Выпрямитель — устройство для преобразования переменного тока в постоянный, а также для стабилизации и регулирования выпрямленного напряжения.
В схеме рис. 1, а трансформатор не имеет повышающей обмотки на двойное напряжение со средней точкой, но одновременно с двухполупериодный выпрямлением выпрямитель удваивает напряжение.
В первый полупериод через диод Д1, напряжение на котором прямое, конденсатор C1 заряжается примерно до амплитудного напряжения вторичной обмотки. Во второй полупериод прямое напряжение будет на диоде Д2 и через него точно так же заряжается конденсатор С2.
Конденсаторы С1 и С2 соединены последовательно, и суммарное напряжение на них примерно равно двойному амплитудному напряжению трансформатора. Такое же максимальное обратное напряжение будет на каждом диоде. Одновременно с зарядом конденсаторов С1 и С2 происходит их разряд через нагрузку R, вследствие чего напряжение на конденсаторах понижается.
Чем меньше сопротивление нагрузки R, т. е. чем больше ток нагрузки и чем меньше емкость конденсаторов С1 и С2, тем быстрее они разряжаются и тем ниже напряжение на них. Поэтому практически удвоить напряжение нельзя. При емкости конденсаторов не менее 10 мкФ и токе нагрузки не более 100 мА можно получить напряжение больше даваемого трансформатором в 1,7 или даже в 1,9 раза.
Рис. 1. Схемы выпрямителей с удвоением (а) и с учетверением (б) напряжения
Достоинством схемы является то, что конденсаторы сглаживают пульсации выпрямленного тока.
Можно осуществить схемы выпрямителей с умножением напряжения в любое число раз. На рис. 1, б показана схема, дающая учетверение напряжения и имеющая четыре диода и четыре конденсатора. В нечетные полупериоды конденсатор С1 заряжается через диод Д1 почти до амплитудного значения напряжения трансформатора Ет. Заряженный конденсатор С1 сам является источником.
Поэтому в четные полупериоды, для которых полярность напряжения трансформатора будет обратной, конденсатор С2 заряжается через диод Д2 примерно до удвоенного напряжения 2Ет. Это напряжение является максимальным значением суммарного напряжения последовательно соединенных трансформатора и конденсатора С1.
Аналогично этому конденсатор С3 заряжается в нечетные полупериоды через диод Д3 также до напряжения 2Ет, которое является суммарным напряжением последовательно соединенных С1, трансформатора и С2 (при этом надо учесть, что напряжения на С1 и С2 действуют навстречу друг другу).
Рассуждая подобным образом далее, найдем, что конденсатор С4 будет заряжаться в четные полупериоды через диод Д4.опять до напряжения 2Ет, которое является суммой напряжений на C1, C3, трансформаторе и С2. Конечно, заряд конденсаторов до указанных напряжений происходит постепенно в течение нескольких полупериодов после включения выпрямителя. В результате с конденсаторов С1 и С4 можно получить учетверенное напряжение 4Ет.
Одновременно с конденсаторов С1 и С3 можно получить утроенное напряжение ЗЕт. Если прибавить к схеме еще конденсаторы и диоды, включенные по тому же принципу, то от ряда конденсаторов С1, С3, С5 и т. д. будут получаться напряжения, увеличенные в нечетное число раз (3, 5, 7 и т. д.), а от ряда конденсаторов С2, С4, С6 и т. д можно будет получать напряжения, увеличенные в четное число раз (2, 4, 6 и т. д.).
При включении нагрузки конденсаторы будут разряжаться и напряжение на них понизится. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем быстрее разряжаются конденсаторы и тем ниже становится напряжение на них. Поэтому при недостаточно больших сопротивлениях нагрузки использование подобных схем становится нерациональным.
Практически такие схемы дают эффективное умножение напряжения только при небольших нагрузочных токах. Конечно, можно получить и большие токи, если увеличить емкость конденсаторов. Достоинством приведенной схемы является возможность получения высоких напряжений без высоковольтного трансформатора. Кроме того, конденсаторы должны иметь рабочее напряжение лишь 2Ет, независимо от того, в какое число раз умножается напряжение, и каждый диод работает при максимальном обратном напряжении, равном только 2Ет.
Детали выпрямителей
Диоды выбираются по их основным параметрам: максимальному выпрямленному току I0mах и предельному обратному напряжению Uобp.пред. При наличии конденсатора на входе фильтра действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора U2 во всех схемах выпрямителей, за исключением мостовой, не должно превышать - 35 % значения Uобp.пред. У двухполупериодной схемы с нулевой точкой напряжение U2 относится к одной половине обмотки. В мостовой схеме у не должно превышать 70 % значения Uобp.пред
Для выпрямления более высоких напряжений соединяют последовательно соответствующее число диодов.
При последовательном соединении германиевых и кремниевых диодов их обязательно шунтируют резисторами с одинаковыми сопротивлениями порядка десятков или сотен килоом (рис. 2). Если этого не сделать, то вследствие значительного разброса обратного сопротивления диодов обратное напряжение распределяется между ними неравномерно и возможен пробой диодов. А при наличии шунтирующих резисторов обратное напряжение практически делится между диодами поровну.
Параллельное cоединение диодов с целью получения больших токов нежелательно, так как вследствие разброса параметров и характеристик отдельных экземпляров диодов они будут неодинаково нагружаться током. Для выравнивания токов в этом случае последовательно с отдельными диодами включают уравнительные резисторы, сопротивления которых подбираются опытным путем.
Для трансформаторов выпрямителей первичная обмотка обычно имеет несколько секций, переключаемых на сетевое напряжение 110, 127 и 220 В.
Рис. 2. Последовательное соединение полупроводниковых диодов
Рис. 3. Способы регулировки напряжения
Вторичная обмотка рассчитывается на нужное напряжение. При двухполупериодной схеме она имеет вывод средней точки. Для уменьшения помех от сети в трансформаторах выпрямителей, питающих приемники, между первичной и вторичными обмотками помещают экранирующую обмотку, один конец которой присоединяется к общему минусу.
Дроссели для фильтра, как правило, имеют в сердечнике диамагнитный зазор для устранения магнитного насыщения, вызывающего уменьшение индуктивности. Сопротивление обмотки дросселя постоянному току обычно равно нескольким десяткам или сотням Oм. На нем и на повышающей обмотке трансформатора падает часть выпрямленного напряжения.
В цепь сетевой обмотки устанавливают выключатель и предохранитель для автоматического выключения выпрямителя при аварии. Если, например, пробит конденсатор фильтра, то произойдет короткое замыкание цепи выпрямленного тока. Ток в первичной обмотке станет значительно больше нормального и предохранитель расплавится. Без него трансформатор может сгореть. Кроме того, такое короткое замыкание весьма опасно и для диода, который может быть разрушен от перегрева слишком большим током.
Иногда первичную обмотку трансформатора делают с выводами на разные напряжения, например 190, 200, 210, 220 и 230 В, чтобы с помощью переключателя можно было при колебаниях сетевого напряжения поддерживать примерно постоянным напряжение выпрямителя (рис. 3, а). Другой способ регулировки — включение регулировочного автотрансформатора, имеющего выводы на разные напряжения и переключатель.
Включение регулировочного автотрансформатора позволяет при понижении сетевого напряжения подводить к первичной обмотке силового трансформатора нормальное напряжение (рис. 3, б). Выпускаются также специальные регулировочные автотрансформаторы для сетевого напряжения 127 и 220 В, позволяющие плавно регулировать напряжение от 0 до 250 В.
При работе с выпрямителем, особенно если он дает высокое напряжение, должны соблюдаться меры предосторожности, так как поражение человека напряжением в несколько сот вольт опасно для жизни.
Рис.4. Включение делителя на три различных напряжения
Все части выпрямителя, находящиеся под высоким напряжением, должны быть защищены от случайных прикосновений к ним. Никогда не следует касаться частей работающего выпрямителя. Все присоединения к схеме выпрямителя или изменения в ней производятся при выключенном выпрямителе и разряженных конденсаторах фильтра. Полезно в качестве индикатора (указателя) высокого напряжения включить на выпрямленное напряжение неоновую лампу. Ее свечение сигнализирует о наличии высокого напряжения.
Неоновая лампа включается через ограничительный резистор сопротивлением в несколько десятков килоом. Наличие постоянной нагрузки в виде такой лампы предохраняет конденсаторы фильтра от пробоя при перенапряжении. Последнее может получиться, если выпрямитель работает вхолостую. При отсутствии нагрузки нет падения напряжения внутри выпрямителя, и поэтому напряжение на конденсаторах фильтра будет максимальным.
Читайте также: Резонанс напряжений