Выпрямление переменного тока

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 R_н и вторичной обмоткой трансформатора T. Первичная обмотка трансформатора питается, как правило, от сети.

Из временных диаграмм (рис. 10) видно, что ток I_н в нагрузке имеет импульсный характер. В течение первого полупериода напряжения U_АБ,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 R_н, 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 R_н, диод VD1 и точка а вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение всего периода ток в нагрузочном резисторе R_н 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 R_н средний выпрямленный ток /_{н ср} и напряжение U_{н 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 U_н и тока I_н 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 U_АБ 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 U_АБ уменьшается и, когда оно становится меньше, чем напряжение на конденсаторе, диод VD запирается, а конденсатор начинает разряжаться на резистор R_н. Скорость разряда конденсатора определяется постоянной времени t_разр = R_н×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