Однополупериодный и двухполупериодный выпрямители

Свойство односторонней проводимости перехода лежит в основе работы выпрямительных диодов, используемых для выпрямления переменных (в том числе гармонических) сигналов. Простейшая схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 7. Последовательно с диодом VD подключается фильтрующая емкость (конденсатор) С, а параллельно ей – сопротивление нагрузки R_н.

Рис. 7. Электрическая схема однополупериодного

выпрямителя

Пусть сначала на вход этой цепи подается гармоническое (синусоидальное) напряжение u_вх при отключенной емкости (ключ Кл разомкнут). Тогда за счет односторонней проводимости диода на нагрузке R_н будут выделяться только положительные полуволны (напряжение U_н, см. временную диаграмму рис. 8). Отсюда название данного выпрямителя.

Рис. 8. Временная диаграмма работы однополупериодного

выпрямителя

Во время действия положительной полуволны входного синусоидального сигнала диод будет прямо смещенным, его дифференциальное сопротивление будет очень маленьким, поэтому через него будет протекать ток и все входное напряжение будет падать на R_н. Во время действия отрицательной полуволны синусоиды диод будет находиться в запертом состоянии, ток через него проходить практически не будет, входное напряжение будет падать на диоде, а на R_н оно будет практически равно нулю.

При подключении емкости С (ключ Кл замыкается), она будет во время действия восходящего участка каждой полуволны заряжаться примерно до амплитудного значения синусоиды U_max. Далее будет происходить ее частичный разряд через сопротивление R_н до напряжения U_min (см. рис. 8), а во время действия следующей полуволны – снова дозаряд до U_max и т.д. Таким образом, на сопротивлении нагрузки будет иметь место практически постоянное напряжение, имеющее некоторые пульсации. Они происходят относительно некоторого среднего значения U_ср = (U_max + U_min) / 2 (рис. 8). При этом через сопротивление нагрузки будет протекать соответствующий средний ток I_ср = U_ср / R_н.

Для характеристики этих пульсаций вводится коэффициент пульсаций k_п, который в общем случае определяется по формуле:

k_п = ΔU_п / U_ср, (11)

где ΔU_п = U_max – U_min (см. рис. 8).

Величина пульсаций прямо пропорциональна среднему току через нагрузку I_ср и обратно пропорциональна значению действующего напряжения на входе выпрямителя, частоте этого напряжения f и емкости конденсатора С. Для однополупериодного выпрямителя формула для определения коэффициента пульсаций в этом случае имеет вид:

k_п = 0,71 [I_ср / (U_д·f·C)]. (12)

Пульсации являются отрицательным фактором, влияющим на качество работы выпрямителя, поэтому на практике их стремятся свести к минимуму. Согласно (12), достигнуть этого можно, например, увеличением емкости конденсатора С и увеличением частоты входного напряжения f, поскольку они не определяют выходные электрические параметры выпрямителя.

Уменьшить величину пульсаций выходного напряжения выпрямителя и, таким образом, повысить его качество, позволяет также использование обеих полуволн синусоидального входного напряжения, сделав их одной полярности. Получить это позволяет схема двухполупериодного выпрямителя. Вариант такой схемы приведен на рис. 9, а соответствующие временные диаграммы ее работы – на рис. 10.

Рис. 9. Электрическая схема двухполупериодного

выпрямителя

Рис. 10. Временная диаграмма работы двухполупериодного

выпрямителя

Схема работает по тому же принципу, что и описанный выше однополупериодный выпрямитель. Включение диодов VD1–VD4, показанное на рис. 9, позволяет преобразовать отрицательные полуволны входного напряжения в положительные, как это показано на рис. 10 (при этом ключ Кл на рис. 9 разомкнут). Таким образом, частота следования положительных полуволн удваивается, величина пульсаций на сопротивлении нагрузки (Кл замкнут) при этом уменьшается в два раза, что приводит к уменьшению в два раза числового коэффициента в формуле (12). Поэтому формула для определения k_п в случае двухполупериодного выпрямителя приобретает вид:

k_п = 0,36 [I_ср / (U_д·f·C)]. (13)

На практике двухполупериодные выпрямители получили более широкое распространение, чем однополупериодные.