Двухполупериодный выпрямитель

Хотя однополупериодный выпрямитель применяется в некоторых маломощных устройствах, таких как детекторы сигнала и пикового значения, он редко используется для выпрямления мощности. Наиболее распространённым выпрямителем в области силового выпрямления является двухполупериодный выпрямитель.

Двухполупериодный выпрямитель сложнее однополупериодного, но он обладает рядом существенных преимуществ. Он использует оба полупериода синусоидальной волны, что обеспечивает более высокое выходное постоянное напряжение по сравнению с однополупериодным выпрямителем. Ещё одно преимущество заключается в том, что на выходе значительно меньше пульсаций, что упрощает получение сглаженной выходной формы сигнала.

Двухполупериодный выпрямитель

Для выпрямления обоих полупериодов синусоидальной волны двухполупериодный выпрямитель использует два диода — по одному на каждый полупериод. Также используется трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки.

Двухполупериодный выпрямитель представляет собой, по сути, два однополупериодных выпрямителя, соединённых встречно. На следующем изображении показана схема двухполупериодного выпрямителя.

Работу этой схемы легко понять, рассматривая каждый полупериод по отдельности.

Рассмотрим первый полупериод, когда точка A положительна относительно C. В это время D1 смещён в прямом направлении, а D2 — в обратном. Поэтому в течение этого полупериода ток протекает только через верхнюю половину вторичной обмотки трансформатора. Это создаёт положительное напряжение нагрузки на резисторе нагрузки.

Во время следующего полупериода полярность напряжения источника меняется на противоположную. Теперь точка B положительна относительно C. На этот раз D2 смещён в прямом направлении, а D1 — в обратном. Как видно, ток протекает только через другую половину вторичной обмотки трансформатора. Это также создаёт положительное напряжение нагрузки на резисторе нагрузки, как и прежде.

В результате выпрямленный ток нагрузки протекает в течение обоих полупериодов, благодаря чему на нагрузке мы получаем двухполупериодный сигнал.

Постоянная составляющая двухполупериодного сигнала

Поскольку двухполупериодный выпрямитель формирует выходной сигнал в течение обоих полупериодов, он имеет вдвое больше положительных циклов, чем однополупериодный сигнал. В результате постоянная (средняя) составляющая также вдвое больше:

Среднее значение сигнала за один цикл рассчитывается по следующей формуле:

Это уравнение говорит нам, что постоянная составляющая двухполупериодного сигнала составляет примерно 63,6% от пикового значения. Например, если пиковое напряжение двухполупериодного сигнала равно 10 В, постоянное напряжение составит 6,36 В.

При измерении двухполупериодного сигнала вольтметром постоянного тока показание будет равно среднему значению постоянной составляющей.

Приближение второго порядка

В действительности мы не получаем идеальное двухполупериодное напряжение на резисторе нагрузки.

Из-за потенциального барьера диод не начинает проводить ток до тех пор, пока напряжение источника не достигнет примерно 0,7 В. Поэтому выходное напряжение на 0,7 В ниже идеального пикового выходного напряжения.

Частота выходного сигнала

Двухполупериодный выпрямитель инвертирует каждый отрицательный полупериод, удваивая количество положительных полупериодов. Благодаря этому двухполупериодный выходной сигнал имеет вдвое больше циклов, чем входной.

Следовательно, частота двухполупериодного сигнала вдвое превышает частоту входного сигнала.

Например, если частота сети составляет 60 Гц, частота выходного сигнала будет 120 Гц.

Фильтрация выходного сигнала выпрямителя

Выходной сигнал двухполупериодного выпрямителя представляет собой пульсирующее постоянное напряжение, которое увеличивается до максимума, а затем уменьшается до нуля.

Нам не нужно такое постоянное напряжение. Нам нужно стабильное и постоянное напряжение, свободное от каких-либо колебаний или пульсаций, как мы получаем от батареи.

Чтобы получить такое напряжение, необходимо отфильтровать двухполупериодный сигнал. Один из способов сделать это — подключить конденсатор, известный как сглаживающий конденсатор, параллельно резистору нагрузки, как показано ниже.

Изначально конденсатор не заряжен. В течение первой четверти периода диод D1 смещён в прямом направлении, поэтому конденсатор начинает заряжаться. Зарядка продолжается до тех пор, пока входной сигнал не достигнет пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе равно Vp.

После того как входное напряжение достигает пика, оно начинает уменьшаться. Как только входное напряжение становится меньше Vp, напряжение на конденсаторе превышает входное напряжение, что приводит к выключению диода.

Поскольку диод выключен, конденсатор разряжается через резистор нагрузки и обеспечивает ток нагрузки до прихода следующего пика.

Когда приходит следующий пик, диод D2 кратковременно проводит и перезаряжает конденсатор до пикового значения.

Недостатки

Один из недостатков конструкции двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом — необходимость трансформатора с отводом от средней точки вторичной обмотки. В мощных выпрямительных устройствах стоимость и габариты таких трансформаторов значительно возрастают. Именно поэтому выпрямитель с центральным отводом используется только в маломощных приложениях.

Ещё один недостаток заключается в том, что из-за центрального отвода для выпрямления используется только половина напряжения вторичной обмотки.

Чтобы преодолеть эти недостатки, четыре диода соединяются в «мостовую» конфигурацию для создания двухполупериодного мостового выпрямителя, который рассматривается в следующем уроке.