Общие теоретические сведения. Выпрямителями (рис.1) называют устройства, служащие для преобразования переменных напряжений и токов в постоянные

Выпрямителями (рис.1) называют устройства, служащие для преобразования переменных напряжений и токов в постоянные, используемые для питания радиоэлектронной аппаратуры. Переменное напряжение U₁сети поступает на первичную обмотку трансформатора Т,с вторичной обмотки которого напряжение U₂подается на выпрямитель В.Выпрямленное пульсирующее напряжение сглаживается фильтром Ф, превращаясь в постоянное напряжение U_rh для питания устройства, эквивалентно представленного резистором нагрузки R_H.

Рис. 1

Схема двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом трансформатора (вывод 2) с активной нагрузкой R_Hпоказана на рис. 2, а. Вторичная обмотка трансформатора выполнена так, чтобы в точках 1 и 3были одинаковые, но противофазные относительно точки 2напряжения U₂’и U₂”(рис. 2,б).

Рис.2 Схема и диаграммы работы выпрямителя

Рассмотрим работу схемы в полупериод, когда в точке 1 относительно точки 2действует положительное напряжение, а в точке 3- отрицательное. Напряжение U ₂’ вызывает ток I _VD₁ (рис. 2, в), который проходит по цепи (рис. 2, а): вывод 1, диод VD1, резистор R _H, вывод 2. Таким образом, ток в нагрузку отдает верхняя половина вторичной обмотки трансформатора. Этот ток создает на резисторе нагрузки R _h падение напряжения U _Ru (рис. 2, д ), полярность которого указана на рис. 2, а, а амплитуда равна амплитуде напряжения U₂’, т. е. U ₂_m. В течение этого полупериода диод VD2закрыт напряжением, действующим между выводами 1 и 3, аследовательно, его максимальное напряжение равно 2U ₂_m (рис. 4, е ). На диоде VD1, проводящем ток в течение всего полупериода, образуется небольшое прямое падение напряжения U _np.

В следующий полупериод диод VD2начинает проводить ток I _VD₂ (рис. 2, г)по цепи (рис. 2, а): вывод 3, диод VD2,резистор R_H, вывод 2. При этом на нагрузке появляется синусоидальный импульс напряжения той же полярности, что и в первый полупериод. В течение этого полупериода диод VD1закрыт.

Таким образом, диоды поочередно каждый в течение своего полупериода проводят ток в общую нагрузку. Частота пульсаций выходного напряжения двухполупериодной схемы равна удвоенной частоте сети, так как за период напряжения сети ток в нагрузке и напряжение на ней дважды достигают максимума.

Рис.3 Двухполупериодная схема выпрямления

Двухполупериодную схему применяют в сильноточных низковольтных выпрямителях. Это объясняется тем, что в цепи тока нагрузки в любой момент выпрямительного процесса находится только один диод.

Пульсации выпрямленного напряжения оценивают коэффициентом пульсаций K_п, являющимся отношением амплитуды первой гармоники U_1тк среднему значению напряжения на нагрузке U_RHcp

K_n=U₁_m/U_R_н.ср. (1)

Коэффициент пульсаций двухполупериодной схемы выпрямления без сглаживающего фильтра K _n = 0,67. Сглаживающий фильтр уменьшает K _n. Это его свойство оценивается коэффициентом сглаживания K_сгл, который является отношением коэффициентов пульсаций на входе K_пвх и выходе K_п._Вых фильтра:

K_сгл ⁼⁼ K_п.вх/ K_п.вых- ( 2 )

Простейшим сглаживающим фильтром является емкостный, состоящий из конденсатора, подключенного параллельно нагрузке R_H. Заряжаясь во время, когда напряжение на входе фильтра близко к максимальному, конденсатор отдает запасенную энергию в нагрузку при уменьшении входного напряжения. В схеме, которая была показана на рис. 1, сглаживающим может быть, например, конденсатор С1. Коэффициент сглаживания емкостного фильтра тем выше, чем больше емкость конденсатора. Правда, при этом укорачиваются импульсы тока подзаряда конденсатора, а следовательно, растет и амплитуда, что усложняет работу выпрямительных диодов. Емкостные фильтры широко применяют в источниках питания радиоэлектронных устройств, так как они просты и недороги.

Намного эффективнее сглаживающий фильтр, состоящий из двух звеньев: емкостного С1 и RС-звена из элементов R1и С2. Напряжение на конденсаторе С1поднимается почти до амплитуды входного, при этом предварительно сглаживаются пульсации. Для их окончательного сглаживания служит второе звено. Такой фильтр прост в изготовлении и недорог. Недостатком RС-фильтров является низкий КПД. Обычно на резисторе R1 теряется до 10 % выпрямленного напряжения, что допустимо только в маломощных источниках питания.

Внешняя, или нагрузочная, характеристика источника питания выражает зависимость выходного напряжения от тока нагрузки и показывает, в какой степени уменьшается выходное напряжение источника при увеличении нагрузки.

Выпрямитель переменного тока - это преобразователь переменного электрического тока в постоянный ток. Основным элементом выпрямителя является полупроводниковый диод. Работа полупроводникового диода подробно поясняется в лабораторной работе «Изучение полупроводникового диода». Полупроводниковый диод имеет не симметричную вольт-амперную характеристику. При включении диода в прямом направлении его электрическое сопротивление мало и он открывается, пропускает ток.

При включении диода в обратном направлении его сопротивление электрическому току резко возрастает. Это свойство полупроводниковых диодов используется в выпрямителях переменного тока. Существует несколько различных схем выпрямителей: однополупериодные схемы, двухполупериодные и мостовые схемы.

На рис.4 приведена принципиальная схема однополупериодного выпрямителя однофазного тока, и показаны осциллограммы напряжений в различных точках схемы. Из приведенных осциллограмм видно, что ток через нагрузочное сопротивление R протекает только при положительной полярности подводимого напряжения, т.е. в те моменты времени, когда диод Д открыт. Конденсатор C заряжается положительными полуволнами пульсирующего тока, а в моменты действия отрицательной полуволны, разряжается через нагрузочное сопротивление R. Таким образом, пульсирующий ток сглаживается при помощи конденсатора С. На рис.5 приведена мостовая схема выпрямления переменного тока.