая (далее слово однофазный будет опущено, так как речь пойдет только об однофазных устройствах).

Выпрямитель с нулевым выводом (рис. 1.3) можно упрощенно рассматривать как схемное сочетание двух однофазных однополупериодных выпрямителей, питаемых противофазными напряжениями и работающих на общую нагрузку. Элементами выпрямителя являются диоды VD1, VD2, включенные в цепи двух симметричных вторичных полуобмоток сетевого трансформатора Т, имеющих нулевой (общий) вывод. Параллельно нагрузке R_н включается конденсатор фильтра.

Во время действия положительного полупериода напряжения (полярность напряжения на вторичных обмотках показана на рис.1.3 знаками) диод VD1 открыт («+» е₁ действует на анод диода, а «-» через сопротивление нагрузки на катод диода) и через него протекает ток косинусоидальной формы, создавая падение напряжения на нагрузке (рис. 1.3,б). Диод VD2 в это время закрыт («-» е₂ действует на аноде, а «+» е₁ через открытый диод VD1 на катоде), причем закрывающее напряжение равно сумме мгновенных значений напряжений е₁ и е₂, а его максимальное значение – сумме их амплитуд.

,

где - действующее значение напряжения на одной из обмоток (измеряется прибором, меньше амплитудного значения в раз).

Во второй полупериод напряжения открыт диод VD2, а диод VD1 закрыт.

В результате по нагрузке протекает постоянный ток, представляющий собой сомкнутую последовательность импульсов косинусоидальной формы.

Среднее значение выпрямленного напряжения U_Н легко находится как постоянная составляющая спектра периодической последовательности косинусоидальных импульсов с периодом

.

Расчеты показывают, что коэффициент пульсаций выпрямителя с нулевым выводом равен 0.67 (67%).

Однофазный мостовой выпрямитель (рис.1.4) содержит четыре диода VD1...VD4, соединенных по схеме моста. В одну диагональ моста через трансформатор Т (или непосредственно) включено сетевое напряжение, а в другую — нагрузка.

Диоды в схеме проводят ток парами поочередно. В первом полупериоде (интервал 0 — ), когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет положительную полярность, от­крыты диоды VD2,VD4, и через нагрузку протекает импульсный ток косинусоидальной формы. Диоды VD1,VD3 при этом закрыты, поскольку напряжение на их катодах положительно. В следующий полупериод напряжение становится отрицательным, и ток проводят диоды VD1,VD3. Диоды VD2,VD4 при этом закрыты. Таким образом, выпрямленный ток протекает всегда через нагрузку в одном направлении.

Мостовой выпрямитель и выпрямитель с нулевым выводом с точки зрения принципа работы полностью идентичны.

Их сравнительный анализ показывает, что мостовая схема имеет два важных преимущества: 1) в два раза меньше обратное (запирающее) напряжение на диодах; 2) более простой (с одной вторичной обмоткой) трансформатор; такой выпрямитель можно непосредственно включать в сеть.

С другой стороны, поскольку в мостовой схеме диоды проводят ток попарно, то и потери в этой схеме будут больше.

В отдельных радиотехнических устройствах применяют специальные схемы выпрямителей.

Мостовой выпрямитель с двумя симметричными (разнополярными) напряжениями (рис. 5,а) широко применяют в современных радиотехнических устройствах, в частности, для питания схем на операционных усилителях (ОУ), требующих биполярного (двухполярного) питания. Данный выпрямитель можно рассматривать как устрой­ство, содержащее две параллельно соединенные схемы с нулевым выводом. Одна выпрямительная схема состоит из полной вторичной обмотки транс­форматора T и пары диодов; другая — из той же обмотки и диодов VD3, VD4. Равные по величине, разнополярные выпрямленные напряжения U_Н1 и U_Н2 на выходах схем вместе составляют суммарное постоянное напряжение такого выпрямителя.

Однофазный выпрямитель с умножением напряжения (схема Латура) — специфическая разновидность схем выпрямления с емкостным фильтром (рис.1.5, б), работающих исключительно на высокоомную нагрузку. Подобные выпрямители позволяют получать на нагрузке суммарные напряжения нескольких простей­ших выпрямителей (до нескольких киловольт).

Принцип работы выпрямителя с удвоением состоит в следующем. При действии отрицательной полуволны входного напряжения конденсатор С1 заряжается через малое сопротивление открытого диода VD1 почти до амплитудного значения, диод VD2 в указанный полупериод входного напряжения закрыт. При действии положительной полуволны входного напряжения конденсатор С1 разряжается через малое сопротивление открытого диода VD2 и нагрузку, при этом напряжение конденсатора суммируется с положительной полуволной входного напряжения (два источника напряжения включены последовательно).

Такие устрой­ства применяют, например, для питания кинескопов телевизионных приемни­ков.