§ 3.4. Выпрямление переменного тока

Определения и обозначения

Выпрямление переменного тока — преобразование переменного тока в ток, текущий преимущественно в одном направлении. Оно нужно, когда электронному устройству требуется питание с неизменной полярностью, а источник создаёт переменное напряжение.

Выпрямительный диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток в прямом направлении и почти не пропускающий его в обратном. Благодаря этому диод работает как электрический клапан и выбирает нужные участки переменного сигнала.

Однополупериодный выпрямитель — схема, использующая для питания нагрузки только одну полуволну переменного напряжения. Это простейший способ выпрямления, но часть энергии источника при нём не используется.

Двухполупериодный выпрямитель — схема, преобразующая обе полуволны переменного напряжения в ток одного направления. Обычно для этого применяют четыре диода, соединённые в диодный мост, поэтому выход получается более частым и удобным для сглаживания.

Как это устроено

Односторонняя проводимость диода позволяет отбирать только те моменты, когда он включён в прямом направлении. Если полярность источника меняется, диод либо проводит ток, либо запирает цепь. Поэтому через нагрузку ток идёт импульсами одного знака, хотя его величина продолжает изменяться.

В однополупериодном выпрямителе при одной полярности источника потенциал анода выше потенциала катода, и диод открыт. Ток проходит через нагрузку, создавая на ней одну полуволну напряжения. При обратной полярности диод закрывается: его сопротивление велико, ток почти равен нулю, а вторая полуволна на нагрузке не появляется.

Диодный мост направляет ток через нагрузку одинаково при обеих полярностях входа. В течение одной полуволны ток проходит через одну пару диодов, а в течение следующей — через другую пару. Диоды переключаются так, что вывод нагрузки, который был положительным, остаётся положительным, хотя направление тока внутри источника меняется.

После выпрямления ток не становится постоянным, потому что диод меняет его направление, но не поддерживает неизменную силу. При синусоидальном входе напряжение сначала растёт, достигает максимума и снова уменьшается. Конденсатор подключают параллельно нагрузке: он заряжается возле вершины импульса, а между импульсами разряжается через нагрузку, поддерживая напряжение. Чем больше ёмкость и меньше ток нагрузки, тем медленнее спад и меньше пульсации.

Сравнение способов выпрямления переменного тока

В таблице сравниваются исходный переменный ток и два основных варианта выпрямления. Для выбора схемы смотрят не только на направление тока, но и на использование полуволн, частоту пульсаций и величину среднего значения. Чем чаще импульсы, тем легче сгладить выход конденсатором.

Разбор задач

1. Работа схемы с одним диодом

Условие. К источнику синусоидального напряжения последовательно подключены диод и нагрузка. Требуется определить, в какие полуциклы источник питает нагрузку, если диод проводит при положительном напряжении на аноде относительно катода. Нужно описать график напряжения на нагрузке.

1. При положительной полуволне проверяем полярность диода: анод становится положительнее катода, поэтому диод открыт.
2. Ток проходит через нагрузку, и напряжение на ней повторяет положительную полуволну: uн = U₀ sin(ωt) там, где sin(ωt) ≥ 0.
3. При отрицательной полуволне диод закрыт, ток почти равен нулю, поэтому напряжение на нагрузке близко к нулю.

Ответ. Нагрузка питается в положительные полупериоды входного напряжения. График состоит из положительных полусинусоид, разделённых участками по оси времени. Это однополупериодное выпрямление.

2. Среднее напряжение после выпрямления

Условие. На вход подано синусоидальное напряжение с амплитудой U₀. Найдём его среднее значение после однополупериодного и двухполупериодного выпрямления за период T. Усреднение показывает постоянную составляющую пульсирующего сигнала.

1. В однополупериодной схеме положительная полуволна сохраняется, а отрицательная заменяется нулём. Площадь под графиком за период даёт Uср = U₀/π.
2. В двухполупериодной схеме отрицательная полуволна меняет знак и тоже становится положительной. Площадь за период вдвое больше, поэтому Uср = 2U₀/π.
3. Для идеальных диодов падение напряжения на них не учитывается; в реальной схеме среднее значение немного меньше.

Ответ. Для однополупериодного выпрямителя Uср = U₀/π. Для двухполупериодного выпрямителя Uср = 2U₀/π, то есть в два раза больше при одинаковой амплитуде.

3. Пульсации при конденсаторном фильтре

Условие. Двухполупериодный выпрямитель подключён к нагрузке сопротивлением R и конденсатору ёмкости C. Частота источника равна f, а среднее напряжение на нагрузке примерно равно U. Требуется найти период пульсаций и оценить их размах.

1. Мост заряжает конденсатор дважды за период входного напряжения, поэтому частота пульсаций fп = 2f, а их период Tп = 1/(2f).
2. Ток нагрузки можно оценить как I ≈ U/R. Между соседними импульсами конденсатор отдаёт заряд Δq ≈ I·Tп.
3. Так как Δq = CΔU, получаем ΔU ≈ I/(fпC) ≈ U/(2fRC). Чем больше R и C, тем меньше спад напряжения.

Ответ. Период пульсаций равен Tп = 1/(2f), а их примерная амплитуда размаха — ΔU ≈ U/(2fRC). Формула справедлива для небольших пульсаций и показывает, как параметры нагрузки и фильтра влияют на результат.

Типичные ошибки

Считать, что после диода напряжение становится постоянным. Диод убирает смену полярности, но величина напряжения продолжает изменяться. Проверьте график: если он поднимается и опускается, пульсации сохранились.

Полагать, что в однополупериодной схеме используются обе полуволны. Так думают, потому что переменное напряжение сохраняет оба участка на входе. Проверьте состояние диода во второй полуволне: он закрыт, значит ток нагрузки почти равен нулю.

Путать частоту пульсаций с частотой переменного напряжения. В однополупериодной схеме импульс появляется раз за период, а в мостовой — два раза. Для моста используйте формулу fп = 2f.

Неправильно подключать диод или конденсатор. Ошибка возникает, если не проверить направление проводимости диода и полярность его включения. Перед расчётом отметьте анод, катод и положительный вывод конденсатора на схеме.

Связь с другими темами

Для понимания выпрямления нужны закон Ома, свойства переменного напряжения и график синусоиды. Также важно уметь различать последовательное и параллельное соединение элементов, поскольку диод включают в цепь нагрузки, а конденсатор обычно подключают параллельно ей.

Знания о выпрямлении применяются при изучении источников питания, сглаживающих фильтров и электронных схем. Они объясняют работу бытовых блоков питания, зарядных устройств и преобразователей.

Практически выпрямитель преобразует напряжение генератора или электрической сети в сигнал, подходящий для постоянных потребителей. Последующее сглаживание делает это напряжение близким к постоянному.

Что запомнить

• Диод пропускает ток преимущественно в одном направлении.
• Выпрямитель преобразует переменный ток в пульсирующий ток одного направления.
• Однополупериодный выпрямитель использует только одну полуволну.
• Двухполупериодный выпрямитель использует обе полуволны.
• В двухполупериодной схеме частота пульсаций вдвое превышает частоту входного напряжения.
• Конденсаторный фильтр уменьшает пульсации за счёт накопления и отдачи заряда.
• После сглаживания напряжение становится почти постоянным, но зависит от нагрузки и параметров фильтра.