Для питания электронной аппаратуры, электродвигателей постоянного тока, электролизных и других установок возникает необходимость в выпрямлении переменного тока в постоянный.
Под выпрямлением понимается процесс преобразования переменного тока в постоянный с помощью устройств, обладающих односторонней проводимостью (электрических вентилей).
Выпрямительные устройства обычно состоят из трех основных элементов: трансформатора, электрического вентиля и сглаживающего фильтра. Трансформатор позволяет изменять значение переменного напряжения, получаемого от источника питания до значения требуемого выпрямленного напряжения.
Выпрямление переменного тока осуществляется электрическим вентилем. Электрические вентили по своим вольт – амперным характеристикам подразделяются на две группы. К первой относят вакуумные электронные и полупроводниковые диоды, вольт – амперные характеристики которых для проводящего направления могут быть приближённо представлены наклонными прямыми, проходящими через начало координат (рис. 7.1, а).
Ко второй относят газоразрядные (ионные) приборы, у которых зависимость тока от напряжения может быть представлена вертикальной прямой (рис. 7.1, б).
Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсации выпрямленного тока и напряжения на выходе выпрямительных устройств.
При выпрямлении переменного тока в зависимости от числа фаз сети, питающей выпрямительное устройство, и характера нагрузки, а также требований, предъявляемых к выпрямленным току и напряжению, электрические вентили могут быть соединены по различным схемам.
При выпрямлении однофазного переменного тока простейшими схемами выпрямления являются одно - и двухполупериодная однотактные однофазные схемы.
Однотактными выпрямительными устройствами являются такие, в которых ток во вторичной обмотке трансформатора в процессе выпрямления протекает только в одном направлении, в двухтактных выпрямительных устройствах — в обоих направлениях.
Схема однотактного однофазного однополупериодного выпрямления представлена на рис. 7.2. В качестве электрического вентиля в этой схеме используется полупроводниковый диод Д.
При подаче переменного синусоидального напряжения на первичную обмотку согласующего трансформатора напряжение на зажимах вторичной его обмотки будет также переменным синусоидальным, т. е.
Диод проводит электрический ток только в том случае, когда его анод относительно катода имеет положительный потенциал. Поэтому ток в цепи (вторичная обмотка трансформатора, диод и нагрузка) протекает только в одном направлении, т. е. в течение одной половины периода переменного напряжения. В результате этого ток в цепи нагрузки оказывается пульсирующим (неизменным по направлению, но изменяющимся по значению). При этом амплитудное значение тока (относительно небольшим сопротивлением диода в прямом направлении можно пренебречь)
где RH— сопротивление потребителя электроэнергии (нагрузки). Кривая получаемого в процессе однополупериодного выпрямления пульсирующего тока может быть разложена в гармонический ряд Фурье:
Из приведенного выражения следует, что пульсирующий ток при однополупериодном выпрямлении, кроме переменных составляющих различных амплитуд и частот, содержит также и постоянную составляющую .При этом постоянную составляющую напряжения на нагрузке или среднее значение выпрямленного напряжения с учетом выражения для тока определяют из соотношения
Выражая среднее значение выпрямленного напряжения через действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, имеем
Однополупериодное выпрямление переменного тока характеризуется глубокими пульсациями выпрямленного тока и напряжения (рис. 7.3), которые обусловливаются наличием в кривых выпрямленного тока и напряжения переменных составляющих — пульсаций. Для оценки пульсаций в той или иной схеме выпрямления вводят коэффициент пульсаций — q, под которым понимается отношение амплитуды Атнаиболее выраженной гармонической составляющей, входящей в кривые выпрямленного тока или напряжения, к постоянной составляющей тока или напряжения в выходной цепи выпрямителя: q
Для однополупериодного выпрямления с учетом гармонических составляющих тока коэффициент пульсаций
В течение половины периода, когда анод диода имеет отрицательный относительно катода потенциал, он тока не проводит, при этом через диод возможен некоторый относительно небольшой обратный ток, влиянием которого во многих случаях можно пренебречь.
Напряжение, воспринимаемое диодом в непроводящий полупериод, - обратное напряжение Uобр(t) при этом определяется значением напряжения U2(t) на вторичной обмотке трансформатора.
Следовательно, максимальное значение обратного напряжения, которое приложено к диоду в данной схеме, равно амплитудному значению напряжения U2mна вторичной обмотке трансформатора, т. е. .Поэтому при выборе диода для схемы однополупериодного однофазного однотактного выпрямления необходимо, чтобы максимально допустимое
обратное напряжение диода было больше или равно амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора .
К недостаткам однополупериодной схемы выпрямления следует отнести значительные пульсации выпрямленных тока и напряжения, а также недостаточно высокое использование трансформатора, так как по его вторичной обмотке при этом протекает ток только в течение полупериода. Выпрямители подобного типа применяют главным образом в маломощных установках, когда выпрямленный ток мал, а достаточно удовлетворительное сглаживание пульсаций может быть обеспечено с помощью фильтра.
Схема двухполупериодного однотактного выпрямителя представлена на рис. 7.4. Рассматриваемый двухполупериодный выпрямитель представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей с общей нагрузкой. При этом напряжение и2 на каждой половине вторичной обмотки трансформатора (1—3 и 3—2) можно рассматривать как два независимых синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол 180°. Так как каждый диод проводит ток только в течение той половины периода, когда анод его становится положительным относительно катода, то нетрудно видеть, что при заданном на рис. 7.4 направлении напряжения на вторичной обмотке трансформатора проводить ток будет диод Д1. Диод Д2при этом будет закрыт.
Рис. 7.5
Рис. 7.6
При изменении направления напряжения на вторичной обмотке трансформатора проводящим становится диод Д2 , а диод Д1 пропускать ток не будет, так как его анод по отношению к катоду при этом имеет отрицательный потенциал. Таким образом, диоды в схеме будут находиться в проводящем состоянии в различные полупериоды напряжения на обмотках трансформатора. В результате диаграммы выпрямленных тока и напряжения на выходе выпрямительного устройства рис. 7.4 будут иметь вид, представленный на рис. 7.5.
Кривую выпрямленного тока при двухполупериодном выпрямлении можно разложить в гармонический ряд Фурье:
При этом, так же как и для схемы однополупериодного выпрямления, наряду с переменными составляющими гармонический ряд содержит и постоянную составляющую тока . Постоянная составляющая напряжения на нагрузке (среднее значение выпрямленного напряжения)
где— максимальное (амплитудное) значение выпрямленного тока; - амплитудное значение напряжения половины вторичной обмотки трансформатора.
Как видно из полученного выражения, среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при двухполупериодной схеме увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.
Выражая среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке через действующее значение напряжения на половине вторичной обмотки трансформатора, получаем
Как следует из рис. 7.5, пульсации тока в двухполупериодной схеме значительно уменьшаются по сравнению со схемой однополупериодного выпрямления. Коэффициент пульсации в данном случае
Максимальное значение обратного напряжения на диодах в рассматриваемой схеме
Действительно, когда один из диодов пропускает ток, потенциал его катода оказывается практически равным потенциалу анода, так как незначительным падением напряжения на диоде при этом можно пренебречь. Тот же потенциал имеет и катод второго диода, в данную часть периода непропускающего ток,
гак как катоды обоих диодов в схеме связаны. В результате разность потенциалов катода и анода непропускающего диода равна разности потенциалов выводов 1 и 2 вторичной обмотки трансформатора, т. е. (см. рис. 7.5).
В сравнении со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном ток во вторичной обмотке трансформатора не содержит постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода, вследствие чего подмагничивание сердечника в данном случае отсутствует, тепловые потери при этом уменьшаются.
С учетом этого применение двухполупериодной схемы выпрямления более предпочтительно, чем однополупериодной.
Снижения обратного напряжения, воздействующего на диод в непроводящую часть периода, и уменьшения расчетной мощности трансформатора при двухполупериодном выпрямлении переменного тока можно достигнуть при переходе от однотактной схемы к двухтактной (мостовой) схеме.
Выпрямитель, выполненный по мостовой схеме (рис. 7.6), позволяет получить двухполупериодное выпрямление переменного тока при полном использовании мощности трансформатора, не имеющего среднего вывода от вторичной обмотки. В этой схеме в течение полупериода, когда потенциал вывода вторичной обмотки трансформатора будет выше потенциала его вывода Ь, ток пропускают диоды 1 и 3. При этом диоды 2 и 4 находятся в непроводящем состоянии. В следующий полупериод будут проводить ток соответственно диоды 2 и 4 (цепь тока указана пунктирными стрелками на рис. 7.6), а диоды 1 и 3 будут находиться в непроводящем состоянии. Из схемы видно, что направление тока в цепи нагрузки в течение обоих полупериодов переменного напряжения при этом не меняется.
Таким образом, рассматриваемая схема является схемой двух-полупериодного выпрямления. Значения среднего выпрямленного напряжения на нагрузке и коэффициента пульсации для выпрямителя (см. рис. 7.6) определяются так же, как и для однотактного двухполупериодного выпрямителя.
Данная схема выпрямления позволяет получить заданное выпрямленное напряжение при числе витков вторичной обмотки трансформатора, вдвое меньшем, чем в однотактной двухполупериодной схеме выпрямления (см. рис. 7.4) при прочих равных условиях.
Так как во вторичной обмотке трансформатора в рассматриваемой схеме протекает не пульсирующий, а синусоидальный переменный ток, это позволяет уменьшить габариты трансформатора по сравнению с трансформатором, необходимым для питания однотактного двухполупериодного выпрямителя, рассчитанного на ту же мощность, приблизительно в 1,5 раза.
Значение максимального обратного напряжения при одинаковом выпрямленном напряжении Ud для мостовой схемы (см. рис. 7.6) также оказывается в два раза меньше, чем для однотактной двухполупериодной схемы выпрямления (см. рис. 7.4).
Мостовые схемы позволяют осуществлять выпрямление переменного тока в постоянный без использования согласующего трансформатора при непосредственном подведении сетевого переменного напряжения к вентильному мосту, когда напряжение питающей сети находится в соответствии с выпрямляемым напряжением.
Рассмотренные схемы выпрямления имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания большей части электронной аппаратуры требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсации, не превышающим значений q=0,002—0,02.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения можно значительно снизить, если на выходе выпрямителя включить сглаживающий электрический фильтр. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатор, включаемый параллельно слаботочной нагрузке (рис. 7.7), и дроссель, включаемый последовательно с сильноточной нагрузкой (рис. 7.8).
Другие фильтры (комбинированные), представляющие собой сочетания емкостных и индуктивных элементов, позволяют получить достаточно малые значения коэффициента пульсации.
При использовании простейшего емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора фильтра Cф (когда напряжение на выходе трансформатора превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки Rн.
Конденсатор, как известно, не пропускает постоянной составляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота. Емкостные фильтры предпочтительно применять в схемах выпрямления с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.
Простейший индуктивный сглаживающий фильтр состоит из индуктивной катушки — дросселя, включаемого последовательно с нагрузкой. В результате пульсаций выпрямленного тока в катушке индуктивности возникает электродвижущая сила самоиндукции ,которая в силу закона электромагнитной индукции стремится сгладить пульсации тока в цепи нагрузки, а следовательно, и пульсации напряжения на ее зажимах. Индуктивные фильтры обычно применяют в схемах выпрямления с большими значениями выпрямленного тока, так как в этом случае увеличивается эффективность сглаживания.
О-Е
В тех случаях, когда необходимо применение выпрямительного устройства с регулируемым значением выпрямленного напряжения, используют управляемые выпрямители с тиристорами, являющимися управляемыми полупроводниковыми приборами, имеющими три перехода (рис. 7.9, а, б). Под действием прямого приложенного напряжения два крайних из них открыты, а средний — закрыт. Под действием управляющего тока средний р-п - переход открывается и тиристор в прямом направлении проводит электрический ток как обычный полупроводниковый диод. При смене полярности приложенного к тиристору напряжения первоначальное (закрытое) состояние среднего р-п -перехода восстанавливается и протекание тока в цепи тиристора прекращается.
Рис. 7.9
Изменяя управляющий ток I упр, можно менять момент открывания тиристора во времени, а следовательно, напряжение включения Uвкл и изменять выпрямленный ток и напряжение на нагрузке.
.При этом постоянную составляющую напряжения на нагрузке или среднее значение выпрямленного напряжения 
с учетом выражения для тока 
определяют из соотношения
Выражая среднее значение выпрямленного напряжения через действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, имеем
тока или напряжения в выходной цепи выпрямителя: q 
.Поэтому при выборе диода для схемы однополупериодного однофазного однотактного выпрямления необходимо, чтобы максимально допустимое
.
При этом, так же как и для схемы однополупериодного выпрямления, наряду с переменными составляющими гармонический ряд содержит и постоянную составляющую тока
. Постоянная составляющая напряжения на нагрузке (среднее значение выпрямленного напряжения)
где
— максимальное (амплитудное) значение выпрямленного тока; 
- амплитудное значение напряжения половины вторичной обмотки трансформатора.
Выражая среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке через действующее значение напряжения на половине вторичной обмотки трансформатора, получаем 
Максимальное значение обратного напряжения на диодах в рассматриваемой схеме 
(см. рис. 7.5).
Значение максимального обратного напряжения при одинаковом выпрямленном напряжении Ud для мостовой схемы (см. рис. 7.6) также оказывается в два раза меньше, чем для однотактной двухполупериодной схемы выпрямления (см. рис. 7.4).
Рассмотренные схемы выпрямления имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания большей части электронной аппаратуры требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсации, не превышающим значений q=0,002—0,02.
,которая в силу закона электромагнитной индукции стремится сгладить пульсации тока в цепи нагрузки, а следовательно, и пульсации напряжения на ее зажимах. Индуктивные фильтры обычно применяют в схемах выпрямления с большими значениями выпрямленного тока, так как в этом случае увеличивается эффективность сглаживания.
перехода (рис. 7.9, а, б). Под действием прямого приложенного напряжения два крайних из них открыты, а средний — закрыт. Под действием управляющего тока средний р-п - переход открывается и тиристор в прямом направлении проводит электрический ток как обычный полупроводниковый диод. При смене полярности приложенного к тиристору напряжения первоначальное (закрытое) состояние среднего р-п -перехода восстанавливается и протекание тока в цепи тиристора прекращается.
