Выпрямители

AC и DC — два частых термина, с которыми вы сталкиваетесь при изучении потока электрического заряда. Переменный ток (AC) обладает свойством непрерывно изменять свое состояние. Например, если мы рассмотрим синусоидальную волну, ток течет в одном направлении для положительного полупериода и в противоположном направлении для отрицательного полупериода. С другой стороны, постоянный ток (DC) течет только в одном направлении.

Электронная схема, которая вырабатывает либо сигнал постоянного тока, либо пульсирующий сигнал постоянного тока, когда на него подается сигнал переменного тока, называется выпрямителем . В этой главе подробно рассматриваются выпрямители на основе операционных усилителей.

Типы выпрямителей

Выпрямители делятся на два типа: полуволновые выпрямители и двухполупериодные выпрямители . В этом разделе подробно обсуждаются эти два типа.

Полуволновой выпрямитель

Половолновой выпрямитель — это выпрямитель, который вырабатывает положительные полупериоды на выходе для одной половины цикла входа и нулевой выход для другой полупериода входа.

Принципиальная электрическая схема полуволнового выпрямителя показана на следующем рисунке.

Обратите внимание, что принципиальная схема полуволнового выпрямителя, показанная выше, выглядит как инвертирующий усилитель с двумя диодами D ₁ и D ₂ в дополнение.

Работа полуволновой выпрямительной схемы, показанной выше, поясняется ниже.

• Для положительного полупериода синусоидального входа выход операционного усилителя будет отрицательным. Следовательно, диод D ₁ будет смещен в прямом направлении.

• Когда диод D ₁ находится в прямом смещении, выходное напряжение операционного усилителя будет -0,7 В. Таким образом, диод D ₂ будет иметь обратное смещение. Следовательно, выходное напряжение вышеуказанной цепи равно нулю вольт.

• Следовательно, для положительного полупериода синусоидального входа нет (нулевого) выхода полуволнового выпрямителя.

• Для отрицательного полупериода синусоидального входа выход операционного усилителя будет положительным. Следовательно, диоды D ₁ и D ₂ будут иметь обратное и прямое смещение соответственно. Таким образом, выходное напряжение вышеуказанной цепи будет —

Для положительного полупериода синусоидального входа выход операционного усилителя будет отрицательным. Следовательно, диод D ₁ будет смещен в прямом направлении.

Когда диод D ₁ находится в прямом смещении, выходное напряжение операционного усилителя будет -0,7 В. Таким образом, диод D ₂ будет иметь обратное смещение. Следовательно, выходное напряжение вышеуказанной цепи равно нулю вольт.

Следовательно, для положительного полупериода синусоидального входа нет (нулевого) выхода полуволнового выпрямителя.

Для отрицательного полупериода синусоидального входа выход операционного усилителя будет положительным. Следовательно, диоды D ₁ и D ₂ будут иметь обратное и прямое смещение соответственно. Таким образом, выходное напряжение вышеуказанной цепи будет —

$$v_0 = - \ влево (\ гидроразрыва {R_F} {R_1} \ справа) V_1$$

• Следовательно, выходной сигнал полуволнового выпрямителя будет положительным полупериодом для отрицательного полупериода синусоидального входа.

Следовательно, выходной сигнал полуволнового выпрямителя будет положительным полупериодом для отрицательного полупериода синусоидального входа.

Волновые формы

Входные и выходные сигналы полуволнового выпрямителя показаны на следующем рисунке.

Как видно из приведенного выше графика, обсуждаемая нами схема полуволнового выпрямителя даст положительные полупериоды для отрицательных полупериодов синусоидального входа и нулевой выход для положительных полупериодов синусоидального входа

Двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодный выпрямитель производит положительные полупериоды на выходе для обеих полупериодов входа.

Принципиальная электрическая схема двухполупериодного выпрямителя показана на следующем рисунке —

Приведенная выше принципиальная схема состоит из двух операционных усилителей, двух диодов, D ₁ и D ₂ и пяти резисторов, от R ₁ до R ₅ . Работа схемы двухполупериодного выпрямителя, показанной выше, поясняется ниже —

• Для положительного полупериода синусоидального входа выход первого операционного усилителя будет отрицательным. Следовательно, диоды D ₁ и D ₂ будут смещены в прямом и обратном направлении соответственно.

• Тогда выходное напряжение первого операционного усилителя будет —

Для положительного полупериода синусоидального входа выход первого операционного усилителя будет отрицательным. Следовательно, диоды D ₁ и D ₂ будут смещены в прямом и обратном направлении соответственно.

Тогда выходное напряжение первого операционного усилителя будет —

$$V_ {01} = - \ влево (\ гидроразрыва {R_2} {R_1} \ справа) V_i$$

• Обратите внимание, что выход первого операционного усилителя подключен к резистору R ₄ , который подключен к инвертирующей клемме второго операционного усилителя. Напряжение, присутствующее на неинвертирующей клемме второго операционного усилителя, составляет 0 В. Таким образом, второй операционный усилитель с резисторами R ₄ и R ₄ действует как инвертирующий усилитель .

• Выходное напряжение второго операционного усилителя будет

  $$v_0 = - \ влево (\ гидроразрыва {R_5} {R_4} \ справа) V_ {01}$$

  Подставляя значение $V_ {01}$ в вышеприведенное уравнение, получим —

  $$=> V_ {0} = - \ left (\ frac {R_5} {R_4} \ right) \ left \ {- \ left (\ frac {R_2} {R_1} \ right) V_ {i} \ right \ }$$

  $$=> V_ {0} = \ влево (\ гидроразрыва {R_2R_5} {R_1R_4} \ справа) V_ {я}$$

• Следовательно, выход двухполупериодного выпрямителя будет положительным полупериодом для положительного полупериода синусоидального входа. В этом случае коэффициент усиления на выходе составляет $\ frac {R_2R_5} {R_1R_4}$. Если мы рассмотрим $R_ {1} = R_ {2} = R_ {4} = R_ {5} = R$, то коэффициент усиления на выходе будет один.

• Для отрицательного полупериода синусоидального входа выход первого операционного усилителя будет положительным. Следовательно, диоды D ₁ и D ₂ будут иметь обратное и прямое смещение соответственно.

• Выходное напряжение первого операционного усилителя будет —

Обратите внимание, что выход первого операционного усилителя подключен к резистору R ₄ , который подключен к инвертирующей клемме второго операционного усилителя. Напряжение, присутствующее на неинвертирующей клемме второго операционного усилителя, составляет 0 В. Таким образом, второй операционный усилитель с резисторами R ₄ и R ₄ действует как инвертирующий усилитель .

Выходное напряжение второго операционного усилителя будет

$$v_0 = - \ влево (\ гидроразрыва {R_5} {R_4} \ справа) V_ {01}$$

Подставляя значение $V_ {01}$ в вышеприведенное уравнение, получим —

$$=> V_ {0} = - \ left (\ frac {R_5} {R_4} \ right) \ left \ {- \ left (\ frac {R_2} {R_1} \ right) V_ {i} \ right \ }$$

$$=> V_ {0} = \ влево (\ гидроразрыва {R_2R_5} {R_1R_4} \ справа) V_ {я}$$

Следовательно, выход двухполупериодного выпрямителя будет положительным полупериодом для положительного полупериода синусоидального входа. В этом случае коэффициент усиления на выходе составляет $\ frac {R_2R_5} {R_1R_4}$. Если мы рассмотрим $R_ {1} = R_ {2} = R_ {4} = R_ {5} = R$, то коэффициент усиления на выходе будет один.

Для отрицательного полупериода синусоидального входа выход первого операционного усилителя будет положительным. Следовательно, диоды D ₁ и D ₂ будут иметь обратное и прямое смещение соответственно.

Выходное напряжение первого операционного усилителя будет —

$$V_ {01} = - \ влево (\ гидроразрыва {R_3} {R_1} \ справа) V_ {я}$$

• Выход первого операционного усилителя напрямую подключен к неинвертирующему выводу второго операционного усилителя. Теперь второй операционный усилитель с резисторами R ₄ и R ₅ действует как неинвертирующий усилитель .

  Выходное напряжение второго операционного усилителя будет —

  $$V_ {0} = \ влево (1+ \ гидроразрыва {R_5} {R_4} \ справа) V_ {01}$$

  Подставляя значение $V_ {01}$ в вышеприведенное уравнение, получим

  $$=> V_ {0} = \ left (1+ \ frac {R_5} {R_4} \ right) \ left \ {- \ left (\ frac {R_3} {R_1} \ right) V_ {i} \ right \}$$

  $$=> V_ {0} = - \ влево (\ гидроразрыва {R_3} {R_1} \ справа) \ слева (1+ \ гидроразрыва {R_5} {R_4} \ справа) V_ {я}$$

• Следовательно, выходной сигнал двухполупериодного выпрямителя также будет положительным полупериодом для отрицательного полупериода синусоидального входа. В этом случае величина усиления на выходе равна $\ left (\ frac {R_3} {R_1} \ right) \ left (1+ \ frac {R_5} {R_4} \ right)$. Если мы рассмотрим $R_ {1} = 2R_ {3} = R_ {4} = R_ {5} = R$, тогда коэффициент усиления на выходе будет один .

Выход первого операционного усилителя напрямую подключен к неинвертирующему выводу второго операционного усилителя. Теперь второй операционный усилитель с резисторами R ₄ и R ₅ действует как неинвертирующий усилитель .

Выходное напряжение второго операционного усилителя будет —

$$V_ {0} = \ влево (1+ \ гидроразрыва {R_5} {R_4} \ справа) V_ {01}$$

Подставляя значение $V_ {01}$ в вышеприведенное уравнение, получим

$$=> V_ {0} = \ left (1+ \ frac {R_5} {R_4} \ right) \ left \ {- \ left (\ frac {R_3} {R_1} \ right) V_ {i} \ right \}$$

$$=> V_ {0} = - \ влево (\ гидроразрыва {R_3} {R_1} \ справа) \ слева (1+ \ гидроразрыва {R_5} {R_4} \ справа) V_ {я}$$

Следовательно, выходной сигнал двухполупериодного выпрямителя также будет положительным полупериодом для отрицательного полупериода синусоидального входа. В этом случае величина усиления на выходе равна $\ left (\ frac {R_3} {R_1} \ right) \ left (1+ \ frac {R_5} {R_4} \ right)$. Если мы рассмотрим $R_ {1} = 2R_ {3} = R_ {4} = R_ {5} = R$, тогда коэффициент усиления на выходе будет один .

Входные и выходные сигналы двухполупериодного выпрямителя показаны на следующем рисунке.

Как видно на рисунке выше, рассмотренная нами схема двухполупериодного выпрямителя будет давать только положительные полупериоды как для положительных, так и для отрицательных полупериодов синусоидального входа.