Выпрямители тока
Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный; выпрямительные схемы являются самыми простыми и наиболее полезными в практическом отношении диодными схемами (иногда диоды даже называют выпрямителями).
Символ «Перем» используется для обозначения источника переменного напряжения; в электронных схемах он обычно используется с трансформатором, питающимся от силовой линии переменного тока. Для синусоидального входного напряжения, значительно превышающего прямое напряжение диода (обычно в выпрямителях используют кремниевые диоды, для которых прямое напряжение составляет 0,6 В). Если вспомнить, что диод – это проводник, пропускающий ток только в одном направлении, то нетрудно понять, как работает схема выпрямителя.
Представленная схема называется однополупериодным выпрямителем, так как она использует только половину входного сигнала (половину периода).
Схема двухполупериодного выпрямителя
Из графика видно, что входной сигнал используется при выпрямлении полностью. На графике выходного напряжения наблюдаются интервалы с нулевым значением напряжения, они обусловлены прямым напряжением диодов. В рассматриваемой схеме два диода всегда подключены последовательно к входу; об этом следует помнить при разработке низковольтных источников питания.
Фильтрация в источниках питания
Выпрямленные сигналы еще не могут быть использованы как сигналы постоянного тока. Дело в том, что их можно считать сигналами постоянного тока только в том отношении, что они не изменяют свою полярность. На самом деле в них присутствует большое количество «пульсаций» (периодических колебаний напряжения относительно постоянного значения), которые необходимо сгладить для того, чтобы получить настоящее напряжение постоянного тока. Для этого схему выпрямителя нужно дополнить фильтром низких частот.
Вообще говоря, последовательный резистор здесь не нужен, и его, как правило, не включают в схему (если же резистор присутствует, то он имеет очень маленькое сопротивление и служит для ограничения пикового тока выпрямителя). Дело в том, что диоды предотвращают протекание тока разряда конденсаторов, и последние служат скорее как накопители энергии, а не как элементы классического фильтра низких частот. Энергия, накопленная конденсатором, определяется выражением W = 1/2CU 2. Если емкость С измеряется в фарадах, а напряжение U – в вольтах, то энергия W будет измеряться в джоулях (в ваттах в 1 с).
Конденсатор подбирают так, чтобы выполнялось условие RнC >> 1/f (где f – частота пульсаций, в нашем случае 100 Гц). При этом происходит ослабление пульсаций за счет того, что постоянная времени для разрядки конденсатора существенно превышает время между перезагрузками.
Определение напряжения пульсаций. Приблизительно определить напряжение пульсаций нетрудно, особенно если оно невелико по сравнению с напряжением постоянного тока
Нагрузка вызывает разряд конденсатора, который происходит в промежутке между циклами (или половинами циклов для двухполупериодного выпрямления) выходного сигнала. Если предположить, что ток через нагрузку остается постоянным (это справедливо для небольших пульсаций), то ΔU = (I /C) Δt (напомним, что I = C (dU /dt). Подставим значение 1/f (или 1/2f для двухполупериодного выпрямления) вместо Δt (такая замена допустима, так как конденсатор начинает снова заряжаться меньше, чем через половину цикла). Получим
ΔU = Iнагр /fC
(однополупериодное выпрямление),
ΔU = Iнагр /2fC
(двухполупериодное выпрямление).
Если воспользоваться экспоненциальной функцией, определяющей изменение напряжения на конденсаторе при его разряде, то результат получим неправильным по следующим причинам:
Разряд конденсатора описывается экспоненциальной зависимостью только в том случае, если нагрузка резистивна; в большинстве случаев это не так. Часто на выходе выпрямителя устанавливают стабилизатор напряжения, который обеспечивает постоянство выпрямленного напряжения – он выступает в роли нагрузки, через которую протекает постоянный ток.
Для источников питания используют, как правило, конденсаторы с точностью 20 % и более. При разработке схем следует учитывать разброс параметров компонентов и для страховки производить расчет для наиболее неблагоприятного сочетания их значений. В таком случае, если считать, что в начальный момент разряд конденсаторов происходит по линейному закону, приближение будет весьма точным, особенно если пульсации невелики. Неточности приближения приводят лишь к некоторой перестраховке – они проявляются в завышении расчетного напряжения пульсаций по сравнению с его истинным значением.
Схемы выпрямителей для источников питания
Двухполупериодная мостовая схема. На рисунке показана схема источника питания постоянного тока с мостовым выпрямителем
Двухполупериодный однофазный выпрямитель. Схема двухполупериодного однофазного выпрямителя приведена на рисунке ниже
Выходное напряжение здесь в 2 раза меньше, чем в схеме мостового выпрямителя. Схема двухполупериодного однофазного выпрямителя не является эффективной с точки зрения использования трансформатора, так как каждая половина вторичной обмотки используется только в одном полупериоде. В связи с этим ток в обмотке за этот интервал времени в 2 раза больше, чем в простой двухполупериодной схеме. Согласно закону Ома, температура нагрева обмотки пропорциональна произведению I2R , значит, за время в 2 раза меньшее нагрев будет в 4 раза больше или в среднем больше по сравнению с эквивалентной двухполупериодной схемой.
Трансформатор для этой схемы следует выбирать так, чтобы его предельный ток был в 1,4 (в √2) раз больше, чем у трансформатора мостовой схемы, в противном случае такой выпрямитель будет более дорогим и более громоздким, чем мостовой.
Расщепление напряжения питания. Широко распространена мостовая однофазная двухполупериодная схема выпрямителя
Она позволяет расщеплять напряжение питания (получать на выходе одинаковые напряжения положительной и отрицательной полярности).
Эта схема эффективна, так как в каждом полупериоде входного сигнала используются обе половины вторичной обмотки.
Умножители напряжения или выпрямители с умножением напряжения. Схема, показанная на рисунке называется удвоителем напряжения.
Для того чтобы понять, как работает эта схема, представьте, что она состоит из двух последовательно соединенных выпрямителей. Фактически эта схема является двухполупериодным выпрямителем, так как она работает в каждом полупериоде входного сигнала – частота пульсаций в 2 раза превышает частоту колебаний питающей сети. Разновидности этой схемы позволяют увеличивать напряжение в 3, 4 и более раз.
На рисунках показаны схемы выпрямителей, обеспечивающие увеличение напряжения в 2, 3 и 4 раза, в которых один конец обмотки трансформатора заземлен.
