Выпрямитель представляет собой прибор, преобразующий переменный по величине и направлению ток в ток одного направления.
Простейший выпрямитель переменного тока состоит из трансформатора и полупроводникового диода (рис. 1.а). Для простоты будем считать трансформатор и диод идеальными, то есть у трансформатора активное сопротивление обмоток равно нулю, прямое сопротивление диода также равно нулю, а обратное сопротивление диода равно бесконечности (обратным током можно пренебречь).
На вход выпрямителя со вторичной обмотки трансформатора подается синусоидальное напряжение (рис. 1.б). В первый полупериод, когда на верхней (по схеме) точке обмотки положительный потенциал относительно нижней точки, диод открыт и через нагрузочный резистор протекает ток. Во второй полупериод (полярность напряжения указана в скобках) диод закрыт и ток в резисторе отсутствует. Таким образом, выходное напряжение (оно снимается с нагрузочного резистора) имеет форму половинок синусоиды (рис. 1.в). Оно называется пульсирующим.
Рис.1. Однополупериодный выпрямитель
Рассмотренный выпрямитель называется однополупериодным, поскольку в нем используются только половины каждого из периодов сетевого напряжения. Схема однополупериодного выпрямителя в практике применяется очень редко, поскольку получается большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (по сравнению с двухполупериодным выпрямителем при одинаковых сопротивлениях нагрузки).
В практике применяются двухполупериодные выпрямители. Они бывают мостовыми и с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.
Рис.2. Двухполупериодный выпрямитель на двух диодах
В двухполупериодных выпрямителях используются оба полупериода напряжения сети, поэтому они являются более эффективными, чем однополупериодные.
Рассмотрим работу двухполупериодного выпрямителя с двумя диодами и выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.а). Его можно рассматривать как совокупность двух однополупериодных выпрямителей, к которым подсоединен один и тот же резистор нагрузки.
Пусть в первый полупериод на верхней (по схеме) точке обмотки трансформатора оказался положительный потенциал относительно нижней точки и, соответственно, относительно средней точки. Тогда ток будет протекать от верхней точки обмотки через диод VD1 к выводу "+", через резистор нагрузки к выводу "-" и средней точке обмотки. Во второй полупериод на нижней (по схеме) точке обмотки окажется положительный потенциал относительно средней и верхней точки. Ток в этом случае будет протекать от нижней точки обмотки через диод VD2 к выводу "+", через резистор нагрузки к выводу "-" и средней точке вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, ток через резистор все время протекает в одном направлении и на выходе получается форма напряжения, изображенная на рис. 2.в. Входное напряжение изображено на рис. 2.б.
Недостатком рассмотренного выпрямителя является то, что в каждый из полупериодов напряжение снимается только с половины вторичной обмотки трансформатора. Более экономичным является двухполупериодный выпрямитель, собранный на четырех диодах (рис. 3.а). Эта схема называется мостовой, поскольку в ней применен диодный мост. К одной из диагоналей моста присоединяют вторичную обмотку трансформатора, а к другой - нагрузочный резистор. Иногда на схемах диодный мост изображают с помощью одного диода (рис. 3.б).
Рис.3. Двухполупериодный выпрямитель на четырёх диодах
В положительный полупериод сетевого напряжения (сверху по схеме на обмотке "+", снизу "-") ток протекает от верхней точки обмотки через диод VD2 к клемме "+", через резистор нагрузки к клемме "-", через диод VD4 к нижней точке обмотки. В отрицательный полупериод сетевого напряжения (полярность показана в скобках) ток протекает от нижней точки обмотки через диод VD3 к клемме "+", через резистор нагрузки к клемме "-", через диод VD1 к верхней точке обмотки. Таким образом, каждая пара диодов работает поочередно и оба полупериода ток через резистор нагрузки имеет одно и то же направление.
Для питания операционных усилителей необходимо иметь два источника питания разной полярности, имеющих общую точку. На рис. 3.в показана схема выпрямителя, обеспечивающего двухполупериодное выпрямление каждого из напряжений на резисторах Rн1, Rн2.
Выпрямленное напряжение, получаемое на выходе всех рассмотренных типов выпрямителей, является пульсирующим; в нем можно выделить постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения - это среднее значение напряжения за период. Коэффициент пульсаций - это отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения к постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Для нормальной работы большинства электронных устройств необходимо, чтобы пульсации напряжения были как можно меньше. Поэтому на выходе выпрямителей достаточно часто устанавливают сглаживающие фильтры, уменьшающие пульсации выпрямленного напряжения.
Рис. 4. Ёмкостной фильтр
Основными элементами фильтров служат конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. В зависимости от используемых элементов различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры.
Простейшим емкостным фильтром служит конденсатор, включаемый параллельно резистору нагрузки. Рассмотрим, как изменится выходное напряжение при использовании такого фильтра в однополупериодном выпрямителе (рис. 4.а). В интервал времени Δt положительного полупериода сетевого напряжения конденсатор через открытый диод заряжается в полярности, указанной на схеме. Когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора становится меньше напряжения, до которого зарядился конденсатор, он начинает разряжаться через нагрузочный резистор. Причем направление разрядного тока совпадает с направлением тока, протекающего в резисторе через открытый диод. В следующий положительный полупериод конденсатор через открытый диод снова заряжается и процессы разрядки повторяются. Тем самым заполняются паузы в токе, протекающем через резистор, и пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются (рис. 4.в).
Фильтром с индуктивным входом называется фильтр, на входе которого последовательно с нагрузкой включен дроссель. Рассмотрим фильтр в простейшей схеме, представленной на рис. 5. Индуктивность накапливает энергию в виде магнитного поля в периоды, когда ток в цепи нарастает, и отдает энергию в цепь, когда ток исчезает.
Таким образом, индуктивность противодействует резким изменениям тока в цепи. Благодаря действию индуктивности фильтра постоянная составляющая выпрямленного колебания увеличивается, а пульсации уменьшаются. Эффективность фильтра тем больше, чем больше индуктивность. Однако увеличение индуктивности приводит к значительному увеличению габаритных размеров дросселя.
Рис. 5. Выпрямитель с простым индуктивным фильтром (а) и форма напряжения на выходе (б): 1 — форма выходного напряжения; 2 — постоянная составляющая выходного напряжения
В выпрямителях так же применяются емкостно - индуктивные, емкостно - резистивные и электронные фильтры. Простейшие варианты схем таких фильтров приведены на рис. 6.а, б, в соответственно. Емкостно- резистивные фильтры в настоящее время применяются очень редко и при очень небольших токах нагрузки.
Рис. 6. Простейшие варианты фильтров.
Для фильтрации выпрямленного напряжения достаточно часто используются электронные фильтры. Схема простого активного фильтра с транзистором показана на рис. 6.в. Транзистор работает в схеме эмиттерного повторителя. Сопротивление нагрузки включено в цепь эмиттера. Подавление пульсаций осуществляется делителем, образованным большим сопротивлением коллектор — эмиттер (для переменной составляющей) и небольшим входным сопротивлением емкостного характера. Благодаря этому конденсатор С2, включенный в цепь базы транзистора, преобразуется в цепь эмиттера емкостью, примерно в К1Э раз большей. Коэффициент К1Э для обсуждаемой схемы и типового транзистора составляет обычно 100. При использовании конденсатора С2 емкостью 100 мкФ достигается фильтрующее действие, соответствующее конденсатору с емкостью 10000 мкФ.
