Диодный выпрямитель — это схемотехническое решение на базе полупроводниковых диодов, главной функцией которой является преобразование напряжения. Например, выпрямительные диоды могут применяться в схемах детекторных приёмников для детектирования (преобразование высокочастотного электрического колебания в колебания низкой частоты) сигнала.
Очевиднейшим применением выпрямительного диода, исходя из его названия, является «выпрямление» переменного напряжения, то есть превращение переменного напряжения в постоянное. Именно в таком ключе и рассмотри в данной статье выпрямительный диод.
В общих чертах о полупроводниковом диоде можно прочесть в статье «Полупроводниковый диод». Вообще, разновидностей диодов великое множество: выпрямительные, стабилитроны, супрессоры, варикапы, туннельные диоды, фотодиоды, светодиоды, оптроны. Всех их отличает друг от друга сфера применения и вольт-амперная характеристика (ВАХ) — зависимость тока, протекающего элемент, от напряжения на этом элементе. В процессе развития полупроводниковой компонентной базы проводились эксперименты с различными сочетаниями и комбинациями p-n-переходов, получая новые характеристики ВАХ. Именно по ним наиболее наглядно можно получить представление о работе того или иного полупроводникового диода.
Для наглядности будем знакомиться с выпрямительными диодами на примере диода модели 1N4007.
Ниже представлен фрагмент из документации (datasheet) к семейству диодов 1N400X:
В соответствии с представленным документом, выпрямительный диод модели 1N4007 имеет следующие базовые характеристики, на которые в первую очередь необходимо обращать внимание:
1) Обратное максимальное напряжение (пиковое значение) Uобр (Vrrm) — 1000 В.
Это та величина напряжения, которое диод выдерживает при обратном включении, при этом через диод будет протекать обратный ток Iобр (Ir).
2) Максимальный обратный ток Iобр (Ir) — 30 мкА.
3) Максимальный прямой ток Iпр (If) — 1 А.
Это та предельная величина тока, которая может длительно протекать через диод в прямом включении.
4) Максимальное среднеквадратичное значение напряжения Urms — 700 В.
Эта то максимальное действующее/среднеквадратичное/эффективное значение переменного напряжения, которое можно прикладывать к диоду в прямом включении.
5) Максимальное (пиковое) значение постоянного напряжения Vdc — 1000 В.
Эта та величина постоянного напряжения, которое можно прикладывать к диоду в прямом включении.
Как увеличивается напряжение после выпрямителя при наличии сглаживающего конденсатора, и как падает
Данный график показывает, как меняется величина тока, протекающего через диод, при изменении величины и полярности прикладываемого напряжения.
В правой части графика видно, что в прямо включении диода величина тока резко возрастает при совсем малых значениях напряжения. Ведь для кремниевых диодов уровень отпирающего напряжения составляет примерно 0,6 В, после чего диод практически не оказывает значимого сопротивления току.
Левая часть графика соответствует обратному включению диода. Видно, что уровень тока очень мал (обратный ток Iобр) в весьма широком диапазоне напряжений (обратное напряжение Uобр max). Как только величина обратного напряжения превышает максимальное значение (Uпроб), так сразу же резко возрастает обратный ток, что приводит к пробою диода.
Перейдём к практике. Рассмотрим работу диода в качестве выпрямителя. Существует три схемы выпрямителей: однополупериодный, двухполупериодный и мостовой.
ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
Для примера возьмём простую схему, представленную на рисунке 4. Есть некий источник синусоидального переменного напряжения (например, понижающий трансформатор). Подключим к нему один диод, а в качестве нагрузки подключим резистор R1, с которого будем снимать сигнал на осциллограф P1.
Для наглядности представленная схема в собранном виде изображена на фотографии ниже.
На первичную обмотку понижающего линейного трансформатора подаётся сетевое напряжение 220 В. На рисунке 5 видно, что щупы осциллографа подключены ко вторичной обмотке трансформатора. Соответственно, на экране осциллографа видна форма сигнала с выхода трансформатора — синусоида со среднеквадратическим значением (действующее значение, эффективное значение) напряжения 10,33 В.
Подключим щупы осциллографа к выводам резистора (см. рис.6).
На экране осциллографа будет изображена форма сигнала после выпрямительного диода (см. рис.7).
Как видно из осциллограммы, положительная полуволна входного переменного напряжения проходит через диод, так как в этом случае (прямое включение) диод открыт. Уровень напряжения на нагрузочном резисторе, с которого снимается сигнал, практически равен входному и сигнал совпадает по форме (верхняя полуволна), но амплитуда немного ниже из-за падения напряжения на диоде. В течение отрицательной полуволны диод будет заперт, а потому через нагрузочный резистор ток не будет протекать, следовательно, напряжение на нём не падает, из-за чего на осциллограмме и не видно отрицательной полуволны, она как бы «срезана».
На рисунке 8 представлены графики, иллюстрирующий процесс работы однополупериодного выпрямителя.
Среднее значение Uср выпрямленного напряжения определяется следующим выражением:
где Uвх — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.
Интегрирование выполняется в интервале от 0 до π, поскольку выходное напряжение отлично от 0 только в течение половины периода (π = 90̊ ), ведь вторая половина периода сигнала «обрезана» выпрямительным диодом.
Для нашего примера, как было указано ранее, действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя равно 10,33 В. Значит, Среднее значение выпрямленного напряжения будет равно Uср = 4,64 В.
Оценить качество работы выпрямителя можно численно посредством специального коэффициента — коэффициента выпрямления.
Коэффициент выпрямления — это отношение среднего значения выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения на входе выпрямителя:
Для нашего примера коэффициент выпрямления равен 0,158. Это очень маленькое значение. Качественные выпрямители имеют коэффициент несколько сотен или даже тысяч единиц. Но более наглядно качество выпрямителя показывает коэффициент пульсаций.
Коэффициент пульсаций Kп — это отношение амплитудного значения (максимальной величины) переменной компоненты (основной гармоники) пульсирующего напряжения к среднему значению (постоянной составляющей) выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций определяется следующим выражением:
Значение коэффициент весьма мало, что говорит о крайне низкой эффективности однополупериодной схемы выпрямителя. Для сглаживания таких пульсаций потребуется емкостной фильтр. Чем больше нагружен такой выпрямитель, тем больше потребуется величина ёмкости фильтрующего конденсатора, что в некоторых случаях может быть попросту нецелесообразно.
Кроме весьма низкой неэффективности однополупериодного выпрямителя, данная схема имеет ещё один существенный недостаток. Если источником напряжения для выпрямителя является вторичная обмотка трансформатора, то из-за постоянного тока создаётся подмагничивание сердечника этого трансформатора, поскольку ток во вторичной обмотке протекает только в одном направлении. Подмагничивание сердечника вызывает его насыщение, из-за чего ток во вторичной обмотке не компенсируется током первичной обмотки. Величина тока первичной обмотки сильно повышается, из-за чего провод обмотки может перегреться, а это, в свою очередь, вызовет разрушение межвитковой изоляции, что, в конечном счёте, приведёт к короткому замыканию первичной обмотки трансформатора. Однако, это в том случае, если однополупериодный выпрямитель будет сильно нагружен, то есть ток во вторичной обмотке будет весьма большим (более 100 мА).
Однополупериодный выпрямитель.
Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.
Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.
Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.
Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.
Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.
К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.
Двухполупериодные выпрямители.
Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.
Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.
Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.
Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.
Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.
Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.
Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.
О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop — VF). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x VF, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.
Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.
Обозначение диодного моста и схема подключения
Так как мост из диодов может быть построен по различным схемам, а элементов в нём содержится немного, то в большинстве случаев обозначение выпрямительного узла производят, просто рисуя его принципиальную схему. Если это неприемлемо – например, в случае построения блок-схемы – то мост указывается в виде символа, которым указывают любой преобразователь переменного напряжения в постоянное:
Литера «~» означает цепи переменного тока, символ «=» – цепи постоянного тока, а «+» и «-» – выходную полярность.
Если выпрямитель построен по классической мостовой схеме из 4 диодов, то допускается немного упрощенное изображение:
Подключается вход выпрямительного блока к выходным терминалам источника переменного тока (в большинстве случаев им служит понижающий трансформатор) без соблюдения полярности – любой выходной вывод подключается к любому входному. Выход моста подключается к нагрузке. Она может требовать соблюдения полюсности (включая стабилизатор, сглаживающий фильтр), а может и не требовать.
Диодный мост может быть подключен к источнику постоянного напряжения. В этом случае получается схема защиты от непреднамеренной переполюсовки – при любом подключении входов моста к выходу блока питания, полярность напряжения на его выходе не изменится.
Основные технические характеристики
При выборе диодов или готового моста в первую очередь надо смотреть на наибольший рабочий прямой ток. Он должен с запасом превышать ток нагрузки. Если эта величина неизвестна, а известна мощность, её надо пересчитать в ток по формуле Iнагр=Pнагр/Uвых. Для увеличения допустимого тока полупроводниковые приборы можно соединять параллельно – наибольший ток нагрузки делится на количество диодов. Диоды в одной ветви моста в этом случае лучше подобрать по близкому значению падения напряжения в открытом состоянии.
Второй важный параметр – прямое напряжение, на которое рассчитан мост или его элементы. Оно не должно быть ниже выходного напряжения источника переменного тока (амплитудного значения!). Для надежной работы устройства надо взять запас в 20-30%. Для увеличения допустимого напряжения диоды можно включать последовательно – в каждое плечо моста.
Этих двух параметров достаточно для предварительного решения об использовании диодов в выпрямительном устройстве, но надо обратить внимание и на некоторые другие характеристики:
- максимальная рабочая частота – обычно несколько килогерц и для работы на промышленных частотах 50 или 100 Гц значения не имеет, а если диод будет работать в импульсной схеме, этот параметр может стать определяющим;
- падение напряжения в открытом состоянии у кремниевых диодов составляет около 0,6 В, что неважно для выходного напряжения, например, в 36 В, но может быть критичным при работе ниже 5 В – в этом случае надо выбирать диоды Шоттки, которые характеризуются низким значением этого параметра.
Чем можно заменить диодный мост-сборку
Вместо диодного моста, собранного в одном корпусе, можно впаять в схему 4 кремниевых выпрямительных диода или 4 полупроводника Шоттки. Однако вариант диодной сборки более эффективен, благодаря:
- меньшей площади, занимаемой сборкой на схеме;
- упрощению работы сборщика схемы;
- единому тепловому режиму для всех четырех полупроводниковых устройств.
У такого схемотехнического решения есть и минус – в случае выхода из строя хотя бы одного полупроводника придется заменять всю сборку.
Для чего нужен диодный мост в генераторе автотехники
Это схемотехническое решение используется в электрических схемах автомобилей и мотоциклов. Диодный мост, устанавливаемый на генераторе переменного тока, нужен для преобразования вырабатываемого им переменного напряжения в постоянное. Постоянный ток служит для подзарядки АКБ и питания всех электропотребителей, имеющихся в современном транспорте. Требуемая мощность полупроводников в мостовой схеме определяется номинальным током, вырабатываемым генератором. В зависимости от этого показателя, полупроводниковые приборы разделяют на следующие группы по мощности:
- маломощные – до 300 мА;
- средней мощности – от 300 мА до 10 А;
- высокомощные – выше 10 А.
Для автотехники обычно применяют мосты из кремниевых диодов, способных отвечать эксплуатационным требованиям в широком температурном диапазоне – от -60°C до +150°C.
Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде.
Разберем схему работы простейшего выпрямителя, которая изображена на рисунке:
На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD).
При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).
При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).
В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока.
Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.
Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным.
Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.
Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости.
Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.
Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим.
В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.
Диодный мост.
Диодный мост – это небольшая схема, составленная из 4-х диодов и предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный. В отличие от однополупериодного выпрямителя, состоящего из одного диода и пропускающего ток только во время положительного полупериода, мостовая схема позволяет пропускать ток в течение каждого полупериода. Диодные мосты изготавливают в виде небольших сборок заключенных в пластмассовый корпус.
Из корпуса сборки выходят четыре вывода напротив которых расположены знаки «+», «—» или «~», указывающие, где у моста вход, а где выход. Но не обязательно диодные мосты можно встретить в виде такой сборки, их также собирают включением четырех диодов прямо на печатной плате, что очень удобно.
Например. Вышел из строя один из диодов моста, если будет стоять сборка, то ее смело выкидываем, а если мост будет собран из четырех диодов прямо на плате — меняем неисправный диод и все готово.
На принципиальных схемах диодный мост обозначают включением четырех диодов в мостовую схему, как показано в левой части нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моста.
Такое графическое обозначение моста можно встретить еще в старых журналах по радиотехнике. Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мост обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярность выходного напряжения.
Теперь рассмотрим работу диодного моста на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.
Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение поступает на вход диодного моста. Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки возникает положительный полупериод напряжения, ток идет через диод VD3, нагрузку Rн, диод VD2 и к нижнему выводу вторичной обмотки (см. график а). Диоды VD1 и VD4 в этот момент закрыты и через них ток не идет.
В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем (по схеме) выводе вторичной обмотки, ток идет через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и к верхнему выводу вторичной обмотки (см. график б). В этот момент диоды VD2 и VD3 закрыты и ток через себя не пропускают.
В результате мы видим, что меняются знаки напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (см. график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными.
И в заключении отметим, что работа двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однопериодным получается намного эффективней:
1. Удвоилась частота пульсаций выпрямленного тока;
2. Уменьшились провалы между импульсами, что облегчило задачу сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя;
3. Среднее значение напряжения постоянного тока примерно равно переменному напряжению, действующему во вторичной обмотке трансформатора.
А если такой выпрямитель дополнить фильтрующим электролитическим конденсатором, то им уже смело можно запитывать радиолюбительскую конструкцию.
Ну вот, мы с Вами практически и закончили изучать диоды. Конечно, в этих статьях дано далеко не все, а только основные понятия, но этих знаний Вам уже будет достаточно, чтобы собрать свою радиолюбительскую конструкцию для дома, в которой используются полупроводниковые диоды.
А в качестве дополнительной информации посмотрите видеоролик, в котором рассказывается, как проверить диодный мост мультиметром.
1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н., Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.
3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К — Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» — 4-е изд. перераб. и доп. 1987г.
Однополупериодный выпрямитель
Схема выпрямителя с конденсатором также считается одной из наиболее простых. Она выглядит следующим образом:
Как можно увидеть на схеме, выпрямитель переменного электрического тока с конденсатором снабжен еще трансформатором, позволяющим получать нужное напряжение. На этом этапе оно остаётся переменным, но меняет амплитуду. Выпрямительное действие основано на работе диода и конденсатора. На обкладки конденсатора попадают только положительные полупериоды синусоиды, поскольку отрицательные не проходят через диод.
На верхнем графике изображена синусоида напряжения, поступающего в выпрямитель на представленной схеме. На нижнем показано, каким будет это напряжение в результате прохождения через диод.
Заряд на обкладках конденсатора растёт при увеличении напряжения. При его уменьшении до нуля он начинает стекать, компенсируя скачки. На выход поступает постоянное напряжение. В схеме применяют для этой цели электролитический конденсатор с большой емкостью. Считается, что лучшие преобразователи для бытовой аппаратуры должны иметь ёмкость не меньше 2200 микрофарад.
Двухполупериодный выпрямитель
Рассматриваемый выпрямитель — это довольно сложное устройство, в схему которого включен трансформатор с двумя вторичными обмотками. Такой преобразователь позволяет использовать не только положительные полупериоды, но и отрицательные.
Выпрямитель со средней точкой работает следующим образом: входное напряжение изменяется по синусоидальному закону. Во время положительного полупериода выпрямление тока будет происходить с использованием того диода, который расположен в верхней части схемы (В1), а при отрицательном — в нижней части (В2).
На нижнем графике показано, какое напряжение образуется после прохождения диодов. Оно не будет принимать отрицательных значений. Теперь его необходимо сгладить. Это выполняется с помощью мощного конденсатора аналогично тому, как реализовано в однополупериодном выпрямителе. Полупроводниковый двухполупериодный выпрямитель обеспечивает на выходе схемы постоянное напряжение со сглаженным сигналом.
2. Выпрямительные устройства
Выпрямители входят во все структурные схемы ИВЭП, если на выходе требуется получить постоянное напряжение. Рассмотрим работу однофазных выпрямителей при чисто активном характере нагрузки и при условии идеальности диодов и трансформатора.
1. Однополупериодный выпрямитель. Наиболее простой является схема однополупериодного выпрямителя (рис. 27.3). В этой схеме ток через вентиль и сопротивление нагрузки Rн проходит только в положительные полупериоды напряжения, создаваемого вторичной обмоткой трансформатора. В отрицательные полупериоды это напряжение запирает диод. Ток в нагрузке (заштрихован) имеет импульсный характер, а его постоянная составляющая Iн представляет собой среднее значение тока, протекающего за период, и создает на нагрузке постоянную составляющую напряжения:
, (27.6)
где U2m и U2 амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения вторичной обмотки.
По заданному напряжению на выходе выпрямителя из соотношения (27.6) можно найти величину напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а затем вычислить необходимый коэффициент трансформации, т.е. отношение чисел витков первичной и вторичной обмоток трансформатора W1 / W2 =U1 / U2, необходимый для проектирования.
В отрицательный полупериод к запертому диоду приложено обратное напряжение
Uобр = U2m = Uн, (27.7)
т.е. в три с лишним раза больше, чем постоянное напряжение Uн, поэтому диод выбирают так, чтобы его допустимое обратное напряжение удовлетворяло условию Uобр доп Uн, а допустимый прямой ток условию Iср доп Iн.
Коэффициент пульсаций однополупериодного выпрямителя, рассчитанный по отношению действующих значений переменной составляющей выходного напряжения и номинального значения выходного напряжения (), очень велик, причем основная гармоника имеет частоту, равную частоте питающей сети. В сердечнике трансформатора возникает вынужденное намагничивание за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки, приводящее к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению КПД всего выпрямителя. По этим причинам однополупериодная схема выпрямления применяется редко, только при работе на высокоомную нагрузку в сочетании с емкостным фильтром.
2. Двухполупериодный выпрямитель. Если трансформатор выполнить с выводом от средней точки его вторичной обмотки, то можно осуществить двухполупериодное выпрямление по схеме рис. 27.4.
В положительный полупериод к нагрузке Rн через диод VD1 приложено напряжение 
с верхней половины вторичной обмотки, а в отрицательный через диод VD2 напряжение 
с нижней половины вторичной обмотки, поэтому ток через нагрузку протекает в оба полупериода. В этой схеме постоянная составляющая токаIн и напряжения Uн на нагрузке в два раза выше, чем в однополупериодной:
и 
. (27.8)
Оценим обратное напряжение на диоде. Когда проводит диод VD1, потенциал точки С почти не отличается от потенциала точки А и следовательно, к запертому в этот период диоду VD2 приложено обратное напряжение, равное разности потенциалов между точками А и В, наибольшее значение которого равно удвоенной амплитуде напряжения одного плеча вторичной обмотки Uобр= 2U2 m. Подставив U2 m из (27.8), получим обратное напряжение:
, (27.9)
т.е. такое же, как в однополупериодном выпрямителе, а ток, протекающий через каждый из диодов, Iср= Iн / 2.
В результате встречного направления магнитодвижущих сил постоянных составляющих токов вторичных полуобмоток в сердечнике трансформатора нет вынужденного намагничивания. Действующее значение тока, протекающего по вторичным обмоткам трансформатора, I2 = 0,785 Iн тоже в два раза меньше, чем в однополупериодной схеме, что позволяет уменьшить массу и габаритные размеры трансформатора, несмотря на две вторичные обмотки.
Коэффициент пульсаций двухполупериодного выпрямителя, рассчитанный по отношению действующих значений переменной составляющей выходного напряжения и номинального значения выходного напряжения (), свидетельствует о более сглаженной форме выпрямленного напряжения, которое легче поддается фильтрации.
3
.Мостовой выпрямитель. Можно получить еще один вариант двухполупериодного выпрямителя, если применить мостовую схему выпрямления (рис. 27.5), образованную четырьмя диодами VD1 VD4. Напряжение вторичной обмотки в положительный полупериод открывает диоды VD1и VD3, и от точки А к точке В по цепи VD1 RН VD3 протекает ток I1,3. В отрицательный полупериод напряжение U2 открывает диоды VD2 и VD4, и ток I2,4 течет от точки В к точке А по цепи VD2 Rн VD4, проходя по сопротивлению нагрузки в одном и том же направлении. Форма тока iн и напряжения uн на нагрузке такая же, как и в схеме рис. 27.4, поэтому постоянные составляющие тока Iн и напряжения Uн определяются выражениями (27.8). У этих схем по этой же причине совпадают значения среднего тока через диод Iср= Iн / 2 и коэффициента пульсаций 
.
Различия схем рис. 27.4 и рис. 27.5 относятся к обратному напряжению на диодах и действующему значению токов, протекающих во вторичных обмотках.
Найдем обратное напряжение, например, на диоде VD2 . При открытом диоде потенциал точки С близок к положительному потенциалу точки А обмотки трансформатора, а ее отрицательный потенциал (точка В) приложен к другому выводу диода VD2. Таким образом, обратное напряжение на диоде равно амплитуде напряжения вторичной обмотки Uобр = U2 m, т.е. в два раза меньше, чем в схеме выпрямителя со средней точкой.
Действующее значение тока, протекающего по вторичной обмотке трансформатора, I2 = 1,11 Iн выше, чем в двухполупериодной схеме.
Мостовой выпрямитель может применяться и без трансформатора. В этом случае напряжение сети переменного тока подается непосредственно к диагонали моста. Промышленность выпускает выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме (например, КЦ402).
Однофазные выпрямители обычно применяют в устройствах электропитания малой мощности (до 100 Вт), в устройствах электропитания средней (100 –1 000 Вт) и большой (более 1 000 Вт) мощности применяют трехфазные выпрямители.
Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом(рис. 27.6) содержит трехфазный трансформатор, обмотки которого соединены звездой, и три диода, включенные в каждую из фаз трансформатора последовательно с нагрузкой.
Начиная с момента времени t1 и до моментаt2ЭДС вторичной обмотки фазыа имеет наиболее положительное значение, и вентильVD1 остается открытым. С момента времениt2 наиболее положительное значение приобретает ЭДС фазыб, вследствие чего открывается вентильVD2и вступает в работу фазаб. С момента времениt3вступает в работу фазаси т.д.
Напряжение на выходе выпрямителя uн (t) в любой момент времени равно мгновенному значению ЭДС фазы вторичной обмотки, в которой вентиль открыт и, следовательно, выпрямленное напряжениеuн (t) представляется огибающей зависимости ЭДС фаз вторичных обмоток (рис. 27.6,б). Так как ток в нагрузке равен отношению выпрямленного напряжения к сопротивлению нагрузки, то в ином масштабе кривая uн (t) представляет собой кривую токаiн (t).
Таким образом, в идеальном выпрямителе, нагруженном на активное сопротивление, каждая фаза вторичной обмотки работает один раз за период в течение трети периода, причем ток в работающей фазе равен току нагрузки в любой момент времени. Поэтому ток в фазе а вторичной обмотки (рис. 27. 6,в) имеет форму прямоугольника с основаниемT/3, ограниченного сверху отрезком синусоиды, причем максимальное значение токаIдm= 1,21Iн.
Пульсации выходного напряжения значительно меньше, чем в однофазном выпрямителе (). К каждому из диодов на интервале закрытого состояния через соответствующий открытый диод прикладывается линейное напряжение вторичных обмоток трансформатора (рис. 27.6,г), причем максимальное значение обратного напряжения в 2,09 раза превышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения (Uобр m= 2,09Uн). Недостатком схемы, как и схемы однофазного выпрямителя, является вынужденное намагничивание сердечника трансформатора.
Т
рехфазный мостовой выпрямитель(иначе – схема Ларионова, рис. 27.7), несмотря на то что в нем используется в два раза больше диодов, по всем показателям превосходит рассмотренный выпрямитель с нейтральным выводом. Правую группу диодов схемы принято называть катодной, а левую – анодной. В мостовом выпрямителе одновременно пропускают ток два диода: один из катодной группы с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. На схеме нумерация диодов соответствует последовательности их вступления в работу. Выпрямленное напряжение имеет шестикратные пульсации переменной составляющей (рис. 27.7,б), хотя каждый диод работает треть периода (например, диодVD1сначала работает совместно с диодомVD6, а затем – совместно сVD2). При частоте первичной сети 50 Гц частота пульсаций на выходе выпрямителя составляет 300 Гц, что позволяет во многих случаях не использовать выходной фильтр или предъявить к нему значительно меньшие требования. Подсчет коэффициента пульсаций даетзначение 
. Обратное напряжение, прикладываемое к диодам в закрытом состоянии, по форме близко к форме обратного напряжения диодов схемы с нейтральным выводом, но по величине в два раза меньше (Uобр m = 1,045 Uн). В трехфазном мостовом выпрямителе нет вынужденного намагничивания сердечника трансформатора, так как ток в каждой вторичной обмотке протекает дважды за период, причем в противоположных направлениях.
