Диод катод почему превращается плюсом в мостике. Диодные мосты: принцип работы, применение и особенности подключения

Что такое диодный мост и как он работает. Почему диодный мост используется для выпрямления переменного тока. Какие существуют типы диодных мостов. Как правильно подключать диоды параллельно в мостовых схемах.

Что такое диодный мост и для чего он используется

Диодный мост представляет собой электронную схему, состоящую из четырех или более диодов, соединенных определенным образом. Основное назначение диодного моста — преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Этот процесс называется выпрямлением.

Диодные мосты широко применяются в различных электронных устройствах и системах электропитания, где требуется преобразование переменного тока в постоянный. Наиболее распространенные области применения диодных мостов включают:

• Источники питания для электронных устройств
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Выпрямители в промышленных электроприводах
• Системы бесперебойного питания (UPS)
• Сварочные аппараты

Принцип работы диодного моста

Как работает диодный мост для выпрямления переменного тока? Принцип действия основан на свойстве диодов пропускать ток только в одном направлении. В диодном мосте четыре диода соединены таким образом, что при любой полярности входного переменного напряжения ток через нагрузку течет в одном направлении.

Рассмотрим работу диодного моста пошагово:

1. Когда на вход подается положительная полуволна переменного напряжения, ток течет через верхний правый и нижний левый диоды.
2. При отрицательной полуволне ток проходит через верхний левый и нижний правый диоды.
3. В результате на выходе моста формируется пульсирующее напряжение одной полярности.
4. Для сглаживания пульсаций обычно используется конденсатор большой емкости.

Таким образом, диодный мост обеспечивает двухполупериодное выпрямление, используя обе полуволны входного переменного напряжения. Это позволяет получить более высокий КПД по сравнению с однополупериодными выпрямителями.

Типы диодных мостов

Существует несколько основных типов диодных мостов, различающихся по конструкции и области применения:

1. Однофазные мосты

Это наиболее распространенный тип, состоящий из четырех диодов. Используется для выпрямления однофазного переменного тока. Примеры применения — маломощные источники питания, зарядные устройства.

2. Трехфазные мосты

Содержат шесть диодов и применяются для выпрямления трехфазного переменного тока. Широко используются в промышленных системах электропривода, сварочных аппаратах.

3. Мосты Греца

Особая разновидность однофазного моста с центральным выводом трансформатора. Позволяет получить более низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения.

4. Лавинные мосты

Содержат специальные высоковольтные диоды, способные работать при больших обратных напряжениях. Применяются в высоковольтных источниках питания.

Параллельное подключение диодов в мостовых схемах

Иногда в мощных выпрямительных устройствах возникает необходимость параллельного подключения нескольких диодов или диодных мостов. Это позволяет увеличить допустимый ток нагрузки. Однако при параллельном соединении диодов возникают определенные проблемы, связанные с неравномерным распределением тока.

Почему возникает проблема неравномерного распределения тока при параллельном подключении диодов? Основные причины:

• Разброс характеристик диодов даже одного типа
• Неодинаковый нагрев диодов при работе
• Различное контактное сопротивление выводов

Как правильно подключать диоды параллельно, чтобы минимизировать эти проблемы? Существует несколько методов:

1. Подбор диодов с близкими характеристиками

Перед параллельным включением рекомендуется отобрать диоды с максимально близкими значениями прямого падения напряжения. Разница не должна превышать 20-30 мВ.

2. Использование балластных резисторов

Последовательно с каждым диодом включают резистор небольшого сопротивления (0.1-1 Ом). Это позволяет выровнять токи через параллельные ветви.

3. Обеспечение хорошего теплового контакта

Диоды устанавливают на общий радиатор, обеспечивая их равномерный нагрев. Это уменьшает разброс характеристик из-за разной температуры.

4. Применение специальных сборок

Используют готовые диодные сборки в одном корпусе, где диоды уже подобраны по характеристикам производителем.

Особенности выбора диодов для мостовых схем

При разработке диодных мостов важно правильно выбрать диоды с учетом условий эксплуатации. На что следует обратить внимание при выборе диодов для мостовых схем?

• Максимально допустимое обратное напряжение — должно быть в 2-2.5 раза выше амплитуды входного напряжения
• Максимальный прямой ток — выбирается с запасом 20-30% от расчетного значения
• Быстродействие диодов — для высокочастотных схем требуются быстрые или сверхбыстрые диоды
• Прямое падение напряжения — влияет на КПД выпрямителя, особенно при низких напряжениях
• Рабочая температура — должна соответствовать условиям эксплуатации устройства

Для маломощных схем часто используются кремниевые выпрямительные диоды общего назначения. В мощных промышленных выпрямителях применяются специализированные силовые диоды или диодные модули.

Применение диодных мостов в современной электронике

Несмотря на развитие импульсных преобразователей, диодные мосты по-прежнему широко применяются в современной электронике. Какие преимущества обеспечивает использование диодных мостов?

• Простота конструкции и надежность
• Низкая стоимость по сравнению со сложными преобразователями
• Устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям
• Отсутствие высокочастотных помех
• Возможность работы в широком диапазоне входных напряжений

В каких современных устройствах можно встретить диодные мосты? Некоторые примеры:

• Зарядные устройства для мобильных телефонов и ноутбуков
• Блоки питания компьютеров и бытовой техники
• Системы электропитания промышленного оборудования
• Источники бесперебойного питания
• Сварочные инверторы
• Электромобили и гибридные автомобили

Таким образом, диодные мосты остаются важным элементом современных систем электропитания, обеспечивая эффективное преобразование переменного тока в постоянный.

Проблемы и ограничения диодных мостов

Несмотря на широкое распространение, диодные мосты имеют ряд недостатков и ограничений. С какими проблемами можно столкнуться при использовании диодных мостов?

• Низкий КПД при малых выходных напряжениях из-за падения напряжения на диодах
• Значительные пульсации выходного напряжения, требующие дополнительного сглаживания
• Искажение формы потребляемого тока, что приводит к появлению высших гармоник в сети
• Отсутствие возможности регулировки выходного напряжения
• Чувствительность к перенапряжениям в сети

Как можно преодолеть эти ограничения? Некоторые возможные решения:

1. Использование диодов Шоттки с меньшим прямым падением напряжения
2. Применение активных корректоров коэффициента мощности
3. Дополнительные фильтры для подавления высших гармоник
4. Комбинирование диодных мостов с импульсными преобразователями
5. Установка защитных варисторов или супрессоров

Выбор конкретного решения зависит от требований к устройству и условий его эксплуатации. В некоторых случаях более целесообразным может оказаться полный отказ от диодных мостов в пользу современных импульсных преобразователей.

Диодный мост

 

 

Диодный мост представляет собой схему из четырех (или более) диодов в конфигурации мостовой схемы, которая обеспечивает одинаковую полярность выхода для любой полярности входа.

При наиболее распространенном применении для преобразования входного переменного тока (AC) в выходной постоянный ток (DC) он известен как мостовой выпрямитель. Мостовой выпрямитель обеспечивает двухполупериодное выпрямление от двухпроводного входа переменного тока, что приводит к меньшей стоимости и весу по сравнению с выпрямителем с трехпроводным входом от трансформатора с вторичной обмоткой с отводом от середины.

Существенной особенностью диодного моста является то, что полярность на выходе одинакова независимо от полярности на входе. Схема диодного моста была изобретена польским электротехником Каролем Поллаком и запатентована 14 января 1896 года под номером DRP 96564. Позже она была опубликована в Elektronische Zeitung, vol. 25 в 1897 г. с пометкой, что этим вопросом в то время занимался также немецкий физик Лео Грец. Сегодня цепь по-прежнему часто называют схемой Греца или мостом Греца.

 

Фрагмент диодного моста на 1000 вольт, 4 ампера

 

Самодельный диодный мост. Широкая серебряная полоса на диодах указывает на катодную сторону диода.     

 

Основные операции

В соответствии с традиционной моделью течения тока (первоначально установленной Бенджамином Франклином и до сих пор используемой большинством инженеров), ток определяется как положительный, когда он протекает по электрическим проводникам от положительного к отрицательному полюсу. На самом деле свободные электроны в проводнике почти всегда текут от отрицательного полюса к положительному. Однако в подавляющем большинстве приложений фактическое направление тока не имеет значения. Поэтому при обсуждении ниже традиционная модель сохраняется.

На приведенных ниже схемах, когда вход, подключенный к левому углу ромба, положительный, а вход, подключенный к правому углу, отрицательный, ток течет от верхней клеммы питания вправо по красному (положительному) пути к выход и возвращается к нижней клемме питания по синему (отрицательному) пути.

 

Когда вход, подключенный к левому углу, отрицательный, а вход, подключенный к правому углу, положительный, ток течет от нижней клеммы питания вправо по красному (положительному) пути к выходу, и возвращается к верхней клемме питания по синему (отрицательному) пути.

 

 

 

В каждом случае верхний правый выход остается положительным, а нижний правый — отрицательным. Поскольку это верно независимо от того, является ли вход переменным или постоянным, эта схема не только создает выход постоянного тока из входа переменного тока, но также может обеспечивать то, что иногда называют «защитой от обратной полярности». То есть он обеспечивает нормальное функционирование оборудования с питанием от постоянного тока, когда батареи были установлены в обратном порядке или когда выводы (провода) от источника питания постоянного тока были перепутаны, и защищает оборудование от потенциального повреждения, вызванного обратной полярностью.

До появления интегральных схем мостовой выпрямитель строился из «дискретных компонентов», т. е. отдельных диодов. Примерно с 1950 года один компонент с четырьмя выводами, содержащий четыре диода, соединенных по мостовой схеме, стал стандартным коммерческим компонентом и теперь доступен с различными номиналами напряжения и тока.

 

Сглаживание выходного сигнала

Для многих приложений, особенно с однофазным переменным током, где двухполупериодный мост служит для преобразования входного переменного тока в выходной постоянный, может потребоваться добавление конденсатора, поскольку мост сам по себе обеспечивает выход импульсного постоянного тока (см. схему ниже).

Переменный ток, двухполупериодные и двухполупериодные выпрямленные сигналы.

 

 

Функция этого конденсатора, известного как накопительный конденсатор (или сглаживающий конденсатор), заключается в уменьшении вариаций (или «сглаживании») формы волны выпрямленного выходного напряжения переменного тока от моста. Есть еще некоторая вариация, известная как пульсация. Одним из объяснений «сглаживания» является то, что конденсатор обеспечивает путь с низким импедансом к составляющей переменного тока на выходе, уменьшая переменное напряжение и переменный ток через резистивную нагрузку. Говоря менее техническими терминами, любое падение выходного напряжения и тока моста компенсируется потерей заряда конденсатора. Этот заряд вытекает в виде дополнительного тока через нагрузку. Таким образом, изменение тока нагрузки и напряжения уменьшается по сравнению с тем, что произошло бы без конденсатора. Повышение напряжения, соответственно, накапливает избыточный заряд в конденсаторе, тем самым сдерживая изменение выходного напряжения/тока.

Показанная упрощенная схема имеет заслуженную репутацию опасной, поскольку в некоторых случаях конденсатор может сохранять смертельный заряд после отключения источника питания переменного тока. При подаче опасного напряжения практическая схема должна включать надежный способ безопасного разряда конденсатора. Если нормальная нагрузка не может гарантировать выполнение этой функции, возможно, из-за того, что она может быть отключена, цепь должна включать в себя стабилизирующий резистор, подключенный как можно ближе к конденсатору. Этот резистор должен потреблять достаточно большой ток, чтобы разрядить конденсатор за разумное время, но достаточно малый, чтобы свести к минимуму ненужные потери мощности.

Конденсатор и сопротивление нагрузки имеют типичную постоянную времени τ = RC, где C и R — емкость и сопротивление нагрузки соответственно. Пока нагрузочный резистор достаточно большой, так что эта постоянная времени намного больше, чем время одного цикла пульсаций, приведенная выше конфигурация будет создавать сглаженное постоянное напряжение на нагрузке.

Когда конденсатор подключен непосредственно к мосту, как показано, ток протекает только в небольшой части каждого цикла, что может быть нежелательно. Диоды трансформатора и моста должны быть рассчитаны на то, чтобы выдерживать бросок тока, возникающий при включении питания на пике переменного напряжения и полностью разряженном конденсаторе. Иногда перед конденсатором включается небольшой последовательный резистор, чтобы ограничить этот ток, хотя в большинстве случаев сопротивления трансформатора источника питания уже достаточно. Добавление резистора или, что еще лучше, катушки индуктивности между мостом и конденсатором может гарантировать, что ток будет потребляться в течение большей части каждого цикла, и не произойдет большого скачка тока.

За конденсатором могут следовать дополнительные фильтрующие элементы (конденсаторы плюс резисторы и катушки индуктивности) для дальнейшего снижения пульсаций. Когда индуктор используется таким образом, его часто называют дросселем. Дроссель имеет тенденцию поддерживать ток (а не напряжение) более постоянным. Хотя катушка индуктивности дает наилучшие характеристики, обычно резистор выбирают из соображений стоимости.

Из-за растущей доступности микросхем стабилизаторов напряжения пассивные фильтры используются реже. Микросхемы могут компенсировать изменения входного напряжения и тока нагрузки, чего не делает пассивный фильтр, и в значительной степени устранять пульсации.

Идеализированные формы сигналов, показанные выше, видны как для напряжения, так и для тока, когда нагрузка на мост является резистивной. Когда нагрузка включает в себя сглаживающий конденсатор, формы сигналов напряжения и тока будут сильно изменены. Пока напряжение сглажено, как описано выше, ток будет протекать через мост только в то время, когда входное напряжение больше напряжения на конденсаторе. Например, если нагрузка потребляет средний ток n ампер, а диоды проводят ток в течение 10 % времени, средний ток диода во время проводимости должен составлять 10 n ампер. Этот несинусоидальный ток приводит к гармоническим искажениям и плохому коэффициенту мощности в сети переменного тока.

Некоторые ранние консольные радиоприемники создавали постоянное поле громкоговорителя с помощью тока от источника питания высокого напряжения («B+»), который затем направлялся на потребляющие цепи (постоянные магниты тогда были слишком слабыми для хорошей работы) для создания постоянное магнитное поле. Таким образом, катушка возбуждения динамика выполняла две функции в одной: она действовала как дроссель, фильтруя источник питания, и создавала магнитное поле для работы динамика.

 

Многофазные диодные мосты

Диодный мост можно использовать для выпрямления многофазных входов переменного тока. Например, для трехфазного переменного тока однополупериодный выпрямитель состоит из трех диодов, а двухполупериодный мостовой выпрямитель состоит из шести диодов.

Однополупериодный выпрямитель можно рассматривать как соединение звездой (соединение звездой), поскольку он возвращает ток через центральный (нейтральный) провод. Полноволновое соединение больше похоже на соединение треугольником, хотя его можно подключить к трехфазному источнику по схеме «звезда» или «треугольник» и при этом не используется центральный (нейтральный) провод.

Трехфазный выпрямитель с полным волновым мостом

Трехфазный мостовой выпрямитель для ветряной турбины

3PHASE AC Входная форма (Top Top-Top-Top. выпрямленная волна (в центре) и двухполупериодная выпрямленная форма волны (внизу)

 

Источник: en.wikipedia.org

Параллельное подключение диодов — плохая идея?

спросил 12 лет, 4 месяца назад

Изменено 2 года, 11 месяцев назад

Просмотрено 46 тысяч раз

\$\начало группы\$

Я пытаюсь отремонтировать блок питания мощностью 800 Вт (см. мой предыдущий вопрос по этому поводу). Одна вещь, которая меня поражает, это то, что в конструкции есть два пакета диодов Шоттки (в TO-220) параллельно. Мне всегда говорили, что это плохая идея, но поскольку они термически связаны с одним и тем же радиатором, не представляет ли это проблему в данном случае? Я также заметил то же самое для входного мостового выпрямителя, два используются параллельно.

• диоды
• параллельные

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Проблема с параллельным подключением диодов заключается в том, что по мере их нагрева их сопротивление уменьшается. В результате этот диод потребляет больше тока, чем другой диод, что приводит к его еще большему нагреву. Как вы, вероятно, видите, этот цикл приведет к тепловому разгону, в результате чего диод в конечном итоге сгорит, если вы дадите ему достаточный ток.

Тот факт, что вы соедините их с одним и тем же радиатором, несколько уменьшит этот эффект, но я бы все равно не рекомендовал этого делать. Слишком много неизвестных повлияет на это, чтобы никогда не доверять этому, особенно в коммерческом продукте.

Теперь, что касается рассматриваемого вами блока питания, вполне может быть, что они потратили время на максимально точное согласование диодов и на то, чтобы радиатор поддерживал их примерно при одинаковой температуре.

Также может случиться так, что они используют диоды намного ниже своей мощности, а второй подключают параллельно, так что они не всегда работают на максимальной мощности, но я считаю это маловероятным.

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Если последовательно с каждым диодом установить низкоомный резистор, например 1 Ом или 1/2 Ом, а затем параллельно этим сборкам, резисторы помогут сохранить нагрузку даже между двумя диодами.

Если один диод начинает потреблять больше тока нагрузки (как это было бы при тепловом разгоне), падение IR на резисторе снижает напряжение на этом диоде, что приводит к обратному снижению тока. 9Они несут потери 2 * R, и это обычно означает многоваттные рейтинги. К счастью, подобные вещи обычно встречаются только в источниках питания, где индуктивность, связанная с резисторами с проволочной обмоткой, не так уж плоха. Обычно не проблема найти 0,1 Ом, 0,25 Ом и т. д. при 5 Вт и выше.

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Это не идеально, но на практике это обычно сойдет с рук, особенно если они термически связаны. Если это не так, потенциальная проблема заключается в том, что температурный коэффициент кремния -ve может увеличить ток на одну «свинью», однако на практике они будут иметь тенденцию к нагреву с одинаковой скоростью, а сопротивление наклона никогда не будет равно нулю, поэтому вы по-прежнему будете получать текущий обмен, даже если один из них горячее.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Диоды из карбида кремния (SiC) можно без проблем подключать параллельно.

Когда один диод нагревается, его сопротивление увеличивается, поэтому другие диоды потребляют больший ток. Выравнивание тока обеспечивается полупроводниковым материалом SIC. Вам не нужно беспокоиться о тепловом разгоне. Однако они все еще дороги.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Пара комментариев:

1) Если у вас есть двойная упаковка, потому что она была на складе или использовалась в другом месте в вашей спецификации и т. д., тогда определенно продолжайте и параллельно. Нечего терять.

2) Некоторые менее распространенные типы диодов, такие как карбид-кремниевые диоды, увеличивают напряжение с температурой и поэтому могут быть достаточно хорошо подключены параллельно.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

В мире импульсных источников питания я видел параллельные диоды и мосты, как вы описали. Есть надежда, что с согласованным радиатором и небольшой разницей между частями устройства будут распределять нагрузку без какой-либо внешней балансировки. Гарантий, конечно, нет, поэтому каждое из устройств должно быть рассчитано на полный ток нагрузки, иначе могут быть «проблемы» (мягко говоря)…

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Одна вещь, которую я не вижу, обсуждается, это отношение пикового к среднему току. Параллельные выпрямители имеют конденсатор на стороне постоянного тока, который заряжается примерно до пикового напряжения. Поэтому выпрямители работают только тогда, когда пиковое переменное напряжение превышает напряжение конденсатора плюс падение на 1 диод. Если средняя нагрузка на стороне постоянного тока составляет, скажем, 1 ампер, то выпрямители будут проводить пиковые токи в несколько раз больше.

Таким образом, выпрямители имеют высокие пиковые токи, и из-за этого низкое внутреннее сопротивление диодных переходов выглядит как выравнивание тока между параллельно включенными выпрямителями, точно так же, как чье-то предложение добавить внешние резисторы для балансировки тока. Я видел, как это происходит со светодиодами.

Мне кажется, что помимо (или вместо) согласования диодов по прямому напряжению, они должны быть согласованы по прямому напряжению при пиковом токе.

Вот .PDF от ST с подробностями. После того, как я просмотрел его, я понял, что если разность прямых напряжений меньше 40 мВ, то можно использовать параллельные диоды.

https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&url=http://www.st.com/resource/en/application_note/dm00098381.pdf

\$\конечная группа\$

0

\$\начало группы\$

Я тоже думал, что параллельное подключение диодов — плохая идея, но, думая об этом, я не уверен. Если ток в диоде 1 больше, чем в диоде 2, прямое падение напряжения (Vf) первого увеличится, а это означает, что больший ток пойдет по «более короткому» маршруту диода 2. Это похоже на схему саморегулирования. который держит себя в равновесии.
Условием является то, что характеристики Vf-If должны быть сопоставимы, что должно иметь место для диодов из одной партии.

изменить
Для того, чтобы характеристики Vf-If были одинаковыми, оба устройства должны иметь одинаковую температуру, поэтому они должны иметь тепловую связь, лучше всего в одном корпусе.

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Попросту говоря, два несогласованных диода не распределяют ток поровну. Нет отказа или разгона, если он не приводится в действие источником напряжения с неограниченным током. Популярный среди ученых сценарий, не имеющий практического применения. В действительности источник питания может иметь нагрузку 5 ампер, и при действительном несовпадении через один будет протекать почти 5 ампер, а через другой — почти ничего.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Для улучшения согласования можно использовать последовательные резисторы. Серия R будет рассчитана как R=0,6/Imax. Другой метод, который я с успехом использовал, заключается в том, чтобы найти модуль мостового выпрямителя с соответствующими номиналами и закоротить вместе клеммы переменного тока («катод») вместе с клеммой «+» («анод»). В последнем случае вам не нужно использовать выравнивающие резисторы для большинства приложений, поскольку оба мостовых диода находятся на одном кристалле и имеют одинаковую тепловую среду. Для требовательных приложений вы все равно можете добавить выравнивающие резисторы к решению мостового выпрямителя, вставив их последовательно с каждой ветвью переменного тока. Наконец, резисторы с меньшим омическим сопротивлением справятся с работой с модулем мостового выпрямителя, поскольку диоды изначально очень похожи. Следовательно, решение с мостовым выпрямителем является более энергоэффективным, чем решение с двумя дискретными диодами при частоте сети 60 Гц.

Хрустящие17

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Все, кажется, пренебрегают небольшим, но все же значительным внутренним сопротивлением параллельных [или сдвоенных] диодов Шоттки выводов . Если один диод начинает потреблять больше тока, чем его параллельный партнер [и], то повышенное сопротивление выводов его корпуса [имеющих положительный температурный коэффициент (в отличие от переходов) nb] автоматически уменьшит напряжение, воздействующее на переход [и] . Это постоянное колебательное [совместное] действие между двумя или более диодами усредняет ток с течением времени при условии, что величина потребляемого тока, конечно, не является чрезмерной.