Преимущества и недостатки
Преимущества диодного моста общеизвестны:
- отработанные десятилетиями схемы;
- простота сборки и подключения;
- несложная диагностика неисправности и простота ремонта.
В качестве недостатков надо упомянуть рост габаритов и веса схемы при увеличении мощности, а также необходимости использования радиаторов для мощных диодов. Но с этим сделать ничего нельзя – физику не обмануть. Когда эти условия станут неприемлемыми, надо решать вопрос о переходе к импульсной схеме источника питания. Кстати, мостовое включение диодов может быть использовано и в ней.
Также надо отметить форму выходного напряжения, далекую от постоянной. Для работы с потребителями, предъявляющими требования к стабильности питающего напряжения, надо использовать мост совместно со сглаживающими фильтрами, а при необходимости и стабилизаторами на выходе.
Watch this video on YouTube
Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей
Что такое импульсный блок питания и где применяется
Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317
Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик
Принцип работы и основные характеристики стабилитрона
Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?
Перечень основных характеристик
Ниже приведена таблица, с описанием основных параметров выпрямительных диодов. Эти характеристики можно получить из даташита (технического описания элемента). Как правило, большинство радиолюбителей к этой информации обращаются в тех случаях, когда указанный в схеме элемент недоступен, что требует найти ему подходящий аналог.
Таблица основных характеристик выпрямительных диодов
Заметим, что в большинстве случаев, если требуется найти аналог тому или иному диоду, первых пяти параметров из таблицы будет вполне достаточно. При этом желательно учесть диапазон рабочей температуры элемента и частоту.
ВАХ полупроводниковых диодов из разных материаллов
ВАХ полупроводниковых диодов как в прямом, так и в обратном направлениях протекания тока аппроксимируются экспоненциальными функциями. На практике совпадение расчетных (теоретических) и экспериментальных характеристик наблюдается лишь на ограниченных участках кривых, например, в области малых токов. В области прямых больших токов (напряжений) зависимость тока от напряжения практически линейна. На рисунке показаны реальные ВАХ полупроводниковых диодов.
ВАХ полупроводниковых диодов, выполненных из разных материалов и разными методами (точечные – m, плоскостные – n). Монокристаллические: германиевые – Ge, кремниевые – Si; поликристаллические: меднозакисные (купроксные) – Cu2O; селеновые – Se.
В последние десятилетия в отечественной литературе избегают приводить внешний вид ВАХ полупроводниковых приборов. И это не случайно. Вольт-амперные характеристики не очень хорошо воспроизводимы: они отличаются даже у приборов одной партии. Кроме того, ВАХ, особенно для силовых низкочастотных полупроводниковых приборов, сильно зависят от частоты, от сопротивления нагрузки, его резистивно-емкостных и иных характеристик.
Тем не менее, свойства полупроводниковых приборов необходимо каким-то образом описывать. В этой связи в паспортах на них и справочных руководствах принято указывать параметры характерных точек на ВАХ, полученные путем статистического усреднения данных по большой выборке однотипных полупроводниковых приборов испытанных по стандартизированной методике измерений, в пределах использования которой эти данные достаточно воспроизводимы.
К наиболее важным параметрам, характеризующим избранные и наиболее практически значимые точки ВАХ, принято относить:
Прямой ток (Iпр.) — среднее значение тока через открытый диод, при котором обеспечивается надежный режим работы.
Прямое падение напряжения (Uпр.) — напряжение на диоде при прохождении прямого тока Iпр.
Обратный ток (Iобр.) — ток через диод при определенном обратном напряжении.
Максимальное обратное напряжения (Uобр.) — напряжение, соответствующее безопасной области работы, после превышения которого может произойти повреждение прибора.
Все эти сведения для выпрямительных диодов обычно приводят для области низких частот, a именно, 50 Гц. При повышенных частотах на работу полупроводниковых силовых приборов начинают заметно влиять емкости переходов, что можно наблюдать, например, на характериографе. Более того, емкости переходов изменяются в несколько раз при разном уровне приложенного напряжения, a также существенно разнятся при прямом и обратном включении. На практике c ростом частоты диоды теряют выпрямительные свойства и больше напоминают резистивноемкостную цепочку, поэтому при выборе диода для той или иной схемы необходимо учитывать его частотные характеристики.
Как следует из последнего рисунка, ВАХ различных полупроводниковых приборов заметно отличаются друг от друга. Эти различия часто используют во благо при создании полупроводниковых приборов, предназначенных для выполнения специфических функций. B частности, селеновые выпрямители не могут составить конкуренцию кремниевым или германиевым, поскольку рассчитаны на малый прямой ток и малое обратное напряжение, зато свойства их более воспроизводимы,что позволяет применять селеновые выпрямители при параллельном или последовательном их включении без использования уравнительных резисторов (обычно для создания слаботочных высоковольтных выпрямительных столбов).
Меднозакисные выпрямители в настоящее время практически не используют, однако их и сейчас можно встретить в некоторых измерительных приборах.
Наиболее широкое распространение в последнее время получили кремниевые и, в меньшей мере, германиевые полупроводниковые диоды. Кремниевые выгодно отличаются тем, что способны работать при повышенных температурах, вплоть до 100…130oС. Они имеют меньшие обратные токи, допускают работу при более высоких обратных напряжениях — до 800…1200В. Германиевые диоды имеют малое прямое падение напряжения на переходе, но работают до температур не выше 70oС. Кроме перечисленных, выпрямительные функции могут выполнять и другие полупроводниковые приборы, например на основе арсенида галлия GaAs или антимонида индия InSb.
Проверка элементов
Нередко в самодельных устройствах приходится использовать детали, уже бывшие в употреблении. Перед установкой все такие комплектующие должны быть проверены. Поскольку выпрямительная сборка представляет собой четыре диода, подключенных встречно-последовательно, а до выводов всех диодов можно добраться щупом, вопрос от том, как прозвонить диодный мост, решается элементарно.
Для этого достаточно измерить обычным омметром сопротивление каждого диода, ориентируясь на схему выпрямителя и цоколевку моста. В одной полярности щупов прибор должен показывать высокое сопротивление, в другой — низкое. Когда соответствующий диод пробит, в обоих положениях щупов сопротивление будет низким, если сгорел — высоким.
Принцип действия
Давайте разбираться, как работает диодный мост. Начнем с того, что диоды пропускают ток в одном направлении. Выпрямление переменного напряжения происходит за счет односторонней проводимости диодов. За счет правильного их подключения отрицательная полуволна переменного напряжения поступает к нагрузке в виде положительной. Простыми словами – он переворачивает отрицательную полуволну.
Для простоты и наглядности рассмотрим его работу на примере однофазного двухполупериодного выпрямителя.
Принцип работы схемы основам на том, что диоды проводят ток в одну сторону и состоит в следующем:
- На вход диодного моста подают переменный синусоидальный сигнал, например 220В из бытовой электросети (на схеме подключения вход диодного моста обозначается как AC или ~).
- Каждая из полуволн синусоидального напряжения (рисунок ниже) пропускается парой вентилей, расположенных на схеме по диагонали.
Положительную полуволну пропускают диоды VD1, VD3, а отрицательную — VD2 и VD4. Сигнал на входе и выходе схемы вы видите ниже.
Такой сигнал называется – выпрямленное пульсирующее напряжение. Для того, чтобы его сгладить, в схему добавляется фильтр с конденсатором.
Принцип работы
Перед началом работы в автомобиле включается зажигание, и на управляющий контакт генератора поступает напряжение через лампочку. Поскольку энергию генератор в этот момент не вырабатывает, то напряжение на контакте отсутствует, и лампочка оказывается под потенциалом аккумуляторной батареи. Индикатор светится, через обмотку возбуждения протекает начальный ток.
После запуска мотора вращающееся поле обмотки возбуждения на роторе создаёт ответную индукцию в обмотках статора и генератор начинает вырабатывать электроэнергию. Дополнительные диоды поднимают напряжение на контакте лампочки, перепад на ней отсутствует, и она перестаёт светиться, сигнализируя, что всё в порядке, генератор работает.
Электронная схема в реле-регуляторе щёточного узла отслеживает выходное напряжение, увеличивая или уменьшая ток возбуждения, таким образом поддерживая выход на заданном уровне, обычно это 14-15 вольт, в зависимости от типа применённого аккумулятора и его температуры.
Батарея под таким напряжением перестаёт отдавать ток и переходит в режим заряда или удержания, выполняя роль дополнительного фильтрующего элемента, поскольку напряжение генератора пульсирует с частотой трёхфазного выпрямителя.
Если включено много потребителей, а обороты двигателя малы, прибор не в состоянии отдавать требуемую мощность, напряжение уменьшается, а часть потребителей начинает питаться от аккумулятора.
При добавлении оборотов генератор увеличивает мощность, питает потребителей, а избыток её идёт на зарядку аккумулятора. Если батарея заряжена, а мощность избыточна, то реле-регулятор уменьшает ток возбуждения, чтобы не допускать опасного роста напряжения в сети.
Выпрямительный мост или схема Гретца
Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):
В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2 и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:
Мостовая схема имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор.
Эта схема появилась исторически раньше нулевой, однако распространения не получила, потому что имела четыре диода вместо двух. А при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение.
Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую.
Для чего нужен диодный мост в генераторе автотехники
Диодный мост в генераторе
Это схемотехническое решение используется в электрических схемах автомобилей и мотоциклов. Диодный мост, устанавливаемый на генераторе переменного тока, нужен для преобразования вырабатываемого им переменного напряжения в постоянное. Постоянный ток служит для подзарядки АКБ и питания всех электропотребителей, имеющихся в современном транспорте. Требуемая мощность полупроводников в мостовой схеме определяется номинальным током, вырабатываемым генератором. В зависимости от этого показателя, полупроводниковые приборы разделяют на следующие группы по мощности:
- маломощные – до 300 мА;
- средней мощности – от 300 мА до 10 А;
- высокомощные – выше 10 А.
Для автотехники обычно применяют мосты из кремниевых диодов, способных отвечать эксплуатационным требованиям в широком температурном диапазоне – от -60°C до +150°C.
Схема простейшего выпрямителя переменного тока
Рассмотрим, как работает схема (выпрямительный диод играет в ней главную роль) примитивного выпрямителя.
На его вход подается сетевое переменное напряжение с положительными и отрицательными полупериодами. К выходу выпрямителя подключается нагрузка (R нагр.), а функцию элемента, выпрямляющего ток, выполняет диод (VD).
Положительные полупериоды напряжения, поступающие на анод, вызывают открывание диода. В это время через него, а следовательно через нагрузку (R нагр.), которая питается от выпрямителя, протекает прямой ток (I прям.).
Отрицательные полупериоды напряжения, поступающие на анод диода, вызывают его закрывание. По цепи протекает небольшой обратный ток диода (I обр.). Здесь диод производит отсекание отрицательной полуволны переменного тока.
В результате выходит, что через подключенную к сети нагрузку (R нагр.), через диод (VD), теперь проходит пульсирующий, а не переменный ток одного направления. Ведь он может проходить исключительно в положительные полупериоды. В этом и заключается смысл выпрямления переменного тока.
Однако такое напряжение может запитать только нагрузку малой мощности, которая питается от сети переменного тока и не предъявляет серьезных требований к питанию, к примеру, лампы накаливания.
Лампа будет пропускать напряжение лишь при прохождении положительных импульсов, вследствие этого электроприбор подвергается слабому мерцанию, имеющему частоту 50 Гц. Правда, вследствие того, что нить подвержена тепловой инертности, она не сможет до конца остывать в перерывах между импульсами, а значит, мерцание будет почти не заметно.
В случае если такое напряжение подать на усилитель или приемник мощности, то в громкоговорителе будет слышен звук низкой частоты (частотой 50 Гц), который называется фоном переменного тока. Этот эффект происходит по причине того, что пульсирующий ток во время прохождения через нагрузку наводит в ней пульсирующее напряжение, порождающее фон.
Подобный недостаток в какой-то мере устраняется, если параллельно нагрузке включить фильтрующий конденсатор (C фильтр), емкость которого достаточно велика.
Конденсатор будет заряжаться импульсами тока при положительных полупериодах, и разряжаться через нагрузку (R нагр.) при отрицательных полупериодах. При достаточной емкости конденсатора за время, которое проходит между двумя импульсами тока, он не успеет полностью разрядиться, а следовательно, на нагрузке (R нагр.) будет постоянно находиться ток.
Но даже таким, относительно сглаженным, током также не следует питать нагрузку, ведь она будет продолжать фонить, потому что величина пульсаций (U пульс.) пока еще достаточно серьезна.
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.
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.
Нулевая схема выпрямления
Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.
Нулевая схема выглядит так:
Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.
Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн. Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.
Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.
Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:
И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.
Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.
Советуем изучить — Измерительные трансформаторы тока и напряжения — технические характеристики
Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:
