Выпрямители

Для преобразования переменного напряжения в постоянное (те, для выпрямления) в современной БРТА используются исключительно полупроводниковые диоды с различными предельно-допустимыми значениями прямого (выпрямленного) тока и обратного (приложенного) напряжение. Надежная и долговременная работа диодов обеспечивается только в том случае, если эти оба паспортных параметра диода на 15...25% превышают реальные значения тока и напряжения в схеме выпрямителя.

В отдельных редких случаях может оказаться существенным и еще один параметр диода – величина прямого падения напряжения на диоде в открытом (проводящем) состоянии. Это характерно для выпрямителей при небольшом выпрямленном напряжении (единицы вольт) и большом токе потребления (амперы).

Существует немало разных схем выпрямителей, различающихся как по физике работы, так и по электрическим характеристикам. Рассмотрим некоторые из них, изображенные на рис. 2.1

Рис. 2.1. Типовые схемы выпрямителей: а – простейшая однополупериодная; б – «обычная» двухполупериодная; в – мостовая двухполупериодная; г – с удвоением выпрямленного напряжения;

д – с утроением выпрямленного напряжения

Схема рис. 2.1, а является простейшей и называется однополупериодной. В силу того, что диод является прибором односторонней проводимости, ток через него протекает только в одном направлении, определяемом полярностью подключения самого диода.

А синусоидальное переменное напряжение, подводимое к схеме выпрямителя, характеризуется как раз тем, что его полярность периодически меняется на противоположную. Поэтому в течение того полупериода, когда его полярность соответствует проводящему (открытому) состоянию диода, ток через диод протекает, а в течение второго полупериода с противоположной полярностью - не протекает.

В результате на выходе однополупериодного выпрямителя (на его активной нагрузке R) выделяются «половинки» синусоиды той полярности, которая определяется полярностью включения диода.

При отсутствии сглаживающего конденсатора фильтра С_ф это выделенное на нагрузке напряжение никак нельзя назвать выпрямленным, а тем более - постоянным. Это типичное пульсирующее напряжение, имеющее две отдельные составляющие: «остатки» (обрезки) синусоиды» с ее собственной частотой повторения и некоторое «среднее» постоянное напряжение, полярность которого остается неизменной, а величина непрерывно изменяется относительно некоторого среднего значение с частотой подводимого синусоидального напряжения.

Отношение амплитуды переменной составляющей к средней величине постоянной составляющей называется коэффициентом пульсации и обычно выражается в процентах. Это отношение может быть существенно улучшено с помощью сглаживающих фильтров, о которых мы поговорим чуть позже.

Однополупериодная схема выпрямления является наименее совершенной, имеет очень низкий КПД, поскольку «половину» всего времени просто не работает (а течение «непроводящего» полупериода), а выпрямленное напряжение имеет недопустимо большой коэффициент пульсации, для улучшения которого необходимо использование сложных многозвенных фильтров, что экономически нецелесообразно.

Основная область применения однополупериодных схем – выпрямители с очень малым током потребления и преимущественно на достаточно высоких частотах, позволяющих создавать эффективные сглаживающие фильтры при сравнительно небольших значениях емкости конденсаторов фильтра. Например, они используются в роли детекторов модулированных ВЧ сигналов или в качестве высоковольтного выпрямителя для питания ускоряющего анода кинескопа в телевизоре.

На рис. 2.1, б показана схема двухполупериодного выпрямителя, представляющая собой по существу два самостоятельных однополупериодных выпрямителя, работающих попеременно (каждый в течение «своего» полупериода) на общую нагрузку. В результате такой поочередной работы на резисторе нагрузки выделяются обе половинки синусоида, притом обе - в одной и той же полярности в зависимости от полярности включения диодов.

Нетрудно заметить, что при этом удваивается частота пульсаций напряжения на нагрузке, которая становится в два раза выше частоты приложенного синусоидального напряжения, Кроме того, эффективность схемы также повышается вдвое, поскольку в работе выпрямителя участвуют обе «половинки» синусоиды. Повышение частоты пульсаций, во-первых, вдвое снижает коэффициент пульсации, а во-вторых, позволяет при сохранении той же эффективности вдвое уменьшить величину емкости конденсаторов фильтра. Так что двухполупериодная схема выпрямителя во всех смыслах вдвое лучше однополупериодной.

Впрочем, хотя бы один недостаток есть и у этой схемы, Если еще раз внимательно посмотреть на рисунок, то можно обнаружить, что для двухполупериодной схемы необходимы две вторичные обмотки на силовом трансформаторе, включенные последовательно, что равносильно удвоенному расходу медного обмоточного провода. Это невыгодно экономически и одновременно увеличивает габариты и массу силового трансформатора.

Этого недостатка лишена третья схема (рис. 2.1, в), называемая мостовой двухполупериодной схемой. Для ее работы достаточно одной вторичной обмотки, но зато требуются четыре диода вместо двух. Во время одного полупериода ток протекает через два противоположно расположенных и включенных последовательно диода и резистор нагрузки, создавая на последнем падение постоянного напряжения. В следующий полупериод эти два диода оказываются «закрытыми» и тое не проводят, зато становится проводящей другая пара противоположно расположенных диодов, ток через которые протекает также и через резистор нагрузки, притом в том же самом направлении. В результате на резисторе нагрузки выделяется постоянная составляющая одной и той же полярности как во время положительного, так и во время отрицательного полупериодов приложенного напряжения.

Из всех трех рассмотренных схем мостовая двухполупериодная схема является наиболее эффективной и экономичной, поэтому в сегодняшней БРТА она является единственно используемой в блоках питания.

Сравнивая между собой эти три схемы, следует отметить одну общую особенность: величина выпрямленного напряжения достаточно близка к величине подводимого переменного напряжения. Если говорить более строго, то при отсутствии сглаживающих фильтров выпрямленное напряжение всегда меньше подводимого переменного, а при наличии сглаживающих фильтров с конденсаторами большой емкости и отсутствии потребления может превышать подводимое переменное напряжение приблизительно в 1,4 раза. Впрочем, при подключении реальной нагрузки (а без этого любой выпрямитель теряет всякий смысл) напряжение на выходе фильтра быстро уменьшается по мере увеличения потребляемого тока и в установившемся режиме обычно не превышает величины подводимого переменного напряжения.

Следующие две схемы на рис.2.1 отличаются от рассмотренных тем, что в установившемся режиме выпрямленное напряжение на нагрузке существенно выше подводимого и может превышать его в 2, 3, 5 и большее число раз. Такие схемы называются схемами выпрямителей с умножением напряжения или проще - умножителями. В зависимости от коэффициента умножения их обычно называют удвоителями, утроителями и т.д.

Схема рис. 2.1, г является удвоителем. В каждый из полупериодов ток, протекающий через «открытый» диод, заряжает до полного напряжения «свой» конденсатор. А поскольку оба конденсатора по постоянному току включены последовательно, то на крайних выводах оказывается удвоенное постоянное напряжение.

Схема рис. 2.1, д представляет собой утроитель напряжения Подобные схемы в основном используются в блоках питания такой БРТА, которая питается непосредственно от силовой сети с низким напряжением (110 или 127 В), а также в высоковольтных выпрямителях телевизоров для питания ускоряющего электрода кинескопа.