Выпрямление переменного тока – один из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и генератором постоянного тока.
Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямления переменного тока.
Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 17а. В ней последовательно соединены генератор переменной ЭДС (е), диод Д и нагрузочный резистор Rн,который можно включать также и в другой провод, как показано штрихами. Эта схема называется однополупериодной. Правильнее было бы называть ее однофазной однотактной, так как генератор переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, двухтактные и др.), как правило, представляют собою комбинацию нескольких однофазных однотактных схем.
В выпрямителях для питания РЭА генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 17 б). Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора Rн,т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются от выпрямителя. При выпрямлении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемников генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а нагрузкой – резистор с большим сопротивлением.
Рис. 17. Схемы выпрямителя Рис. 18. Принцип работы
с полупроводниковым диодом простейшего выпрямителя
Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусоидальную ЭДС е = Етsin ωt и его внутренним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе Rнпадение напряжения uR. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и uR= 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе Rн выпрямленное напряжение. Проследив направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода – минус.
Графики на рис. 18 наглядно иллюстрируют процессы в выпрямителе. Переменная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой Ет(рис. 18а). Как правило, сопротивление нагрузки во много раз больше сопротивления диода, и тогда нелинейностью диода можно пренебречь (рабочая характеристика близка к линейной). В этом случае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением Imax (рис. 18б). Этот же график тока в другом масштабе изображает выпрямленное напряжение uR, так как uR= i Rн. Достаточно умножить значения тока на Rн, чтобы получить кривую напряжения.
График на рис. 18в изображает напряжение на диоде. Иногда ошибочно его считают синусоидальным или отождествляют с напряжением источника переменной ЭДС. На самом же деле это напряжение имеет несинусоидальную форму. У него амплитуды положительных и отрицательных полуволн резко неодинаковы. Амплитуда положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе Rн, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае
Uпр max = Em – URmax<< Em. (25)
Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1 – 2 В.
При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе Rн равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.
Выпрямленное напряжение с пульсациями, как правило, непригодно для практических целей. Простейший метод сглаживания пульсаций – применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой емкости, шунтирующего резистор нагрузки Rн(см. рис. 18б). Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.
Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:
<< Rн . (26)
В течение некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Еm. В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку Rни создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.
Заряд конденсатора через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. Разряд на большое сопротивление нагрузки совершается гораздо медленнее. Вследствие этого напряжение на конденсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно.
<< Rн . (26)