Prostowanie diody: półfala, pełna fala, PIV

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





W elektronice prostowanie jest procesem, w którym dioda prostownika przekształca przemienny sygnał wejściowy prądu przemiennego o pełnym cyklu na sygnał wyjściowy prądu stałego o półcyklu.

Pojedyncza dioda zapewnia prostowanie półfalowe, a sieć 4 diod zapewnia prostowanie pełnookresowe



W tym poście przeanalizujemy zarówno procesy prostowania diod półfalowych, jak i pełnookresowych, a także inne właściwości za pomocą funkcji zmiennych w czasie, takich jak fala sinusoidalna i prostokątna. To znaczy poprzez napięcia i prądy, które zmieniają swoją wielkość i polaryzację w czasie.

Będziemy uważać diodę za idealną, ignorując, czy jest to dioda krzemowa, czy german, aby zminimalizować komplikacje w obliczeniach. Diodę będziemy uważać za standardową diodę prostowniczą o standardowych możliwościach prostowniczych.



Rektyfikacja półfalowa

Najprostszy schemat pokazujący zmieniający się w czasie sygnał przyłożony do diody pokazano na poniższym schemacie:

Tutaj widzimy przebieg prądu przemiennego, gdzie okres T oznacza jeden pełny cykl przebiegu, który jest wartością średnią lub sumą algebraiczną części lub garbów powyżej i poniżej osi centralnej.

Ten typ obwodu, w którym zastosowano pojedynczą diodę prostowniczą ze zmiennym w czasie sinusoidalnym sygnałem wejściowym prądu przemiennego w celu wygenerowania wyjścia prądu stałego o wartości równej połowie wartości wejściowej nazywany jest prostownikiem półfalowym . W tym obwodzie dioda jest nazywana prostownikiem.

W okresie pomiędzy t = 0 → T / 2 przebiegu prądu przemiennego, biegunowość napięcia vi wytwarza „ciśnienie” w kierunku pokazanym na poniższym wykresie. Dzięki temu dioda może się włączyć i przewodzić zgodnie z biegunowością wskazaną tuż nad symbolem diody.

Region przewodzenia diody (0 → T / 2).

Ponieważ dioda przewodzi w pełni, zastąpienie diody zwarciem spowoduje wygenerowanie sygnału wyjściowego, jak pokazano na powyższym obrazku po prawej stronie.

Bez wątpienia wygenerowany sygnał wyjściowy wydaje się być dokładną repliką zastosowanego sygnału wejściowego powyżej środkowej osi przebiegu.

W okresie T / 2 → T biegunowość sygnału wejściowego vi staje się ujemna, co powoduje wyłączenie diody, co skutkuje przerwaniem obwodu na zaciskach diody. Z tego powodu ładunek nie może przepłynąć przez ścieżkę diody w okresie T / 2 → T, powodując, że vo jest:

vo = iR = 0R = 0 V (używając prawa Ohma). Odpowiedź można zwizualizować na poniższym diagramie:

Na tym schemacie widzimy, że wyjście prądu stałego Vo z diody wytwarza średni dodatni obszar netto powyżej osi, dla pełnego cyklu wejściowego, który można określić za pomocą wzoru:

Vdc = 0,318 Vm (półfala)

Napięcie wejściowe vi oraz napięcia wyjściowe vo podczas prostowania półfalowego diody przedstawiono na poniższym rysunku:

Na podstawie powyższych schematów i wyjaśnień możemy zdefiniować prostowanie półfalowe jako proces, w którym połowa cyklu wejściowego jest eliminowana przez diodę na jej wyjściu.

Korzystanie z diody krzemowej

Gdy dioda krzemowa jest używana jako dioda prostownicza, ponieważ ma charakterystykę spadku napięcia do przodu VT = 0,7 V, generuje obszar polaryzacji do przodu, jak pokazano na poniższym rysunku:

Wartość VT = 0,7 V oznacza, że ​​teraz sygnał wejściowy musi wynosić co najmniej 0,7 V, aby dioda została pomyślnie włączona. W przypadku, gdy napięcie wejściowe VT jest mniejsze niż 0,7 V, po prostu nie włączy się diody i dioda będzie nadal pracować w trybie obwodu otwartego, z Vo = 0 V.

Podczas gdy dioda przewodzi podczas procesu prostowania, generuje wyjście DC, które przenosi stały poziom napięcia dla różnicy napięć vo - vi, równy omówionemu powyżej spadkowi do przodu o 0,7 V.Możemy wyrazić ten stały poziom następującym wzorem:

vo = vi - VT

Powoduje to zmniejszenie średniego napięcia wyjściowego powyżej osi, powodując niewielką redukcję netto wyprostowanej mocy diody.

Odnosząc się do powyższego rysunku, jeśli uznamy Vm (szczytowy poziom sygnału) za odpowiednio wysoki niż VT, taki, że Vm >> VT, możemy dość dokładnie oszacować średnią wartość wyjściową DC z diody, używając następującego wzoru.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Dokładniej, jeśli wejściowy szczyt prądu przemiennego jest dostatecznie wyższy niż VT (spadek do przodu) diody, możemy po prostu użyć poprzedniego wzoru do oszacowania wyprostowanego wyjścia DC z diody:

Vdc = 0,318 Vm

Rozwiązany przykład prostownika półmostkowego

Problem:

Oceń wyjściowe vo i znajdź wartość prądu stałego na wyjściu dla projektu obwodu pokazanego poniżej:

Rozwiązanie: W powyższej sieci obwodów dioda zaświeci się dla ujemnej części sygnału wejściowego, a vo będzie zgodne z poniższym szkicem.

Przez cały okres wejściowego cyklu prądu przemiennego prąd stały na wyjściu będzie:

Vdc = 0,318 Vm = - 0,318 (20 V) = - 6,36 V.

Znak minus wskazuje biegunowość wyjściowego prądu stałego, która jest przeciwna do znaku przedstawionego na schemacie pod problemem.

Problem nr 2: Rozwiąż powyższy problem, biorąc pod uwagę diodę jako diodę krzemową.

W przypadku diody krzemowej przebieg wyjściowy wyglądałby następująco:

A wyjściowy DC można obliczyć w sposób wyjaśniony poniżej:

Vdc ≅ - 0,318 (Vm - 0,7 V) = - 0,318 (19,3 V) ≅ - 6,14 V

Spadek wyjściowego napięcia DC ze względu na współczynnik 0,7 V wynosi około 0,22 V lub około 3,5%

Rektyfikacja pełnookresowa

Gdy sygnał sinusoidalny AC jest używany jako wejście do prostowania, wyjście DC można poprawić do poziomu 100% za pomocą procesu prostowania pełnookresowego.

Najbardziej znanym i najłatwiejszym sposobem osiągnięcia tego jest zastosowanie 4-diody mostek prostowniczy sieć, jak pokazano poniżej.

pełna sieć prostowników mostkowych z wykorzystaniem 4 diod

Gdy cykl dodatniego sygnału wejściowego przebiega przez okres od t = 0 do T / 2, polaryzacja wejściowego sygnału prądu przemiennego na diodzie i wyjścia z diody jest przedstawiona poniżej:

Tutaj widzimy, że ze względu na specjalne ułożenie sieci diod w mostku, gdy D2, D3 przewodzą, przeciwległe diody D1, D4 pozostają spolaryzowane odwrotnie iw stanie wyłączonym.

Wyjściowy prąd stały netto generowany z tego procesu prostowania przez D2, D3 można zobaczyć na powyższym schemacie. Ponieważ wyobrażaliśmy sobie, że diody są idealne, wyjście to vo = vin.

Teraz, podobnie dla ujemnego półcyklu sygnału wejściowego diody D1, D4 przewodzą, a diody D2, D3 przechodzą w stan OFF, jak pokazano poniżej:

Widzimy wyraźnie, że wyjście z prostownika mostkowego przekształciło zarówno dodatnie, jak i ujemne półcykle wejściowego prądu przemiennego na dwa półokresy prądu stałego powyżej osi środkowej.

Ponieważ ten obszar powyżej osi jest teraz dwa razy większy niż obszar otrzymany dla prostowania półfalowego, wyjściowe napięcie stałe również stanie się dwukrotnie większe, jak obliczono przy użyciu następującego wzoru:

Vdc = 2 (0,318 Vm)

lub

Vdc = 0,636 Vm (pełna fala)

Jak pokazano na powyższym rysunku, gdyby zamiast idealnej diody zastosowano diodę krzemową, zastosowanie prawa napięcia Kirchhoffa na linii przewodzącej dałoby następujący wynik:

vi - VT - vo - VT = 0 i vo = vi - 2VT,

Dlatego szczytowe napięcie wyjściowe vo będzie wynosić:

Vomax = Vm - 2VT

W sytuacji, gdy V >> 2VT, możemy użyć naszego wcześniejszego równania, aby uzyskać średnią wartość z dość dużą dokładnością:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Ponownie, jeśli mamy Vm znacznie wyższe niż 2VT, 2VT można po prostu zignorować, a równanie można rozwiązać jako:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (szczytowe napięcie odwrotne)

Szczytowe napięcie odwrotne lub wartość znamionowa (PIV), która jest czasami nazywana wartością szczytową napięcia wstecznego (PRV) diody, staje się kluczowym parametrem podczas projektowania obwodów prostownika.

Zasadniczo jest to zakres napięcia polaryzacji wstecznej diody, którego nie wolno przekraczać, w przeciwnym razie dioda może się zepsuć, przechodząc do obszaru zwanego regionem lawiny Zenera.

Jeśli zastosujemy prawo napięcia Kirchhoffa do obwodu prostownika półfalowego, jak pokazano poniżej, po prostu wyjaśnia to, że ocena PIV diody musi być wyższa niż wartość szczytowa wejścia zasilającego używanego na wejściu prostownika.

Również dla prostownika z pełnym mostkiem obliczenia współczynnika PIV są takie same jak dla prostownika półokresowego, to znaczy:

PIV ≥ Vm, ponieważ Vm to całkowite napięcie przyłożone do podłączonego obciążenia, jak pokazano na poniższym rysunku.

Rozwiązane przykłady sieci prostowników z pełnym mostkiem

Określić przebieg wyjściowy dla następującej sieci diod, a także obliczyć wyjściowy poziom DC i bezpieczny PIV dla każdej diody w sieci.

Rozwiązanie: dla dodatniego półokresu obwód zachowywałby się tak, jak pokazano na poniższym schemacie:

Dla lepszego zrozumienia możemy to przerysować w następujący sposób:

Tutaj vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (max) = 1/2 (10 V) = 5 V

W przypadku ujemnego półcyklu rolę przewodzenia diod można zamienić, co spowoduje powstanie wyjściowego vo, jak pokazano poniżej:

Brak dwóch diod w mostku powoduje zmniejszenie wyjściowego prądu stałego o wielkości:

Vdc = 0,636 (5 V) = 3,18 V.

To jest to samo, co otrzymalibyśmy z prostownika półmostkowego z tym samym wejściem.

PIV będzie równe maksymalnemu napięciu generowanemu na R, które wynosi 5 V lub połowę tego, które jest potrzebne do prostowania półfalowego tym samym wejściem.




Poprzedni: Przełącznik dwukierunkowy Dalej: Diody Schottky'ego - działanie, charakterystyka, zastosowanie