3.6. Применение выпрямительных диодов

В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобра­зуется в энергию постоянного тока. Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направ­лении и плохо проводят в обратном, то основным назначением большинства полупроводниковых диодов является выпрямление переменного тока. Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 3.6,а. В ней последовательно соединены генератор переменной ЭДС Е, диод VD и на­грузочный резистор R_H . Эта схема называется однополупериодной, так как ток проходит через него только в одном направлении один раз за период.

В выпрямителях для питания электронной аппаратуры генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 3.6,б). При выпрямлении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радио­приемников генератором переменной ЭДС служит резонансный колебательный контур, а нагрузкой — резистор с боль­шим сопротивлением.

Рис. 3.6. Схема выпрямителя с полупроводниковым диодом

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусоидальную ЭДС:

E = U_тsinωt

и его внутрен­ним сопротивлением можно пренебречь.

Во время одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит .ток, создающий на резисторе R_Н падение напряжения U_H. В течение следующего полупериода напряжение является об­ратным, тока практически нет и U_Н = 0. Таким об­разом, через диод, нагрузочный резистор и генера­тор проходит пульсирующий ток в виде импуль­сов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе R_H выпрямленное напряжение. Проследив направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода - минус.

Графики на рис. 3.7 наглядно показывают процессы в выпрямителе. Пере­менная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой U_т (рис. 3.7,а). В этом случае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением I_max (рис. 3.7,б). Этот же график тока в другом масштабе изображает выпрямленное напряжение U_Н, так как U_Н = IR_H .

Рис. 3.7. Диаграммы работы простейшего выпрямителя

График на рис. 3.7,в изображает напряжение на диоде. Амплитуда положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе R_H, сопротивление которого значительно превышает со­противление диода. В этом случае:

U_{пр max} = U_m – U_{H max} = U_m – I_maxR_H « U_m . (3.8)

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1-2 В.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе R_H равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника (U_обр = -U_m).

Из графика на рис. 3.7,б видно, что это напряжение сильно пульсирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая, или среднее значение, U_cp. Для полусинусоидального импульса с максимальным значением U_m среднее значение за полупериод:

U_cp = 2U_m/π = 0.636U_m . (3.9)

Так как во втором полупериоде напряжения совсем нет, то за весь период среднее значение вдвое меньше:

U_cp = U_m/π = 0.318U_m . (3.10)

Приближенно U_cp составляет 30 % максимального значения. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать:

U_{H max} ≈ U_m и U_ср ≈ 0.3U_m . (3.11)

Вычитая из выпрямленного пульсирующего напряжения его среднее значе­ние, получим переменную составляющую U_~ , которая имеет несинусоидальную форму. Для нее нулевой осью является прямая линия, изображающая постоян­ную составляющую (рис. 3.8,а). Полуволны переменной составляющей за­штрихованы. Положительная полуволна представляет собой верхние две трети полусинусоиды, а отрицательная имеет форму, близкую к трапеции. Дли­тельности этих полуволн неодинаковы, но площади, ограниченные ими, равны, так как постоянной составляющей уже нет.

Рис. 3.8. Постоянная и переменная составляющие вы­прямленного напряжения

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного на­пряжения. Для ее уменьшения в нагрузочном резисторе, т. е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры. На рис. 3.8,б переменная составляющая изображена отдельно. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего уменьшить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).

В сглаживающем фильтре применяются конденсаторы большой емкости (рис. 3.6,б), через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсаторов, а следовательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр.

В простейшей схеме выпрямителя первая гармоника пульсаций очень вели­ка. Ее амплитуда U_m1 больше полезной постоянной составляющей:

U_m1 = 0.5U_m = 1.57U_ср. (3.12)

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:

1/ωC « R_Н . (3.13)

Во время некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к U_т. В то время когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку R_H и создает на ней напряжение, кото­рое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

При отсутствии конденсатора (U_cp « 0,3 U_m), а при наличии конденсатора до­статочно большой емкости U_cp приближается к U_т и может быть равным (0,8÷0,95) U_т и даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном вы­прямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и R_H, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе U_cp к U_т. Если нагрузку вообще отключить (режим холостого хода, т. е. R_H =∞), то на конденсаторе получается постоянное на­пряжение без всяких пульсаций, равное V_т.

Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором поясняет рис. 3.9, на котором показаны графики ЭДС источника E, тока через диод I и напряжения на конденсаторе U_с, равного напряжению на нагрузке U_H.

Рис. 3.9. Сглаживание пульсаций с помощью конденсатора

Напряжение на конденсаторе приложено плюсом к катоду минусом к аноду диода. Поэтому напряжение на диоде U_д равно разности ЭДС источника и напряжения конденсатора:

U_д = E - U_c . (3.14)

Так как U_с близко к U_m то U_д становится прямым только в течение части положительного полупериода, когда E превышает Uс (вблизи значения U_т). В эти небольшие промежутки времени через диод проходит ток в виде импульсов, подзаряжающих конденсатор.

Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде ЭДС, когда E = — U_т. Поскольку напряжение конденсатора также близко к U_т, то наибольшее обратное напряжение близко к значению 2U_m. Если цепь нагрузки разомкнута (холостой ход), то максимальное обратное напряжение точно равно 2Е_т. Таким образом, применение конденсатора удваивает обратное напряжение по сравнению с его значением при отсутствии конденсатора. Поэтому диод надо подбирать так, чтобы он выдерживал это обратное напря­жение.