Однокаскадные схемы выпрямления

Чтобы преобразовать периодически меняющееся напряжение в постоянное напряжение, необходимы три элемента (рис. 2.6,а): источник переменного напряжения u₁(t), выпрямитель VD (диод), работающий в качестве переключателя напряжения, и конденсатор C, накапливающий заряд. При этом неважно, является ли напряжение синусоидальным или содержит высшие

гармоники. Каждый из этих трех элементов схемы принципиально может иметь заземленную точку, и изменение во времени снимаемого напряжения зависит от выбора точек съема. При получении высокого напряжения целесообразно проводить заземление точек 1 или 2 источника переменного напряжения, в качестве которого обычно используется трансформатор высокого напряжения со слабой на одном конце изоляцией относительно заземленных сердечника или первичной обмотки. Если заземлена точка 2, требуется дополнительная изоляция источника переменного напряжения.

Схема без нагрузки. Для понимания любых схем выпрямления важно уяснить, как изменяются напряжения на всех трех элементах во времени, при этом диод считается идеальным коммутатором.

При заземлении точки 1 получается хорошо известная в технике низких напряжений и широко применяемая во многих электронных устройствах однополупериодная схема. На рис.2.6 показаны изменения во времени напряжений U₁ (напряжение между точками 1-2), U_c (напряжение между точками 1-3) и U_д (напряжение между точками 3-2), а также тока через диод I_д в случае включения схемы на идеальное синусоидальное напряжение. В схеме без нагрузки ток проходит через диод только в период нарастания напряжения в первый полупериод. После достижения максимального напряжения конденсатор полностью заряжен и при дальнейшем уменьшении напряжения диод оказывается заперт. На конденсаторе остается постоянное напряжение U_C, если не меняется максимальное значение переменного напряжения во времени и конденсатор не разряжается. Напряжение на диоде U_д является синусоидальным (с колебаниями вокруг напряжения U_C) пульсирующим с двойной амплитудой пульсаций. Выходным напряжением этой схемы является выпрямленное напряжение U_C.

При заземлении точки 2 изменение напряжений во времени показаны на рис.2.6а. Потенциал точки 2 равен нулю. Эта схема, в которой выходным напряжением является U_д, называется схемой удвоения и является существенной частью каскадных схем. Сглаживание пульсирующего напряжения невозможно, так как при параллельном включении диода и конденсатора теряются выпрямительные свойства схемы.

В обоих вариантах схемы воздействующее на диод напряжение одинаково, на конденсаторе напряжение равно амплитудному U_C = U_М, а обратное напряжение диода равно удвоенному амплитудному 2U_M.

Схема с нагрузкой. При нагрузке однополупериодного выпрямителя (рис.2.6б) в выходном напряжении содержатся пульсации, так как через нагрузку R протекает ток I, который обеспечивается током источника переменного напряжения лишь в течение короткого времени a (рис.2.6). Выходное напряжение U_C изменяется в пределах от U_М до U_М ‑ 2dU. Пульсации выходного напряжения могут быть уменьшены при увеличении частоты питающего напряжения f и при ёмкости C.

При практическом определении параметров устройств высокого напряжения с такой схемой необходимо также учитывать падение напряжения как на диоде, так и в трансформаторе. Технические характеристики выпрямительных элементов приведены в таблице 3 приложения.