Однополупериодный выпрямитель

Большинство электронных систем, таких как телевизоры, аудиосистемы и компьютеры, для корректной работы нуждаются в постоянном напряжении. Поскольку напряжение в сети является переменным, нам необходимо преобразовать его в относительно постоянное выходное напряжение. Схема, которая преобразует переменное напряжение (AC) в постоянное напряжение (DC), называется выпрямителем.

Как вы знаете, диод проводит ток только в одном направлении — от анода к катоду. Это свойство делает диоды идеальными для выпрямления.

Диоды соединяются вместе для формирования различных типов выпрямительных схем, таких как «однополупериодные», «двухполупериодные» или «мостовые» выпрямители.

Простейшим из всех выпрямителей является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель

На следующем изображении показана схема однополупериодного выпрямителя.

Когда переменное напряжение подаётся на диод, положительная полуволна исходного напряжения смещает диод в прямом направлении. В этом случае диод будет работать как замкнутый ключ, и положительная полуволна исходного напряжения появится на нагрузочном резисторе.

Во время отрицательного полупериода диод смещён в обратном направлении. В этом случае диод будет работать как разомкнутый ключ, и на нагрузочном резисторе напряжение не появится.

В однополупериодном выпрямителе диод проводит ток во время положительных полупериодов и не проводит во время отрицательных полупериодов. Из-за этого однополупериодный выпрямитель отсекает отрицательные полуволны. Такая форма сигнала называется однополупериодным сигналом.

Если диод перевернуть, он будет смещён в прямом направлении, когда входное напряжение отрицательное. В результате выходные импульсы будут отрицательными.

Это однополупериодное напряжение создаёт ток нагрузки, который течёт только в одном направлении, что делает схему однонаправленной.

Постоянная составляющая однополупериодного сигнала

Постоянная составляющая (DC-значение) однополупериодного сигнала равна его среднему значению.

Среднее значение сигнала за один период рассчитывается по следующей формуле:

Это уравнение говорит нам о том, что постоянная составляющая однополупериодного сигнала составляет около 31,8% от пикового значения. Например, если пиковое напряжение однополупериодного сигнала равно 10 В, постоянное напряжение составит 3,18 В.

Когда вы измеряете однополупериодный сигнал вольтметром постоянного тока, показание будет равно среднему значению постоянной составляющей.

Приближение второго порядка

В реальности мы не получаем идеальное однополупериодное напряжение на нагрузочном резисторе.

Из-за потенциального барьера диод не включается, пока напряжение источника не достигнет примерно 0,7 В. Поэтому выходное напряжение на 0,7 В ниже пикового напряжения источника.

Например, если пиковое напряжение источника составляет всего 10 В, напряжение на нагрузке будет иметь пиковое значение всего 9,3 В.

Поэтому более точная формула для расчёта постоянной составляющей однополупериодного сигнала выглядит следующим образом:

Частота на выходе

Изменение выпрямленного выходного сигнала во время положительных и отрицательных полупериодов создаёт форму волны с большим количеством пульсаций (колеблющаяся часть).

Результирующие пульсации имеют ту же частоту, что и входное переменное напряжение.

Поэтому мы можем записать:

Фильтрация выходного сигнала выпрямителя

Выходной сигнал однополупериодного 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 напряжения или пульсаций, такое, как мы получаем от батареи.

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

Изначально конденсатор разряжен. В течение первой четверти периода диод смещён в прямом направлении, поэтому конденсатор начинает заряжаться. Зарядка продолжается до тех пор, пока входное напряжение 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 закрытию диода.

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

Когда приходит следующий пик, диод кратковременно проводит ток и подзаряжает конденсатор до пикового значения.

Ограничения

Если нагрузочный резистор мал для данной ёмкости конденсатора, через нагрузку потечёт большой ток, который быстрее разрядит конденсатор (из-за постоянной времени RC), что приведёт к увеличению пульсаций. Пока постоянная времени RC значительно больше периода, конденсатор остаётся почти полностью заряженным, и мы получаем идеальное постоянное выходное напряжение. Чтобы иметь большую постоянную времени RC, нам нужен конденсатор большей ёмкости. Это непрактично, поскольку существуют ограничения как по стоимости, так и по размеру конденсатора.

Также во время отрицательного полупериода выходной сигнал отсутствует, следовательно, половина мощности теряется, что приводит к снижению амплитуды на выходе.

Из-за существенных недостатков однополупериодные выпрямители используются редко. Гораздо практичнее использовать двухполупериодный выпрямитель, который рассматривается в следующем уроке.