Выпрямительные устройства

Выпрямители служат для преобразования переменного (синусоидального) напряжения в напряжение постоянного тока с помощью полупроводниковых выпрямительных диодов.

В схеме однополупериодного выпрямителя, представленной на рисунке 2, ток I_н через диод проходит в нагрузку R_н только в положительные полупериоды напряжения U₂ на вторичн6ой обмотке трансформатора Т, так как в отрицательные полупериоды диод VD заперт. Ток в нагрузке I_н имеет прерывистый характер (заштрихованная зона) и его максимальное значение I_2мах соответствует максимальному положительному напряжения U_2мах. Действующее значение напряжения на нагрузке U определяется по формуле:

,

где U₂ –действующее значения синусоидального напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Рисунок 2

В отрицательный полупериод к запертому диоду приложено обратное напряжение:

U_обр = U_2max = π U

Поэтому диод выбирают так, чтобы его допустимое обратное напряжение удовлетворяло условию Uобр доп ≥ π U, а допустимый через диод прямой ток – условию:

I_{ср доп}≥I₀.

Схема двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке 3 и состоит из четырех диодов VD1 - VD4, включенных по так называемой мостовой схеме.

Рисунок 3

Напряжение U₂ в положительный полупериод открывает диоды VD1 и VD3 и от точки А к точке В по цепи «VD1 – R_H – VD3» протекает ток нагрузки I_H = I_1,3. При этом диоды VD2 и VD4 заперты.

В отрицательный полупериод напряжение U₂ открывает диоды VD2 и VD4 и ток I_Н = I_2,4 течет от точки В к точке А по цепи «VD2 – R_Н – VD4», проходя по нагрузке в одном и том же направлении.

В этой схеме действующее значение тока I₀ и напряжения U в два раза выше, чем в однополупериодной схеме:

Оценим обратное напряжение, приложенное, например, к диоду VD2 в положительный полупериод напряжения U₂.

При открытом диоде VD1 потенциал точки A’ близок к положительному потенциалу точки А обмотки трансформатора, а ее отрицательный потенциал точки В приложен к другому выводу диода VD2. Значит, к диоду VD2 приложено обратное напряжение вторичной обмотки трансформатора U_обр=U_2max, т.е. такое же, как и в однополупериодной схеме.

Сглаживающие фильтры

Для питания электронной аппаратуры допускается пульсация напряжения, не превышающая долей процента, однако на выходе выпрямителей пульсации значительно больше. Для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, которые должны максимально уменьшить (подавить) переменные составляющие и с возможно меньшими потерями пропустить постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

Простейшим фильтром служит конденсатор С₀, включенный на выходе выпрямителя параллельно нагрузке R_H, как показано на рисунке 4А, который запасает энергию, заряжаясь во время возрастания напряжения выпрямителя, и отдает ее, разряжаясь на сопротивление нагрузки, когда оно снижается. На рисунке 4Б показана форма напряжения Uс на конденсаторе С₀ (а значит, и на параллельно включенной нагрузке R_H) при двухполупериодном выпрямителе.

Рисунок 4

Для более эффективного снижения пульсаций применяют П-образный LC-фильтр, показанный на рисунке 5. П-образный фильтр состоит из двух конденсаторов C₀, C_Ф и катушки индуктивности L_Ф , называемой дросселем.

Рисунок 5

Индуктивное сопротивление дросселя L_Ф :

X_L = ω L_Ф ,

где ω – круговая частота переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Индуктивное сопротивление дросселя L_Ф должно быть значительно больше R_H для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного напряжения с частотами пульсаций от основной ω и выше «задерживались» фильтром в виде падения напряжения на X_L, не достигая нагрузки.

Емкостное сопротивление конденсаторов X_C = 1/(ω C_Ф) должно быть значительно меньше, чем R_H, для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного тока замыкались через X_C, минуя R_H. При этом постоянная составляющая тока, для которой X_L = 0, X_C = ∞, не создает падения напряжения на L_Ф и не замыкается через С_Ф, целиком поступая в нагрузку.

Недостатком LC-фильтров является громоздкость и трудность изготовления индуктивности в микроэлектронном исполнении.

Основным параметром любого сглаживающего фильтра является коэффициент пульсаций, который показывает во сколько раз пульсации до фильтра больше чем после фильтра.