Випрямлячі змінної напруги. Випрямлення з подвоєнням і помноженням напруги

Залежно від числа фаз ДЖ змінної напруги розрізняють однофазні й трифазні схеми випрямлячів. Основні схеми однофазних випрямлячів, що отримали найбільш широке практичне застосування, наступні:

1) Однопівперіодна з одним діодом (рис. 3.1.) застосовуються в основному при потужностях у навантаженні до 10 - 25 Вт і тоді, коли не потрібен малий коефіцієнт пульсацій. Переваги схеми - мінімальне число елементів, низька вартість. Недоліки – низька частота пульсацій (дорівнює частоті мережі живлення), погане використання трансформатора, підмагнічування його магнітопроводу постійним струмом.

Рисунок 3.1. – Однопівперіодна схема випрямляча

2) Двопівперіодна із середньою точкою (рис. 3.2.) застосовується найчастіше при потужностях до 100 Вт. Випрямлячі, виконані за даною схемою, характеризуються підвищеною частотою пульсацій, можливістю використання діодів із загальним катодом або анодом, що є дуже зручним при установці обох діодів на загальний радіатор.

Випрямлення змінного струму показано нижче. Щодо середньої точки вторинної обмотки трансформатора напруга зсунута на 180°. Тобто, в будь-який півперіод зміни напруги мережі живлення напруги в першій і другій секціях вторинної обмотки трансформатора перебувають у протифазі. У додатний півперіод мережної напруги Uc діод VD1 відкритий (на його аноді додатний потенціал), а діод VD2 закритий. При зміні полярності мережної напруги (негативна півхвиля) відкривається діод VD2, а діод VD1 закривається. Схематичне протікання струму вторинної обмотки I2 у схемі представлено в такий спосіб:

Рисунок 3.2. – Двопівперіодна схема із середньою точкою

У кожний півперіод мережної напруги струм через навантаження протікає в одному напрямку й тільки через один діод. Втрати потужності на вентильному комплекті приблизно у два рази менше в порівнянні з мостовою випрямною схемою, у якій струм навантаження в кожний півперіод мережної напруги протікає через два послідовно включених діоди. До недоліку схеми можна віднести обов'язкову наявність середньої точки у вторинній обмотці трансформатора.

3) Мостова двопівперіодна схема

Рисунок 3.3. – Мостова двопівперіодна схема

У додатний півперіод напруги вторинної обмотки U (додатний потенціал на верхньому за схемою виводі) діод VD2 відкритий (на його аноді позитивний потенціал). Струм вторинної обмотки протікає через VD2, конденсатор С i навантаження, вертаючись до вторинної обмотки через діод VD3. У негативний півперіод напруги U (позитивний потенціал на нижньому за схемою виводі) струм протікає через VD4, C і Rн, вертаючись до вторинної обмотки через діод VD1. Схематичне протікання струму вторинної обмотки I2 у схемі можна представити в такий спосіб:

Останнє наочно показує, що в будь-який півперіод напруги вторинної обмотки, струм через навантаження протікає в одному напрямку (від точки А до точки В).

4) Двополярна схема випрямлення дозволяє отримати дві випрямленні напруги різної полярності (рис. 3.4.).

Рисунок 3.4. – Двополярна схема випрямлення

Особливістю схеми є те, що на її виході присутні дві напруги різної полярності щодо загального виводу. Дану схему можна розглядати як дві мостові схеми випрямлення, включених вказаним способом. Схема використовується при побудові двополярних (розщеплених) джерел живлення, у тому числі й стабілізованих.

5) Симетрична схема з подвоєнням напруги (рис. 3.5.) застосовується в основному для живлення малопотужних пристроїв, що вимагають підвищеної напруги живлення й споживають струм у кілька одиниць або десятків міліампер. До таких пристроїв можна віднести рентгенівські трубки, матриці варикапів, електронні лампи і електронно-променеві трубки.

Рисунок 3.5. – Симетрична схема з подвоєнням напруги (схема Латура)

Принцип роботи схеми (як і інших аналогічних помножувачів напруги) заснований на використанні декількох конденсаторів, кожний з яких заряджається від однієї й тієї ж обмотки трансформатора через відповідний вентиль (діод). Стосовно навантаження конденсатори виявляються включеними послідовно, і їхня напруга додається.

Розглянута схема (рис. 3.5.) складається з двох однопівперіодних випрямлячів. Протікання струму вторинної обмотки трансформатора I2 можна представити у вигляді наступної схеми:

У такий спосіб напруга на навантаженні дорівнює сумі напруг на конденсаторах C1 і C2, кожний з яких заряджається до напруги UC1= UC2 = Um - Uпр ~ Um , де Um - амплітудне значення напруги вторинної обмотки трансформатора, Uпр - пряма напруга на діоді. При  вихідна напруга схеми практично дорівнює 2Um. Реальний опір навантаження має визначене значення, тому заряд одного конденсатора супроводжується одночасним розрядом іншого через Rн і вихідна напруга стає менше 2Um. Для того, щоб напруга на виході було максимально наближеною до 2Um, необхідно вибирати ємності конденсаторів, що задовольняють умовам: RнС1 >> T, Rн С2 >> Т, де Т – період напруги мережі.

6) Несиметрична схема з подвоєнням напруги показана на рис. 3.6. Як видно з рис. 3.6, два однопівперіодні випрямлячі живляться від різних по величині напруг. У негативний півперіод зміни напруги U конденсатор С1 заряджається через відкритий діод VD1. При зміні полярності напруги U на протилежну (позитивний напівперіод) заряджається конденсатор C2 через відкритий діод VD2, причому до напруги приблизно рівної подвоєному амплітудному значенню напруги вторинної обмотки 2Um. Як видно з рис. 3.6., конденсатор С2 заряджається під дією суми напруг вторинної обмотки і конденсатора С1, що протягом попереднього півперіоду був заряджений до напруги, приблизно рівної Um. Протікання струму вторинної обмотки трансформатора у випрямлячі можна представити наступною схемою:

де UC1 ~ Um - напруга на конденсаторі C1.

Рисунок 3.6. – Несиметрична схема подвоєння напруги

При виборі конденсаторів необхідно мати на увазі, що робоча напруга конденсатора С2 повинна бути у два рази більшою ніж робоча напруга С1. Перевагою схеми є те, що один з виводів вторинної обмотки трансформатора з'єднаний з негативним полюсом навантаження і його можна заземлити.