Выпрямление колебаний

8.5.1. Общие сведения о выпрямителях

Радиотехнические устройства выполняют свои функции при наличии энергии, поступающей от источника электропитания, который формирует постоянные напряжения различных номиналов. В свою очередь, источники электропитания получают энергию от сети переменного тока с частотой 50…400 Гц. Поэтому одной из функций устройств в составе источника электропитания является преобразование энергии переменного тока (напряжения) в энергию постоянного тока. Данный процесс преобразования называется выпрямлением и реализуется устройством, которое получило название выпрямитель.

Выпрямление – это частный случай детектирования, при котором на вход детектора поступает немодулированное гармоническое колебание низкой частоты, а на выходе формируется сигнал в виде постоянного напряжения, величина которого в идеале равна амплитуде входного сигнала (его огибающей). Это значит, что состав и структура схемы выпрямителя такая же, как и схемы детектора (см. рис. 8.11, 8.12,а).

Выпрямитель, как и детектор, осуществляет преобразование спектра входного сигнала, т.е. входной сигнал, представляющий собой гармоническое колебание с частотой , преобразуется в выходной сигнал с частотой . Отличие только в том, что полезной при выпрямлении является одна гармоническая составляющая тока нелинейного элемента с частотой (нулевая гармоника), а при детектировании – все гармонические составляющие в полосе частот модулирующего сигнала.

8.5.2. Схемы выпрямителей

В качестве нелинейного элемента в схеме выпрямителя обычно применяют один или несколько полупроводниковых диодов, которые осуществляют преобразование спектра входного сигнала. Фильтр низкой частоты выделяет нулевую составляющую спектра тока нелинейного элемента, формируя постоянное напряжение.

а. Однополупериодный выпрямитель

На рис 8.17 изображена функциональная схема однополупериодного выпрямителя, а также эпюры напряжений и тока в цепи выпрямителя.

Фильтром низкой частоты являются параллельно включенные сопротивления нагрузки детектора и емкость, т.е. низкочастотный фильтр. Высокочастотные составляющие спектра тока диода фильтр не пропускает (емкость их шунтирует). В то же время постоянная составляющая создает постоянное напряжение на сопротивлении нагрузки.

Рис. 8.17. Схема выпрямителя

Физические явления при выпрямлении подобны явлениям, происходящим при детектировании. Отличия очевидны из сравнения рис. 8.13,а и рис. 8.17,б.

Выходное напряжение выпрямителя является пульсирующим (см. рис.8.17,б). Величина пульсаций определяется качеством фильтрации, т.е. зависит от постоянной времени фильтра . При большом значении постоянной времени емкость фильтра разряжается медленно, при этом меньше изменяется выходное напряжение за время периода входного напряжения. Очевидно, что постоянная времени цепи должна быть значительно больше периода входного напряжения, т.е.

.

Выпрямитель обычно работает с использованием линейного участка ВАХ диода, что позволяет применить кусочно-линейную аппроксимацию этой характеристики для анализа работы выпрямителя методом угла отсечки. Полагая, что на вход выпрямителя поступает напряжение , и применяя рассуждения, приведенные при рассмотрении линейного детектирования, получаем зависимость угла отсечки от параметров диода и фильтра:

.

Величина угла отсечки при выпрямлении, так же как при детектировании, зависит только от параметров схемы выпрямителя и не зависит от амплитуды входного напряжения.

Для получения на выходе напряжения, близкого к амплитуде, угол отсечки должен быть меньше . При этом значение произведения находится в пределах 100. Учитывая, что , где – внутреннее сопротивление диода, параметры фильтра и определяются из соотношений:

и .

Качество выпрямленного напряжения определяется величиной пульсаций. С позиций спектрального анализа основной причиной пульсаций является неидеальная фильтрация составляющих спектра тока нелинейного элемента. Поэтому величину пульсаций можно оценить коэффициентом пульсаций

,

где – амплитуды гармонических составляющих спектра пульсирующего напряжения.

Из физических соображений можно сделать вывод, что основной вклад в образование пульсаций принадлежит первой гармонике. Поэтому в рассматриваемом случае

,

где и – амплитуды нулевой и первой гармоник тока нелинейного элемента выпрямителя;

– значение АЧХ фильтра на частоте первой гармоники.

Учитывая, что

и ,

получаем .

Нетрудно показать, что справедливо неравенство

.

Для уменьшения пульсаций необходимо стремиться к увеличению сопротивления нагрузки выпрямителя (что не всегда зависит от разработчика выпрямителя) и уменьшению значения коэффициента передачи фильтра на частоте первой гармоники. Для этого достаточно увеличить величину емкости фильтра.

б. Двухполупериодный выпрямитель

Лучшие параметры с точки зрения пульсаций имеет двухполупериодный выпрямитель. Он представляет собой соединение двух однополупериодных выпрямителей, питающих общую нагрузку. На рис. 8.18,а приведена схема с двумя диодами, в которой вторичная обмотка трансформатора имеет отвод от средней точки. Когда напряжение в верхнем конце обмотки трансформатора положительно относительно средней точки, ток идет через диод в направлении, указанном стрелкой. При этом напряжение на нижнем конце обмотки отрицательно, и ток через диод не проходит. Через полупериод полярность напряжения на концах обмотки меняется на обратную. Диод запирается, а диод открывается, и ток проходит через диод . В обоих случаях через нагрузочное сопротивление токи проходят в одном направлении и создают суммарный пульсирующий ток .

Рабочие процессы в выпрямителе показаны на рис. 8.18,б.

Рис. 8.18. Схема двухполупериодного выпрямителя

Необходимость применения трансформатора с выведенной средней точкой вторичной обмотки и неэффективное его использование (ток заряда емко-

сти фильтра протекает в одном направлении) являются существенными недостатками данной схемы.

в. Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя

Эти недостатки отсутствуют в мостовой схеме двухполупериодного выпрямителя. В этом выпрямителе (рис 8.19) вторичная обмотка не имеет средней точки и используется полностью в течение положительного и отрицательного полупериода напряжения. В положительный полупериод открыты диоды и (диоды и закрыты), в отрицательный полупериод открыты диоды и (диоды и закрыты). Через открытые диоды происходит заряд конденсатора фильтра.

Рис. 8.19. Схема мостового двухполупериодного выпрямителя

Мостовая схема выпрямителя имеет два важных преимущества. Во-первых, обратное напряжение на диодах в 2 раза меньше, чем у других выпрямителей. Во-вторых, можно применить более простой трансформатор (без средней точки), который может и отсутствовать. В силу того, что ток заряда конденсатора проходит через два диода, у этого выпрямителя потери несколько больше.

Применяются также схемы выпрямителей с определенными специфическими свойствами, например, с удвоением или умножением выходного напряжения. Такие выпрямители позволяют получить выходное напряжение, значительно большее, чем амплитуда входного переменного напряжения (до нескольких десятков киловольт).