Для роботи електронних пристроїв (підсилювачів, радіоприймачів, комп'ютерів та ін.) Потрібно постійна напруга, яке можна отримати, використовуючи акумулятори або батареї. Однак частіше в якості первинного джерела електроживлення використовується промислова мережа змінної напруги
з частотою # 969; 1 = 2πf. де f = 50 Гц (Росія) або 60 Гц (США) і ефективною напругою Uефф - 380/220 В (380 В - напруга між двома фазами, 220 В - напруга між фазою і «нульовим» проводом), Um = Uефф - амплітуда напруги. Змінна напруга має ряд переваг при передачі електромагнітної енергії на відстань. Зокрема, вдається знизити втрати на джоулево тепло dQ. величина якого за одиницю часу dt відповідно до закону Джоуля-Ленца визначається величинами опору провідника R і протікає по ньому струму i:
Зниження втрат можна досягти зменшенням опору дроти: використовувати матеріали з низьким питомим опором (золото, срібло, мідь); збільшити поперечний переріз проводу; використовувати ефект надпровідності. Однак більш доступно і ефективно зменшити струм в передавальної лінії завдяки ефекту трансформації, тобто перетворити електричну енергію з одними значеннями струму і напруги в інші за допомогою статичного електромагнітного апарату, званого трансформатором. Величини потужності Wk = uk ik (k = 1, 2) на первинній та вторинній обмотках трансформатора приблизно рівні: u1 i1 ≈u2 i2. Значення напруги на вторинній обмотці визначається співвідношенням u2 = u1 n2 / n1. де n1. n2 - число витків первинної і вторинної обмоток трансформатора. Збільшуючи число витків вторинної обмотки, можна підвищити напругу на виході трансформатора і, отже, знизити величину струму в лінії електропередачі. Для передачі електричної енергії використовують високовольтні лінії.
У джерелах вторинного електроживлення за допомогою трансформатора здійснюється зниження напруги до необхідного значення.
Для отримання постійної напруги виробляється перетворення змінної напруги за допомогою пристроїв, званих випрямлячами. Основу цих пристроїв складають елементи, що володіють односторонньою провідністю: електровакуумні й напівпровідникові діоди.
Мал. 1. Однополуперіодна схема випрямляча
На рис. 1. приведена схема однополупериодного напівпровідникового випрямляча, на якій: Т - трансформатор, VD - діод, R - навантаження, u2 (t). UД. Uн - напруги на вторинній обмотці трансформатора, на діоді і на навантаженні відповідно.
Вольтамперні характеристики германієвих і кремнієвих напівпровідникових діодів наведені на рис. 2. Можна виділити дві гілки, відповідні зміщення p-n-переходу в різних напрямках. При прямому зміщенні анод (p-шар p-n-переходу) позитивний по відношенню до катода (n-шар p-n-переходу). Збільшення прямого зміщення призводить до зростання прямого струму через діод. При малих зсувах через діод протікає порівняно невеликий прямий струм до тих пір, поки напруга на переході не перевищить граничне значення, яке визначається контактною різницею потенціалів між шарами p-n-переходу, що створює потенційний бар'єр, що перешкоджає протіканню струму в прямому напрямку. Порогові напруги різних діодів дещо відрізняються один від одного і зазвичай складають десяті частки вольта: для германієвих діодів цей поріг близько 0,2 В, для кремнієвих 0,6 В.
При зміні знака прикладеної напруги (зворотне зміщення p-n-переходу) полярність напруги між анодом і катодом негативна. Збільшення зворотного зсуву призводить до незначного зростання зворотного струму до тих пір, поки не буде досягнуто напруга пробою p-n-переходу (точка А на рис. 2). У робочій області вольтамперних характеристик діода (до точки А) відношення прямого струму до зворотного дуже велике - сотні і тисячі разів.
Опір діода в прямому напрямку багато менше опору в зворотному напрямку, тому його можна вважати вентилем і реальну характеристику замінити кусочно-ламаною лінією, що складається всього з двох відрізків. Тоді для струму в ланцюзі, представленої на рис. 1, можна записати вираз
де S - тангенс кута нахилу прямої гілки ідеалізованої вольтамперної характеристики (крутизна вольтамперної характеристики).
Якщо на ідеалізовану вольтамперних характеристику (2) (верхня область лівої частини рис. 3) накласти змінну напругу (1) (нижня область лівої частини рис. 3), то під дією цієї напруги струм буде протікати тільки в ті напівперіоди, коли анод вентиля має більш високий потенціал щодо катода (права частина рис. 3). При зміні знака напруги струм через діод стає рівним нулю. Миттєве значення струму за період визначається наступним виразом:
де RB = Rтр + rд - повне опір випрямляча, Rтр - активний опір вторинної обмотки трансформатора, rд - опір вентиля (діода) в прямому напрямку. У загальному випадку при розрахунку випрямляча слід врахувати і реактивний опір обмоток трансформатора, яке істотно при великих токах навантаження і числі фаз випрямленого струму більш 3-х. Для малопотужних випрямлячів з малими струмами навантаження реактивним опором нехтують, вважаючи трансформатор джерелом ЕРС з внутрішнім опором, багато меншим опору зовнішнього ланцюга. При розрахунках також часто не враховуються опору вентилів у відкритому стані, оскільки зазвичай вони багато менше опору навантаження.
Таким чином, струм через опір навантаження RH має пульсуючий характер і з'являється тільки в один з напівперіодів напруги на вторинній обмотці трансформатора u2 (t).
Тому випрямляч, зібраний по схемі рис. 1, називається однополуперіодним. Випрямлені напруга і струм містять постійні складові (середні за період) U0. I0 і змінні складові (пульсації) Uп. iп.
Недоліки однополупериодного випрямляча:
- великий коефіцієнт пульсацій;
- малі середні значення випрямленого струму і напруги;
Існують інші схеми випрямлячів, в яких використовуються обидва напівперіоду напруги мережі. Такі випрямлячі називаються двухполуперіодним. Найбільш поширений мостовий випрямляч, схема якого наведена на рис.4.
Змінна напруга підводиться до однієї діагоналі моста, а опір навантаження підключається до іншої діагоналі. У цій схемі вентилі пропускають струм попарно VD 1, VD 4 і VD 2, VD 3. В один напівперіод напруги, коли потенціал точки А виявляється вище потенціалу точки У, пара вентилів VD 1 і VD 4 пропускатиме струм. Наступний напівперіод напруги струм пропускає інша пара вентилів. Таким чином, в кожен напівперіод змінної напруги через опір навантаження протікає пульсуючий струм одного напрямку.
На рис. 5 представлені осцилограми напруг і струмів в цій схемі. На верхньому малюнку зображено вихідна напруга, на двох наступних - форми струмів в першому і другому плечах відповідно. На нижньому графіку показана форма струму, що протікає через активне навантаження.
Якість роботи випрямлячів оцінюється коефіцієнтами пульсацій. Для напруги коефіцієнт пульсацій
де U0 - величина постійної напруги, Uп - амплітуда пульсацій. Коефіцієнт пульсацій можна виміряти, використовуючи вольтметри постійного і змінного напруг. При вимірі Uп необхідно враховувати вид вимірюваної напруги: якщо вимірюється ефективне значення, то Uп = Uефф.
При однакових навантаженнях і значних U m двонапівперіодна схема випрямляча має менші пульсації струму через навантаження в порівнянні з однополупериодной.