Диодный мост: схема и назначение
> Теория > Диодный мост: схема и назначение
Всем известно, что в бытовых сетях действует переменное электрическое напряжение с амплитудой 220 Вольт. Однако отдельные образцы современных электронных устройств (ваш мобильный, например) нуждаются в постоянном или выпрямленном напряжении. Понизить его до нужной величины поможет трансформатор, а для выпрямления переменной составляющей обязательно нужен диодный мост (фото ниже).
Диодные мостики
Рассматриваемые здесь выпрямительные устройства входят в состав большинства электронных приборов, которым для нормальной работы требуется постоянный ток (начиная от сварочных агрегатов и кончая миниатюрными блоками питания).
В данном обзоре представлено подробное описание схемы и принципа работы классического выпрямительного диодного моста. Также в нем будет рассмотрен вопрос, касающийся того, как сделать диодный мост своими руками.
Состав выпрямительного модуля
Всем, кто хотел бы более подробно ознакомиться с тем, что такое выпрямитель, советуем сделать небольшой исторический экскурс. Начнем с того, что прародителем выпрямительного моста считается изобретенная немецким ученым Л. Гретцем схема, собираемая на основе 4-х элементов (диодные сборки).
Обратите внимание! Эти устройства более известны под профессиональным названием «мостики Гретца» или двухполупериодный выпрямитель.
Такие сборки из четырех диодов со временем получили название мостовых схем, которые стали использоваться в качестве универсальных выпрямительных модулей.
Классический диодный мост схема которого представлена ниже, содержит в своем составе включенные определенным образом выпрямительные диоды.
Схема диодной сборки
Из приведенного выше рисунка видно, что в мостовую схему входят четыре полупроводниковых элемента (диода), порядок соединения которых соответствует встречно-параллельному принципу. Одна пара этих приборов включена в проводящем направлении, а другая – имеет обратное включение.
Принцип действия
Схема стабилизатора напряжения 220в своими руками
Чтобы понять, как работает диодный мост, сначала ознакомимся с самой сутью эффекта выпрямления переменных напряжений.
Принцип действия классического выпрямительного моста на основе четырех диодов состоит в следующем:
- При поступлении положительной волны сетевого напряжения на плюсовой вывод диода, подключенного к нагрузке, через нее проходит токовый сигнал той же полярности;
- Одновременно с этим через другой диод из пары в мостике, подключение которого обратно первому, ток не проходит, так как его переход закрыт противоположным по знаку потенциалом;
- Зато через него в свое время проходит полуволна обратной полярности, формирующая на выходе импульс тока того же направления, что и в первом случае.
Можно сказать, что для каждой полуволны входного напряжения предназначается свой диод, формирующий (после того, как подключить его к нагрузке) ток одного и того же направления.
Согласно теории электротехники наблюдаемый при том эффект означает его выпрямление.
Рассмотренный выше принцип работы диодного моста позволяет сделать следующие выводы:
- В результате описанного процесса на выходе выпрямителя формируются токовые полуволны, имеющие одну и ту же положительную полярность (рисунок ниже);
Выпрямление в диодном мостике
- Если посмотреть осциллографом сигнал на нагрузке мостика, можно увидеть пульсирующий постоянный ток в виде повторяющихся с частотой 100 Гц полуволн одной полярности;
- Это значение (100 Гц) получается за счет удвоения сетевой частоты 50 Гц на выходе диодного выпрямителя;
- Удвоение частоты объясняется тем, что каждую полуволну входного сигнала обрабатывает «свой» диод (точнее – их пара).
Дополнительная информация. После фильтрации получившихся после выпрямления пульсаций (она осуществляется посредством электролитических конденсаторов) на нагрузке получается выпрямленное напряжение.
Иногда с целью фиксации его наличия на выходе схемы последняя дополняется светодиодной индикацией. При загорании включенного через ограничивающий резистор светодиода можно быть уверенным в том, что на выходе появился постоянный потенциал.
Для трехфазной питающей линии должны использоваться специальные типы мостовых схем, выбираемых и включаемых с учетом особенностей энергоснабжения силовых установок. Всех желающих ознакомиться с тем, как работает трехфазный выпрямительный мост, отсылаем по следующему адресу http://hardelectronics.ru/shema-diodnogo-mosta.html.
Самостоятельное изготовление моста
Перед тем, как спаять диодный мостик, обязательно проверьте исправность каждого из входящих в его состав диода. Также обращаем внимание на то, что он может быть собран из отдельных (дискретных) элементов или взят в виде цельной корпусной сборки, имеющей четыре выводных контакта.
У каждого из этих вариантов исполнения мостика имеются свои плюсы и минусы.
Важно! В случае выхода из строя одного диода в составе монолитной сборки менять придется всю ее целиком (несмотря на то, что три оставшихся элемента могут быть исправными).
Зато такой модуль очень удобен при пайке выпрямительной схемы, когда нужно подключить диодный мост к источнику переменного напряжения с одной стороны и к нагрузке – с другой.
В ситуации, когда собираем диодный мост своими руками из дискретных элементов, всегда имеется возможность заменить каждый из них независимо от остальных. Но при данном подходе усложняется сам процесс изготовления, для чего придется паять все четыре его составных элемента.
По завершении самостоятельной сборки выпрямительного изделия останется лишь подсоединить диодный мост к трансформатору или к иному источнику, от которого поступает переменное напряжение.
В заключительной части обзора, посвященного тому, как работает схема диодного моста, обратим внимание на то, что при его самостоятельной сборке следует изучить параметры входящих в его состав элементов. Знание этих данных позволит правильно рассчитать допустимые токи нагрузки, а также быть уверенным в том, что диодная сборка не выйдет из строя.
Антенна GPS: характеристики и назначение
Источник: https://elquanta.ru/teoriya/diodnyjj-most-skhema-i-naznachenie.html
Диодный мост
Словосочетание «диодный мост» образуется от слова «диод». Следовательно, диодный мост должен состоять из диодов. Но если в диодном мосту есть диоды, значит, в одном направлении диод будет пропускать электрический ток, а в другом нет.
Это свойство диодов мы использовали, чтобы определить их работоспособность. Кто не помнит, как мы это делали, тогда вам сюда. Поэтому мост из диодов используется, чтобы из переменного напряжение получать постоянное напряжение.
Немного теории
Вот схема диодного моста:
Иногда в схемах его обозначают еще так:
Как мы с вами видим, схема состоит из четырех диодов. Для того, чтобы схемка диодного моста работала корректно, мы должны правильно соединить диоды и правильно подать на них переменное напряжение.
Слева мы видим два значка «~». На эти два вывода мы подаем переменное напряжение, а снимаем постоянное напряжение с других двух выводов обозначенных значками «+» и «-«.
Диодный мост также называют диодным выпрямителем.
Для выпрямления переменного напряжения в постоянное можно использовать один диод для выпрямления, но не желательно. Давайте рассмотрим рисунок, как все это будет выглядеть:
Переменное напряжение изменяется со временем. Диод срезает отрицательную полуволну, оставляя только положительную полуволну, что мы и видим на рисунке выше. А вся прелесть этой немудреной схемки состоит в том, что мы получаем постоянное напряжение из переменного. Вся проблема в том, что мы теряем половину мощности переменного напряжения. Ее тупо срезает диод.
Чтобы исправить эту ситуацию, была разработана схемка диодного моста. Диодный мост «переворачивает» отрицательную полуволну, превращая ее в положительную полуволну, тем самым мощность у нас сохраняется. Прекрасно не правда ли?
На выходе диодного моста у нас появляется постоянное пульсирующее напряжение с частой в 100 Герц. Это в два раза больше, чем частота сети.
Переходим к практике
Давайте же на практике рассмотрим, как работает диод и диодный мост.
Для начала возьмем простой диод.
Я его выпаял из блока питания компа. Катод можно легко узнать по серебристой полоске. Почти все производители показывают катод полоской или точкой.
Чтобы наши опыты были безопасными, я взял понижающий трансформатор, который из 220 В трансформирует 12 В. Кто не знает, как он это делает, можете прочитать в статье устройство трансформатора.
На первичную обмотку цепляем 220 Вольт, со вторичной обмотки снимаем 12 Вольт. Мультик показывает чуть больше, так как ко вторичной обмотке не подцеплена никакая нагрузка. Трансформатор работает на так называемом «холостом ходу».
Давайте же рассмотрим осциллограмму, которая идет со вторичной обмотки транса. Максимальную амплитуду напряжения нетрудно посчитать. Если не помните как рассчитать, можно глянуть статейку Осциллограф. Основы эксплуатации.
3,3х5= 16.5В — это максимальное значение напряжения. А если разделить максимальное значение амплитуда на корень из двух, то получим где то 11.8 Вольт. Это и есть действующее значение напряжения. Осцилл не врет, все ОК.
Еще раз повторюсь, можно было использовать и 220 Вольт, но 220 Вольт — это не шутки, поэтому я и понизил переменное напряжение.
Припаяем к одному концу вторичной обмотки трансформатора наш диод.
Цепляемся снова щупами осцилла
Смотрим на осциллограмму
А где же нижняя часть изображения? Ее срезал диод. Диод оставил только верхнюю часть, то есть ту, которая положительная.
Находим еще три таких диода и спаиваем диодный мост.
Цепляемся ко вторичной обмотке трансформатора по схеме диодного моста.
С двух других концов снимаем постоянное пульсирующее напряжение щупами осцилла и смотрим на осциллограмму
Вот, теперь порядок, и мощность у нас никуда не пропала :-).
Чтобы не заморачиваться с диодами, разработчики все четыре диода вместили в один корпус. В результате, получился очень компактный и удобный радиоэлемент — диодный мост. Думаю, вы догадаетесь, где импортный, а где советский ))).
Например, на советском диодном мосте показаны контакты, на которые надо подавать переменное напряжение ( значком » ~ «), и показаны контакты, с которых надо снимать постоянное пульсирующее напряжение («+» и «-«)
Давайте проверим импортный диодный мост. Для этого цепляем два его контакта к переменке, а с двух других контактов снимаем показания на осцилл.
А вот и осциллограмма:
Значит, импортный диодный мост исправен и работает, как полагается.
Трехфазный диодный мост
Выше мы рассмотрели диодный мост для однофазного напряжения, но существуют также диодные мосты и для трехфазного напряжения. Такой трехфазный диодный мост также называется трехфазным выпрямителем. Он собирается по так называемой схеме Ларионова и состоит из 6 диодов:
В основном трехфазные диодные мосты используются в промышленности и выглядят примерно вот так:
Как вы могли заметить, такой трехфазный выпрямитель имеет пять выводов. Три вывода на фазы и с двух выводов мы будем снимать постоянное пульсирующее напряжение.
Резюме
Диодный мост (выпрямитель) используется для преобразования переменного тока в постоянный.
Существуют две разновидности диодного моста. Диодный мост для однофазного напряжения и диодный мост для трехфазного напряжения.
Диодный мост используется почти во всей радиоаппаратуре, которая кушает напряжение из сети, будь то простой телевизор или даже зарядка от сотового телефона. Проверяется диодный мост исправностью всех его диодов. Как проверить диод, можете прочитать в этой статье.
Источник: https://www.ruselectronic.com/diodnyj-most/
Особенность сборки диодного моста для сварочного аппарата
Диод – это полупроводниковый прибор, который обладает различной проводимостью в зависимости от прикладываемого напряжения. Имеет всего два вывода: анод и катод. При подаче прямого напряжения (на анод подается положительный потенциал по сравнению с катодом) он открыт. При подаче отрицательного напряжения он закрывается.
Эта особенность прибора широко используется в электротехнике, в частности диодный мост применяют для сварочного аппарата, чтобы выпрямлять переменный ток, улучшая качество сварки.
Основные характеристики
Главными параметрами, на которые обращают внимание при выборе выпрямителей для сварочных аппаратов, являются:
- максимально допустимое постоянное обратное напряжение;
- максимальный средний прямой ток за период;
- рабочая частота переключения;
- постоянное прямое напряжение при максимальном прямом токе;
- максимально допустимая температура корпуса.
Амплитуда бытовой сети составляет около 310 В, поэтому нужно использовать диоды с обратным напряжением 400 В и выше. Прямой ток жестко связан с мощностью прибора, и на него также обращают внимание. Рабочая частота показывает, в каком выпрямителе можно использовать полупроводник, применять его в сетевом или выходном блоке инвертора.
Прямое напряжение полупроводника характеризует мощность рассеяния на самом приборе. Это позволяет рассчитать размеры радиатора или системы охлаждения. Предельная температура корпуса сварочного аппарата дает возможность предусмотреть схему защиты от перегрева.
Применение в сварке
В любом трансформаторном сварочном аппарате постоянного тока или инверторе присутствуют силовые диоды. Они предназначены для выпрямления переменного тока. Для повышения коэффициента полезного действия диоды подключают по мостовой схеме, в этом случае оба полупериода приходятся на нагрузку.
В трансформаторном сварочном аппарате выпрямительные диоды устанавливают на выходе вторичной обмотки. Сварочное оборудование имеет понижающий трансформатор, соответственно, напряжение холостого хода значительно ниже входного, поэтому здесь требуются приборы большой мощности и низкой частоты. Для этого подойдут выпрямительные диоды В200 (максимальный ток 200А).
Для сварочного инвертора требуется два выпрямителя. Один располагается на входе источника питания. Он преобразует переменный ток 220 вольт 50 Гц в постоянный, который преобразуется в дальнейшем в переменный ток высокой частоты (40-80 кГц).
При мощности аппарата 5 кВт выпрямительные диоды должны иметь обратное напряжение 600-1000 В и средний прямой ток 25-35 А при частоте 50 Гц.
Второй выпрямитель располагается после высокочастотного трансформатора. Здесь требования другие. Максимальный прямой ток должен быть не менее 200 А на частоте 80 кГц, а обратное напряжение превышать напряжение холостого хода (60-70 В).
В любом случае используются диоды из категории мощных, с площадкой для монтажа радиатора, поскольку без отведения тепла устройство быстро сгорит.
Особенность выпрямителей
Выпрямитель для сварочного аппарата выполняется по мостовой схеме. При изготовлении сварочного аппарата своими руками и применении диодов В200 нужно учитывать, что их корпус находится под напряжением.
Поэтому когда выпрямитель устанавливают на радиатор, он должен быть изолирован от остальных элементов схемы, от корпуса прибора и от соседних диодов тоже. А это создает определенные неудобства для сварщика.
Приходится использовать более крупный корпус. Для уменьшения габаритов аппарата применяют выпрямительный прибор ВЛ200, который имеет другую полярность. Это позволяет объединить полупроводники на два парных радиатора.
В последние годы стали выпускать довольно мощные диодные мосты в одном корпусе. По размерам такая конструкция из диодов примерно соответствует спичечному коробку, имеет площадку для посадки радиатора, максимальный прямой ток 30-50 А. Диодная сборка имеет значительно меньшую стоимость по сравнению с диодами В200.
Если по работе устройства требуется более мощный мост, то эту проблему можно легко решить, используя параллельное подключение мостовых сборок. Однако их надежность в таком случае будет ниже, чем у одиночных мощных диодов.
Установка
При использовании параллельной схемы соединения диодных мостов необходимо учитывать, что все они имеют некоторый разброс по параметрам.
Поэтому при подборе элементов необходимо делать это с некоторым запасом прочности. При соблюдении этого требования для сварочного аппарата можно получить диодный мост более компактный, чем при использовании одиночных диодов.
Диодные сборки позволяют размещать их на одном радиаторе, так как корпусы не находятся под напряжением. Это позволяет монтировать их в любом месте, и даже снаружи.
В зависимости от требуемого сварочного тока для выпрямителя могут потребоваться от 3 до 5 диодных сборок. Для лучшей теплоотдачи диодные мосты устанавливаются на радиатор через теплопроводящую пасту.
К контактам проводники рекомендуется подсоединяться пайкой, в противном случае могут быть потери мощности в месте контакта и его сильный нагрев.
Применение на практике
Для примера, рассмотрим инверторный аппарат TELWIN Force 165. Во входном выпрямителе используются диодные сборки GBPC3508. Выпрямительный мост GBPC3508 может работать с током 35 А, обратное напряжение – 800 В.
С ним вместе идет обязательно сглаживающий фильтр из конденсаторов большой емкости. Кроме этого имеется фильтр электромагнитной совместимости, который не пропускает помехи от инвертора в бытовую сеть.
На выходе инвертора используются мощные сдвоенные диоды с общим катодом. Они имеют высокое быстродействие в отличие от диодов расположенных на входе устройства.
Благодаря малому времени восстановления, менее 50 наносекунд, приборы успевают переключать высокочастотный ток на выходе вторичной обмотки.
В данном приборе используются сдвоенные диоды марок STTH6003CW, FFH30US30DN или VS-60CPH03, рассчитаны на прямой ток 30 ампер на один прибор (60 ампер на оба) и обратное напряжение 300 вольт.
Устанавливаются на радиатор. Для защиты полупроводников от перегрузки используется RC фильтр. Схема управления требует стабильный источник питания без бросков напряжения.
Для этого в приборе предусмотрены стабилитроны или уже готовый интегральный стабилизатор, которые обеспечивают стабильное питание на микросхемах управления. В результате получается компактное устройство, позволяющее качественно варить металл.
Источник: https://svaring.com/welding/prinadlezhnosti/diody-dlya-svarochnogo-apparata
Устройство, принцип действия и схема диодного моста выпрямителя
Переменный электрический ток преобразуется в постоянный пульсирующий за счет применения специальных электронных схем — диодных мостов. Схему диодного моста выпрямителя разделяют на 2 варианта исполнения: однофазную и трехфазную.
В работе выпрямителя главным элементом является диод. Конструктивно он представляет собой пластину полупроводникового кристалла с двумя зонами разной проводимости. Особенностью является одностороннее пропускание электрического тока, в зависимости от направления течения.
Устройство и работа выпрямительного диода основаны на особенностях p-n перехода между зонами полупроводника. Его сопротивление зависит от полярности внешнего напряжения. В одном случае оно велико, в другом — незначительно.
Когда на входе — переменное синусоидальное напряжение, в каждый полупериод ток проходит через одну пару диодов, а другая закрыта. В итоге на выходе схемы диодного моста выпрямителя образуется пульсирующее напряжение, частота которого в два раза больше, чем на входе.
Трехфазная мостовая схема
В данной схеме используются диодные полумостовые выпрямители. Выходное напряжение здесь получается с меньшими пульсациями.
Как сгладить пульсации при выпрямлении питания?
Качество выпрямленного напряжения снижается с увеличением его пульсации. Чтобы ее уменьшить, применяются элементы, накапливающие энергию при ее поступлении от выпрямителя и отдающие при прекращении ее подачи.
На схеме диодного моста выпрямителя с конденсатором последний подключается параллельно нагрузке. Его емкость подбирается в зависимости от нагрузочного тока. При подаче импульса происходит зарядка конденсатора. Между импульсами (когда их нет) напряжение с него отдается нагрузке.
В результате сглаживания выходное напряжение фильтра становится больше и приближается к величине амплитуды выпрямленной величины.
Идеальное напряжение на выходе фильтра получить не удается из-за разрядки конденсатора между импульсами. Обычно подобные пульсации допустимы. Их можно уменьшить путем увеличения емкости конденсатора.
Если для сглаживания применяется катушка индуктивности, ее подключают последовательно с нагрузкой. В комбинированные цепи фильтров входят дроссели и конденсаторы.
Конструкции диодных мостов
Простейшее устройство моста выполняется с помощью спайки отдельных диодов. В промышленности выпускают монолитные конструкции, которые меньше по размерам и дешевле. Кроме того, в них подбираются диоды с аналогичными характеристиками, что позволяет им работать с одинаковым нагревом. Это повышает надежность схемы диодного моста выпрямителя.
Преимуществом диодных мостов из отдельных элементов является возможность ремонта, когда один их них выйдет из строя. Сборку же приходится заменять полностью. Неисправности в ней возникают редко, поскольку элементы правильно подобраны.
Питание выпрямителей
Устройства, потребляющие большой ток, обычно питаются от сети 220 В. Напрямую приборы не подключают, поскольку напряжение для электронных схем требуется небольшое, а ток — постоянный. Тогда применяют сетевой адаптер.
Напряжение понижается с помощью трансформатора, который также создает гальваническую развязку между первичной и вторичной питающими цепями. За счет этого снижается опасность удара электрическим током и защищается аппаратура при появлении в схеме короткого замыкания.
Современные адаптеры в большинстве случаев работают по упрощенной бестрансформаторной схеме без гальванической развязки, где лишнее напряжение поглощается на конденсаторе.
Схема диодного моста 12 вольт: инструкция и сборка
Блок питания состоит из двух модулей, где первый — это понижающий трансформатор, а второй — диодный мост, преобразующий один вид напряжения в другой.
Подбирается подходящий трансформатор. Первичная обмотка находится с помощью тестера. Ее сопротивление должно быть самым большим. Путем прозвонки мультиметром в режиме измерения сопротивления находятся нужные концы. Затем находятся другие пары и делается маркировка.
На первичную обмотку подается 220 В. Затем тестер переводится в режим измерения переменного напряжения и измеряется напряжение на остальных обмотках. Следует выбрать или намотать одну на 10 В. Важно, чтобы напряжение не было 12 В, поскольку после емкостного фильтра оно увеличивается на 18 %.
Трансформатор подбирается под нужную мощность, после чего берется запас на 25 %.
4 диода скручиваются в диодный мост и концы пропаиваются. Затем схема соединяется, на выход подключается конденсатор на 25 В и 2200 мкф (электролит) и проверяется в работе.
Бестрансформаторная схема диодного моста выпрямителя 24 вольта
В радиолюбительской практике широко используются маломощные блоки питания без трансформаторов.
Питание 220 В подается через конденсатор балласта С1. Выпрямитель состоит из диодов VD1, VD2 и стабилитронов VD3, VD4. Чтобы устранить броски тока через мост, при подключении питания последовательно с конденсатором устанавливается резистор ограничения тока сопротивлением 50-100 Ом. Чтобы разрядить конденсатор при неработающей схеме, к нему параллельно подключается резистор на 150-300 кОм.
На выход схемы устанавливается сглаживающий конденсатор емкостью 2000 мкф.
Отсутствие гальванической связи создает опасность удара электрическим током.
Применение
Области применения диодного моста чрезвычайно широки и разнообразны:
- осветительные приборы (светодиодные и люминесцентные лампы);
- приборы учета электроэнергии;
- блоки питания электронной аппаратуры;
- промышленные блоки питания, управления и зарядные устройства.
Как выбрать диоды для изготовления диодного моста?
Главными критериями выбора являются напряжение и сила тока, при которой диод не перегревается. При прямом включении на нем падает напряжение около 0,6 В, поскольку он обладает внутренним сопротивлением.
Обратное напряжение, которое диод выдерживает, не входя в режим теплового и электрического пробоя, имеет определенный предел. Если он рассчитан на 220 В, то берется запас не ниже 25 %.
Но лучше брать его достаточно большим, чтобы уберечь от случайных скачков напряжения в сети.
Ток также берется с запасом. Если нужно, предусматривается охлаждающий радиатор.
Для правильного выбора пользуются справочной таблицей диодов и диодных мостов.
Производители диодных мостов
Среди элементов для осветительной техники выделяются выпрямители серий 1N4007 и MS250 производства компании Diotec. Они рассчитаны на напряжение до 1000 В.
В первом случае схема диодного моста состоит из 4 диодов, размещенных на печатной плате, а во втором она представлена в виде компактной сборки. Хотя серия 1N4007 надежна в работе, сборка MS250 позволяет экономить вес и занимаемую площадь.
Несмотря на это, спрос на серию 1N4007 остается высоким, поскольку цена снизилась настолько, что определяется преимущественно затратами на выводы из меди.
Технология изготовления диодных мостов серии MS продолжается. Сейчас все 4 кристалла моста устанавливаются вместе, что повышает его теплостойкость за счет равномерности параметров.
Надежность выпрямителей падает с повышением температуры окружающего воздуха. Эту проблему решает устройство серии B250S2A, рассчитанное на ток 2,3 А и пропускающее 0,7 А при 125 °С.
Большинство изготовителей покупают диоды, после чего собирают готовые выпрямители. Компания Diotec занимается всем циклом производства, от изготовления кристаллов до сборки и упаковки.
Другая ведущая мировая компания — IRF — обладает уникальными технологиями сокращения габаритов деталей, улучшения теплоотдачи, повышения эффективности полупроводниковой техники. Она является единственной, производящей компоненты для всего цикла преобразования энергии.
Заключение
Схема диодного моста выпрямителя применяется во всей радиоэлектронной аппаратуре. Применять следует двухполупериодные выпрямители, характеристики которых значительно лучше однопериодных. Проверить любой из них можно самостоятельно, прозвонив каждый диод.
Источник: http://fb.ru/article/329972/ustroystvo-printsip-deystviya-i-shema-diodnogo-mosta-vyipryamitelya
Устройство и работа выпрямительного диода. Диодный мост
Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомиться с полупроводниковыми диодами. В предыдущей части статьи мы с Вами разобрались с принципом работы диода, рассмотрели его вольт-амперную характеристику и выяснили, что такое пробой p-n перехода.
В этой части мы рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов.
Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Однако, это далеко не полная область применения выпрямительных диодов: они широко используются в цепях управления и коммутации, в схемах умножения напряжения, во всех сильноточных цепях, где не предъявляется жестких требований к временным и частотным параметрам электрического сигнала.
Общие характеристики выпрямительных диодов
В зависимости от значения максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды разделяются на диоды малой, средней и большой мощности:
малой мощности рассчитаны для выпрямления прямого тока до 300mA;
средней мощности – от 300mA до 10А;
большой мощности — более 10А.
По типу применяемого материала они делятся на германиевые и кремниевые, но, на сегодняшний день наибольшее применение получили кремниевые выпрямительные диоды ввиду своих физических свойств.
Кремниевые диоды, по сравнению с германиевыми, имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, что позволяет получать диоды с очень высокой величиной допустимого обратного напряжения, которое может достигать 1000 – 1500В, тогда как у германиевых диодов оно находится в пределах 100 – 400В.
Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +(125 — 150)º С, а германиевых – лишь от -60 до +(70 – 85)º С. Это связано с тем, что при температурах выше 85º С образование электронно-дырочных пар становится столь значительным, что происходит резкое увеличение обратного тока и эффективность работы выпрямителя падает.
Технология изготовления и конструкция выпрямительных диодов
Конструкция выпрямительных диодов представляет собой одну пластину кристалла полупроводника, в объеме которой созданы две области разной проводимости, поэтому такие диоды называют плоскостными.
Технология изготовления таких диодов заключается в следующем:
на поверхность кристалла полупроводника с электропроводностью n-типа расплавляют алюминий, индий или бор, а на поверхность кристалла с электропроводностью p-типа расплавляют фосфор.
Под действием высокой температуры эти вещества крепко сплавляются с кристаллом полупроводника.
При этом атомы этих веществ проникают (диффундируют) в толщу кристалла, образуя в нем область с преобладанием электронной или дырочной электропроводностью.
Таким образом получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности — а между ними p-n переход. Большинство распространенных плоскостных кремниевых и германиевых диодов изготавливают именно таким способом.
Для защиты от внешних воздействий и обеспечения надежного теплоотвода кристалл с p-n переходом монтируют в корпусе.
Диоды малой мощности изготавливают в пластмассовом корпусе с гибкими внешними выводами, диоды средней мощности – в металлостеклянном корпусе с жесткими внешними выводами, а диоды большой мощности – в металлостеклянном или металлокерамическом корпусе, т.е.
со стеклянным или керамическим изолятором. Пример выпрямительных диодов германиевого (малой мощности) и кремниевого (средней мощности) показан на рисунке ниже.
Кристаллы кремния или германия (3) с p-n переходом (4) припаиваются к кристаллодержателю (2), являющемуся одновременно основанием корпуса. К кристаллодержателю приваривается корпус (7) со стеклянным изолятором (6), через который проходит вывод одного из электродов (5).
Маломощные диоды, обладающие относительно малыми габаритами и весом, имеют гибкие выводы (1) с помощью которых они монтируются в схемах.
У диодов средней мощности и мощных, рассчитанных на значительные токи, выводы (1) значительно мощнее.
Нижняя часть таких диодов представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверхностью, предназначенное для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (радиатором).
Электрические параметры выпрямительных диодов
У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:
Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
Рабочая частота, кГц;
Рабочая температура, С.
Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.
Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде
Разберем схему работы простейшего выпрямителя, которая изображена на рисунке:
На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD).
При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).
При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).
В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока.
Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.
Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц.
Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным.
Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.
Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости.
Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн).
Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов.
Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.
Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим.
В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.
Диодный мост
Диодный мост – это небольшая схема, составленная из 4-х диодов и предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный.
В отличие от однополупериодного выпрямителя, состоящего из одного диода и пропускающего ток только во время положительного полупериода, мостовая схема позволяет пропускать ток в течение каждого полупериода.
Диодные мосты изготавливают в виде небольших сборок заключенных в пластмассовый корпус.
Из корпуса сборки выходят четыре вывода напротив которых расположены знаки «+», «—» или «~», указывающие, где у моста вход, а где выход. Но не обязательно диодные мосты можно встретить в виде такой сборки, их также собирают включением четырех диодов прямо на печатной плате, что очень удобно.
Например. Вышел из строя один из диодов моста, если будет стоять сборка, то ее смело выкидываем, а если мост будет собран из четырех диодов прямо на плате — меняем неисправный диод и все готово.
На принципиальных схемах диодный мост обозначают включением четырех диодов в мостовую схему, как показано в левой части нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моста.
Такое графическое обозначение моста можно встретить еще в старых журналах по радиотехнике.
Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мост обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярность выходного напряжения.
Теперь рассмотрим работу диодного моста на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.
Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение поступает на вход диодного моста. Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки возникает положительный полупериод напряжения, ток идет через диод VD3, нагрузку Rн, диод VD2 и к нижнему выводу вторичной обмотки (см. график а). Диоды VD1 и VD4 в этот момент закрыты и через них ток не идет.
В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем (по схеме) выводе вторичной обмотки, ток идет через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и к верхнему выводу вторичной обмотки (см. график б). В этот момент диоды VD2 и VD3 закрыты и ток через себя не пропускают.
В результате мы видим, что меняются знаки напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (см. график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными.
И в заключении отметим, что работа двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однопериодным получается намного эффективней:
1. Удвоилась частота пульсаций выпрямленного тока;
2. Уменьшились провалы между импульсами, что облегчило задачу сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя;
3. Среднее значение напряжения постоянного тока примерно равно переменному напряжению, действующему во вторичной обмотке трансформатора.
А если такой выпрямитель дополнить фильтрующим электролитическим конденсатором, то им уже смело можно запитывать радиолюбительскую конструкцию.
Ну вот, мы с Вами практически и закончили изучать диоды. Конечно, в этих статьях дано далеко не все, а только основные понятия, но этих знаний Вам уже будет достаточно, чтобы собрать свою радиолюбительскую конструкцию для дома, в которой используются полупроводниковые диоды.
А в качестве дополнительной информации посмотрите видеоролик, в котором рассказывается, как проверить диодный мост мультиметром.
Удачи!
Источник:
1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.2. Горюнов Н.Н., Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.
3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К — Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» — 4-е изд. перераб. и доп. 1987г.
Источник: https://sesaga.ru/ustrojstvo-i-rabota-vypryamitelnogo-dioda-diodnyj-most.html
