Выпрямительные схемы

Нормальная работа всех активных элементов ра­диоэлектронной аппаратуры — электронных ламп, тран­зисторов и микросхем - рассчитана на их питание от источников постоянного напряжения. Но такие источ­ники, как батареи сухих элементов и аккумуляторы, недолговечны, расходуют запасенную в них электриче­скую энергию и нуждаются в периодической замене или подзаряде. Поэтому химические источники элект­рической энергии могут считаться приемлемыми исклю­чительно для питания носимой аппаратуры или аппара­туры, эксплуатируемой в условиях отсутствия постоян­ных источников тока. Питание стационарной профес­сиональной и бытовой аппаратуры удобнее осуществ­лять от сети переменного тока, используя для этого преобразователь переменного напряжения в постоян­ное. Таким преобразователем является выпрямитель. Различные транзисторы, микросхемы и электронные лампы рассчитаны на питание разными напряжениями, поэтому оказывается очень удобно наличие в электро­сети именно переменного напряжения, так как при по­мощи трансформатора из стандартного напряжения се­ти 220 В легко можно получить любые другие значения напряжений на его вторичных обмотках. Задача полу­чения различных напряжений при наличии сети посто­янного тока оказалась бы значительно более сложной. Простейшей выпрямительной схемой является схема однополупериодного выпрямителя, приведенная на рис. 1. Ее отличительной особенностью является то, что диод пропускает ток только в течение одной половины периода переменного напряжения, когда оно положи­тельно на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки трансформатора. Поэтому схема и называется однополупериодной. Если бы параллельно нагрузке Rне был подключен конденсатор С, форма напряжения Hat нагрузке была бы такой, как показано пунктирной линией, и вместо постоянного напряжение на нагрузке было пульсирую­щим. Конденсатор сглаживает пульсации выпрямленно­го напряжения. После включения при первом же положительном полупериоде конденсатор быстро заряжает­ся. Ток заряда течет по вторичной обмотке трансфор­матора через открытый диод, конденсатор и обратно к вторичной обмотке. Сопротивление этой цепи мало и определяется сопротивлением обмотки и открытого диода. Поэтому заряд конденсатора происходит быстро. В точке А напряжение заряженного конденсатора рав­но напряжению на обмотке, а в дальнейшем оказыва­ется больше его, из-за чего диод запирается и заряд конденсатора прекращается. Теперь начинается разряд конденсатора на нагруз­ку R. Сопротивление нагрузки значительно больше, чем сопротивление цепи заряда. Поэтому разряд конденса­тора происходит медленно, до точки Б, когда напряже­ние на обмотке трансформатора вновь становится боль­ше напряжения на конденсаторе, и вновь начинается его заряд. Результирующее напряжение на конденса­торе и нагрузке показано сплошной линией. Оно содер­жит постоянную составляющую (собственно выпрям­ленное напряжение) и переменную составляющую (нап­ряжение пульсации). Очевидно, что чем меньше сопро­тивление нагрузки (чем больше потребляемый нагруз­кой от выпрямителя ток), тем больше амплитуда пуль­саций и меньше выпрямленное напряжение, так как точка Б будет располагаться ниже. Чем больше емкость конденсатора, тем медленнее он станет разряжаться и тем меньше будет амплитуда пульсаций и больше вы­прямленное напряжение. Поэтому в схемах выпрямите­лей используют электролитические конденсаторы боль­шой емкости.

Наибольшее выпрямленное напряжение определяет­ся амплитудой переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Поэтому рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее амплитудного зна­чения напряжения на вторичной обмотке.

Рис. 1. Однополупериодный выпрямитель

Рис. 2.Двухполупериодный выпрямитель

Выбор диода в этой схеме связан со следующими требованиями. Средний выпрямленный ток диода равен току нагрузки. Прямой импульсный ток диода равен отношению амплитуды напряжения на вторичной об­мотке трансформатора к сопротивлению этой обмотки. Наконец, во время отрицательного полупериода к диоду приложено обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки. Недостаток однополупериодной схемы выпрямления очевиден: из-за большого промежутка времени между точками А и Б,который несколько превышает полови­ну периода, конденсатор успевает заметно разрядиться, что приводит к повышенной амплитуде пульсаций вы­прямленного напряжения. Дальнейшее сглаживание этих пульсаций, как будет показано далее, затруднено тем, что частота пульсаций равна частоте сети питающего напряжения 50 Гц. Поэтому однополупериодная схема используемся лишь при больших сопротивлениях на­грузки, то есть при малом токе потребления, когда по­стоянная времени разряда конденсатора велика и он не успевает заметно разряжаться за время отрицательных полупериодов. Указанные недостатки слабее в двухполупериодной схеме выпрямления, показанной на рис. 2. Здесь ис­пользуются два диода и увеличенная вдвое вторичная обмотка трансформатора со средней точкой. В течение одного полупериода конденсатор заряжается через один диод, а второй в это время заперт, в течение вто­рого полупериода отпирается второй диод, а первый заперт. Форма напряжения на нагрузке при отсутствии конденсатора показана пунктирной линией, а при нали­чии конденсатора - сплошной. Время, в течение кото­рого конденсатор разряжается, уменьшено в этой схеме более чем вдвое. Поэтому выпрямленное напряжение получается больше,

Рис. 3. Мостовая схе­ма выпрямления

а амплитуда пульсаций значитель­но меньше, чем при однополупериодной схеме. Сущест­венно также и то, что частота пульсаций вдвое превы­шает частоту питающей сети и составляет 100 Гц, что облегчает их последующее сглаживание. К недостаткам двухполупериодной схемы со сред­ней точкой относится усложнение трансформатора, а также невозможность создания двух совершенно одина­ковых половин вторичной обмотки. Это приводит к то­му, что амплитуды напряжений на половинах вторич­ной обмотки оказываются разными. В связи с тем, что конденсатор заряжается попеременно от каждой из по­ловин вторичной обмотки, в составе пульсаций вы­прямленного напряжения появляется составляющая с частотой 50 Гц, хотя она и меньше, чем при однополу-периодном выпрямлении. Двухполупериодная схема выпрямителей широко использовалась в эпоху лампо­вой техники, когда вместо полупроводниковых диодов применялись двуханодные кенотроны с общим катодом. Это оказывалось удобно, так как катоды в такой схеме соединены. С внедрением полупроводниковых диодов, у которых отсутствует подогреватель, двухполупериод-ная схема со средней точкой вторичной обмотки транс­форматора оказалась почти полностью вытесненной мостовой схемой выпрямления, которая в устаревшей литературе называется схемой Греца.

Мостовая схема выпрямителя показана на рис. 3. Она содержит вместо двух диодов четыре, но не требу­ет удвоения вторичной обмотки трансформатора. В те­чение одной половины периода ток проходит от верх­него по схеме вывода вторичной обмотки через диод VD2,через нагрузку, через диод VD3к нижнему выво­ду вторичной обмотки. В течение следующей половины периода ток проходит от нижнего вывода обмотки через диод VD4,через нагрузку, через диод VD1 к верхнему выводу вторичной обмотки трансформатора. Таким об­разом, в течение обоих полупериодов диодами выпрямляется одно и то же переменное напряжение вторичной обмотки и в составе пульсации составляющая с часто­той 50 Гц отсутствует. Мостовая схема также является двухполупериодной. Форма напряжения на нагрузке в этой схеме оказывается такой же, как и в двухполупе­риодной схеме со средней точкой. Рабочее напряжение конденсатора также равняется амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке. Однако требования к диодам в обеих двухполупериодных схемах отлича­ются от требований в однополупериодной схеме. В свя­зи с тем, что ток нагрузки проходит через диоды пооче­редно, средний выпрямленный ток каждого диода равен половине тока нагрузки.

Обратные напряжения на диодах мостовой схемы равны не удвоенной, а одинарной амплитуде напряже­ния вторичной обмотки. Обратные напряжения на дио­дах двухполупериодной схемы со средней точкой и зна­чения импульсных токов обеих схем такие же, как и в однополупериодной схеме. Однако ток вторичной об­мотки трансформатора в мостовой схеме равен по свое­му эффективному значению току нагрузки, что вдвое больше, чем в однополупериодной схеме и в схеме со средней точкой. Поэтому сечение провода вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме должно быть в два раза больше, чем в двух других (диаметр провода - в 1,41 раза больше).

Удвоение количества диодов в мостовой схеме оку­пается вдвое уменьшенным количеством витков вторич­ной обмотки трансформатора и уменьшением пульсаций выпрямленного напряжения. Для упрощения монтажа мостовых схем промышленностью выпускаются готовые сборки из четырех одинаковых диодов в одном корпусе, которые уже соединены между собой по схеме моста. К таким сборкам, например, относятся сборки типа КД906 со средним выпрямленным током до 400 мА и обратным напряжением до 75 В.

Недостатком мостовой схемы является прохождение выпрямленного тока последовательно через два диода. Падение напряжения на открытом кремниевом диоде достигает 1 В, а на двух последовательно включенных диодах падение напряжения составляет 2 В при макси­мальном прямом токе. Если выпрямитель рассчитан на низкое выпрямленное напряжение, которое соизмеримо с падением напряжения на диодах, требуется увеличение напряжения на вторичной обмотке трансформа­тора. Это необходимо учитывать при расчете выпря­мителя.