Выпрямитель. Работа на активно-емкостную нагрузку

Для получения постоянного напряжения при наличии сети переменного тока требуется выпрямитель. Широко распространенной схемой выпрямителя является мостовая двухполупериодная схема, собранная на четырех диодах VD1-VD4 (рис. 9.1 а).

В каждый полупериод сетевого синусоидального напряжения U~ прямо включенными оказываются два диода моста. Например: при положительной полярности напряжения U~ прямо включенными оказывают-ся диоды VD1, VD2, диоды VD3, VD4 при этом – заперты. В отрицательный полупериод U~ прямо включенными оказывают-ся диоды VD3, VD4, а диоды VD1, VD2 – запертыми. Таким образом, ток в нагрузке принимает одно и то же направление (указано стрелкой), т.е. происходит выпрямление. Если нагрузка является чисто активной, то осциллограмма выпрямленного напряжения будет иметь вид, представленный на рис. 9.1, б (пунктир). Амплитуда выпрямленного напряжения (U_1m) будет связана с ЭДС в обмотке трансформатора (e_1m) соотношением

U_1m = e_1m - 2U_D – I_Нm R_T, (9.1)

где 2U_D –падение напряжения на диодах моста, I_Нm – амплитуда тока в нагрузке, R_T – выходное сопротивление трансформатора.

Такая форма выпрямленного напряжения непригодна для питания большинства усилительных схем – необходимо сгладить пульсацию напряжения. Для этого используют сглаживающий фильтр в виде емкости C1, подключенной параллельно нагрузке (Рис. 9.1). Постоянная времени –t = R_НC₁ выбирается много больше (DT) – периода следования полуволн напряжения U~ (DT = 0, 01 с для сети 50 Гц).

Выпрямитель при работе на активно-емкостную нагрузку работает следующим образом. Емкость C₁ относительно быстро заряжается через диодный мост до напряжения близкого к амплитудному значению. При уменьшении мгновенного значения напряжения U~ все диоды моста окажутся запертыми, и емкость C₁ будет разряжаться током нагрузки – напряжение U₁ будет уменьшаться.

В следующий полупериод мгновенное значение напряжения U~ возрастает и в момент времени t₁ превысит напряжение U₁. Это приводит к открыванию соответствующей пары диодов моста и быстрой подзарядке емкости C₁. Напряжение U₁ вновь нарастает, практически, до амплитудной величины. При уменьшении мгновенного значения напряжения U~ в момент времени t₂ вновь закрываются все диоды моста, и емкость C₁ вновь частично разряжается на нагрузку. Так формируется выпрямленное пульсирующее напряжение U₁. Результирующая осциллограмма представлена на рис. 9.1, б.

Необходимо обратить внимание, что ток, протекающий в активную нагрузку, непрерывен, при малой пульсации практически постоянен, и составляет I₁ =U₁/R_Н, в то время, как ток, потребляемый с обмотки трансформатора через диоды, протекает в относительно короткие промежутки времени открытого состояния диодов (t₁ - t₂). Следовательно, его величина может во много раз (десятки раз!) превышать ток, протекающий в активную нагрузку.

Пульсация напряжения DU₁=DU_C может быть оценена, исходя из соотношения, описывающего разряд конденсатора на активную нагрузку

U_C (t) = U_{C m} exp(- t/t ). (9.2)

Если пульсация DU₁ = (U_{C m} - U_C (t₁)) относительно невелика и
DU_C /U_{C m} £ 20%, то можно воспользоваться соотношением

DU_C = I_Н DT / C₁. (9.3)