Лекция 5. Выпрямители

Для получения постоянных токов более 1 – 10 мА используют принцип преобразования переменного тока в постоянный. Устройства, в которых осуществляется такое преобразование, называются выпрямителями. Существует много различных схем выпрямителей, например, однополупериодная, двухполупериодная, мостиковая схемы. Основным элементом всех схем выпрямителей является нелинейный элемент (диод, вентиль). В настоящее время в качестве нелинейных элементов в схемах выпрямителей применяются полупроводниковые элементы на основе селена, германия или кремния. Обратное напряжение отдельного полупроводникового диода невысоко (селеновые шайбы – 45 – 65 В, германиевые диоды – 300 – 500 В, кремниевые – 1 – 2 кВ) и поэтому для самых высоких напряжений используют цепочки последовательно соединенных диодов (выпрямительные столбы). Наличие большого числа последовательно соединённых диодов приводит к необходимости выравнивать обратное напряжение на каждом из диодов. Для выравнивания напряжения используют цепочки сопротивлений и конденсаторов, подключаемых параллельно диодам. Селеновые диоды, изготовленные в виде шайб, имеют довольно большую ёмкость запорного слоя и сравнительно большие токи утечки. При изготовлении выпрямительных столбов из них, число элементов доходит до нескольких сотен и даже тысяч элементов. Принудительного выравнивания обратного напряжения в этом случае не требуется. Предельная плотность тока селенового диода составляет 0,1  0,5 А/см². Поэтому, отдельный селеновый выпрямительный столб имеет небольшой выпрямленный ток, который составляет единицы или десятки миллиампер. Для получения больших токов требуется параллельное соединение нескольких таких выпрямительных столбов. Технические данные выпрямительных столбов и некоторых кремниевых диодов приведены в таблице П3.

Переменное напряжение после прохождения через выпрямитель оказывается пульсирующим и требует сглаживания. Для сглаживания пульсаций на выходе из выпрямителя ставятся сглаживающие фильтры. Обычно фильтры состоят из конденсаторов, подключаемых параллельно выходу выпрямителя и индуктивностей (дросселей), включаемых последовательно. Минимальное число элементов фильтра – один конденсатор. При увеличении числа элементов коэффициент пульсаций уменьшается.

Однокаскадные схемы выпрямления

Чтобы преобразовать периодически меняющееся напряжение в постоянное напряжение, необходимы три элемента (рис. 2.6,а): источник переменного напряжения u₁(t), выпрямитель VD (диод), работающий в качестве переключателя напряжения, и конденсатор C, накапливающий заряд. При этом неважно, является ли напряжение синусоидальным или содержит высшие

гармоники. Каждый из этих трех элементов схемы принципиально может иметь заземленную точку, и изменение во времени снимаемого напряжения зависит от выбора точек съема. При получении высокого напряжения целесообразно проводить заземление точек 1 или 2 источника переменного напряжения, в качестве которого обычно используется трансформатор высокого напряжения со слабой на одном конце изоляцией относительно заземленных сердечника или первичной обмотки. Если заземлена точка 2, требуется дополнительная изоляция источника переменного напряжения.

Схема без нагрузки. Для понимания любых схем выпрямления важно уяснить, как изменяются напряжения на всех трех элементах во времени, при этом диод считается идеальным коммутатором.

При заземлении точки 1 получается хорошо известная в технике низких напряжений и широко применяемая во многих электронных устройствах однополупериодная схема. На рис.2.6 показаны изменения во времени напряжений U₁ (напряжение между точками 1-2), U_c (напряжение между точками 1-3) и U_д (напряжение между точками 3-2), а также тока через диод I_д в случае включения схемы на идеальное синусоидальное напряжение. В схеме без нагрузки ток проходит через диод только в период нарастания напряжения в первый полупериод. После достижения максимального напряжения конденсатор полностью заряжен и при дальнейшем уменьшении напряжения диод оказывается заперт. На конденсаторе остается постоянное напряжение U_C, если не меняется максимальное значение переменного напряжения во времени и конденсатор не разряжается. Напряжение на диоде U_д является синусоидальным (с колебаниями вокруг напряжения U_C) пульсирующим с двойной амплитудой пульсаций. Выходным напряжением этой схемы является выпрямленное напряжение U_C.

При заземлении точки 2 изменение напряжений во времени показаны на рис.2.6а. Потенциал точки 2 равен нулю. Эта схема, в которой выходным напряжением является U_д, называется схемой удвоения и является существенной частью каскадных схем. Сглаживание пульсирующего напряжения невозможно, так как при параллельном включении диода и конденсатора теряются выпрямительные свойства схемы.

В обоих вариантах схемы воздействующее на диод напряжение одинаково, на конденсаторе напряжение равно амплитудному U_C = U_М, а обратное напряжение диода равно удвоенному амплитудному 2U_M.

Схема с нагрузкой. При нагрузке однополупериодного выпрямителя (рис.2.6б) в выходном напряжении содержатся пульсации, так как через нагрузку R протекает ток I, который обеспечивается током источника переменного напряжения лишь в течение короткого времени  (рис.2.6). Выходное напряжение U_C изменяется в пределах от U_М до U_М ‑ 2U. Пульсации выходного напряжения могут быть уменьшены при увеличении частоты питающего напряжения f и при ёмкости C.

При практическом определении параметров устройств высокого напряжения с такой схемой необходимо также учитывать падение напряжения как на диоде, так и в трансформаторе. Технические характеристики выпрямительных элементов приведены в таблице 3 приложения.

Схемы удвоения напряжения

Для получения выпрямленных напряжений, которые превышают напряжение питающего трансформатора, используются схемы удвоения напряжения. Схема удвоения напряжения является сочетанием схем 2.6а и 2.6б и представлена на рис.2.7.

В схеме рис.2.7а конденсатор С₁ и вентиль VD1 образуют схему рис.2.6а, в которой конденсатор заряжается до почти максимального амплитудного значения напряжения в те полупериоды, когда вентиль открыт. На вентиле VD1 синусоида смещена на U_M и максимальное значение пульсирующего напряжения равно 2U_M. Это напряжение подается на вторую часть схемы удвоения, которая состоит из вентиля VD2 и конденсатора С₂, образующих схему однополупериодного выпрямителя рис.2.6б. В полупериоды противоположной полярности открывается вентиль VD2 и конденсатор С₂ оказывается заряжен до двойного амплитудного значения напряжения 2U_M. На выходе схемы получается несимметричное относительно земли почти удвоенное амплитудное значение напряжения.

В схеме с симметричным выводом напряжения конденсаторы С₁ и С₂ заряжаются через соответствующие вентили VD1 и VD2 в полупериоды противоположной полярности до почти амплитудного значения напряжения. Напряжение на выходе является симметричным по отношению у земле и равно сумме напряжений на конденсаторах С₁ и С₂.

Отметим, что все вентили в схемах рис.2.6 и рис.2.7 должны выдерживать двойное обратное амплитудное напряжение 2U_M.