4. Выпрямление переменного тока

Для питания электронных устройств требуется постоянное напряжение различных значений. Наиболее распространенным источником электрической энергии является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. Для преобразования переменного напряжения в постоянное (однополярное) применяют выпрямительные устройства. Существует однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного тока.

Рис. 9. Схема однополупериодного выпрямителя.

Схема полупроводникового однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 9. В этом выпрямителе полупроводниковый диодVDвключен последовательно с нагрузочным резисторомR_н и вторичной обмоткой трансформатораT. Первичная обмотка трансформатора питается, как правило, от сети.

Из временных диаграмм (рис. 10) видно, что ток I_нв нагрузке имеет импульсный характер. В течение первого полупериода напряженияU_АБ, когда потенциал точкиаположителен по отношению к потенциалу точкиб,диод открыт и через нагрузку протекает ток.

Во второй полупериод полярность напряжений на вторичной обмотке трансформатора изменяется на противоположную и потенциал точки астановится отрицательным по отношению к потенциалу точкиб.При такой полярности диод включен в обратном направлении и ток в нагрузке будет равен нулю.

Рис. 10. Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя.

Широкое применение нашли двухполупериодные выпрямители, в которых, в отличие от однополупериодных выпрямителей, используются оба полупериода напряжения сети. Из них наибольшее распространение получил мостовой двухполупериодньгй выпрямитель (рис. 11), состоящий из трансформатора, четырех полупроводниковых диодов VD1 – VD4(включенных по мостовой схеме) и нагрузочного резистора.

Рис. 11. Схема двухполупериодного выпрямителя.

В один из полупериодов напряжения сети, когда точка аимеет положительный по отношению к точкеб потенциал, диодыVD2 иVD3открыты, а диодыVD1 иVD4закрыты. Ток в этот полупериод имеет направление: зажимавторичной обмотки трансформатора, диодVD2, нагрузочный резисторR_н, диодVD3и зажимб.В следующий полупериод, когда потенциал точкиастановится отрицательным по отношению к точкеб, открыты диодыVD1иVD4,а диодыVD2иVD3закрыты. Протекающий в схеме ток имеет следующее направление: точкаб, диодVD4, нагрузочный резисторR_н, диодVD1и точкаавторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение всего периода ток в нагрузочном резистореR_нимеет одно и то же направление. На рис. 12 представлены временные диаграммы токов и напряжений мостового двухполупериодного выпрямителя.

Рис. 12. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя.

Мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет ряд преимуществ. В частности, при одном и том же напряжении вторичной обмотки трансформатора и сопротивлении нагрузки R_н средний выпрямленный ток /_{н ср}и напряжениеU_{н ср}в мостовом выпрямителе почти в два раза больше, чем в однополупериодном.

Недостатком мостовой схемы выпрямителя является необходимость применения четырех диодов.

Для того, чтобы избежать пульсирующего характера напряжения U_ни токаI_ннагрузки, в выпрямительных устройствах применяются различныесглаживающие фильтры. Простейшим из них является ёмкостной фильтр. Для этого параллельно сопротивлению нагрузки подключается конденсатор.

Рис. 13. Схема однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

На рис. 13 приведена схема однополупериодного выпрямителя с ёмкостным сглаживающим фильтром, а на рис.14 – диаграммы, иллюстрирующие его работу.

По мере роста напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора U_АБконденсаторCзаряжается и напряжение на нём повышается. Во время положительного полупериода диодVDпропускает ток, который заряжает конденсатор (практически до амплитудного значения переменного напряжения) и одновременно питает сопротивление нагрузки. Затем напряжениеU_АБуменьшается и, когда оно становится меньше, чем напряжение на конденсаторе, диодVDзапирается, а конденсатор начинает разряжаться на резисторR_н. Скорость разряда конденсатора определяется постоянной времени_разр=R_нС. В дальнейшем описанный процесс периодически повторяется.

Рис. 14. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

При работе такого выпрямителя существенно уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения. Однако следует помнить, что в выпрямителе с ёмкостным сглаживающим фильтром наблюдается значительная зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки.