Диодный выпрямитель — это схемотехническое решение на базе полупроводниковых диодов, главной функцией которой является преобразование напряжения. Например, выпрямительные диоды могут применяться в схемах детекторных приёмников для детектирования (преобразование высокочастотного электрического колебания в колебания низкой частоты) сигнала.
Очевиднейшим применением выпрямительного диода, исходя из его названия, является «выпрямление» переменного напряжения, то есть превращение переменного напряжения в постоянное. Именно в таком ключе и рассмотри в данной статье выпрямительный диод.
В общих чертах о полупроводниковом диоде можно прочесть в статье «Полупроводниковый диод». Вообще, разновидностей диодов великое множество: выпрямительные, стабилитроны, супрессоры, варикапы, туннельные диоды, фотодиоды, светодиоды, оптроны. Всех их отличает друг от друга сфера применения и вольт-амперная характеристика (ВАХ) — зависимость тока, протекающего элемент, от напряжения на этом элементе. В процессе развития полупроводниковой компонентной базы проводились эксперименты с различными сочетаниями и комбинациями p-n-переходов, получая новые характеристики ВАХ. Именно по ним наиболее наглядно можно получить представление о работе того или иного полупроводникового диода.
Для наглядности будем знакомиться с выпрямительными диодами на примере диода модели 1N4007.
Ниже представлен фрагмент из документации (datasheet) к семейству диодов 1N400X:
В соответствии с представленным документом, выпрямительный диод модели 1N4007 имеет следующие базовые характеристики, на которые в первую очередь необходимо обращать внимание:
1) Обратное максимальное напряжение (пиковое значение) Uобр (Vrrm) — 1000 В.
Это та величина напряжения, которое диод выдерживает при обратном включении, при этом через диод будет протекать обратный ток Iобр (Ir).
2) Максимальный обратный ток Iобр (Ir) — 30 мкА.
3) Максимальный прямой ток Iпр (If) — 1 А.
Это та предельная величина тока, которая может длительно протекать через диод в прямом включении.
4) Максимальное среднеквадратичное значение напряжения Urms — 700 В.
Эта то максимальное действующее/среднеквадратичное/эффективное значение переменного напряжения, которое можно прикладывать к диоду в прямом включении.
5) Максимальное (пиковое) значение постоянного напряжения Vdc — 1000 В.
Эта та величина постоянного напряжения, которое можно прикладывать к диоду в прямом включении.
Данный график показывает, как меняется величина тока, протекающего через диод, при изменении величины и полярности прикладываемого напряжения.
В правой части графика видно, что в прямо включении диода величина тока резко возрастает при совсем малых значениях напряжения. Ведь для кремниевых диодов уровень отпирающего напряжения составляет примерно 0,6 В, после чего диод практически не оказывает значимого сопротивления току.
Левая часть графика соответствует обратному включению диода. Видно, что уровень тока очень мал (обратный ток Iобр) в весьма широком диапазоне напряжений (обратное напряжение Uобр max). Как только величина обратного напряжения превышает максимальное значение (Uпроб), так сразу же резко возрастает обратный ток, что приводит к пробою диода.
Перейдём к практике. Рассмотрим работу диода в качестве выпрямителя. Существует три схемы выпрямителей: однополупериодный, двухполупериодный и мостовой.
ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
Для примера возьмём простую схему, представленную на рисунке 4. Есть некий источник синусоидального переменного напряжения (например, понижающий трансформатор). Подключим к нему один диод, а в качестве нагрузки подключим резистор R1, с которого будем снимать сигнал на осциллограф P1.
Для наглядности представленная схема в собранном виде изображена на фотографии ниже.
На первичную обмотку понижающего линейного трансформатора подаётся сетевое напряжение 220 В. На рисунке 5 видно, что щупы осциллографа подключены ко вторичной обмотке трансформатора. Соответственно, на экране осциллографа видна форма сигнала с выхода трансформатора — синусоида со среднеквадратическим значением (действующее значение, эффективное значение) напряжения 10,33 В.
Подключим щупы осциллографа к выводам резистора (см. рис.6).
На экране осциллографа будет изображена форма сигнала после выпрямительного диода (см. рис.7).
Как видно из осциллограммы, положительная полуволна входного переменного напряжения проходит через диод, так как в этом случае (прямое включение) диод открыт. Уровень напряжения на нагрузочном резисторе, с которого снимается сигнал, практически равен входному и сигнал совпадает по форме (верхняя полуволна), но амплитуда немного ниже из-за падения напряжения на диоде. В течение отрицательной полуволны диод будет заперт, а потому через нагрузочный резистор ток не будет протекать, следовательно, напряжение на нём не падает, из-за чего на осциллограмме и не видно отрицательной полуволны, она как бы «срезана».
На рисунке 8 представлены графики, иллюстрирующий процесс работы однополупериодного выпрямителя.
Среднее значение Uср выпрямленного напряжения определяется следующим выражением:
где Uвх — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.
Интегрирование выполняется в интервале от 0 до π, поскольку выходное напряжение отлично от 0 только в течение половины периода (π = 90̊ ), ведь вторая половина периода сигнала «обрезана» выпрямительным диодом.
Для нашего примера, как было указано ранее, действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя равно 10,33 В. Значит, Среднее значение выпрямленного напряжения будет равно Uср = 4,64 В.
Оценить качество работы выпрямителя можно численно посредством специального коэффициента — коэффициента выпрямления.
Коэффициент выпрямления — это отношение среднего значения выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения на входе выпрямителя:
Для нашего примера коэффициент выпрямления равен 0,158. Это очень маленькое значение. Качественные выпрямители имеют коэффициент несколько сотен или даже тысяч единиц. Но более наглядно качество выпрямителя показывает коэффициент пульсаций.
Коэффициент пульсаций Kп — это отношение амплитудного значения (максимальной величины) переменной компоненты (основной гармоники) пульсирующего напряжения к среднему значению (постоянной составляющей) выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций определяется следующим выражением:
Значение коэффициент весьма мало, что говорит о крайне низкой эффективности однополупериодной схемы выпрямителя. Для сглаживания таких пульсаций потребуется емкостной фильтр. Чем больше нагружен такой выпрямитель, тем больше потребуется величина ёмкости фильтрующего конденсатора, что в некоторых случаях может быть попросту нецелесообразно.
Кроме весьма низкой неэффективности однополупериодного выпрямителя, данная схема имеет ещё один существенный недостаток. Если источником напряжения для выпрямителя является вторичная обмотка трансформатора, то из-за постоянного тока создаётся подмагничивание сердечника этого трансформатора, поскольку ток во вторичной обмотке протекает только в одном направлении. Подмагничивание сердечника вызывает его насыщение, из-за чего ток во вторичной обмотке не компенсируется током первичной обмотки. Величина тока первичной обмотки сильно повышается, из-за чего провод обмотки может перегреться, а это, в свою очередь, вызовет разрушение межвитковой изоляции, что, в конечном счёте, приведёт к короткому замыканию первичной обмотки трансформатора. Однако, это в том случае, если однополупериодный выпрямитель будет сильно нагружен, то есть ток во вторичной обмотке будет весьма большим (более 100 мА).
БАЛАНСНЫЙ ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ ДИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ СО СРЕДНЕЙ (НУЛЕВОЙ) ТОЧКОЙ
Гораздо более эффективной является схема двухполупериодного выпрямителя. Для однофазной сети существует два типа схемы: балансный выпрямитель со средней (нулевой) точкой и мостовой выпрямитель. Сперва рассмотрим схему выпрямителя со средней точкой.
Важно отметить, что диодный выпрямитель данного типа может использоваться только с трансформатором: либо с двумя вторичными обмотками (конец первой обмотки соединён с началом второй), либо с отводкой (средней точкой).
(слева — трансформатор с двумя вторичными обмотками, справа — трансформатор с отводкой)
По большому счёту, данная схема является объединением двух однополупериодных выпрямителей. Диоды выпрямляют ток по очереди — течение своей половины периода. То есть, алгоритм работы балансного выпрямителя со средней точкой следующий:
1) ток положительной полуволны проходит через диод VD1, далее через нагрузку Rн, и замыкается на средней точке вторичной обмотки трансформатора;
2) ток отрицательной полуволны проходит через диод VD2, далее через нагрузку Rн, и также замыкается на средней точке.
В этом случае не возникает подмагничивания сердечника трансформатора, поскольку в двухполупериодной схеме, в отличии от однополупериодного, выпрямленный (постоянный) ток каждую половину периода протекает в противоположную сторону относительно друг друга.
Также в двухполупериодном выпрямителе среднее значение (постоянная составляющая) напряжения в два раза больше, нежели в однополупериодной схеме и определяется следующим выражением:
где Uвх — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.
Коэффициент пульсаций при двухполупериодном выпрямлении значительно меньше, чем в однополупериодной схеме и составляет Kп = 0,67.
Амплитудное значение напряжения на выходе выпрямителя несколько меньше, чем на входе, поскольку часть напряжения падает на выпрямительных диодах (в зависимости от типа используемого диода и номинального падения напряжения на нём — от 0,4 до 0,7 В).
К недостаткам балансной схемы двухполупериодного выпрямителя можно отнести следующее:
— высокое обратное напряжение (удвоенное амплитудное значчение), прикладываемое к диодам;
— усложнённая конструкция трансформатора.
ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ МОСТОВОЙ ДИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
Мостовой двухполупериодный диодный выпрямитель представляет собой диодный мост, состоящий из 4 диодов, благодаря чему отпадает необходимость в трансформаторе со средней отводкой на вторичной обмотке, а также устраняется эффект подмагничивания сердечника трансформатора, как в однополупериодном выпрямителе.
Процесс выпрямления происходит в два этапа:
1) с первого вывода вторичной обмотки трансформатора положительная полуволна синусоиды проходит через диод VD1, потом через нагрузку, далее проходит через диод VD2, после чего идёт на второй вывод вторичной обмотки;
2) отрицательная полуволна синусоиды выходит со второго выхода вторичной обмотки трансформатора, поступая на диод VD3, далее идёт через нагрузку, потом проходит через диод VD4, после чего идёт на первый вывод вторичной обмотки.
Если смотреть на формы сигнал до и после диодного выпрямителя, то на выходе в общем будет такое же пульсирующее напряжение, как и в двухполупериодном выпрямителе с средней точкой.
Но у мостовой схемы есть существенное отличие: амплитудное значение напряжения каждой полуволны после выпрямления будет несколько меньше, чем у входного напряжения. На рисунке 13, где представлена форма сигнала на входе и на выходе мостового выпрямителя, наглядно демонстрируется данная особенность. Поскольку каждая полуволна проходит через два диода, на каждом из которых падает некоторое напряжение (0,4…0,7 В). Соответственно, амплитуда выпрямленного напряжения (на рисунке обозначена синим цветом) будет в среднем на 1 В меньше, чем амплитуда входного переменного напряжения (на рисунке обозначена красным цветом).
Зачастую, именно мостовые выпрямители используются в электронике в схемах блоков питания.