§ 23. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ТОКА

Все электронные устройства питаются постоянным током. Его можно получить от батарей, аккумуляторов или выпрямителей тока.

Выпрямители — приборы, которые преобразуют переменное напряжение (ток) в постоянное (рис. 108).

Рис. 108. Структурная схема выпрямителя тока

Наиболее важные параметры выпрямителей: значение выпрямленного напряжения U₀, сила выпрямленного тока I₀, внутреннее сопротивление R_i, и коэффициент пульсаций k_п=U₀/U₀. У качественных выпрямителей значения R_i и k_п малые. Рассмотрим выпрямители, построенные на идеальных диодах.

Рис. 109. Схема однополупериодного выпрямителя тока (а) и диаграммы токов (б)

Сетевой трансформатор изменяет амплитуду сетевого напряжения до необходимого значения и разделяет по постоянному току цепи выпрямителя. Для устранения электростатического переброса напряжения первичная и вторичная обмотки трансформатора разделены электростатическим экраном Э (рис. 109, а). Полупроводниковый диод Д (или селеновые столбы и др.) обеспечивает одностороннюю проводимость.

Однополупериодный (однотактный) выпрямитель тока (рис. 109, а) используют для выпрямления токов небольшой силы и большого напряжения. К диоду подают переменное напряжение u_вх=U_m·sint от вторичной обмотки сетевого трансформатора. Диод пропускает ток только при прямом включении. Для рассматриваемой схемы это положительные полупериоды (рис. 109, б). Во время отрицательных полупериодов диод закрыт и ток через него не проходит. Ток I₀ на нагрузке R пульсирующий, а форма его «отрезков» синусоидальная. Напряжение U₀=I₀R имеет ту же форму, и пульсации его очень велики. Их можно сгладить включением сглаживающего конденсатора C₀ (десятки микрофарад) параллельно нагрузке R. Он подзаряжается быстро, так как внутреннее сопротивление диода невелико r_{i пр}=1÷5 Ом, и разряжается медленно через R=50÷500 Ом (диод закрыт). В результате получают постоянное пульсирующее напряжение u₀.

Рис. 110. Схема двухполупериодного выпрямителя тока (а) и диаграммы токов (б)

Двухполупериодные (двухтактные) выпрямители тока используют оба полупериода входного напряжения вследствие наличия в схеме двух диодов (рис. 110, а). Диоды Д₁ и Д₂ включены так, что пропускают ток в разные полупериоды входного напряжения. В оба полупериода ток в нагрузке R имеет одно и то же направление. В результате общий ток I₀ (рис. 110, б), а также U₀ менее пульсирующие, чем при однотактном выпрямлении. Для уменьшения пульсаций можно использовать сглаживающий конденсатор С₀.

Рис. 111. Мостовая схема выпрямителя тока

Рис. 112. Г-образные фильтры

Мостовая схема выпрямителя тока является двухполупериодной (рис. 111). В каждом из полупериодов u_вх открыта одна пара диодов Д₁ и Д₃ или Д₂ и Д₄. Вид электрических величин такой же, как и на рис. 110, б, но в этом случае можно получать более высокое напряжение.

►   Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения уменьшают фильтратами.

Чаще всего используют Г-образные фильтры (рис. 112). RС-фильтрами (рис. 112, а) сглаживают слабые токи (до 50 мА), так как потеря напряжения на резисторе R_ф становится более значительной при сильных токах. Для токов более 50 мА используют LС-фильтры (рис. 112, б). На вход фильтра подают выпрямленное напряжение U₀, которое изменяется с амплитудой U₀.

Сопротивление резистора остается неизменным, а сопротивление фильтрующего конденсатора С_ф очень мало для переменного тока и очень большое для постоянного. Распределение составляющих входного напряжения происходит пропорционально сопротивлениям обоих элементов. Переменная составляющая на выходе в несколько раз меньше, следовательно, фильтр «сгладил» входное напряжение. Если подключить еще одно звено, сглаживание увеличивается. Коэффициент сглаживания

однозвенного фильтра составляет от 10 до 100.

Один из недостатков выпрямителей тока — это изменение выпрямленного напряжения U₀ как при изменении напряжения сети, так и при изменении нагрузки. В ряде случаев это вызывает нарушение нормальной работы электронной аппаратуры, поэтому используют стабилизаторы.

Стабилизаторы переменного напряжения бывают ферромагнитными или электронными. Для постоянного напряжения чаще всего используют стабилизаторы на основе полупроводниковых диодов и транзисторов. Стабилизаторы тока выполняют с электронными приборами, имеющими нелинейную вольт-амперную характеристику, или с усилителем с отрицательной обратной связью по току. Все стабилизаторы имеют определенные границы изменения стабилизируемой величины.