Випрямлячі змінного струму і напруги

Недоліком гальванічних елементів, які використовуються для харчування різної електронної апаратури, є обмежений термін їх служби і необхідність періодичної заміни. Такі незручності особливо відчутні, коли навантаження споживає струми великої сили, наприклад, при харчуванні електродвигунів постійного струму, вихідних каскадів потужного підсилювача і т. П. Тому для живлення електронної апаратури краще використовувати електричну енергію промислової мережі.
Однак підключати електронний пристрій, розраховане на харчування від батарей, безпосередньо до промислової мережі можна. Попередньо змінну напругу мережі необхідно перетворити в постійне. Послідовність такого перетворення показана на малюнку.

Для харчування транзисторної апаратури в більшості випадків використовуються напруги, менші, ніж мережеві. Це можливо при застосуванні трансформатора, званого силовим. Потім змінну напругу треба перетворити в постійне. Постійна напруга отримують в два етапи.
На першому етапі змінна напруга перетвориться в пульсуюче, що відрізняється від змінного тим, що воно змінюється тільки в одну сторону від нульового значення. Пристрій, що здійснює таке перетворення, називається випрямлячем.
Другий етап полягає в перетворенні за допомогою електричного фільтра випрямленої (пульсуючого) напруги в постійне.

Для отримання пульсуючого напруги з змінного використовують спеціальні елементи, що володіють односторонньою електропровідністю: напівпровідникові і електровакуумні діоди.
Найпростіший випрямляч можна побудувати на основі всього лише одного випрямного елемента, наприклад напівпровідникового діода.

При підключенні випрямляча до джерела змінної напруги UBX протягом позитивних напівперіодів змінної напруги діод VD виявляється включеним в прямому напрямку, опір його стає дуже невеликим і через навантаження RH протікає струм, який викликає на ній падіння напруги.
Протягом негативних напівперіодів діод включається в зворотному напрямку, його опір стає дуже великим, в результаті чого струм, що протікає через діод і навантаження, виявляється досить малим. Таким чином, завдяки полупроводниковому диоду через навантаження протікає пульсуючий струм. Оскільки цей струм протікає лише в позитивні напівперіоди, а при негативних напівперіодах дуже малий, такий випрямляч називають однополуперіодним. Частота пульсацій однополупериодного випрямляча дорівнює частоті напруги, що підводиться до випрямляча.
Пульсуючий струм, протікаючи через навантаження, створює на ній пульсує напруга, яке є джерелом сильних перешкод. Якщо від такого джерела напруги живити, наприклад, радіоприймач, буде чути сильний неприємний гул, званий фоном.
Щоб його зменшити, слід «згладити» пульсації напруги на виході випрямляча. Для цього випрямлена напруга подають спочатку на згладжує пристрій - фільтр, а вже з фільтра - на навантаження.
Найпростішим фільтром може служити конденсатор, що підключається паралельно навантаженню. Протягом позитивного напівперіоду вхідного напруги струм протікає через навантаження RH і конденсатор С, заряджаючи його до деякого максимального напруження. В негативний напівперіод діод закривається, і конденсатор починає розряджатися через навантаження. Таким чином, через навантаження струм протікає як у позитивний, так і в негативний напівперіоди вхідної напруги. Джерелом струму, що протікає через навантаження в негативний напівперіод, є конденсатор. Внаслідок того, що в міру розрядки конденсатора напруга на ньому зменшується, буде зменшуватися і напруга на навантаженні. Отже, напруга на навантаженні при підключенні паралельно їй конденсатора залишається пульсуючим, але амплітуда пульсацій Uп менша, ніж при відсутності конденсатора. Чим більше ємність конденсатора, тим більший заряд буде накопичено їм в позитивний напівперіод і тим більше часу буде потрібно для його розрядки. А це означає, що збільшення ємності конденсатора призводить до зменшення пульсацій.
Ставлення амплітуди пульсацій напруги Uп до середнього значення випрямленої напруги U0 називають коефіцієнтом пульсацій Кр. З графіків видно, що підключення до виходу випрямляча конденсатора призводить до зменшення коефіцієнта пульсацій випрямленої напруги.
Однополуперіодний випрямляч простий по конструкції, проте володіє найменшим порівняно з іншими видами випрямлячів коефіцієнтом корисної дії (ККД) і підвищеними вібраціями випрямленої напруги. Амплітуда пульсацій значно збільшується при зростанні струму навантаження, так як при цьому збільшується розрядний струм конденсатора С. Тому однополуперіодні випрямлячі з ємнісним фільтром використовуються для живлення малопотужних приймачів та інших пристроїв з малим струмом споживання.

Для живлення радіоапаратури найчастіше використовуються випрямлячі, які працюють за двонапівперіодною схемою. В одному з таких двухполуперіодних випрямлячів застосовується середній висновок від вторинної обмотки трансформатора. Випрямні діоди VD1 і VD2 підключені до кінців вторинної обмотки. Такий випрямляч являє собою як би два однополуперіодних випрямляча, що працюють на загальне навантаження RH і фільтр С.
Дійсно, коли на верхньому кінці вторинної обмотки виникає позитивне напруга (позитивний напівперіод), на нижньому кінці вторинної обмотки утворюється негативна напруга (негативний напівперіод. Тому діод VD1 буде відкритий, a VD2 закритий, і струм навантаження створюється напругою верхньої половини вторинної обмотки трансформатора.
Наступний напівперіод напруга на верхньому кінці вторинної обмотки трансформатора виявиться негативним, а на нижньому - позитивним. Діод VD1 буде закритий, a VD2 - відкритий, струм навантаження виробляється нижньої половиною IIб вторинної обмотки трансформатора. Таким чином, в даній схемі діоди VD1 і VD2 працюють по черзі, і процес випрямлення змінного струму йде безперервно.
Частота пульсацій на виході такого випрямляча в 2 рази більше, ніж в однополуперіодним випрямлячі. Це призводить до збільшення випрямленого струму, що полегшує завдання згладжування пульсацій, так як зменшується час, протягом якого відбувається розрядка конденсатора фільтра.
Коефіцієнт пульсацій в такій схемі виявляється в 2 рази менше, ніж в схемі однополупериодного випрямляча.
Найчастіше двонапівперіодний випрямляч виконують по мостовій схемі.

При цьому доводиться використовувати не два, а чотири діода. Але зате трансформатор для такого випрямляча виготовити простіше: не треба робити додаткового виведення від середини вторинної обмотки, і сама вторинна обмотка містить в 2 рази менше число витків. Коли на верхньому кінці вторинної обмотки утворюється позитивний напівперіод ( «+»), а на нижньому - негативний ( «-»), струм протікає через діоди VD2, VD3 і навантаження.
Діоди VD1 і VD4 при цьому закриті. Наступний напівперіод змінної напруги на верхньому кінці вторинної обмотки створюється негативна напруга, а на нижньому - позитивне, і струм протікає через діоди VD1, VD4 і навантаження Rн. а діоди VD2 і VD3 закриті.

Вибір діодів для випрямляча

Діоди для випрямляча вибирають за двома основними параметрами постійного (випрямленого) струму, який повинен давати випрямляч, і зворотному напрузі. Ці параметри випрямних діодів завжди наводяться в довідниках.
Випрямлений струм діода повинен бути не менше повного струму, споживаного навантаженням. Щоб в процесі роботи діоди менше нагрівалися, бажано застосовувати такі з них, у яких випрямлений струм був би в 2..3 рази більше, ніж необхідний.
Протягом негативного напівперіоду, відповідного закритому стану діода, до випрямного діода прикладається зворотна напруга. Воно складається з напруги, що діє на вторинній обмотці, і напруги на конденсаторі, підключеному до виходу випрямляча. Так як при малих токах навантаження конденсатор заряджається до напруги, майже рівного амплітудному на вторинній обмотці, можна вважати, що максимальне зворотне напруга, що прикладається до діода, дорівнює подвоєному амплітудному напрузі вторинної обмотки. Наприклад, якщо напруга вторинної обмотки становить 30 В, то амплітудне напруга

Діод, використаний в такому випрямлячі, повинен мати допустимий зворотна напруга не менше 84 В.