Большинству электронных устройств, таких как телевизоры, аудиосистемы и компьютеры, для правильной работы требуется постоянное напряжение. Поскольку сетевое напряжение является переменным, нам необходимо преобразовать его в относительно постоянное выходное. Схемы, которые преобразуют переменное напряжение (AC) в постоянное напряжение (DC), называются выпрямителями.
Как известно, диод проводит ток только в одном направлении от анода к его катоду. Эта функция делает его идеальными для выпрямления.
Диоды можно соединить различными способами, сформировав тем самым «полуволновые», «двухполупериодные», «мостовые» выпрямители.
Самый простой из всех выпрямителей — это полуволновой выпрямитель.
Полуволновой выпрямитель
На следующем рисунке показана схема полуволнового выпрямителя.
Когда на диод подается переменное напряжение, положительный полупериод напряжения источника будет смещать диод в прямом направлении. В этом случае диод подобен замкнутому переключателю, а положительный полупериод напряжения источника появится на нагрузочном резисторе.
Во время отрицательного полупериода диод смещен в обратном направлении. В этом случае диод подобен разомкнутому переключателю, и напряжение на нагрузочном резисторе отсутствует.
В полуволновом выпрямителе диод проводит во время положительных полупериодов, а не во время отрицательных полупериодов. Из-за этого полуволновой выпрямитель отсекает отрицательные полупериоды.
Это полуволновое напряжение создает ток нагрузки, который течет только в одном направлении, делая схему однонаправленной.
Значение постоянного напряжения полуволнового сигнала
Значение постоянного напряжения полуволнового сигнала совпадает со средним значением.
Среднее значение сигнала за один цикл рассчитывается по следующей формуле:
Когда вы измеряете полуволновой сигнал с помощью вольтметра, показание будет равно среднему значению постоянного напряжения.
Аппроксимация второго порядка
В действительности, мы не получаем идеальное полуволновое напряжение на нагрузочном резисторе.
Из-за потенциального барьера диод не включается, пока напряжение источника не достигает около 0,7 В. Таким образом, выходное напряжение на 0,7 В ниже пикового напряжения источника.
Например, если пиковое напряжение источника составляет всего 10 В, то напряжение нагрузки будет иметь пик только 9,3 В.
Поэтому более точной формулой для вычисления значения постоянного напряжения полуволнового сигнала является:
Выходная частота
Изменение выпрямленной формы выходного сигнала во время положительного и отрицательного полупериодов создает сигнал с большим количеством пульсаций. Результирующая пульсация имеет ту же частоту, что и входной источник переменного напряжения.
Поэтому мы можем написать:
Фильтрация выходного напряжения выпрямителя
Выходной сигнал, получаемый от полуволнового выпрямителя, представляет собой пульсирующее постоянное напряжение, которое увеличивается до максимума, а затем уменьшается до нуля.
На практике нам нужно устойчивое постоянное напряжение, без каких-либо изменений напряжения или пульсаций, такое которое мы получаем от батареи.
Чтобы получить такое напряжение, нам необходимо отфильтровать полуволновой сигнал. Один из способов сделать это — подключить конденсатор, известный как сглаживающий конденсатор:
Вначале конденсатор не заряжен. В течение первой четверти цикла диод смещен в прямом направлении, поэтому конденсатор начинает заряжаться. Зарядка продолжается до тех пор, пока входное напряжение не достигнет своего пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе равно Vp.
После того, как входное напряжение достигает своего пика, оно начинает уменьшаться. Как только входное напряжение становиться меньше Vp, напряжение на конденсаторе превышает входное напряжение, которое отключает диод.
Поскольку диод выключен, конденсатор разряжается через резистор нагрузки и подает ток нагрузки, пока не будет достигнут следующий пик.
Когда наступает следующий пик, напряжение через диод заряжает конденсатор до пикового значения и все повторяется:
Ограничения использования полуволнового выпрямителя
Если сопротивление нагрузки мало для данной емкости конденсатора, то через нагрузку будет течь большой ток, который разряжает конденсатор быстрее (из-за постоянной времени RC), что приведет к увеличению пульсаций.
Пока постоянная времени RC намного больше периода, конденсатор остается почти полностью заряженным, и мы получаем идеальное выходное постоянное напряжение.
Чтобы иметь большую постоянную времени RC, нам нужен конденсатор с большим значением. Но это не всегда оправдано, поскольку существуют ограничения как по стоимости, так и по размеру конденсатора.
Также при использовании полуволнового выпрямителя отсутствует выходное напряжение в течение отрицательного полупериода, поэтому большая часть мощности теряется впустую.
Из-за этих основных недостатков полуволновые выпрямители используются редко. Более предпочтительно использовать двухполупериодный выпрямитель.
