Выпрямление переменного тока является одним из весьма распространенных применений полупроводникового или вакуумного диода. Последние, предназначенные для этой цели, получили даже специальное название – кенотронов. В радиоаппаратуре с питанием от сетей переменного тока, и, в частности, в сетевых радиоприемниках или схемах выходных каскадов строчной развертки ламповых телевизоров применяют кенотронные выпрямители.
Однако кенотронный выпрямитель такого простого типа, как мы представляем классический вакуумный диод, лишь в сравнительных редких случаях пригоден для использования. Его недостаток состоит в том, что он дает пульсирующее напряжение. Чтобы разобраться в этом явлении, представим себе, что в цепь нашего выпрямителя включен какой-то потребитель тока – приемник, усилитель или какой-либо другой аппарат. В технике принято называть потребителей, пользующихся энергией из какой-нибудь цепи, нагрузкой. В соответствии с эти сопротивление R , олицетворяющее собой нагрузку, называется сопротивлением нагрузки, нагрузочным сопротивлением, а иногда для краткости и просто нагрузкой.
При прохождении тока через сопротивление нагрузки R на нем образуется падение напряжения U. Знак и величина этого напряжения зависят от направления и величины тока. Поскольку пульсирующий ток в цепи диода течет всегда в одном направлении, знак напряжения на нагрузке будет постоянным, но величина его окажется переменной. В течение положительного полупериода переменного тока напряжение на нагрузке будет возрастать вместе с током, дойдет до наибольшего значения, затем уменьшится до нуля. Во время отрицательного полупериода переменного тока напряжения на нагрузке вообще не будет. Следовательно, в итоге на нагрузке создастся пульсирующее напряжение, то появляющееся, то снова исчезающее. Между тем для питания большинства приборов и аппаратов требуется постоянное напряжение, знак и величина которого строго постоянны. Поэтому пульсирующее напряжение, которое дает наш простейший выпрямитель, надо превратить в постоянное, надо, как говорят, сгладить пульсации. Такое сглаживание производится при помощи специальных фильтров.
Простейшим фильтром является конденсатор С, присоединенный параллельно нагрузке R. Во время прохождения по цепи импульса выпрямленного тока конденсатор этот зарядится напряжением, равным по величине наибольшему падению напряжения на нагрузке. Когда ток в цепи начнет уменьшаться, падение напряжения на сопротивлении R должно было бы точно также уменьшаться. Но наличие конденсатора меняет картину. При уменьшении величины тока в цепи конденсатор начнет разряжаться через сопротивление нагрузки, поддерживая этим самым в нагрузке ток такого же направления. Поэтому при разряде конденсатора на сопротивлении нагрузки образуется падение напряжения такого же знака, как и при прохождении выпрямленного тока.
По мере разряда конденсатора напряжение на его обкладках будет постепенно уменьшаться и падение напряжения на сопротивлении нагрузки.
Такая компенсация уменьшения напряжения может быть показана графически. Хотя ток и остается пульсирующим, но характер пульсаций изменился. Периоды, когда ток отсутствует, исчезли, хотя величина тока все же уменьшается очень значительно. Заряд, накопленный на конденсаторе, позволил заполнить просветы между импульсами выпрямленного тока.
Чем больше емкость конденсатора, тем больше и его заряд и, следовательно, тем дольше он сможет поддерживать ток в нагрузке. Если емкость конденсатора достаточно велика, то он не успевает разрядится до нуля за время отрицательного полупериода переменного тока, и поэтому ток в нагрузке не прекратится, а лишь уменьшится. Если бы емкость конденсатора была бесконечно велика, то конденсатор вообще не успевал бы разрядиться и напряжение на нагрузке оставалось постоянным. Поэтому на практике всегда стремятся сколь возможно увеличить емкость конденсатора фильтра.
Дальнейшее улучшение сглаживающих свойств фильтра достигается путем введения в него дросселя L – катушки со стальным сердечником, обладающей большой индуктивностью, и второго конденсатора C2. Дроссель обладает свойством препятствовать нарастанию и убыванию тока в цепи и поэтому способствует сглаживанию пульсаций выпрямленного тока. Назначение второго конденсатора С2 такое же, как и первого С1. В результате действия такого фильтра на нагрузке получается постоянное напряжение практически лишенное пульсации. В фильтрах недорогих аппаратов, потребляющий небольшой ток, вместо дросселя иногда применяют сопротивления.
В рассмотренной нами схеме выпрямителя кенотрон пропускал ток в течении одного полупериода. Второй полупериод не использовался. Можно значительно улучшить выпрямитель, включив в схему не один кенотрон, а два. Проследим, как будет проходить выпрямленный ток в такой схеме.
Переменное напряжение на аноды ламп будем подавать через трансформатор, вторичная обмотка которого имеет от середины отвод, соединенный с катодами. Напряжение на концах этой обмотки будет периодически изменятся относительно ее средней точки: в течение одной половины периода оно будет положительным на одном конце и отрицательным на другом. Во время второй половины периода полярность будет обратной.
Как же будут в таких условиях работать кенотроны?
Пусть в некоторый начальный момент напряжение на конце обмотки Н1, а следовательно, и на аноде кенотрона Л1 положительно. Кенотрон Л1 будет пропускать ток, который пройдет по сопротивлению нагрузки R и создаст на нем падение напряжения, полярность которого показана на схеме. На аноде второго кенотрона в это время будет минус, и ток в его цепи не возникает.
В следующий полупериод картина изменится. Положительное напряжение появится на аноде лампы Л2. Ток через лампу Л1 прекратится, он потечет уже через лампу Л2. Но направление тока в нагрузке от этого не изменится. Как в первой, так и во второй половине периода ток будет «выходить» из одного из концов обмотки, проходить через тот или иной кенотрон и «возвращаться» через нагрузку в середину обмотки. Ток в нагрузке в течении обеих половин периода будет одинакового направления.
Такая схема выпрямления называется двухполупериодной в отличие от первой, рассмотренной нами, которую называют однополупериодной.
На схеме, которую мы только что рассматривали, показаны два диода – два одинаковых кенотрона. Нельзя ли упростить устройство и заменить две лампы одной?
Сделать это можно. Из схемы видно, что катоды обеих ламп соединяются вместе, значит, у этих ламп может быть один общий катод. Аноды у ламп должны быть отдельные, потому что они присоединены к двум различным точкам обмотки трансформатора. Следовательно, можно сделать лампу, у которой будет один катод и два анода, одна лампа заменит два отдельных анода.
Большинство кенотронов имеет два анода, почему их и называют двуханодными кенотронами. Такие кенотроны широко использовались в отечественных радиоприемниках. Наиболее были распространены кенотроны 5Ц4С, 6Ц5С, 6Ц4П. Но выпускались и одноанодные кенотроны. Например, в телевизорах для выпрямления очень высокого напряжения применялись одноанодные кенотроны 1Ц1С или 1Ц11П.
Полная практическая схема двухполупериодного выпрямителя несложна. Выпрямитель состоит из трех частей: трансформатора, кенотрона и фильтра. У трансформатора три обмотки – сетевая, включающаяся в бытовую сеть, накала кенотрона, с которой соединяется нить накала кенотрона и повышающая, с концов которой подается напряжение на аноды кенотрона; может быть еще обмотка накала ламп, работающих в том аппарате, который питается от выпрямителя. Повышающая обмотка обычно содержит больше витков, чем сетевая, и напряжение на ней выше напряжения сети.
Если требуется небольшой выпрямленный ток, то в качестве кенотрона можно использовать детекторный диод, например 6Х6С или 6Х2П, которые с успехом будут выпрямлять ток промышленной частоты. Но обратно, т. е. замены детекторного диода кенотроном, делать нельзя, так как кенотрон по своей конструкции совершенно не приспособлен для работы в цепях высокой частоты.
