Выпрямление колебаний

8.5.1. Общие сведения о выпрямителях

Радиотехнические устройства выполняют свои функции при наличии энер- гии, поступающей от источника электропитания, который формирует постоян- ные напряжения различных номиналов. В свою очередь источники электропи- тания получают энергию от сети переменного тока с частотой 50…400 Гц. Поэтому одной из функций устройств в составе источника электропитания яв- ляется преобразование энергии переменного тока (напряжения) в энергию по- стоянного тока. Данный процесс преобразования называется выпрямлением и реализуется устройством, которое получило название выпрямитель.

Выпрямление – это частный случай детектирования, при котором на вход детектора поступает немодулированное гармоническое колебание низкой час- тоты, а на выходе формируется сигнал в виде постоянного напряжения, вели- чина которого в идеале равна амплитуде входного сигнала (его огибающей). Это значит, что состав и структура схемы выпрямителя такая же, как и схемы детектора (см. рис. 8.11, 8.12,а).

Выпрямитель, как и детектор, осуществляет преобразование спектра вход-

ного сигнала, т.е. входной сигнал, представляющий собой гармоническое коле-

бание с частотой

ω =ω0 , преобразуется в выходной сигнал с частотой

ω = 0.

Отличие только в том, что полезной при выпрямлении является одна гармони-

ческая составляющая тока нелинейного элемента с частотой

ω = 0

(нулевая

гармоника), а при детектировании – все гармонические составляющие в полосе частот модулирующего сигнала.

8.5.2. Схемы выпрямителей

В качестве нелинейного элемента в схеме выпрямителя обычно применяют один или несколько полупроводниковых диодов, которые осуществляют пре- образование спектра входного сигнала. Фильтр низкой частоты выделяет нуле- вую составляющую спектра тока нелинейного элемента, формируя постоянное напряжение.

а. Однополупериодный выпрямитель

На рис 8.17 изображена функциональная схема однополупериодного вы-

прямителя, а также эпюры напряжений и тока в цепи выпрямителя.

Фильтром низкой частоты являются параллельно включенные сопротивле- ния нагрузки детектора и емкость, т.е. низкочастотный фильтр. Высокочастот- ные составляющие спектра тока диода фильтр не пропускает (емкость их шун- тирует). В то же время постоянная составляющая создает постоянное напряже- ние на сопротивлении нагрузки.

Рис. 8.17. Схема выпрямителя

Физические явления при выпрямлении подобны явлениям, происходящим при детектировании. Отличия очевидны из сравнения рис. 8.13,а и рис. 8.17,б.

Выходное напряжение выпрямителя является пульсирующим (см.

рис.8.17,б). Величина пульсаций определяется качеством фильтрации, т.е. зави-

сит от постоянной времени фильтра τц = RC . При большом значении постоян-

ной времени емкость фильтра разряжается медленно, при этом меньше изменя-

ется выходное напряжение за время периода входного напряжения. Очевидно, что постоянная времени цепи должна быть значительно больше периода вход- ного напряжения, т.е.

τц >> T0 = 2π

ω0 .

Выпрямитель обычно работает с использованием линейного участка ВАХ диода, что позволяет применить кусочно-линейную аппроксимацию этой ха- рактеристики для анализа работы выпрямителя методом угла отсечки. Полагая,

что на вход выпрямителя поступает напряжение

u(t ) = E cos Ωt , и применяя

рассуждения, приведенные при рассмотрении линейного детектирования, полу-

чаем зависимость угла отсечки от параметров диода и фильтра:

tgθ −θ

= π .

Величина угла отсечки при выпрямлении, так же как при детектировании, зависит только от параметров схемы выпрямителя и не зависит от амплитуды входного напряжения.

Для получения на выходе напряжения, близкого к амплитуде, угол отсечки

должен быть меньше

20о . При этом значение произведения RS находится в

пределах 100. Учитывая, что

S = 1 Ri , где

Ri – внутреннее сопротивление дио-

да, параметры фильтра R и C определяются из соотношений:

R ≈ 100Ri

и С >> T0

R = 2π Rω0 .

Качество выпрямленного напряжения определяется величиной пульсаций. С позиций спектрального анализа основной причиной пульсаций является не- идеальная фильтрация составляющих спектра тока нелинейного элемента. По- этому величину пульсаций можно оценить коэффициентом пульсаций

ξ = 1

+U2

+...+U2

где

U 0 , U1, U 2 ,...,U k

– амплитуды гармонических составляющих спектра пуль-

сирующего напряжения.

Из физических соображений можно сделать вывод, что основной вклад в образование пульсаций принадлежит первой гармонике. Поэтому в рассматри- ваемом случае

ξ = U1

= I1Z(ω0 ) ,

I0R

где

I0 и

I1 – амплитуды нулевой и первой гармоник тока нелинейного элемен-

та выпрямителя;

Z(ω0 )

– значение АЧХ фильтра на частоте первой гармоники.

Учитывая, что

I0 =α0

(θ)Im

= sinθ −θ cosθ I и

π(1− cosθ) m

I1 =α1

(θ)Im

= θ −sinθ cosθ

π(1− cosθ)

I m,

получаем

ξ = θ −sin θ cosθ

sin θ −θ cosθ

Z(ω0 ) .

Нетрудно показать, что справедливо неравенство

π Z(ω0 ) ≤ ξ ≤ 2 Z(ω0 ) .

2 R R

Для уменьшения пульсаций необходимо стремиться к увеличению сопро- тивления нагрузки выпрямителя (что не всегда зависит от разработчика выпря- мителя) и уменьшению значения коэффициента передачи фильтра на частоте первой гармоники. Для этого достаточно увеличить величину емкости фильтра.

б. Двухполупериодный выпрямитель

Лучшие параметры с точки зрения пульсаций имеет двухполупериодный выпрямитель. Он представляет собой соединение двух однополупериодных вы- прямителей, питающих общую нагрузку. На рис. 8.18,а приведена схема с дву- мя диодами, в которой вторичная обмотка трансформатора имеет отвод от средней точки. Когда напряжение в верхнем конце обмотки трансформатора

положительно относительно средней точки, ток

i1 (t)

идет через диод VD1 в на-

правлении, указанном стрелкой. При этом напряжение на нижнем конце обмот-

ки отрицательно, и ток через диод VD2

не проходит. Через полупериод поляр-

ность напряжения на концах обмотки меняется на обратную. Диод VD1 запира-

ется, а диод

VD2

открывается, и ток

i2 (t )

проходит через диод

VD2 . В обоих

случаях через нагрузочное сопротивление токи проходят в одном направлении

и создают суммарный пульсирующий ток iд(t) = i1(t) + i2 (t) .

Рабочие процессы в выпрямителе показаны на рис. 8.18,б.

Рис. 8.18. Схема двухполупериодного выпрямителя

Необходимость применения трансформатора с выведенной средней точкой вторичной обмотки и неэффективное его использование (ток заряда емкости фильтра протекает в одном направлении) являются существенными недостат- ками данной схемы.

в. Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя

Эти недостатки отсутствуют в мостовой схеме двухполупериодного вы- прямителя. В этом выпрямителе (рис 8.19) вторичная обмотка не имеет средней точки и используется полностью в течение положительного и отрицательного

полупериода напряжения. В положительный полупериод открыты диоды VD1 и

VD3

(диоды VD2

и VD4

закрыты), в отрицательный полупериод открыты дио-

ды VD2

и VD4

(диоды VD1

и VD3

закрыты). Через открытые диоды происхо-

дит заряд конденсатора фильтра.

Рис. 8.19. Схема мостового двухполупериодного выпрямителя

Мостовая схема выпрямителя имеет два важных преимущества. Во- первых, обратное напряжение на диодах в 2 раза меньше, чем у других выпря- мителей. Во-вторых, можно применить более простой трансформатор (без средней точки), который может и отсутствовать. В силу того что ток заряда конденсатора проходит через два диода, у этого выпрямителя потери несколько больше.

Применяются также схемы выпрямителей с определенными специфиче- скими свойствами, например, с удвоением или умножением выходного напря- жения. Такие выпрямители позволяют получить выходное напряжение значи- тельно большее, чем амплитуда входного переменного напряжения (до не- скольких десятков киловольт).