Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Можно не сомневаться, что после трех высказанных «за» простейшие синусоидальные сигналы будут без возражений утверждены в должности стандартных составляющих сложного сигнала. Синусоидальные колебания часто называют гармоническими, а синусоидальные составляющие сложного сигнала — гармониками. Любой сложный сигнал принято официально характеризовать его спектром — набором гармоник с указанием их амплитуды. А результат прохождения сигнала по какой-либо цепи можно оценивать по тому, как изменился его спектр, какие новые гармоники появились в этом сигнале, какие усилились, какие ослабились. Именно с этих позиций мы и рассмотрим сейчас работу полупроводникового диода.

Включим диод в схему простейшего выпрямителя (рис. 26) и подведем к нему синусоидальное переменное напряжение.

Рис. 26. Под действием переменного напряжения в цепи диода протекает пульсирующий ток, который состоит из постоянной и переменной составляющих.

Для простоты будем считать, что диод имеет идеальную характеристику, что его обратный ток равен нулю, то есть обратное сопротивление бесконечно велико. Обычно разница между прямым и обратным током диода настолько велика, что подобное допущение вполне справедливо.

Под действием переменного напряжения в цепи диода пойдет пульсирующий ток — импульсы тока будут появляться только тогда, когда переменное напряжение приложено к диоду в прямом направлении. Иными словами, ток будет протекать лишь в течение одной половины периода переменного напряжения. Отсюда и название схемы — однополупериодный выпрямитель.

Спектр получившегося пульсирующего тока содержит гармоники с частотами, кратными частоте повторения импульсов f1. Первая гармоника имеет частоту f1, вторая в два раза более высокую частоту f2 = 2f1 третья частоту f3 = 3f1 и так далее. Амплитуды гармоник постепенно убывают — вторая оказывается слабее первой, третья слабее второй, и т. д. С помощью резонансных фильтров все эти гармоники можно выделить из пульсирующего тока, точно так же, как, пустив весь набор гармоник в общую цепь, в итоге можно получить сигнал сложной формы.

Кроме гармоник, в получившемся пульсирующем токе Iвып есть еще одна составляющая — постоянный ток I=. Появление этой постоянной составляющей связано с тем, что, хотя ток в цепи диода все время меняется, заряды толчками, импульсами двигаются всегда в одну сторону. Это постоянное смещение зарядов как раз и отображается постоянной составляющей I=. В то же время изменение тока, его пульсации отображаются всем набором гармоник.

Полупроводниковый диод в нашей схеме проводит огромную работу — он из простейшего синусоидального сигнала создает очень сложный сигнал с богатым спектром, с большим числом гармоник. В некоторых схемах такое преобразование спектра сигнала используется довольно широко. Однако в выпрямителях все получившиеся гармоники — это отходы. Здесь из всей продукции полупроводникового диода нужна только постоянная составляющая I=.

В однополупериодной схеме постоянная составляющая I= сравнительно невелика — не более 35 % амплитуды импульса тока Iмакс (рис. 27—1).

рис. 27—1

В то же время есть схемы, в которых I= оказывается вдвое больше — почти 70 % амплитуды импульса. В этих схемах для получения выпрямленного тока используются оба полупериода переменного напряжения, и называются такие схемы двухполупериодными. Никаких принципиальных отличий между одно- и двухполупериодными схемами нет. Можно сказать, что двухполупериодная схема — это своего рода остроумный фокус, гениальная шутка давно забытого конструктора.

Одна из двухполупериодных схем — она так и называется двухполупериодной — фактически представляет собой два однополупериодных выпрямителя, включенных так, что они работают поочередно и пропускают свои выпрямленные токи через общую нагрузку в одном и том же направлении (рис. 27—2). У каждого выпрямителя, у каждой половинки такой схемы свой собственный источник переменного напряжения, своя вторичная обмотка трансформатора — II' и II". Практически для удобства намотки это одна вторичная обмотка, дающая удвоенное напряжение, от середины которой сделан отвод.

рис. 27—2

В другом двухполупериодном выпрямителе — его схема (рис. 27—3) называется мостовой или мостиковой — только один источник переменного напряжения, но благодаря двум дополнительным диодам и здесь удается использовать оба полупериода для создания тока I=. В обеих этих двухполупериодных схемах постоянная составляющая выпрямленного тока достигает почти 70 % от Iмакс.

рис. 27—3

Нагрузкой всех наших выпрямителей, как видно из схем, является некое условное сопротивление Rн. Практически же нагрузкой могут быть анодные или накальные цепи радиоламп, электродвигатель, транзисторный усилитель, обмотка электромагнита, заряжаемый аккумулятор, измерительный прибор и другие потребители.

До сих пор вместе с постоянной составляющей, которая нужна нагрузке, мы пропускали через нее и все переменные составляющие импульсного тока, все его гармоники. В некоторых случаях гармоники не вредят делу, но чаще их нельзя пускать в нагрузку — от выпрямителя, как правило, требуется «чистый» постоянный ток. Отделение переменных составляющих от постоянной осуществляется с помощью электрических фильтров.

Полностью избавиться от переменных составляющих выпрямленного тока практически нельзя, да это и не нужно. Нужно лишь ослабить их в определенное число раз, с тем чтобы эти переменные составляющие стали значительно слабее постоянной. А чтобы ослабить переменный ток, идущий в нагрузку, нужно создать для него более легкий обходный путь. Причем этот обходный путь должен быть легким только для переменных составляющих, иначе вместе с ними мы ослабим и постоянную составляющую I=.

Простейшим фильтром выпрямителя может служить конденсатор Сф, подключенный параллельно нагрузке Rн (рис. 27—4). Постоянную составляющую этот конденсатор (как и всякий другой!) не пропускает, а для переменной он ведет себя как резистор, сопротивление которого хс зависит от частоты f и емкости Сф (Воспоминание № 13).

рис. 27—4

Емкость конденсатора Сф выбирают с таким расчетом, чтобы его сопротивление хс было значительно меньше, чем Rн для первой гармоники выпрямленного тока, то есть для его самой низкочастотной синусоидальной составляющей. При этом исходят из того, что если конденсатор достаточно хорошо отводит от нагрузки, достаточно легко пропускает через себя первую гармонику, то он еще легче пропустит высшие гармоники, имеющие более высокие частоты, потому что емкостное сопротивление конденсатора уменьшается с частотой.

В тех случаях, когда нужна более тщательная фильтрация, более тонкая очистка выпрямленного тока от переменных составляющих, можно применить более сложные фильтры.

В П-образном фильтре с резистором (рис. 27—5) уже знакомый нам конденсатор (здесь он называется Сф2) выполняет свои обычные обязанности — накоротко замыкает переменные составляющие, отводит их от нагрузки. Но в этой схеме задача нашего конденсатора облегчается, так как еще до него фильтрацию осуществляет звено Сф1Rф. Емкостное сопротивление конденсатора Сф1 значительно меньше, чем Rф, и переменные составляющие в значительной степени замыкаются уже через этот конденсатор.

рис. 27—5

Недостаток фильтра в том, что и постоянная составляющая, прежде чем она доберется до нагрузки, должна преодолеть сопротивление Rф. На сопротивлении Rф теряется часть энергии постоянного тока, и из-за этого, как мы сейчас увидим; несколько снижается постоянное напряжение на нагрузке.

От такого недостатка свободен другой П-образный фильтр (рис. 27—7), в котором вместо Rф включен дроссель Др.

рис. 27—7