1.2. Выпрямители на полупроводниковых диодах с емкостным фильтром

1.2.1. Общая часть

Выпрямители преобразуют переменное напряжение в постоянное. По принципу действия они подразделяются на выпрямители, работающие на индуктивный фильтр, и на выпрямители с емкостным фильтром, которые и рассматриваются в настоящей работе. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром на выходе представлена на рис. 1.3, где  – сопротивление нагрузки, ФГ – функциональный генератор, ОСЦ – осциллограф. На рис. 1.4 для этого выпрямителя приведены временные характеристики входного переменного напряжения (кривая 1) и его выходного постоянного, т. е. незнакопеременного, напряжения (кривая 2 – без фильтра С1; пунктирная кривая 3 – с фильтром).

Рис. 1.3

Выпрямитель без фильтра С1 отдает мощность в нагрузку в течение только одного полупериода (  > 0, диод открыт); в другой полупериод он практически обесточен (  < 0, диод закрыт – рис. 1.4, кривая 2). Почему для этого выпрямителя в открытый полупериод напряжение  <  (рис. 1.4, кривые 1 и 2)? Это обусловлено падением напряжения  0,6…1 В на открытом диоде. Действительно,

. (1.3)

Рассмотрим работу однополупериодного выпрямителя (см. рис. 1.3) с емкостным фильтром С1. На конденсаторе С1 все время поддерживается постоянное положительное напряжение с некоторой пульсацией. Поэтому в открытый полупериод ( > 0) диод откроется только в тот момент времени, когда напряжение достигнет значения

, (1.4)

где  – напряжение нечувствительности диода (см. рис. 1.2).

Рис. 1.4

Таким образом, в этом случае выпрямитель потребляет мощность от источника входного сигнала в течение только части открытого полупериода, что соответствует характеристике 3 на рис. 1.4 (  – время заряда конденсатора С1, диод открыт;  – время его разряда, диод закрыт). Почему на этой характеристике  <<  ? Это обусловлено разными постоянными времени разряда и заряда конденсатора С1:

; , (1.5)

где  – дифференциальное сопротивление диода в открытом состоянии (оно изменяется с изменением тока через диод).

В источниках вторичного электропитания (ИВЭП) широкое применение нашла схема двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром, представленная на рис. 1.5. Работа этого выпрямителя во многом аналогична работе однополупериодного выпрямителя (см. рис. 1.3 и 1.4), только в этом случае выпрямление входного напряжения происходит в каждый полупериод. В первый полупериод ( > 0) или в его части открыты диоды VD3 и VD2 и ток нагрузки течет по цепи: Вх – VD3 –  – VD2 – общая шина; во второй полупериод (  < 0) или в его части открыты диоды VD4 и VD1 и ток нагрузки течет по цепи: общая шина – VD4 –  – VD1 – Вх. При этом в каждый полупериод на выходе имеем форму напряжения, аналогичную представленной на рис. 1.4 (характеристики 2 и 3), с частотой пульсации в 2 раза большей по сравнению с частотой пульсации в однополупериодном выпрямителе.

Рис. 1.5

К достоинствам двухполупериодной мостовой схемы по сравнению с однополупериодной следует отнести значительно меньшую пульсацию выходного напряжения и меньшие по амплитуде импульсы тока, потребляемые выпрямителем от источника входного напряжения (при одинаковых параметрах и ). К недостаткам следует отнести более низкие энергетические характеристики, поскольку в двухполупериодном выпрямителе всегда два открытых диода подключены последовательно с цепью нагрузки и источником входного напряжения; на этих диодах суммарное падение напряжения составляет  1,2…2 В. Об этом особенно важно помнить при разработке низковольтных источников питания.