В настоящее время в качестве выпрямительных элементов в подавляющем большинстве случаев используются полупроводниковые диоды, обеспечивающие однонаправленность выходного тока благодаря вентильным свойствам вольтамперной характеристики (ВАХ).
Однополупериодный однофазный выпрямитель
Вентильный характер ВАХ диода предопределяет, что в положительном полупериоде питающее выходное напряжение будет определяться входным за вычетом прямого падения напряжения на диоде, а в отрицательном полупериоде выходное напряжение будет определяться током утечки диода и в первом приближении можно принять, что выходное напряжение в отрицательном полупериоде отсутствует.
Графически работу выпрямителя можно проиллюстрировать, построив суммарную вольтамперную характеристику последовательного соединения диода и резистора суммированием напряжений двух ВАХ при одном и том же протекающем токе.
Таким образом, синусоидальное напряжение, поданное на вход цепи, приведет к формированию однонаправленного тока в сопротивлении нагрузки (и соответственно падения напряжения на нем).
Учитывая, что
I_Д\equiv I_H
I_H=\left \{\begin{array}{ll} \left . \displaystyle\frac{U_2-U_Д}{R_H}\right |_{t=0}^{\frac T 2}\\ \left .0\right |_{\frac T 2}^{T} \end{array} \right..
Среднее значение функции определяется как
\overline{x(t)}=\displaystyle\frac 1 t\int_0^t x(t)dt.
Для периодической функции среднее значение определяется за период:
\overline{x(t)}=\displaystyle\frac 1 T\int_0^T x(t)dt.
Для случая однополупериодного выпрямления получаем выражение:
\overline{x(\omega t)}=\displaystyle\frac 1 {2\pi} \left (\int_0^\pi sin\omega t d\omega t+\int_\pi^{2\pi} 0 d\omega t\right )=\displaystyle\frac 1 {2\pi} \int_0^\pi sin\omega t d\omega t=\left .\displaystyle\frac 1 {2\pi} (-cos\omega t)\right |_0^\pi.
\overline x=\displaystyle\frac{1}{2\pi}\cdot(-(-1)-(-1))=\displaystyle\frac 1 \pi.
Среднее значение выпрямленного тока:
\overline{I_H}=\displaystyle\frac{I_H^m}{\pi}\approx \displaystyle\frac{U_2^m}{\pi\cdot R_H}.
Максимальное обратное напряжение на диоде определяется амплитудой входного напряжения:
U_{обр}^m=U_2^m.
Выбор диода для построения выпрямителя должен производиться исходя из следующих соотношений:
\left \{\begin{array}{ll} I_{пр}^{ср}\ge \displaystyle\frac{U_2^m}{\pi R_H}\\ U_{обр}^m\ge U_2^m \end{array} \right..
Кроме того максимально допустимый ток диода определится как
I_{пр}^m\ge \displaystyle\frac{U_2^m}{R_H}.
Работа схемы иллюстрируется моделью LTspice
Двухполупериодный однофазный выпрямитель
Простейший двухполупериодный выпрямитель реализуется вторичной обмоткой трансформатора с выводом средней точки (U21=U22=U2) и двумя выпрямительными диодами, включенными согласованно относительно нагрузки в крайние выводы вторичной обмотки. В каждый полупериод напряжения один из диодов поочерёдно работает в проводящем режиме, реализуя схему однополупериодного выпрямления. Чередование диодов позволяет получить в нагрузке напряжение и ток двухполупериодного выпрямления.
\overline I_Д=\displaystyle\frac{I_H}{2},
\overline I_Д=\displaystyle\frac{U_2}{\pi R_H}\Rightarrow \overline I_H=\displaystyle\frac{2 U_2}{\pi R_H},
I_Д^m=I_H^m=\displaystyle\frac{U_2^m}{R_H},
U_{обр}^m=2U_2^m.
Работа схемы иллюстрируется моделью LTspice.
Однофазный мостовой выпрямитель
Реализуется мостовой схемой включения выпрямительных диодов. Источник переменного напряжения при этом подключается к одной диагонали моста с переменным характером направленности тока, а нагрузка — к другой диагонали с однонаправленным током.
В течение положительного полупериода входного напряжения ток протекает по цепи: верхний вывод обмотки –диод VD1 – Rн – диод VD4 – нижний вывод обмотки. При смене полярности напряжения на обмотке ток протекает по цепи: нижний вывод обмотки –диод VD2 – Rн – диод VD3 – верхний вывод обмотки. При обоих полупериодах направление протекания тока в нагрузке постоянно (сверху вниз). Напряжение на нагрузке отличается от напряжения на обмотке на два прямых падения на выпрямительных диодах.
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в программе LTspice.
Как и в предыдущей схеме, средний ток каждого диода равен половине среднего тока нагрузки, но обратное напряжение определяется амплитудой переменного напряжения обмотки.
Таким образом, при реализации низковольтных выпрямителей (3-5 В) рекомендуется использование двухполупериодной схемы, так как она обладает большим КПД, поскольку токи нагрузки протекают только через один выпрямительный диод в каждый полупериод питающего напряжения. Мостовую схему целесообразнее использовать для построения сравнительно высоковольтных выпрямителей (более 20В), поскольку обратное напряжение на каждом из диодов в ней вдвое меньше, чем в двухполупериодной, а двойное падение напряжения на выпрямительных диодах незначительно ухудшает КПД устройства.
Парафазный мостовой двухполупериодный выпрямитель
Используется при необходимости создания источника питания с двухполярным выходным напряжением равного номинала. Схема представляет собой сочетание двухполупериодного и мостового выпрямителей, в результате чего на двух выходных нагрузках формируются напряжения равные по величине, но противоположные по знаку.
Схему можно рассматривать как совокупность двух двухполупериодных выпрямителей – положительного напряжения для Rн1 и отрицательного напряжения для Rн2, работающих от единой вторичной обмотки со средней точкой («землей»).
Работа схемы иллюстрируется моделью LTspice.
