3.2 Однополупериодный выпрямитель.

Выпрямление основано на односторонней проводимости (вентильных свойствах) полупроводниковых диодов {глава 1.3}. Схема однополупериодного (однотактного) выпрямителя и диаграммы выпрямленного напряжения Uн и тока Iн приведенs на рис.3-2. Силовой трансформатор Тр необходим для получения напряжения требуемой величины, а в радиоэлектронике и для разделения цепей нагрузки Rн и сети переменного тока. Диод D (рис.2-34а) проводит ток в тот полупериод переменного напряжения, когда потенциал Uб > Ua. Ток протекает по цепи В - Rн - D – A. Во время второго полупериода переменного напряжения Ua > Ub диод закрыти тока в цепи практически нет. Пульсирующий ток Iн создает на нагрузке пульсирующее напряжение Uн той же формы (рис.3-2б).

Рис.3-2 Однополупериодный выпрямитель

3.3 Двухполупериодный выпрямитель

Он изображен на рис.3-3а, позволяет получить в нагрузке ток, протекающий в течение обоих полупериодов переменного напряжения. Достигается это применением двух вторичных обмоток АВ и ВС и двух диодов. Пусть в первый полупериод Ua > Ub > Uс .Тогда ток протекает по цепи А – D1 - Rн - В, как и в случае однополуприодного выпрямления. Во время второго полупериода Ua < Ub < Uс и ток протекает по цепи С - D2 – Rн - В. Направление тока через нагрузку остается неизменным. Форма выпрямленного тока и напряжения (временная диаграмма) в этом случае показана на рис.3-3в.

Рис.3-3 Двухполупериодные выпрямители

Частота пульсаций равна удвоенной частоте переменного напряжения. Вторичная обмотка трансформатора выпрямителя рис3-3а имеет вдвое больше витков, чем у трансформатора рис3-2а. Это увеличивает габариты и стоимость блока выпрямителя. Такого недостатка нет у мостового двухполупериодного выпрямителя (рис.3-3б). Когда потенциал Ua > Uб , ток протекает по цепи А-D1-Rн-D3-В. Во время второго полупериода Uб > Ua и путь тока В-D4-Rн-D2-A. Направление тока через Rн остается неизменным и, таким образом, осуществляется двухполупериодное выпрямление. Временные диаграммы выпрямителя рис.3-3в такие же, как и выпрямители рис.3-За.

3.4 Фильтры

В качестве простейшего фильтра используется конденсатор С достаточно большой емкости, подключенный параллельно нагрузке. Заменив трансформатор вместе с вентилями (например, в схеме рис.2а) эквивалентным генератором с напряжением Uв и внутренним сопротивлением rx , получим схему замещения выпрямителя (рис3-4а). В ней rx определяется суммарным сопротивлением вентилей и обмоток трансформатора, Uв - величина выпрямленного напряжения в режиме холостого хода (Rн=оо). Из законов Кирхгофа следует, что напряжение на нагрузке (клеммы cd ) будет равно:

Рис 3-4 Схема замещения выпрямителя

Uн = Uв-(Iс+ Iн)rx, ( 1 )

где Iс - ток зарядки конденсатора, Iн - ток нагрузки.

НА рис 3-4 приведены также осциллограммы для однополупериодного (верхняя) и для двухполупериодного (нижняя) выпрямителей В течение времени t1-t2 , когда величина U2 возрастает, конденсатор Со заряжается током Iс, а в интервале t2-t3 он частично разряжается через Rн, так как при этом диоды блока вентилей закрыты и не позволяют ему разряжаться через обмотку трансформатора. Такой фильтр зна­чительно уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Качество сглаживания характеризуется коэффициентом пульсаций р, выраженным в процентах

p = ( Um / Uo) *100% ,

где Um - амплитуда первой гармоники,

Uo - постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Емкостный фильтр уменьшает пульсации до 5-15 % по сравнению с 157% и 66,7% соответственно для однополупериодиого и двухполупериодного выпрямителей без фильтра. Величина коэффициента пульсаций с емкостным фильтром определяется по формулам

р = 600 Iо / UoCo - для одноподупериодного выпрямителя и

р = 300 Io / UoCo - для двухполупериодного.

Здесь Сo - в мкФ, Io - в мA, Uo- в В.

Для питания электронной аппаратуры допускается р=0,05–1% и менее, поэтому применяются более сложные фильтры.

Величина пульсаций существенно уменьшается также блоком стабилизации Ст.(рис 3-1).

Расчетные формулы для выпрямителей

Рис.3-5 Однополупериодный выпрямитель

1) Расчет диода: Iмакс=7I0 ,Uобр=3U0

2) Расчет трансформатора: U2=0,75U0 + I0(Ri+Rтр)/265

Ri – внутреннее сопротивление диода RiGe=500/I0(мА), RiSi=100/I0(мА).

Rтр – сопротивление внутренних обмоток трансформатора Rтр=500U0/(I0(U0I0)1/4), Ток вторичной обмотки: I2=2I0+12U0/(Ri+Rтр)

3) Расчет конденсатора: UC0=1,2U0 р0=600I0/U0C0; C0=600I0/U0р0.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

1) Выбор диода: Uобр=3U0, Iмакс=3,5I0

2) Выбор трансформатора: U2=0,75U0+I0(Ri+Rтр)/530

Rтр=1000/I0(U0I0)1/4 I2=I0+12U0/(Ri+Rтр)

3) Расчет конденсатора: С0=300I0/U0P0 (%); UC0=1,2U0

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

1) Uобр=1,5U0, Iмакс=3,5I0

2) U2=0,75U0+I0(2Ri+Rтр)/530; Rтр=830/I0(U0I0)1/4; I2=21/2 I0+16,6U0/(2Ri+Rтр)

3) С0=300I0/U0р0 (%); UC0=1,2U0

Расчет для Г-образного фильтра:

a) LC – фильтр

Рис.3-6 Г-образный LC фильтр

Для однополупериодного Для двухполупериодного выпрямителя

LC=10р0/р LC=2,5р0/р

b) RC – фильтр

Рис.3-7 Г-образный RC фильтр

Элементы фильтра определяются из выражений:

Для однополупериодного для двухполупериодного выпрямителя

RC=3000р0/р RC=1500р0/р

4 Стабилизаторы

4.1 Параметрические стабилизаторы

Напряжение на выходе выпрямителя нестабильно. Например, с увеличением потребляемого тока Iн в большей степени разряжается конденсатор фильтра С в в интервале времени t2-t3(рис. 3-4), поэтому для его подзарядки в течение времени t1-t2 требуется больший зарядный ток Iс. Но тогда из уравнения (1) видно, что потеря напряжения на сопротивлении rz возрастет и Uн уменьшится. На графике рис.3-8 приведены внешние характеристики выпрямителя без фильтра - Iс = 0 и с емкостным фильтром - Iс > 0. Характеристики построены на основании уравнения (1) с учетом того, что вентили обладают сопротивлением, нелинейно зависящим от протекающего тока.

Рис.3-8 Нагрузочные характеристики выпрямителя

Чтобы величина Uн практически не менялась с ростом тока Iн, в выпрямитель вводят стабилизатор напряжения.

При малых токах нагрузки и невысоких требованиях к стабильности к Uст применяются простейшие параметрические стабилизаторы на кремниевом стабилитроне {глава 1.4} (рис.3-9а). Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона (рис3-9б) имеет участок mn, на котором при изменениях тока от Imin до Imax напряжение остается практически постоянным.

Рис.3-9 Простейший стабилизатор и его нагрузочная характеристика. Чтобы ток через стабилитрон не превысил Imах, включается резистор Rб. При изменении тока нагрузки или напряжения Uф=Uб+Uст изменяется, только Uб, а Uст = Uн остается постоянным.

При необходимости увеличить Uст стабилитроны соединяют последовательно. Стабилизатор рис.3-9а уменьшает относительные изменения напряжения в 5-10 раз. Но изменять величину Uст в параметрическом стабилизаторе невозможно.Оно определяется выбранным стабилитроном. Если такая стабилизация не удовлетворяет требованиям, то применяют полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения.