3.2. Выпрямители.

Выпрямитель ─ функциональное электронное устройство, предназначенное для преобразования напряжения переменного тока в напряжение импульсного или пульсирующего тока. В соответствии с функциональным назначением основным полупроводниковым компонентом, используемым при построении выпрямителей является диод. Рассмотрим основные разновидности выпрямителей и их работу.

3.2.1. Однополупериодный выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя показана на рис.93.

В

Рис.93. Однополупериодный выпрямитель

торичная обмотка трансформатора включена в электрический контур, состоящий из диода VD и резистора нагрузки Rнаг.

Рассмотрим работу схемы в соответствии с временной диаграммой, приведенной на рис. 94. На диаграмме показано изменение напряжения на вторичной обмотке Uаб и на сопротивлении нагрузки U Rнаг.

При положительной полуволне напряжения на аноде диода имеем положительный потенциал относительно катода, что приводит к прямому смещению p-n перехода и диод находится в проводящем состоянии. По контуру протекает ток, который на резисторе нагрузки выделяет напряжение равное Uаб-Uvd = Urнаг, где Uvd -- падение напряжения на диоде.

П

Рис. 94. Временная диаграмма работы однополупериодного выпрямителя.

ри отрицательной полуволне напряжения на вторичной обмотке трансформатора на аноде диода имеем отрицательный потенциал относительно катода, который смещает p-n переход в обратном направлении, диод закрыт и по контуру протекает только тепловой ток. Величина теплового тока настолько мала, что выделяемое им напряжение на резисторе нагрузки практически равно нулю. В целом на нагрузке имеем импульсное напряжение, и добиться нормальной работы нагрузки при таком питании будет невозможно.

Однако если параллельно нагрузке включить конденсатор работа схемы существенно измениться, что показано на рис. 94.

К

Рис. 95. Работа выпрямителя при наличии накопительного конденсатора.

ак видно из рисунка напряжение на нагрузке Urнаг изменило свой вид, появилось минимальное Urmin и максимальное Urmax напряжение. Следовательно, имеется и постоянная составляющая напряжения.

Работа схемы состоит в следующем. В положительном полупериоде при возрастании напряжения происходит заряд накопительной емкости до максимального напряжения Urmax.. При уменьшении напряжения в положительном полупериоде, как только напряжение на вторичной обмотке становится равным напряжению на нагрузке в момент времени t1 ток через диод становится равным нулю, следовательно, p-n переход получает обратное смещение. С этого момента нагрузка получает ток от накопительного конденсатора за счет его разряда. Разряд проходит экспоненциально, и в момент времени t2 напряжение на нагрузке становится равным возрастающему напряжению на вторичной обмотке, только уже в следующем периоде, при этом p-n переход получает прямое смещение и начинается новый цикл заряда накопительной емкости. Таким образом, напряжение на нагрузке при наличии накопительного конденсатора Сна не становится меньше Urmin. Вводится новое понятие -- напряжение пульсации (пульсации) ∆Urнаг = Urmax - Urmin. Чем меньше будет напряжение пульсаций, тем лучшие условия для работы нагрузки. Следовательно, необходимо стремиться к минимальным пульсациям.

Для определения величины емкости накопительного конденсатора воспользуемся уравнением определяющим изменение напряжения на конденсаторе при протекании через него тока на интервале времени dt Uc = 1/C∫i_Cdt. В этом выражении С -- величина конденсатора и i_C -- ток протекающий через конденсатор. Изменение напряжения это и есть пульсация, а при переходе к конечным изменениям dt = t2 - t1 = ∆t. Для оценки величины конденсатора сделаем допущение, что разряд осуществляется неизменным током. Тогда уравнение преобразуется к виду Uc C = i_C*∆t, откуда будем иметь C = i_C*∆t/Uc. В этом выражении не определено ∆t. Для определения интервала времени возьмем ближайшее большее определяемое, учитывая, что эта оценка приведет к завышению определяемого С. Для однополупериодного выпрямителя за значение ∆t можно использовать период T. Так при напряжении пульсаций ∆Urнаг = 1В, токе нагрузки i_C = 0,5А и Т = 20мсек величина емкости будет равна 10 мФ или 10000 мкФ. Необходимо отметить, что в полупроводниковых источниках питания электронной аппаратуры накопительные конденсаторы используют в качестве функционального блока Ф2, фильтра уменьшающего пульсации напряжения.

При проектировании или ремонте источников питания диоды необходимо выбирать в соответствии с требованиями выдвигаемыми выпрямительными схемами. Поэтому нужно определить какие требования предъявляет схема к диодам. Максимально допустимый ток диода должен быть не меньше тока нагрузки. В отрицательном полупериоде напряжения на вторичной обмотке трансформатора диод находится в непроводящем состоянии и если учесть напряжение заряда конденсатора, то напряжение смещающее p-n переход в обратном направлении будет близким к удвоенному амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке. Следовательно, максимально допустимое напряжение диода должно быть не менее удвоенного амплитудного напряжения вторичной обмотки.

Недостаток данной схемы выпрямителя состоит в том, что для уменьшения пульсаций требуется большая величина накопительной емкости. Для уменьшения величины емкости необходимо уменьшать время разряда конденсатора, что возможно, если использовать оба полупериода