Uвып-1 и Uвып-2. Первое из них отфильтровано хуже, второе — лучше. Но зато ток Iвып-1 не проходит через Rф, не теряет на нем энергии, и напряжение Uвып-1 оказывается больше, чем Uвып-2. Полезность такой схемы связана с тем, что в реальной аппаратуре не все узлы требуют выпрямленного напряжения, одинаково хорошо очищенного от гармоник. Так, например, при питании некоторых мощных усилителей можно допустить, чтобы мощность гармоник составляла 1–2 % общей мощности питающего тока. В то же время для микрофонных усилителей мощность гармоник в питающем напряжении не должна превышать нескольких тысячных долей процента.
Как видите, электрические фильтры вместе с диодом участвуют в преобразовании формы сигнала, в нашем случае — в преобразовании переменного тока в постоянный. Диод усложняет спектр сигнала, создает в нем новые составляющие. Фильтры, наоборот, упрощают спектр, подавляя некоторые его составляющие. Электрические фильтры — это важнейшие и, пожалуй, самые распространенные элементы радиоэлектронных устройств. Мы будем с ними встречаться на протяжении всей книги и постепенно увидим, из каких соображений в тех или иных случаях выбираются элементы фильтра.
Так, например, уже сейчас нетрудно сообразить, что необходимая емкость конденсаторов фильтра выпрямителя зависит от того, насколько нужно очистить выпрямленный ток от гармоник, а также от величины сопротивления нагрузки Rн. Чем меньше Rн, тем меньшим должно быть и шунтирующее нагрузку емкостное сопротивление конденсаторов, тем, следовательно, большей должна быть их емкость.
Емкость этих конденсаторов зависит также и от выбранной схемы — в двухполупериодных схемах частота самой опасной (самой низкочастотной) первой гармоники в два раза выше, чем в однополупериодной схеме, так как импульсы тока следуют в два раза чаще. А это значит, что емкость фильтра конденсаторов в двухполупериодном выпрямителе может быть в два раза меньше, чем в однополупериодном.
(Проще всего, конечно, при выборе Сф1 и Сф2 исходить из правила «чем больше емкость фильтра, тем лучше», но такой подход может привести вас к серьезным затруднениям, причем не только схемным, но и финансовым.)
Емкость первого конденсатора фильтра Сф1(Сф) (в схеме рис. 27 — 4, 5, 6, 7) влияет не только на фильтрацию, но и на величину выпрямленного напряжения. Можно считать, что это напряжение создается на нагрузке постоянной составляющей тока I= и, согласно закону Ома, численно равно U= = I=·Rн. Прежде чем говорить о влиянии Сф1(Сф) на напряжение U=, несколько слов еще об одной скромной профессии диода — о его работе в качестве ограничителя.
Давайте вместе с переменным напряжением подведем к диоду постоянное, причем так, чтобы это постоянное напряжение запирало диод, действовало на него не в прямом, а в обратном направлении (рис. 27—8).
рис. 27—8
В этом случае диод не будет пропускать ток не только во время отрицательного полупериода переменного напряжения U~, но в течение некоторой части положительного полупериода. Только после того, как переменное напряжение, действующее во время положительного полупериода против постоянного Uогр, полностью скомпенсирует его, только после этого диод откроется — начнет пропускать ток.
Время существования тока зависит от соотношения постоянного и переменного напряжений. Чем больше Uогр тем дольше диод остается закрытым, тем меньше времени существуют импульсы тока, или, как говорят иначе, тем сильнее они подрезаны снизу. Такое ограничение тока «снизу» обычно называют его отсечкой. Плавно изменяя Uогр, можно регулировать степень отсечки (рис. 27–10). Если Uогр будет больше, чем амплитуда переменного напряжения U~макс, то диод не откроется никогда и тока в его цепи вообще не будет.
рис. 27–10
В другой схеме диод работает ограничителем по максимуму, срезает верхушку импульса тока (рис. 27—9). Здесь диод Д2 заперт, причем заперт лишь в некоторой части положительного полупериода, а в начале и в конце этого полупериода он оказывается открытым. Когда диод Д2 открывается, то сильно шунтирует своим небольшим прямым сопротивлением нагрузку Rн2. При этом весь ток идет через Д2, и импульс тока Iн2 оказывается ограниченным сверху.
рис. 27—9
Теперь вернемся к выпрямителям.
Для того чтобы легче было понять, что происходит в схеме, когда в ней действует переменное напряжение, можно «остановить мгновенье» и рассматривать это напряжение как постоянное, действующее то в одну, то в другую сторону. Часто можно видеть, как радиолюбители пользуются таким упрощенным методом, и рассуждения их при этом выглядят примерно так: «…Если здесь «плюс», то здесь «минус»… Если этот «минус» меньше этого «плюса», то в итоге будет «плюс»… Этот «плюс» соединен с этим «минусом», значит, оба источника действуют в одну сторону…» и т. д. Причем обозначения «плюс» и «минус» относят и к переменным напряжениям, но при этом, естественно, учитывается, что «плюс» и «минус» у них непрерывно меняются местами. Подобное отношение к переменному напряжению является, конечно, упрощением, но нам такое упрощение и нужно.
На некоторых схемах возле генератора, где действует переменное напряжение U~ вы увидите пары «плюсов» и «минусов», а над каждой такой парой на черной точке стоит штрих или два штриха. Они-то и показывают, какому полупериоду соответствует та или иная пара «плюс»-«минус», та или иная полярность (временная!) переменного напряжения.
В схеме рис. 27–11, так же как и в ограничителях (рис. 27—8, 10), на диод всегда действуют два напряжения — переменное с амплитудой U~макс и постоянная составляющая выпрямленного напряжения. Причем постоянное напряжение, как и в ограничителе, действует в обратном направлении, действует против переменного, когда оно отпирает диод. И поэтому диод в выпрямителе всегда работает с отсечкой тока.
рис. 27–11
От чего же зависит величина напряжения U=, которое вполне можно назвать ограничивающим напряжением? Мы уже говорили (стр. 71), что U= прежде всего зависит от потребляемого выпрямленного тока, а значит, от сопротивления нагрузки Rн. Но кроме того, величина U зависит еще и от емкости конденсатора Сф1 (Сф на схеме рис. 27—4).
Дело в том, что во время положительных полупериодов, то есть когда диод пропускает ток, этот конденсатор заряжается до амплитудного напряжения U~макс, а во время отрицательных полупериодов он разряжается через нагрузку Rн (Сф1 не может разрядиться через генератор — диод этого не допустит). Чем больше емкость конденсатора Сф1 и чем меньше потребляемый от него ток (то есть чем больше сопротивление Rн), тем медленнее разряжается этот конденсатор, тем меньше пульсации выпрямленного напряжения и больше его постоянная составляющая U= (рис. 28). Отсюда можно сделать сразу два вывода — один приятный и один неприятный.
Приятный вывод такой. Увеличивая Сф1 можно поднять постоянное напряжение U= вплоть до амплитуды переменного напряжения U~макс. Это значит, например, что если подвести к выпрямителю напряжение 6,3 в с обмотки накала ламп силового трансформатора, то можно получить U= около 9 в (при эффективном напряжении 6,3 в амплитуда достигает 6,3·1,4 = 8,8 в; см. стр. 148). Аналогично прямо от сети с напряжением 127 в можно получить постоянное напряжение до 180 в, а от сети 220 в — до 310 в. Не забудьте, что это максимально возможные величины. В действительности постоянное напряжение меньше, причем тем меньше, чем больше потребляемый от выпрямителя ток.
Теперь второй вывод — диод должен иметь трехкратный запас по обратному напряжению. При достаточно большой емкости Сф1 и небольшом токе I=, а кроме того, во всех случаях жизни при обрыве цепи Rн напряжение U= примерно равно амплитуде переменного U~макс. А это значит, что во время отрицательного (обратного) полупериода, когда диод не пропускает тока, к нему приложено два согласованно действующих и равных напряжения U= и U~макс. А поскольку U~макс ~= 1,4U~, то общее обратное напряжение на диоде достигает 2,8U~ (для круглого счета примем 3U~). Отсюда и сам вывод — подбирать диод для выпрямителя нужно с таким расчетом, чтобы допустимое обратное напряжение диода Uобр-доп было в три раза больше, чем эффективное переменное напряжение U~ подводимое к выпрямителю.
Для мостовых схем, где в каждое плечо последовательно включено два диода, запас напряжения для каждого из них нужен лишь полуторный. Попутно заметим, что если запаса электрической прочности у диода не хватает, если допустимое обратное напряжение у него слишком мало, то во всех схемах можно включать несколько одинаковых диодов последовательно вместо одного. При этом диоды нужно зашунтировать одинаковыми сопротивлениями по 30—100 ком (рис. 27–14), чтобы уравнять обратные сопротивления диодов и чтобы обратное напряжение распределялось между ними поровну. При последовательном соединении