В нашей статье о встречно-последовательном включении однополярных электролитических конденсаторов с целью создания (в вынужденных обстоятельствах) неполярного конденсатора мы упоминали, что ввиду наличия у электролитических конденсаторов нелинейных свойств (неравная проводимость при включении в прямом и обратном направлениях) возможно создание (при условии отсутствия полупроводниковых диодов) выпрямителя на основе электролитических конденсаторов.
Соберем и исследуем подобную схему.
Это схема однополупериодного выпрямителя, в котором С1 - конденсатор фильтра, а вместо полупроводникового диода использован конденсатор С2. При положительной полуволне переменного напряжения на входе конденсатор С2 пропускает ток и заряжает конденсатор С1, при отрицательной - запирается, и конденсатор С1 сохраняет (в отсутствие активной нагрузки) напряжение, частично разряжаясь при ее наличии и вновь заряжаясь в следующем цикле.
Но это слишком идеальная схема работы подобного выпрямителя, собранного из подручных элементов. Электролитический конденсатор несовершенен как элемент с односторонней проводимостью, он обладает током утечки и большим прямым сопротивлением (даже при включении в обратном направлении), и диаграммы напряжений на элементах схемы в отсутствие нагрузки выглядят примерно так:
Исследована схема с двумя электролитическими конденсаторами типа К50-6 500 мкФ 50 В, на схему подается переменное напряжение 50 Гц 34 В. Мгновенные значения напряжений далеки от напряжений, характерных для схемы однополупериодного выпрямления с полупроводниковым диодом.
Конденсатор С2, выполняющий роль полупроводникового диода при переполюсовке, сохраняет емкостные свойства при прямом включении, и схема выпрямителя приобретает схожесть со специальной схемой, применяемой для восстановления разряженных элементов питания, в которой диод шунтируется конденсатором для пропускания через восстанавливаемый элемент питания импульсов тока как в прямом, так и в обратном направлении, что, по мысли сторонников подобных схем, регенерирует источники питания и позволяет вторично их использовать.
Так и в схеме выпрямителя с двумя одинаковыми электролитическими конденсаторами постоянное напряжение на нагрузке (конденсатор С1) равно всего 6,5 В, в то время как однополупериодный выпрямитель на диоде при входном напряжении 34 В обеспечил бы постоянное напряжение 48 В на емкостной нагрузке и 15 В на чисто активной.
Как следует из диаграммы выше, на постоянное напряжение 6,5 В на выходе наложено переменное напряжение с амплитудой 26 В, что вряд ли приемлемо. При длительности периода в 20 мс в прямом направлении ток через нагрузку течет всего 11,5 мс, а 8,5 мс течет в обратном направлении.
Можно сказать, что мы создали выпрямитель с необычайно высоким коэффициентом пульсаций. Но путь уменьшения пульсаций выпрямителя известен - увеличение емкости конденсатора фильтра, в данном случае конденсатора С1. Проведем ряд измерений напряжения на выходе, для различных значений емкости конденсатора С1. Чтобы исключить влияние параметров конденсаторов разных рядов, будем подключать к конденсатору С1 аналогичные конденсаторы по 500 мкФ, от 1 до 10 штук.
Диаграммы напряжений ниже.
x1 означает, что емкость конденсатора фильтра С1 равна емкости конденсатора С2, используемого в качестве диода, х2 - превышает ее в 2 раза, х3 - превышает в 3 раза, и т.п. При емкости С1, выше емкости С2 более чем в 11 раз, постоянное напряжение на выходе существенно не изменяется.
Таким образом, в схеме однополупериодного выпрямителя емкость С1 желательно взять примерно в 10 раз выше емкости конденсатора С2, но уже при трехкратном превышении емкости ток через нагрузку в обратном направлении не течет.
Штриховые линии аналогичного цвета на графике - постоянные составляющие напряжения на выходе, т.е. выпрямленное напряжение без активной нагрузки. Предельное выпрямленное напряжение при переменном напряжении на входе 34 В составляет 23 В, т.е. примерно 70%.
Коэффициент пульсаций в этом случае, равный отношению амплитуды соответствующей гармоники к средневыпрямленному значению напряжения, составляет 24%. Для сравнения: коэффициент пульсаций для однополупериодного выпрямителя без фильтра составляет 157%, для двухполупериодного 67%.
Но смысл выпрямителя заключается в работе его на активную нагрузку. Нагрузочная характеристика данного выпрямителя приведена ниже.
Выпрямитель испытан на активной нагрузке до 100 Ом, при меньшем сопротивлении нагрузки выходное напряжение падает более чем на 40%. Можно обобщить на выпрямитель с другими конденсаторами. Реактивное сопротивление конденсатора С2 емкостью 500 мкФ на частоте 50 Гц составляет порядка 6 Ом, тем самым, сопротивление нагрузки не должно быть менее, чем 15-16-кратное реактивное сопротивление конденсатора, используемого взамен полупроводникового диода. Конденсатор С1 желательно взять емкостью 7-10-кратного значения емкости С2.
Итак, выше, как курьез, представлен вариант изготовления источника постоянного напряжения в аварийных условиях, в отсутствие полупроводниковых диодов либо транзисторов, переходы которых также могут применяться для выпрямления.
Мало ли что может пригодиться в жизни. Известен ведь пример, когда два путешественника, оказавшись в изоляции от мира с негодным автомобилем, изготовили из автомобильной катушки зажигания аварийный передатчик. Вскоре их забрал вертолет. Будем считать, что им повезло, но без передатчика не было бы и этого ничтожного шанса.
Разумеется, считаться следует и с тем, что к конденсатору С2 приложено напряжение в обратном направлении, а к конденсатору С1 на прямое напряжение накладывается приличная переменная составляющая, т.е. оба конденсатора работают не в "штатном" режиме, и ответственность за подобное использование несете вы. Но на войне как на войне - à la guerre comme à la guerre. Самый правильный перевод ("приноравливаясь к обстоятельствам"), дают не все словари, приводится попсовый и неполный перевод "жизнь следует принимать, как она есть".
Не меньший интерес представляет двухполупериодный выпрямитель на электролитических конденсаторах, пример которого будет описан в другой статье. Следите за каналом.
А ведь есть еще возможность изготовить вибрационный выпрямитель из полотна ножовки по металлу.
