Рис. 1.2.1
Исследование двухполупериодных выпрямителей
Источники вторичного электропитания (ИВЭП) предназначены для получения напряжения, необходимо для питания различных электронных устройств. Как известно, действующее значение напряжения сети переменного тока составляет 220 В. В то же время для работы электронных приборов необходимо постоянное напряжение, величина которого обычно не превышает нескольких вольт. Вторичные источники получают энергию от первичных источников: сети переменного тока, аккумуляторов и т. д.
Структурная схема ИВЭП, получающего энергию от сети переменного тока, показана на рис. 1.2.1. Трансформатор предназначен для изменения уровня переменного напряжения и гальванической развязки выпрямителя и питающей сети. Выпрямитель преобразует переменное напряжение синусоидальной формы в пульсирующее напряжение одной полярности. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Стабилизатор уменьшает колебания напряжения на нагрузке.
Рис. 1.2.1
Рассмотренный источник питания имеет большие вес и габариты, определяемые прежде всего размерами трансформатора и сглаживающего фильтра. В настоящее время такие ИВЭП вытесняются преобразовательными устройствами, работающими на частотах, составляющих десятки и сотни килогерц. При этом удается значительно уменьшить размеры и вес устройства.
Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основными компонентами выпрямителей служат вентили – элементы с явно выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. В качестве таких элементов используют кремниевые диоды.
Двухполупериодные выпрямители. На рис. 1.2.2 показана схема выпрямителя с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.
Рис. 1.2.2
Во вторичной обмотке трансформатора индуцируются напряжения
и
,
имеющие противоположную полярность. Диоды проводят ток поочередно, каждый
в течение полупериода. В положительный полупериод открыт диод VD1,
а в отрицательный – диод VD2. Ток в нагрузке имеет одинаковое
направление в оба полупериода, поэтому напряжение на нагрузке имеет форму,
показанную на рис. 1.2.3. Выходное напряжение на рис. 9.21 меньше входного
на величину падения напряжения на диоде.
Рис. 1.2.3
В двухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая тока и напряжения
; 
.
Из последней формулы определим действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:
.
Коэффициент пульсаций напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя:
.
Ток во вторичной обмотке трансформатора двухполупериодного выпрямителя синусоидальный, а не пульсирующий, он не содержит постоянной составляющей. Тепловые потери при этом уменьшаются, что позволяет уменьшить габариты трансформатора.
Существенным недостатком схемы на рис. 1.2.4 является то, что к запертому диоду приложено обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения одного плеча вторичной обмотки трансформатора:
.
Поэтому необходимо выбирать диоды с большим обратным напряжением. Более рационально используются диоды в мостовом выпрямителе. Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя показана на рис. 1.2.4.
Рис. 1.2.4
Эта схема имеет такие же значения среднего напряжения и коэффициента пульсаций, что и схема выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора. Ее преимущество в том, что обратное напряжения на диодах в два раза меньше. Кроме того, вторичная обмотка трансформатора содержит вдвое меньше витков, чем вторичная обмотка трансформатора в схеме на рис. 1.2.4. Часто все четыре диода размещают в одном корпусе.
Рассмотренные схемы выпрямителей имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания электронной аппаратуры часто требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсаций. Не превышающим нескольких процентов, Для уменьшения пульсаций используют специальные устройства – сглаживающие фильтры.
Простейшим является емкостный фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однополупериодного выпрямителя (рис. 1.2.5).
Рис. 1.2.5
Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора С (когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки.
Временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя показаны на рис. 9.24. На интервале времени 
диод открыт и конденсатор заряжается. На интервале 
диод закрыт и конденсатор разряжается через сопротивление 
. Для уменьшения пульсаций емкость конденсатора должна быть большой, чтобы постоянная времени разряда 
была намного больше периода выпрямленного напряжения.
Рис. 1.2.6
Как следует из рис. 1.2.6, диод открыт только на интервале 
. Чем короче этот интервал, тем больше амплитуда тока через диод. Режим работы диода в схеме выпрямителя с фильтром оказывается достаточно тяжелым.
Рис. 1.2.7
На практике используют и более сложные схемы сглаживающих фильтров. На рис. 1.2.7, а, б приведены схемы Г-образных LC- иRC-фильтров.
Такие фильтры обеспечивают лучшее сглаживание. Их основной недостаток – большие габариты и вес.
Сопротивление нагрузочного резистора 
рассчитывается по формуле
Емкость сглаживающего конденсатора для однополупериодного выпрямителя (рис. 1.2.7) рассчитывается по приближенной формуле
.
Здесь 
- частота напряжения источника переменного напряжения ( = 50 Гц);
- коэффициент пульсаций (в относительных единицах).
Емкость конденсатора для двухполупериодного выпрямителя меньше в два раза:
.
В источнике вторичного электропитания с параметрическим стабилизатором напряжение на выходе выпрямителя 
целесообразно выбирать примерно в два раза большим напряжения нагрузки 
. Если используется мостовой выпрямитель, сопротивление балластного резистора находится по формуле
.
Здесь 
- напряжение стабилитрона в режиме пробоя, 
- напряжение открытого диода, 
- минимальный ток стабилитрона.
В схеме с параметрическим стабилизатором емкость сглаживающего конденсатора рассчитывается по формуле
, а также коэффициент связи Coupling. Коэффициент связи несколько меньше единицы. Можно выбрать Coupling = 0.99. Индуктивности первичной и вторичной обмоток связаны соотношением 
, где n - коэффициент трансформации.