Для питания электронных устройств требуется постоянное напряжение различных значений. Наиболее распространенным источником электрической энергии является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. Для преобразования переменного напряжения в постоянное (однополярное) применяют выпрямительные устройства. Существует однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного тока.
Рис. 9. Схема однополупериодного выпрямителя.
|
Схема полупроводникового однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 9. В этом выпрямителе полупроводниковый диод VD включен последовательно с нагрузочным резистором Rн и вторичной обмоткой трансформатора T. Первичная обмотка трансформатора питается, как правило, от сети.
Из временных диаграмм (рис. 10) видно, что ток Iн в нагрузке имеет импульсный характер. В течение первого полупериода напряжения UАБ,когда потенциал точки а положителен по отношению к потенциалу точки б, диод открыт и через нагрузку протекает ток.
Во второй полупериод полярность напряжений на вторичной обмотке трансформатора изменяется на противоположную и потенциал точки а становится отрицательным по отношению к потенциалу точки б. При такой полярности диод включен в обратном направлении и ток в нагрузке будет равен нулю.
Рис. 10. Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя.
Широкое применение нашли двухполупериодные выпрямители, в которых, в отличие от однополупериодных выпрямителей, используются оба полупериода напряжения сети. Из них наибольшее распространение получил мостовой двухполупериодньгй выпрямитель (рис. 11), состоящий из трансформатора, четырех полупроводниковых диодов VD1 – VD4 (включенных по мостовой схеме) и нагрузочного резистора.
Рис. 11. Схема двухполупериодного выпрямителя.
В один из полупериодов напряжения сети, когда точка а имеет положительный по отношению к точке б потенциал, диоды VD2 и VD3 открыты, а диоды VD1 и VD4 закрыты. Ток в этот полупериод имеет направление: зажим а вторичной обмотки трансформатора, диод VD2, нагрузочный резистор Rн, диод VD3 и зажим б. В следующий полупериод, когда потенциал точки а становится отрицательным по отношению к точке б, открыты диоды VD1 и VD4, а диоды VD2 и VD3 закрыты. Протекающий в схеме ток имеет следующее направление: точка б, диод VD4, нагрузочный резистор Rн, диод VD1 и точка а вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение всего периода ток в нагрузочном резисторе Rн имеет одно и то же направление. На рис. 12 представлены временные диаграммы токов и напряжений мостового двухполупериодного выпрямителя.
Рис. 12. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя.
Мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет ряд преимуществ. В частности, при одном и том же напряжении вторичной обмотки трансформатора и сопротивлении нагрузки Rн средний выпрямленный ток / н ср и напряжение Uн ср в мостовом выпрямителе почти в два раза больше, чем в однополупериодном.
Недостатком мостовой схемы выпрямителя является необходимость применения четырех диодов.
Для того, чтобы избежать пульсирующего характера напряжения Uн и тока Iн нагрузки, в выпрямительных устройствах применяются различные сглаживающие фильтры. Простейшим из них является ёмкостной фильтр. Для этого параллельно сопротивлению нагрузки подключается конденсатор.
Рис. 13. Схема однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.
|
На рис. 13 приведена схема однополупериодного выпрямителя с ёмкостным сглаживающим фильтром, а на рис.14 – диаграммы, иллюстрирующие его работу.
По мере роста напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора UАБ конденсатор C заряжается и напряжение на нём повышается. Во время положительного полупериода диод VD пропускает ток, который заряжает конденсатор (практически до амплитудного значения переменного напряжения) и одновременно питает сопротивление нагрузки. Затем напряжение UАБ уменьшается и, когда оно становится меньше, чем напряжение на конденсаторе, диод VD запирается, а конденсатор начинает разряжаться на резистор Rн. Скорость разряда конденсатора определяется постоянной времени t разр = Rн × С. В дальнейшем описанный процесс периодически повторяется.
Рис. 14. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.
При работе такого выпрямителя существенно уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения. Однако следует помнить, что в выпрямителе с ёмкостным сглаживающим фильтром наблюдается значительная зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки.
Практическая часть
