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.