6. Использование диодов в выпрямлении переменного тока. Виды, принцип работы, расчет выпрямителей

 Итак, мы добрались до одного из самых важный применений диодов ─ выпрямление переменного тока. Так уж сложилось, что переменный ток можно передавать на большие расстояния с меньшей потерей, чем постоянный. Однако, большинство современной электронной аппаратуры работает на постоянном токе. Поэтому, для их работоспособности, требуется преобразовать переменный ток в постоянный. Существует, по крайней мере, три вида схем, решающих данную задачу:

Однополупериодный выпрямитель.

  Звучит как-то громоздко, но схема вполне понятная и простая. Давайте рассмотрим ее:

Здесь диод пропускает ток только положительной полуволны, дальше конденсатор запасает эту энергию и отдает в нагрузку. Разберем схему более детально. Уберем  конденсатор С из схемы, подключим выводы осциллографов до и после диода, соединим нагрузку к нагрузочным выводам (сопротивление нагрузки выберем, допустим, 100 Ом).  Схема и осциллограмма имеют такой вид:

Синий цвет ─ показания осциллограммы перед диодом (на генераторе переменного напряжения), красный цвет ─ показания после диода. Как видно, на выходе присутствует только положительная полуволна, такое напряжение все еще непригодно для устройств, работающих на постоянном токе. Чтобы исправить эту ситуацию, параллельно нагрузке подключают конденсатор. Давайте возьмем пока ело величину  от болта, допустим, 1000 микрофарад. Схема и осциллограмма приведена ниже:

Здесь, выходное напряжение приобретает вполне приемлемый вид и, практически, похоже на постоянное. Давайте увеличим емкость конденсатора в 10 раз:

Выходное напряжение стало еще более линейным. То есть видно, чем выше емкость ─ тем стабильнее напряжение на выходе. Как расчитать величину этой емкости будет описано ниже. По поводу недостатка схемы, можно сказать, что используется только половина энергии источника (только положительная полуволна).

Двухполупериодный выпрямитель

  Так выглядит схема двухполупериодного выпрямителя:

Тут требуется некоторое пояснение по поводу двух источников напряжения. С помощью трансформатора, один источник можно преобразовать в два. Для чего это делается ─ уже отдельный вопрос. Здесь же показано, как можно выпрямить напряжение в таком случае. Давайте опять уберем конденсатор и подключим щуп осциллографа на выходе диодов, а также соединим в нагрузку величиной 100 Ом:

Давайте сравним данную осциллограмму с полученным результатом при однополупериодном выпрямителе:

  В двухполупериодном выпрямителе есть две положительные полуволны, одна проходит через верхний диод верхнего источника, вторая ─ через нижний диод нижнего источника. При этом, частота на выходе диодов увеличилась в 2 раза, по сравнению с однополупериодной схемой. Чем выше частота, тем меньше можно ставить емкость на выходе, поскольку она будет чаще запасать энергию, чем ее будут расходовать. Недостаток есть и у этой схемы. Он заключается в использовании дополнительного источника (в случае с трансформатором приходится использовать дополнительную обмотку).

Мостовая схема

  Это самая популярная схема, посмотрим, как она выглядит:

Рассмотрим направления токов в двух случаях:
1) Когда положительная полярность приложена к точке 1, а отрицательная ─ к  точке 3, положительная полуволна течет через диод D2, отрицательная через ─ D4, как показано на рисунке ниже:

2) Когда положительная полярность приложена к точке 3, а отрицательная ─ к  точке 1, положительная полуволна течет через диод D3, отрицательная через ─ D1, что видно на изображении:

Как видно, в обоих случаях, положительная полярность всегда будет прикладываться к точке 2, а отрицательная ─ к точке 4. Схема без сглаживающего конденсатора на выходе с подключенной нагрузкой 100 Ом, а также, осциллограмма выходного напряжения приведена ниже:

Видно, что выходное напряжение ничем не отличается в сравнении с напряжением двухполупериодном выпрямителе, однако, в данном случае используется всего лишь один источник, и его энергия используется "на полную". Диодов конечно поболее стало, но они очень дешевые и доступные. Также, существует много так называемых "диодных сборок", где в одном корпусе собрана мостовая схема включения диодов, имеющая четыре вывода: два входных и два выходных.

Расчет сглаживающего конденсатора 

  Это очень важный момент, от которого зависит величина пульсации постоянного тока на выходе. Выше уже было сказано, что увеличение емкости приводит к уменьшению выходных пульсаций тока, но бесконечно повышать ее мы не можем, поскольку, чем больше конденсатор-тем больше его габариты и цена. Поэтому, выбирать его желательно, исходя из расчетов. Пульсации выходного напряжения можно расчитать по данной формуле:

C≈(Iн*△t)/△U,                                                                                  (1)

где С ─ емкость сглаживающего конденсатора, Iн ─ ток нагрузки, △t ─ время, проходящее за один период переменного напряжения, △U ─ величина пульсаций напряжения на выходе. Данная формула применима, если считать процесс разряда конденсатора линейным. Однако, еще из курса школьной физики нам известно, что конденсатор разряжается через резистивную нагрузку по экспоненциальному закону. Все верно, но в этом случае, формула расчета конденсатора будет выглядеть намного сложнее. Считая процесс разряда линейным, мы упрощаем формулу, а также, из-за этого расчитанная емкость окажется немного выше, чем того требуется, но это обеспечит нам запас, в итоге, величина напряжения пульсаций окажется меньше. 

  Проведем расчет для мостовой схемы. Допустим, требуется чтобы величина пульсаций на выходе не превышала 1 Вольт. Величина нагрузки 1 килоом, а амплитудное значение напряжения на выходе 310 Вольт. Частота переменного напряжения 50 Герц. Расчитаем ток нагрузки, исходя из закона Ома:

Iн=310/1*10^3=310 (мА)                                                                            

  

  В мостовой схеме, на выходе частота увеличивается вдвое, что было показано выше, поскольку отрицательная полуволна генератора переменного напряжения на выходе мостовой схемы преобразуется в положительную. Значит, частота на выходе составляет уже 100 Герц. Зная частоту, найдем время одного периода напряжения:

△t=1/100=10 (мс)                                                                                   

Получив все данные, найдем требуемую емкость по формуле 1:

С=(310*10^-3*10*10^-3)/1=3100 (мкФ)                                                              

Подключим к мостовой схеме генератор переменного напряжения частотой 50 Герц, а также рассчитанную емкость и сопротивление нагрузки 1 килоом. Схема и осциллограмма напряжения на выходе будут иметь вид:

На осциллограмме видно, что на выходе сформировалось постоянное напряжение (красная полоса) величиной 305, 4 Вольт (показания VB1 и VB2). Поскольку ожидаемые пульсации в районе 1 Вольта, на фоне трехсот вольт их практически не видно, поэтому, с помощью осциллографа мы уберем показания  величины постоянной составляющей напряжения, что позволит нам приблизить форму сигнала на экране, чтобы детально его рассмотреть:

Убрав постоянную составляющую напряжения, и приблизив сигнал, стало четко видно пульсации напряжения. Для их обнаружения, флажок "1" (красный цвет) установлен в максимальный пик пульсации, а флажок "2" (синий цвет) ─ в минимальный. Видно, что данная пульсация составила 724,5 милливольт (параметр VB2-VB1 на панели осциллографа). Итак, полученная на выходе пульсация оказалась меньше требуемой (724,5 милливольт против 1 Вольта). Получился небольшой запас в лучшую сторону!