1.2. Схемы диодных выпрямителей

Рассмотрим основные схемы выпрямителей без сглаживающих фильтров на базе полупроводниковых диодов. В этом случае согласно структурной схеме на рисунке 1 напряжение с выхода выпрямителя подается непосредственно на нагрузку, то есть u_в = u₂.

Как известно, ВАХ диода опи­сывается формулой Шоттки

,

(4)

где I_S – тепловой ток (ток насыщения), _T = kT/e – тепловой потенциал. При большом прямом смещении u_ак >> _T единицей в формуле (4) можно пренебречь и записать упрощенное выражение

,

на основе которого вводят дифференциальное сопротивление диода r_д:

.

При анализе схем диодных выпрямителей мы будем рассматривать режим большого сигнала, когда обратные напряжения на диодах |u_ак| >> 1 В, а прямые токи i_а >> I_S. В этом случае уравнение ВАХ диода может быть представлено кусочно-линейной функцией

(5)

Рис. 5. ВАХ диода

в режиме большого сигнала

где дифференциальное сопротивление r_д вычислено при некотором значении u_ак, а величина U_д соответствует напряжению на открытом диоде и составляет 0,40,8 В в зависимости от его типа. Вид ВАХ (5) показан на рисунке 5.

Рис. 6. Однополупериодный выпрямитель:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений

Рассмотрим схему однополупериодного выпрямителя (рис. 6, а) и запишем для нее уравнение Кирхгофа:

.

Подставляя выражения (5) в эту формулу и учитывая, что на практике R_н >> r_д, получим

На рисунке 6, б показаны временные диаграммы работы однополупериодного выпрямителя при наличии на его входе синусоидального напряжения u₁(t) = U₁sin(t) (U₁ >> U_д). Видно, что максимальное обратное напряжение на диоде в этой схеме равно амплитуде входного сигнала U₁; таким образом, если на вход выпрямителя подается напряжение промышленной сети 220 В, напряжение пробоя диода должно быть больше 310 В. Период пульсаций выходного напряжения при однополупериодном выпрямлении равен периоду напряжения сети. Однополупериодную схему выпрямителя обычно применяют при токах нагрузки до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения.

Рис. 7. Двухполупериодный выпрямитель:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

В схеме двухполупериодного выпрямителя (рис. 7, а) используется трансформатор с двумя одинаковыми вторичными обмотками, включенными последовательно. В результате такого соединения напряжения u₁₁ и u₁₂ имеют одинаковые амплитуды U₁, но противоположные фазы относительно точки соединения обмоток. Таким образом, диоды VD1 и VD2 поочередно открываются и обеспечивают протекание тока в нагрузку каждый полупериод входного напряжения. Временные диаграммы работы данной схемы приведены на рисунке 7, б, где сплошной линией показаны графики напряжения u_ак1 и тока i_а1 для диода VD1 и пунктирной линией – для диода VD2.

Частота пульсаций выходного напряжения при двухполупериодном выпрямлении равна удвоенной частоте напряжения сети. Двухполупериодную схему применяют в основном в низковольтных выпрямителях. В этой схеме магнитные потоки в сердечнике трансформатора, обусловленные постоянными составляющими токов вторичных обмоток, направлены встречно и взаимно гасятся. Отсутствие подмагничивания сердечника позволяет использовать в двухполупериодной схеме трансформаторы меньшего размера.

В схеме двухполупериодного однофазного мостового выпрямления (рис. 8, а) вторичная обмотка рассчитана на то же напряжение u₁, что и одна вторичная обмотка двухполупериодного выпрямителя (рис. 7, а). В течение положительного полупериода напряжения u₁ ток течет в нагрузку через открытые диоды VD1 и VD3; при этом диоды VD2 и VD4 заперты. В течение следующего полупериода, когда напряжение u₁ отрицательно, открываются диоды VD2 и VD4, а VD1 и VD3 запираются. Таким образом обеспечивается протекание тока в нагрузку в течение каждого полупериода входного напряжения. Временные диаграммы работы данной схемы приведены на рисунке 8, б, где сплошной линией показаны графики напряжений и токов для диодов VD1 и VD3 и пунктироной линией – для диодов VD2 и VD4.

Рис. 8. Однофазный мостовой выпрямитель:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

Однофазная мостовая схема чаще других используется в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры. Она объединяет преимущества однополупериодной и двухполупериодной схем. Частота пульсаций в этой схеме равна удвоенной частоте сети, отсутствует постоянное подмагничивание сердечника трансформатора. Еще одним достоинством данной схемы по сравнению с двухполупериодной является то, что при одинаковых выходных напряжениях в ней могут использоваться диоды, имеющие вдвое меньшее напряжение пробоя. Однако экономичность мостовой схемы несколько ниже, поскольку в цепь нагрузки всегда включены два диода. В связи с широким распространением однофазной мостовой схемы промышленность выпускает специальные диодные сборки (четыре диода в одном корпусе, соединенные по мостовой схеме) на различные токи и напряжения.