Пульсации выпрямленного напряжения

Рассмотренные схемы выпрямителей давали возможность получить на нагрузке выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Недопустимо большие пульсации напряжения нарушают нормальный режим работы электронной аппаратуры создают фон на ее выходе, вызывают искажения сигналов, приводят к неустойчивости работы электронного устройства в целом. Поэтому для устранения пульсации выпрямленного напряжения в схему выпрямителя на его выходе включают сглаживающие фильтры.

Прежде чем познакомиться с практическими схемами фильтрации, рассмотрим физические процессы в схеме двухполупериодного выпрямителя для случая, когда последовательно с сопротивлением нагрузки включен дроссель L (рис. 117, а), т. е. когда выпрямитель нагружен на индуктивное и активное сопротивления. Напряжение URнL, приложенное к цепи Rн — L, имеет форму положительных синусоидальных полуволн; форма же тока, протекающего через нагрузку, отличается от формы выпрямленного напряжения. При увеличении напряжения URнL в индуктивности L возникает э. д. с. самоиндукции eL, которая противодействует увеличению тока. Она направлена навстречу возрастающему напряжению URнL и поэтому на графике показана с обратной полярностью. Рис. 117. Работа двухполупериодного выпрямителя: а —на индуктивность и активное сопротивление; б — на емкость и активное сопротивление.

Как только ток первого вентиля В₁ перестанет возрастать (достигает максимума), э. д. с. самоиндукции становится равной нулю. В следующую часть периода, когда полярность ее изменится, она будет препятствовать уменьшению тока в цепи R_н - L, поэтому ток прекращается не в момент а позже, в момент времени t'. В момент времени t' открывается также вентиль В₂ и ток в нагрузке складывается из возрастающего тока вентиля В₂ и уменьшающегося тока вентиля В₁, поддерживаемого э. д. с. самоиндукции (последний замыкается теперь через вентиль В₂, так как вентиль В₁ заперт).

Среднее значение выпрямленного тока уже незначительно отличается от максимального тока через вентиль, причем это отличие будет тем меньше, чем больше индуктивность L. Одновременно уменьшаются и пульсации выпрямленного напряжения. Так, при ωL, — (5÷8) R_н пульсации напряжения на нагрузке не превышают 20%.

Обратное напряжение на вентиле равно сумме э. д. с. е_II и напряжения на входе цепи R_н—L:

U_{обр.макс}2Е_mII≈πU_cр.

В общем случае среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке равно

U_ср = U_ср.х.х — I_ср (R_i + r_II + r_др),

где U_ср.х.х — напряжение на выходе выпрямителя при отключенной нагрузке в режиме холостого хода; I_ср (R_i + r_II + r_др) — напряжение потерь на актив-пых сопротивлениях элементов схемы.

Из последнего равенства следует, что с увеличением тока через нагрузку (при уменьшении R_н) увеличивается наклон внешней характеристики. Однако этот наклон не зависит от индуктивности дросселя, поэтому в выпрямителе с индуктивной нагрузкой целесообразно применять вентили с малым внутренним сопротивлением R_i (селеновые или ионные вентили).

На рис. 117, б приведены двухполупериодная схема выпрямителя, нагруженного на параллельно подключенные конденсатор С и сопротивление R_н, а также графики, поясняющие работу этой схемы.

Конденсатор дважды за каждый период подзаряжается до напряжения U_C.макс поочередно через вентиль В₁ и вентиль В₂. Когда напряжение на соответствующей половине вторичной обмотки трансформатора становится выше напряжения U_С на конденсаторе, он. подзаряжается в промежутки времени t₁ — t₂, t₃ — t₄ и разряжается на нагрузку в промежутки времени t₂—t₃, t₄— t₅. При этом ток в нагрузке поддерживается за счет энергии, накопленной в конденсаторе. Вентили в это время заперты. Чем больше сопротивление нагрузки, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше изменяется (меньше пульсирует) напряжение на нагрузке.

Среднее значение выпрямленного напряжения примерно равно амплитуде напряжения на половине вторичной обмотки трансформатора: обратное напряжение в 2 раза больше (≈2Е_mII), коэффициент пульсации не превышает 15% при С≈8÷10 мкф.

Следует заметить, что ток в нагрузке протекает в течение всего полупериода, в то время как ток через вентиль проходит только лишь часть полупериода, причем максимальное значение этого тока в 3—4 раза больше среднего значения выпрямленного. Поэтому если необходимо получить от выпрямителя ток в 100 ма, то допустимый максимальный ток вентиля должен быть не менее 300 ма.

Наклон внешней характеристики зависит не только от величины внутреннего сопротивления вентиля и вторичной обмотки трансформатора, но и от постоянных времени заряда и разряда конденсатора:

t_зар ≈ С(R_i+r'_II); t_разр = CR_н

Величина выпрямленного напряжения резко зависит от величины тока нагрузки. При R_н = ∞, т. е., когда I_ср = 0, напряжение на емкости максимально; при уменьшении R_н напряжение U_ср падает.

Выпрямитель, работающий на емкость, можно рассматривать как источник с большим внутренним сопротивлением. В момент включения схемы имеет место бросок тока, происходит первоначальный заряд конденсатора С, ток в цепи ограничивается только внутренним сопротивлением вентилей, поэтому возникает опасность выхода одного из них из строя.