Двухполупериодный выпрямительсо средней точкой. Достоинства и недостатки. Мостовая схема выпрямления. Достоинства, недостатки. Сглаживающий фильтр, расчет емкости фильтра.

Выпрямитель – это устройство, позволяющее получать однополярное выходное напряжение при двухполярном входном. Основные схемы выпрямителей можно разделить на однополупериодные и двухполупериодные. Входы выпрямителей подключаются ко вторичным обмоткам силового трансформатора, а выходы, как правило, к сглаживающему фильтру. Схема выпрямителя со средней точкой и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 1.

Рис.1. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой – а), временные диаграммы его работы – б)

Данный выпрямитель отличается от однополупериодного тем, что требует наличия двух идентичных обмоток силового трансформатора. Обмотки включены таким образом, что когда на верхнем выводе обмотки  положительная полуволна, на нижнем выводе обмотки  – отрицательная (относительно общего вывода обмоток). Кроме этого, в выпрямителе используется дополнительный диод VD2. В результате схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих через половину периода на общее сопротивление нагрузки. Схема отличается от рассмотренной ранее тем, что через силовой трансформатор не протекает постоянный ток. Однако за это приходится платить дополнительной обмоткой и дополнительным диодом. Средний ток через обмотки и диод в два раза меньше, чем ток нагрузки. По среднему току и напряжению на нагрузке схема в два раза эффективней:

; .

Мостовая схема выпрямления представлена на рис. 2.

В данной схеме требуется силовой трансформатор с одной обмоткой, но в выпрямителе используется четыре диода. Когда на вторичной обмотке силового трансформатора положительная полуволна, открыты диоды VD1, VD2 (VD3, VD4 – закрыты) и напряжение  подключается к сопротивлению нагрузки  (см. рис. 4б, интервал времени ). При отрицательной полуволне на обмотке силового трансформатора открываются диоды VD3, VD4 (VD1, VD2 – закрыты) и к нагрузке прикладывается отрицательная полуволна (см. рис. 4а пунктир), но таким образом, что в нагрузке ток протекает в том же направлении, что и в предшествующий полупериод.

Рис.2. Схема мостового выпрямителя – а), временные диаграммы его работы – б)

Достоинством данного выпрямителя является наличие в силовом трансформаторе всего лишь одной обмотки, по которой протекает переменный ток. Однако в отличие от схемы со средней точкой последовательно с нагрузкой включены два полупроводниковых диода, т. е. происходит дополнительное падение напряжения на диоде, соответственно и выделение тепловой энергии.

Полученное с помощью выпрямителя однополярное напряжение непригодно для дальнейшего использования, поскольку его уровень падает до нуля. Для уменьшения провалов напряжения используют сглаживающие фильтры, призванные уменьшить уровень пульсаций выходного напряжения выпрямителя до уровня, при котором стабилизатор работает устойчиво. Существуют различные виды сглаживающих фильтров, однако, наиболее широко используется фильтр на основе конденсатора значительной емкости. Работа такого фильтра имеет свои особенности, отличающие его от фильтров нижних частот. Если фильтр нижних частот работает с источником напряжения, имеющим постоянное выходное напряжение, то сглаживающий фильтр работает с выходным напряжением выпрямителя, имеющим в течение периода различные выходные сопротивления. Рассмотрим работу сглаживающего С-фильтра на примере однополупериодного выпрямителя. Схема выпрямителя со сглаживающим фильтром представлена на рис. 3.

Рассмотрим работу фильтра в установившемся режиме при неизменной нагрузке. При подключении конденсатора  к выпрямителю характер его работы изменяется таким образом, что интервал времени, в течение которого диод VD открыт, сокращается и становится меньше, чем . Причем, чем больше конденсатор , тем меньше интервал времени открытия диода VD ( , см. рис.2б). Это объясняется тем, что положительное напряжение на конденсаторе  приложено к катоду диода VD в отличие от выпрямителя без сглаживающего фильтра, а диод открывается только тогда, когда напряжение на аноде больше, чем на катоде. Таким образом, в интервалы времени ,  (рис.1.5б) эквивалентная схема выпрямителя со сглаживающим фильтром выглядит так, как это показано на рис.1.5в. В эти интервалы времени напряжение  прикладывается через открытый диод VD к параллельно соединенным  и . После того, как напряжение  достигнет максимального значения и начнет спадать, диод VD запирается, поскольку  больше, чем  и конденсатор  и резистор  отключаются от трансформатора. Это состояние продолжается до тех пор, пока напряжение на  не станет меньше, чем  (момент времени  рис.1.5б). Данное состояние схемы продолжается больше, чем . Этому состоянию соответствует эквивалентная схема, представленная на рис.2г. Ток в нагрузке протекает только за счет разряда конденсатора . В результате выходное напряжение на нагрузке имеет вид, представленный на рис.2б. Откуда видно, что использование сглаживающего фильтра  снижает пульсации выходного напряжения. Без фильтра они были равны , а с фильтром – .

Рис.3. Схема сглаживающего фильтра – а), временные диаграммы, поясняющие его работу – б), эквивалентные схемы фильтра в различные интервалы времени – в), г)

Для расчета значения емкости  по заданной пульсации  и току нагрузки  примем следующие допущения. Положим, что интервал времени открытия диода много меньше, чем интервал времени, в течение которого он закрыт. Положим также, что емкость  разряжается током . Тогда справедливо следующее соотношение

,

где  – пульсация напряжения на конденсаторе  (она же и на нагрузке);

 – ток нагрузки, ток которым разряжается конденсатор ;

 – интервал времени, в течение которого происходит разряд конденсатора .

 для однополупериодного выпрямителя равно Т – периоду питающего сетевого напряжения и  – для двухполупериодного выпрямителя.