Какие диоды применяют для выпрямления переменного тока. Выпрямление переменного тока с помощью диодов: принципы работы и схемы

Как происходит выпрямление переменного тока с помощью диодов. Какие бывают схемы выпрямителей. Как работает однополупериодный выпрямитель. Какие преимущества у двухполупериодных и мостовых схем. Как уменьшить пульсации выпрямленного напряжения.

Принцип выпрямления переменного тока диодами

Выпрямление переменного тока — это преобразование переменного тока в постоянный (пульсирующий) ток с помощью устройств, обладающих односторонней проводимостью. Основным элементом выпрямителей являются полупроводниковые диоды, которые хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном.

Принцип работы выпрямителя на диоде заключается в следующем:

• В течение положительного полупериода входного переменного напряжения диод открыт и через него протекает ток
• В отрицательный полупериод диод закрыт и ток через него не проходит
• В результате через нагрузку протекает пульсирующий ток одного направления

Таким образом, диод пропускает только одну полуволну переменного тока, преобразуя его в пульсирующий постоянный ток.

Однополупериодная схема выпрямления

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя содержит:

• Источник переменного напряжения
• Диод
• Нагрузочный резистор

Принцип работы такой схемы:

1. В положительный полупериод диод открыт, ток проходит через нагрузку
2. В отрицательный полупериод диод закрыт, ток через нагрузку не идет
3. На нагрузке формируется пульсирующее напряжение одной полярности

Недостатки однополупериодной схемы:

• Большие пульсации выходного напряжения
• Низкий коэффициент использования трансформатора
• Большой обратный ток через диод

Двухполупериодные схемы выпрямления

Для устранения недостатков однополупериодной схемы применяют двухполупериодное выпрямление. Основные варианты:

Схема с выводом средней точки трансформатора

Принцип работы:

• Используются два диода и трансформатор со средней точкой
• Диоды поочередно открываются в разные полупериоды
• Ток через нагрузку проходит в обоих полупериодах

Мостовая схема

Особенности мостовой схемы:

• Содержит 4 диода, соединенных в мостовую схему
• Не требует трансформатора с отводом от середины
• Обеспечивает двухполупериодное выпрямление

Преимущества двухполупериодных схем:

• Меньшие пульсации выходного напряжения
• Лучшее использование трансформатора
• Меньший обратный ток через диоды

Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры:

• Простейший емкостный фильтр — конденсатор параллельно нагрузке
• LC-фильтры — катушка индуктивности и конденсатор
• RC-фильтры — резистор и конденсатор
• Многозвенные фильтры для лучшего сглаживания

Правильный выбор схемы выпрямления и сглаживающего фильтра позволяет получить на выходе выпрямителя практически постоянное напряжение с минимальными пульсациями.

Области применения выпрямителей

Выпрямители на диодах широко используются в различных областях электроники и электротехники:

• Источники питания электронной аппаратуры
• Зарядные устройства аккумуляторов
• Сварочные аппараты
• Системы электроснабжения постоянного тока
• Детекторы радиосигналов

Благодаря простоте и надежности диодные выпрямители остаются одним из основных способов преобразования переменного тока в постоянный.

Расчет параметров выпрямителей

При проектировании выпрямителей необходимо рассчитать следующие основные параметры:

• Максимальный прямой ток диодов
• Максимальное обратное напряжение на диодах
• Мощность трансформатора
• Емкость сглаживающего конденсатора
• Коэффициент пульсаций выходного напряжения

Расчет этих параметров позволяет правильно выбрать элементы схемы и обеспечить надежную работу выпрямителя.

Современные тенденции в разработке выпрямителей

В настоящее время развитие выпрямительных устройств идет по следующим направлениям:

• Применение быстродействующих диодов Шоттки
• Использование синхронных выпрямителей на полевых транзисторах
• Разработка импульсных источников питания
• Внедрение цифровых систем управления выпрямителями
• Повышение КПД и улучшение массогабаритных показателей

Это позволяет создавать более эффективные и компактные выпрямительные устройства для современной электронной аппаратуры.

Какие диоды применяют для выпрямления переменного тока?

а) Плоскостные б) Точечные

в) Те и другие г) Никакие

Из каких элементов можно составить сглаживающие фильтры?

а) Из резисторов б) Из конденсаторов

в) Из катушек индуктивности г) Из всех вышеперечисленных

приборов

3.Для выпрямления переменного напряжения применяют:

а) Однофазные однополупериодные б) Балансные выпрямители

выпрямители

в) Мостовые выпрямители г) Все перечисленные

Укажите полярность напряжения на эмиттере и коллекторе транзистора типа p-n-p.

а) плюс, плюс б) минус, плюс

в) плюс, минус г) минус, минус

Каким образом элементы интегральной микросхемы соединяют между собой?

а) Напылением золотых или алюминиевых дорожек через окна в маске б) Пайкой лазерным лучом

в) Термокомпрессией

г) Всеми перечисленными способами

Как называют средний слой у биполярных транзисторов?

а) Сток б) Исток

в) База г) Коллектор

Сколько p-n переходов содержит полупроводниковый диод?

а) Один б) Два

в) Три г) Четыре

Как называют центральную область в полевом транзисторе?

а) Сток б) База

в) Исток г) Коллектор

Сколько p-n переходов у полупроводникового транзистора?

а) Один б) Два

в) Три г) Четыре

10.Управляемые выпрямители выполняются на базе:

а) Диодов б) Полевых транзисторов

в) Биполярных транзисторов г) Тиристоров

11.Электронные устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное, называются:

а) Выпрямителями б) Инверторами

в) Стабилитронами г) Фильтрами

Теоретические вопросы к экзамену

1. Электрический ток. Электрическая цепь постоянного тока. Сила тока.

2. Сопротивление проводника.

3. ЭДС. Напряжение.

4. Последовательное и параллельное соединение. Законы Кирхгофа.

5. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.

6. Источники тока: гальванические элементы, аккумуляторы.

7. Электрическая дуга.

8. Магнитное поле, основные характеристики.

9. Виды магнитных веществ. Намагничивание.

10. Магнитное поле проводника с током. Электромагниты. Вихревые токи.

11. Явление электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность.

12. Простейший генератор переменного тока.

13. Основные характеристики переменного тока.

14. Активное сопротивление в цепях переменного тока.

15. Индуктивное сопротивление в цепях переменного тока.

16. Емкостное сопротивление в цепях переменного тока.

17. Цепи переменного тока с активным и индуктивным (емкостным) сопротивлением.

18. Последовательное соединение активного, индуктивного и емкостного сопротивления.

19. Параллельное соединение активного, индуктивного и емкостного сопротивления.

20. Резонанс напряжения и тока.

21. Генератор трехфазного переменного тока. Соединение обмоток по схеме «звезда».

22. Генератор трехфазного переменного тока. Соединение обмоток по схеме «треугольник».

23. Трансформаторы. Виды, устройство, основные характеристики трансформаторов.

24. Режимы работы трансформаторов.

25. Машины постоянного тока.

26. Машины переменного тока. Синхронные и асинхронные машины.

27. Трехфазный асинхронный двигатель.

 

Список литературы

Основная литература по предмету

1. — Т.Ф. Березкина и др. «Задачник по общей электротехнике с основами электроники: Учеб. пособие для неэлектротехнических специальностей техникумов» М.: Высш. школа, 1983;
2. — Н.Ю. Морозова «Электротехника и электроника» М.: Издательский центр «Академия»-2007;
3. — В.М. Прошин, Г.В. Ярочкина «Сборник задач по электротехнике: учеб. пособие для нач. проф. образования» М.: Издательский центр «Академия», 2013;
4. — Ю.Г. Синдеев «Электротехника с основами электроники» Ростов н/Д: Феникс, 2004;

 

Дополнительная литература

1. В.Е. Китаев, Л.С. Шляпинтох «Электротехника с основами промышленной электроники» М.: «Высшая школа», 1968
2. Г.В. Ярочкина «Элекитротехника: Рабочая тетрадь для нач. проф. образования» М.: Издательский центр «Академия», 1999

Электроника Какие диоды применяют для выпрямления переменного тока

---

С этим файлом связано 2 файл(ов). Среди них: personal.pdf, 6.doc.
Показать все связанные файлы

---

Подборка по базе: МУ-Общая электротехника и электроника- Матвеев-2020.docx, Жасболатұлы Ақжол фоэ Диоды Шоттки.pptx, КП Электроника В27.doc, Промышленная электроника.docx, лабораторная 1 программируемая электроника.docx, Ответы на экзамен электроника электротехника.docx, 1 д_ріс Кіріспе. Шала _ткізгіштер. Электрониканы_ негізгі элемен, Регламет дисциплины Электроника.docx, №1 Зерт. жумыс Аманкелді Күнімай АУук-20-1 Электроника.docx, Лабораторная работа 3 электроника Зиев.docx

---

Раздел      «Электроника»
1.Какие диоды применяют для выпрямления переменного тока?

а) Плоскостные                                                                  б) Точечные

в) Те и другие                                                                     г) Никакие

2.В каких случаях в схемах выпрямителей используется параллельное включение диодов?

а) При отсутствии конденсатора                                            б) При отсутствии катушки

в) При отсутствии резисторов                                                г) При отсутствии диодов на необходимый ток

3.Из каких элементов можно составить сглаживающие фильтры?

а) Из резисторов                                                                    б) Из конденсаторов

в) Из катушек индуктивности                                                 г) Из всех вышеперечисленных приборов

4.Для выпрямления переменного напряжения применяют:

а) Однофазные выпрямители                                               б) Многофазные выпрямители

в) Мостовые выпрямители                                                    г) Все перечисленные

5. Какие направления характерны для совершенствования элементной базы электроники?

 а) Повышение надежности                                                б) Снижение потребления мощности

в) Миниатюризация                                                              г) Все перечисленные

6.Укажите полярность напряжения на эмиттере и коллекторе транзистора типа p-n-p.

а) плюс, плюс                                                                             б) минус, плюс

в) плюс, минус                                                                            г) минус, минус

7.Каким образом элементы интегральной микросхемы соединяют между собой?

а)  Напылением золотых или алюминиевых  дорожек через окна в маске                                                 б) Пайкой лазерным лучом

в) Термокомпрессией

г) Всеми перечисленными способами

8. Какие особенности характерны как для интегральных микросхем (ИМС) , так и для больших интегральных микросхем(БИС)?

а) Миниатюрность                                                      б) Сокращение внутренних соединительных линий

в)  Комплексная технология                                       г) Все перечисленные

9.Как называют средний слой у биполярных транзисторов?

а) Сток                                                                          б) Исток

в) База                                                                          г) Коллектор

10. Сколько p-n  переходов содержит полупроводниковый диод?

а) Один                                                                           б) Два

в) Три                                                                              г) Четыре

11.Как называют центральную область в полевом транзисторе?

а) Сток                                                                              б) Канал

в) Исток                                                                            г) Ручей

12.Сколько p-n  переходов у полупроводникового транзистора?

а) Один                                                                             б) Два

в) Три                                                                               г) Четыре

13.Управляемые выпрямители выполняются на базе:

а) Диодов                                                                           б) Полевых транзисторов

в) Биполярных транзисторов                                           г)  Тиристоров

14. К какой степени интеграции относятся интегральные микросхемы, содержащие 500 логических элементов?

а) К малой                                                                              б) К средней

в) К высокой                                                                           г) К сверхвысокой

15.Электронные устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное, называются:

а) Выпрямителями                                                                б)  Инверторами

в) Стабилитронами                                                                г) Фильтрами

16. Какими свободными носителями зарядов обусловлен ток в фоторезисторе?

а) Дырками                                                                             б) Электронами

в) Протонами                                                                          г) Нейтронами

                       

Раздел 8:

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16

Применение диодов для выпрямления переменного тока

Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, выпрямительные схемы являются самыми простыми и наиболее распространенными диодными схемами. Простейшая выпрямительная схема показана на рис.4.4, а.

Рис.4.4. Однополупериодный выпрямитель и его временные диаграммы 

Для синусоидального входного напряжения, значительно превышающего прямое напряжение диода, выходное напряжение будет иметь вид, показанный на рис.4.4, б. Представленная схема называется однополупериодным выпрямителем, так как она пропускает на выход только одну полуволну входного сигнала.

На рис.4.5, а представлена схема двухполупериодного выпрямителя, а на рис.4.5, б показан ее выходной сигнал. Из временных диаграмм видно, что входной сигнал используется при выпрямлении полностью. На графике выходного напряжения наблюдаются интервалы с нулевым значением напряжения, они обусловлены прямым напряжением диодов. В рассматриваемой схеме два диода всегда подключены последовательно к входу, это необходимо учитываться при использовании низковольтных источников питания.

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения на нагрузочном резисторе, т.е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения применяют специальные сглаживающие фильтры. В сглаживающем фильтре, изображенном на рис.4.6, применяются конденсаторы большой емкости, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая ее часть проходила в нагрузку.

Рис.4.5. Двухполупериодный выпрямитель и его временные диаграммы

 

 

 

Рис.4.6. Однополупериодный выпрямитель с фильтром

Простейший способ выпрямления переменного напряжения состоит в том, что производят заряд конденсатора через диод по схеме, показной на рис.4.6. Если такая схема работает в режиме холостого хода, то конденсатор в течение положительной полуволны заряжается практически до амплитудного значения переменного напряжения. При отрицательной полуволне диод заперт.

При подключении нагрузки в течение всего времени, когда диод заперт, происходит разряд конденсатора через сопротивление нагрузки. Когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора становится больше выходного напряжения, диод открывается и конденсатор вновь начинает заряжаться. Величина напряжения, до которого зарядится конденсатор, зависит от внутреннего сопротивления трансформатора и от сопротивления диода. На рис.4.7 представлена временная диаграмма выходного напряжения и тока диода в установившемся режиме.

Недостатком такой схемы является большая величина пульсаций. Соотношение между временем разряда и временем заряда конденсатора может быть значительно улучшено, если осуществлять заряд конденсатора во время как положительной, так и отрицательной полуволн переменного напряжения. Это достигается при использовании мостовой схемы выпрямителя, показанной на рис.4.8, а.

В течение всего времени заряда конденсатора диоды соединяют отрицательный вывод обмотки трансформатора с общей шиной питания, а положительной – с выходом схемы независимо от полярности напряжения на обмотке. Следует обратить внимание, что для данной схемы частота пульсаций будет в два раза выше частоты входного напряжения.

 

Рис.4.7. Временная диаграмма напряжения и тока для однополупериодного выпрямителя

 

 

 

 

Рис.4.8. Мостовой выпрямитель с фильтром (а) и его временные диаграммы (б)

Размах пульсаций выпрямителя с фильтром определяется выражением:

ΔU = IН / 2Cf(однополупериодное выпрямление),     (4.1)

ΔU = IН / 2Cf(двухполупериодное выпрямление),     (4.2)

где IН – ток нагрузки, C – емкость конденсатора фильтра, f – частота входного сигнала. Если ток нагрузки равен нулю, то конденсатор будет просто оставаться заряженным до амплитудного значения входного переменного напряжения.

Конденсатор подбирают так, чтобы выполнялось условие RНС >>1/f , (где f – частота пульсаций, в нашем случае – 100 Гц), тогда будет обеспечено ослабление пульсаций. Амплитуда пульсаций прямо пропорциональна току нагрузки и обратно пропорциональна емкости конденсатора и частоте входного сигнала.

Если требуется уменьшить пульсации, а сопротивление нагрузки мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т.е. сглаживание пульсаций выполнить одним конденсатором практически нельзя. Приходится включать дополнительный сглаживающий фильтр (рис.4.9), состоящий из дросселя с большим индуктивным сопротивлением и еще одного конденсатора (или еще более сложный фильтр).

Необходимо отметить, что весьма опасно короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источника будет приложено к диоду и ток станет недопустимо большим. Происходит тепловое разрушение диода.

На базе двухполупериодных выпрямителей можно построить схемы с умножением напряжения. Схема, показанная на рис.4.10, называется удвоителем напряжения.

Рис.4.9. Сглаживающий фильтр LC-типа

 

 

Рис.4.10. Удвоитель напряжения

 

Нижняя обмотка трансформатора включена к точке соединения двух конденсаторов. Верхняя обмотка в первый полупериод заряжает верхний конденсатор, во второй полупериод – нижний таким образом, что каждый из них заряжается до амплитудного значения напряжения. На выход подается сумма этих напряжений. Эта схема является двухполупериодным выпрямителем, так как она работает в каждом полупериоде входного сигнала – частота пульсаций в два раза превышает частоту колебаний питающей сети 50 Гц.

Разновидности этой схемы позволяют увеличивать напряжение в 3, 4 и более раз. В частности, аналогичные схемы используются в телевизионных умножителях напряжения, позволяющих получить анодное напряжение для кинескопов, величина которого превышает 20 кВ.

Если сигналы несинусоидальны, то для их выпрямления используются более сложные схемы. Например, если сигнал имеет прямоугольную форму, то говорить о его выпрямлении не принято, хотя процесс выпрямления применим и к нему. Например, требуется получить последовательность импульсов, совпадающих с моментами нарастания прямоугольного сигнала. Для этого сначала дифференцируют прямоугольный сигнал, а затем выпрямляют его с помощью диода (рис.4.11).

Следует иметь в виду, что прямое напряжение диода составляет приблизительно 0,6 В. На выходе этой схемы сигнал будет получен лишь с том случае, когда двойная амплитуда прямоугольного входного сигнала будет не меньше 0,6 В.

Еще одна область применения диодов основана на способности пропускать большее из двух напряжений, не оказывая влияния на меньшее. Схемы, в которых используется это свойство, объединены в семейство логических схем. Рассмотрим схему резервной батареи питания – она используется в устройствах, которые должны работать непрерывно даже при отключениях питания (например, электронные часы). Схема, показанная на рис.4.12, включает как раз такую батарею.

Рис.4.11. Выпрямление прямоугольных сигналов

В отсутствие сбоев питания батарея не работает, при возникновении сбоя питания на схему начинает поступать от батареи, при этом перерыва в подаче питания не происходит.

 

Рис.4.12. Схема резервного питания.

 

1.2.     Применение диодов для выпрямления переменного тока

Выпрямление переменного тока, т.е. преобразование его в постоянный (пульсирующий) ток, производится при помощи нелинейных элементов, которые обладают весьма малым активным сопротивлением в прямом направлении и весьма малой активной проводимостью в обратном направлении (обладают односторонней проводимо

стью).  Устройства таких нелинейных элементов с резко несимметричной вольтамперной характеристикой (см. рис. 1.2, 1.4) называют вентилями. К ним относятся электронные лампы, газотроны, тиратроны, меднозакисные, селеновые, германиевые, кремниевые полупроводниковые вентили.

Вольтамперная характеристика идеального вентиля (рис. 1.10, а, в) представляет собой отрезок (ОА, ОА₁) положительной полуоси тока и отрезок (ОБ, ОБ₁) – отрицательной полуоси напряжения. Заменой реальной характеристики вентиля приближенной в виде отрезков прямых, в частности характеристикой идеального вентиля, широко пользуются, чтобы упростить приближенный расчет режима цепи с вентилями с помощью кусочно-линейной аппроксимации.

Вольтамперной характеристике (рис. 1.10, а) соответствует схема замещения, состоящая из идеального вентиля и последовательно присоединенного резистора с сопротивлением r_В(рис. 1.10, б), а ВАХ (рис. 1.10, в)  – схема замещения идеального вентиля и источника постоянной ЭДС Е = U_В (рис. 1.10, г).

В зависимости от схемы включения выпрямительных диодов и источников питания различают однофазное однополупериодное и двухполупериодное выпрямление и трехфазное выпрямление.

Однополупериодное выпрямление

При включении идеального вентиля (r_В = 0) последовательно с нагрузкой, имеющей активное сопротивление r (рис. 1.11, а), для прямого (положительного) полупериода напряжения (u > 0) u = U_msinwt  ток равен:

,

для обратного напряжения (отрицательный полупериод u < 0) ток равен 0 (рис. 1.11, б):

i_ОБР = 0.

То есть по цепи идет ток одного направления – проходит одна полуволна синусоидального тока.

Действующее напряжение источника питания равно:

U = U_m / 2.

Действующее значение тока:

.

Так как интеграл под корнем в последнем выражении в два раза меньше его значения при отсутствии диода при протекании синусоидального тока, то

,

т.е. действующее значение тока (I) зависит от действующего напряжения (U) источника питания по линейному закону.

В течение положительного полупериода напряжение на приемнике равно напряжению, приложенному к цепи (u_H = ir = u), а напряжение на вентиле равно 0, так как r_В = 0. В течение отрицательного полупериода напряжение на приемнике равно нулю, так как i = 0, и напряжение на вентиле равно напряжению (u) на зажимах цепи. Таким образом, кривая напряжения на приемнике повторяет по форме кривую тока.

Действующее значение напряжения на приемнике равно:

U_H = r×I = U_m / 2 = U / .

Активная мощность в сопротивлении приемника в два раза меньше мощности, выделяемой при отсутствии диода:

.

Полная мощность источника:

Коэффициент мощности диода:

.

Коэффициент мощности (c) не равен единице не из-за реактивного сопротивления, которое может быть включено в цепь для уменьшения пульсаций переменного тока, а из-за искажения формы кривой тока (i) по сравнению с кривой (u) напряжения источника питания.

Полученная кривая однополупериодного выпрямленного тока (см. рис. 1.11, б) может быть разложена в ряд Фурье:

При этом постоянная составляющая тока равна его среднему значению, определяется следующим образом:

.

Существенным недостатком однополупериодного выпрямления

Выпрямление переменного тока с помощью выпрямительных диодов — Студопедия

Выпрямление переменного тока — один из основных процессов в радио­электронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобра­зуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потреби­телем энергии переменного тока и гене­ратором постоянного тока.

Поскольку полупроводниковые дио­ды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых дио­дов применяется для выпрямления пере­менного тока.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рисунке 2.19, а. В ней последовательно соединены гене­ратор переменной ЭДС (е), диод Д и нагрузочный резистор R_н, который можно включать также и в другой про­вод, как показано штрихами. Эта схема называется однополупериодной. Пра­вильнее бы называть ее однофазной однотактной, так как генератор пере­менной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и др.), как правило, представляют собой комбинацию несколько однофазных однотактных схем.

Рисунок 2.19 – Схемы выпрямителя с полупроводниковым диодом

В выпрямителях для питания РЭА генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, вклю­ченный в электрическую сеть (рисунок 2.19, б). Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора R_н, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются от выпрямителя. При выпрям­лении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемни­ков генератором переменной ЭДС слу­жит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а нагрузкой – резистор с большим со­противлением.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусои­дальную ЭДС е = Е_тsin wt и его внутрен­ним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе R_н падение напряжения и_R. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и и_R= 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде им­пульсов, длящихся полпериода и разде­ленных промежутками также в полпе­риода. Этот ток называют выпрямлен­ным током. Он создает на резисторе R_н выпрямленное напряжение. Просле­див направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода – минус.

Графики на рисунке 2.20 наглядно ил­люстрируют процессы в выпрямителе. Переменная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой Е_т(рисунок 2.20, а). Как правило, сопротивление нагрузки во много раз больше сопротивления люда, и тогда нелинейностью диода можно пренебречь (рабочая характеристика близка к линейной). В этом слу­чае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением I_max(рисунок 2.20, б). Этот же график тока в дру­гом масштабе изображает выпрямлен­ное напряжение и_R, так как и_R = iR_н. Достаточно умножить значения тока на R_н, чтобы получить кривую напряже­ния.

Рисунок 2.20 – Принцип работы простейшего выпрямителя

График на рисунке 2.20, в изображает напряжение на диоде. Иногда ошибоч­но его считают синусоидальным или отождествляют с напряжением источ­ника переменной ЭДС. На самом же деле это напряжение имеет несинусои­дальную форму. У него амплитуды положительных и отрицательных полу­волн резко неодинаковы. Амплитуда положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда прохо­дит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагру­зочном резисторе R_н, сопротивление которого значительно превышает сопро­тивление диода. В этом случае

U_{пр max} = E_m – U_Rmax = E_m – I_maxR_н<<E_m

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1–2 В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е = 200 В и E_m = E = 280 В. Если U_{пр max} = 2 В, то U_Rmax= 278 В. Если бы напря­жение источника (например, 200 В) полностью было приложено к диоду, это означало бы, что на резисторе R_ннет падения напряжения. Но это возможно только при R_н=0. Тогда ток был бы недопустимо большим и диод вышел бы из строя.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор даёт синусоидальную ЭДС и его внутренним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе R_н падение напряжения U_R. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и U_R = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпе­риода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе R_н выпрямленное напряжение.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе Rн равно нулю. Все напряжение источ­ника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким об­разом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Рассмотрим подробнее выпрямлен­ное напряжение (все, что будет показа­но для него, относится и к выпрямлен­ному току). Из графика на рисунке 2.20, б видно, что это напряжение сильно пуль­сирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряже­ния является его постоянная составляю­щая, или среднее значение U_ср. Для полусинусоидального импульса с макси­мальным значением напряжения U_max среднее значение за полупериод

U_ср = 2U_max/p = 0,636 U_max.

Так как во втором полупериоде напряжения совсем нет, то за весь пе­риод среднее значение вдвое меньше:

U_ср = U_max/p = 0,318 U_max. (2.5)

Приближенно U_ср считают равным 30 % максимального значения. Это при­ближение допустимо, так как действи­тельная форма импульсов всегда не­сколько отличается от полусинусоиды. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать

U_max » E_m и U_ср» 0,3 E_m. (2.6)

Вычитая из выпрямленного пульси­рующего напряжения его среднее значе­ние, получим переменную составляю­щую U_~ , которая имеет несинусоидаль­ную форму. Для нее нулевой осью яв­ляется прямая линия, изображающая постоянную составляющую (рисунок 2.21, а).

Рисунок 2.21 — Постоянная и переменная составляющие выпрямленного напряжения

Полуволны переменной составляющей заштрихованы. Положительная полу­волна представляет собой верхние две трети полусинусоиды, а отрицательная имеет форму, близкую к трапеции. Дли­тельность этих полуволн неодинакова, но площади, ограниченные ими, равны, так как постоянной составляющей уже нет.

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напря­жения. Для ее уменьшения в нагрузоч­ном резисторе, т. е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры. На рисунке 2.21, б изображена переменная составляющая. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего умень­шить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).

В сглаживающем фильтре применя­ются конденсаторы большой емкости, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку. Часто также в этих фильтрах ставят дроссели, т. е. катушки с большой индук­тивностью, препятствующие прохожде­нию переменной составляющей в нагруз­ку. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсаторов и больше сопротивление дросселей, а сле­довательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр.

Если фильтр хорошо ослабляет пер­вую гармонику пульсаций, то более вы­сокие гармоники подавляются еще луч­ше. А так как они и по амплитуде меньше, чем первая гармоника, то прак­тически нужно заботиться о подавлении лишь первой гармоники, являющейся главным «врагом».

U_m1= 0,5U_max = 1,57 U_ср. (2.7)В простейшей схеме выпрямителя амплитуда первой гармоники пульсаций U_m1очень велика – больше полезной постоянной составляющей:

Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями, как правило, непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дают более сложные выпрямительные схемы. Простейший метод сглаживания пульса­ций – применение фильтра в виде кон­денсатора достаточно большой емкости, шунтирующего резистор нагрузки R_н (рисунок 2.19, б). Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие

1/(wС)<<R_н. (2.8)

В течение некоторой части положи­тельного полупериода, когда напряже­ние на диоде прямое, через диод про­ходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к E_m. В то время, когда ток через диод не проходит, кон­денсатор разряжается через нагрузку R_н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждой следую­щий положительный полупериод кон­денсатор подзаряжается и его напряже­ние снова возрастает.

Заряд конденсатора через сравни­тельно малое сопротивление диода про­исходит быстро. Разряд на большое сопротивление нагрузки совершается го­раздо медленнее. Вследствие этого на­пряжение на конденсаторе и включен­ной параллельно ему нагрузке пульси­рует незначительно. Кроме того, конден­сатор резко повышает постоянную со­ставляющую выпрямленного напряже­ния. При отсутствии конденсатора U_ср »0,3 Е_m, а при наличии конденсато­ра достаточно большой емкости U_ср приближается к Е_ти может быть рав­ным (0,80 ¸ 0,95) Е_ти даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и R_н тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе U_cpк Е_т. Если нагрузку вообще отключить (режим холостого хода, т. е. R_н = ¥), то на конденсаторе получается постоян­ное напряжение без всяких пульсаций, равное Е_m.

Работу выпрямителя со сглаживаю­щим конденсатором иллюстрирует рисунок 2.22, где приведены графики ЭДС источника е, тока через диод i и на­пряжения на конденсаторе и_С, равного напряжению на нагрузке и_R.

Напряжение на конденсаторе прило­жено плюсом к катоду, минусом к ано­ду диода. Поэтому напряжение на диоде равно разности ЭДС источника и напря­жения конденсатора:

U_д = е – u_C (2.9)

Так как значение u_Cблизко к Е_т, то напряжение и_дстановится прямым только в течение части положительного полупериода, когда е превышает и_с (вблизи значения Е_т). В эти небольшие промежутки времени через диод прохо­дит ток в виде импульсов, подзаря­жающих конденсатор. В течение осталь­ной части положительного полупериода и во время отрицательного полупериода напряжение u_д – обратное, ток отсут­ствует и конденсатор разряжается на нагрузку R_н.

Рисунок 2.22 – Сглаживание пульсаций с помощью конденсатора

Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде ЭДС, когда е=–Е_т. По­скольку напряжение конденсатора также близко к Е_т, то наибольшее обратное напряжение близко к значению 2Е_т. Если цепь нагрузки разомкнута (холос­той ход), то максимальное обратное напряжение точно равно 2Е_т. Таким образом, наличие конденсатора удваива­ет обратное напряжение, поэтому диод надо подбирать так, чтобы он выдержи­вал это обратное напряжение.

Если требуется уменьшить пульса­ции, а сопротивление R_нмало, то не­обходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т. е. сглаживание пульса­ций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится вклю­чать дополнительный сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя с боль­шим индуктивным сопротивлением и еще одного конденсатора (или еще более сложный фильтр).

Необходимо отметить, что весьма опасно короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источ­ника будет приложено к диоду и ток станет недопустимо большим. Происхо­дит тепловое разрушение диода.

Достоинством полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными является не только отсутствие накала катода, но и малое падение напряжения на диоде при прямом токе. Независимо от значения тока, т. е. от мощности, на которую рассчитан полупроводниковый диод, прямое напряжение составляет десятые доли вольта или немногим больше 1 В. Поэтому КПД выпрямите­лей с полупроводниковыми диодами выше, чем с вакуумными. При выпрям­лении более высоких напряжений КПД повышается, так как в этом случае по­теря напряжения около 1 В на самом диоде не имеет существенного значения. Например, если при выпрямлении напря­жения 100 В на диоде теряется 1 В, то КПД получается около 99 % (с учетом других потерь он будет, конечно, не­сколько ниже).

Таким образом, полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными бо­лее экономичны и выделяют при работе меньше теплоты, что очень важно для других элементов, расположенных вбли­зи. Кроме того, полупроводниковые диоды имеют очень большой срок служ­бы. Но их недостатком является срав­нительно невысокое предельное обрат­ное напряжение – несколько сотен вольт, а у высоковольтных вакуумных диодов оно может составлять десятки кило­вольт.

Диоды применяют в любых выпря­мительных схемах. Если сглаживающий фильтр начинается с конденсатора боль­шой емкости, то при включении пере­менного напряжения на конденсатор проходит импульс тока, часто превы­шающий допустимое значение прямого тока диода. Для уменьшения такого тока иногда последовательно с диодом включают ограничительный резистор с сопротивлением в единицы или десятки ом.

В диодах, работающих в выпрями­тельном режиме, при перемене поляр­ности напряжения могут наблюдаться значительные импульсы обратного тока (рисунок 2.23). Возникают они по двум при­чинам. Во-первых, под влиянием обратного напряжения получается импульс тока, заряжающего барьерную емкость n-p-перехода. Чем больше эта емкость, тем больше такой импульс. Во-вторых, при обратном напряжении происходит разряд диффузионной емкости, т. е. рас­сасывание неосновных носителей, нако­пившихся в n- и р-областях. Эти носи­тели во время прохождения прямого тока инжектируют через переход и, не успев рекомбинировать или уйти, накап­ливаются в n- и р-областях. Практи­чески главную роль играет больший заряд, накопившийся в базовой области.

Рисунок 2.23 – Импульсы обратного тока диода

Например, если концентрация элект­ронов в n-области значительно больше, чем концентрация дырок в р-области, то n-область является эмиттером, а р-область – базой. Инжекция электронов из n-области в р-область преобладает над инжекцией дырок в обратном на­правлении. Поэтому электроны накапли­ваются главным образом в р-области. При обратном напряжении этот заряд рассасывается, т. е. электроны начинают двигаться в обратную сторону – из р-области в n-область. Возникает импульс обратного тока. Чем больше прямой ток, тем сильнее поток инжектированных носителей (электронов в данном приме­ре) и тем больше образованный ими заряд, а следовательно, больше импульс обратного тока. Когда это скопление носителей рассосется и практически окончится заряд барьерной емкости, то останется лишь ничтожно малый обрат­ный ток, который можно не принимать во внимание.

С повышением частоты импульс об­ратного тока увеличивается. Это объ­ясняется тем, что при более высокой частоте обратное напряжение возрастает быстрее. Следовательно, большим то­ком, т. е. быстрее, происходит заряд барьерной емкости. Иначе говоря, ем­костное сопротивление с повышением частоты уменьшается и обратный ток соответственно увеличивается. Рассасы­вание зарядов, образованных инжекти­рованными носителями, также происхо­дит быстрее, и от этого импульс обрат­ного тока также возрастает.

На низкой частоте импульс обрат­ного тока весьма мал и его длитель­ность во много раз меньше полупериода. А на некоторой высокой частоте им­пульс обратного тока может иметь при­мерно такую же амплитуду, как импульс прямого тока, и длится он в течение всего полупериода. Если площадь им­пульсов прямого и обратного тока будет одинакова, то постоянная составляю­щая (среднее значение) тока станет рав­ной нулю, т. е. выпрямление прекра­тится. Практически диоды рекоменду­ется применять для выпрямления только до такой предельной высокой частоты, при которой постоянная составляющая выпрямленного тока снижается не более чем на 30 % по сравнению с ее значе­нием на низкой частоте.

При повышении температуры сопро­тивления R_npи R_o6p диодов уменьша­ются, но это обычно мало влияет на выпрямление. Дело в том, что прямой ток определяется сопротивлением на­грузки R_н, которое обычно во много раз больше R_np, a R_o6pдаже у нагрето­го диода еще достаточно велико по сравнению с R_н, и поэтому обратный ток остается малым по сравнению с пря­мым.

Работа диодов в низкочастотных выпрямляющих устройствах характе­ризуется несколькими параметрами. К ним относятся средние за период зна­чения прямого тока I_{пр ср} и соответ­ствующего ему падения напряжения на диоде U_{пр ср}, обратного напряжения U_{обр. ср} и соответствующего ему обрат­ного тока I_{обр ср.} Ток I_{пр ср} часто назы­вают выпрямленным током, и весьма важными являются максимальные допустимые (предельные) значения обрат­ного напряжения U_{o6p. max}, прямого (или выпрямленного) тока I_{пр max} и температу­ры корпуса t_{кор max}, а также максималь­ная рабочая частота f_max.

Диоды, выпрямление тока, стабилитроны, тиристоры.

Разновидности диодов.

Помимо способности пропускать ток только в одном направлении, p-n переход обладает рядом других интересных особенностей. Например, способностью излучать(в т. ч. и в видимом диапазоне) при протекании тока в прямом направлении и генерировать эл. ток под воздействием излучения. Эта особенность используется при реализации таких электронных элементов как светодиоды, фотодиоды и фотоэлементы.
Кроме того, любой p-n переход обладает еще и электрической емкостью, а кроме того, возможностью ее изменять с помощью напряжения приложенного в обратном направлении. Используя ее удалось создать такие полезные элементы как ВАРИКАПЫ.

Варикапы.

Итак, p-n переход обладает электрической емкостью, величина которой зависит от его площади и ширины. Если подавать напряжение в обратном направлении — переход смещается, площадь остается неизменной, но ширина увеличивается. Емкость, при этом соответственно — уменьшается. Появляется возможность, изменяя величину приложенного напряжения, эту емкость регулировать. Электронные элементы(диоды, по сути) созданные на этом принципе называют — варикапами.

Варикапы используются в радиоаппаратуре вместо обычных конденсаторов переменной емкости для перестройки частоты колебательных контуров. Приемущество Применение варикапов позволило значительно снизить габариты и повысить эффективность блоков селекции радиоприемных устойств, относительно просто и недорого реализовать автоматизацию процессов настройки(проводимых ранее вручную).

Диоды Шоттки.

Диод Шоттки(диод с барьером Шоттки) — полупроводниковый диод с малым падением напряжения(0,2—0,4 вольт) при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. В диодах Шоттки в отличие от обычных диодов,вместо p-n перехода используется переход металл-полупроводник. Это дает ряд особых преимуществ — пониженное падение напряжения при прямом включении, очень маленький заряд обратного восстановления.

Последнее объясняется тем, что в отличии от обычных диодов диоды Шоттки работают только на основных носителях, а их быстродействие ограничивается лишь барьерной емкостью. Диоды Шоттки наиболее целесообразно использовать в быстродействующих импульсных цепях, для выпрямления малых напряжений высокой частоты, в высокочастотных смесителях, в ключах и коммутаторах.

Светодиоды.

При протекании прямого тока через любой p-n переход(любого диода!) происходит генерация фотонов. Это является следствием циклической рекомбинации — восстановления атомов вещества в процессе перемещения основных носителей тока.
Электронные элементы служащие для генерации света и основанный на этом принципе называется соответственно — светодиодами. Светодиоды используют для индикации, передачи информации, в составе таких электронных приборов как оптопары.

К.П.Д. и яркость современных светодиодов настолько высоки, что на настоящий момент они являются наиболее перспективными источниками искуственного освещения. В зависимости от материала выбранного в качестве полупроводника светодиоды излучают на разных длинах волн.
ИК — диоды излучают в инфракрасной области, индикаторные и осветительные светодиоды в видимой части спектра(зеленые, красные, желтые и т. п.). Наиболее высоким К.П.Д. отличаются светодиоды излучающее в ультрафиолетовой области. Интересно, что как раз этот тип наиболее часто применяется для освещения. Белый свет получается при использовании специального люминофора, преобразующего ультрафиолет.

Интенсивность излучения светодиода возрастает при увеличении тока протекающего через p-n переход, до определенного предела. После его достижения сетодиод выходит из строя. Поэтому, для нормальной работы необходимо ограничивать ток.
Как правило, это реализуется с помощью последовательного подключения резистора.

Стабисторы.

Существующие стабилитроны имеют ограничение по минимальному напряжению стабилизации(около 3 В).
Что делать, если необходим источник стабилизированного напряжения до 3-х вольт? Использовать прямую ветвь Вольт — Амперной Характеристики диода(ВАХ). В области прямого смещения p-n-перехода напряжение на нем может иметь значение 0,7…2 В(в зависимости от материала полупроводника) и мало зависит от тока.
Диоды специально используемые в этом качестве, называют — СТАБИСТОРАМИ.

Фотодиоды.

Фотодиод — это светочувствительный полупроводниковый элемент с одним p-n переходом, обратный ток которого меняется в зависимости от уровня освещенности. Величина на которую происходит его изменение при этом, называется фототоком.

Фотодиоды используют для преобразования сигналов передаваемых в оптическом режиме в электрическую форму. Малая инерционость фотодиодов способствует приему передачи информации, с большой плотностью, например, в при передаче ее по оптоволоконным линиям. Кроме того фотодиоды могут использоваться в фотоприемниках дистанционного управления и т. д.

На главную страницу

Выпрямление — переменное напряжение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Выпрямление — переменное напряжение

Cтраница 4

Диоды, используемые для выпрямления переменного напряжения промышленной частоты в источниках питания, называют кенотронами. Для кенотронов определяющими параметрами являются выпрямленные ток и напряжение. Допустимый выпрямленный ток определяется эмиссионной способностью катода и мощностью рассеяния анода. Выпрямленное напряжение ограничивается допустимым обратным напряжением диода, которое определяется электрической прочностью диода, в основном качеством изоляции анода. В паспортах и справочниках для кенотронов указывают не максимальное выпрямленное напряжение, а допустимое обратное напряжение.  [46]

Кенотрон 5Ц4С предназначен для выпрямления переменного напряжения тока промышленной частоты.  [48]

Кенотрон 6Ц5С предназначен для выпрямления переменного напряжения тока промышленной частоты.  [49]

Выпрямительные диоды применяют для выпрямления переменных напряжений низких и высоких частот. При этом используется свойство диода преимущественно проводить ток в одном направлении, когда внешнее напряжение приложено к п-р-переходу в прямим направлении.  [51]

Так как при этом происходит выпрямление переменного напряжения, несимметричного относительно оси времени, то удвоение напряжения не имеет места. Поэтому целесообразно говорить о суммирующей схеме. Принцип действия устройства в целом такой же, как и запирающегося преобразователя, за исключением того, что мощность отдается не только в период запирания, но и в период прохождения тока.  [52]

Управляемые выпрямители позволяют одновременно с выпрямлением переменного напряжения осуществлять плавное регулирование в широких пределах среднего значения выпрямленного напряжения.  [53]

Высокое постоянное напряжение получается при выпрямлении переменного напряжения с помощью выпрямительных устройств, которые пропускают ток в одном направлении, при определенной полярности их электродов.  [55]

Для получения высокого постоянного напряжения путем выпрямления переменного напряжения предложены различные электрические схемы. В литературе описаны теория выпрямления переменного тока, применяемые выпрямители и их классификация. В настоящем параграфе приводятся некоторые материалы по выпрямителям, имеющие специальный интерес для высоких и сверхвысоких напряжений. Преобразование переменного тока в постоянный происходит с помощью выпрямительных устройств, которые пропускают ток только в одном направлении. При изменении полярности на электродах ток через такое устройство или совсем не проходит, или протекает очень небольшой.  [56]

В выпрямительных устройствах, предназначенных для выпрямления переменных напряжений, широкое распространение получили селеновые и меднозакисные ( купроксные) полупроводниковые выпрямители.  [58]

Этот метод обеспечивает хорошую линейность при выпрямлении переменного напряжения в диапазоне до 100 МГц.  [60]

Страницы:      1    2    3    4    5

мощных диодов, используемых в качестве однополупериодных выпрямителей

В предыдущих уроках мы видели, что полупроводниковый сигнальный диод будет проводить ток только в одном направлении от анода к катоду (прямое направление), но не в обратном направлении, действуя как электрический односторонний клапан.

Широко используемое применение этой функции и диодов в целом — преобразование переменного напряжения (AC) в постоянное напряжение (DC). Другими словами, Ректификация .

Но малосигнальные диоды могут также использоваться в качестве выпрямителей в маломощных выпрямителях или устройствах с низким током (менее 1 А), но там, где задействованы большие токи прямого смещения или более высокие напряжения блокировки обратного смещения, PN переход слабого сигнала Диод в конечном итоге перегреется и расплавится, поэтому вместо него используются более мощные и надежные силовые диоды .

Силовой полупроводниковый диод, известный просто как Power Diode , имеет гораздо большую площадь PN-перехода по сравнению с его родственником с меньшим сигнальным диодом, что обеспечивает высокую пропускную способность прямого тока до нескольких сотен ампер (KA) и обратную блокировку. напряжение до нескольких тысяч вольт (кВ).

Поскольку силовой диод имеет большой PN переход, он не подходит для высокочастотных применений выше 1 МГц, но доступны специальные и дорогие высокочастотные сильноточные диоды. Для высокочастотных выпрямителей обычно используются диоды Шоттки из-за их короткого времени обратного восстановления и низкого падения напряжения при прямом смещении.

Силовые диоды обеспечивают неконтролируемое выпрямление мощности и используются в таких приложениях, как зарядка аккумуляторов и источники питания постоянного тока, а также выпрямители и инверторы переменного тока.Благодаря своим высоким токовым и вольт-амперным характеристикам они также могут использоваться в качестве обратных диодов и демпфирующих цепей.

Силовые диоды

спроектированы так, чтобы иметь прямое сопротивление «ВКЛ», составляющее доли Ом, в то время как их обратное блокирующее сопротивление находится в диапазоне мегаом. Некоторые из мощных диодов большего номинала предназначены для «крепления» на радиаторах, что снижает их тепловое сопротивление до 0,1–1^– КС / Вт.

Если на силовой диод подается переменное напряжение, во время положительного полупериода диод будет проводить проходящий ток, а в течение отрицательного полупериода диод не будет проводить, блокируя прохождение тока.Тогда проводимость через силовой диод происходит только в течение положительного полупериода и, следовательно, является однонаправленной, то есть постоянным током, как показано.

Выпрямитель с силовым диодом

Силовые диоды могут использоваться по отдельности, как указано выше, или соединяться вместе для создания различных выпрямительных схем, таких как «полуволновые», «полноволновые» или как «мостовые выпрямители». Каждый тип выпрямительной схемы может быть классифицирован как неуправляемый, полууправляемый или полностью управляемый, где неуправляемый выпрямитель использует только силовые диоды, полностью управляемый выпрямитель использует тиристоры (SCR), а полууправляемый выпрямитель представляет собой смесь диодов и тиристоров.

Наиболее часто используемый индивидуальный силовой диод для базовых электронных приложений — это выпрямительный диод общего назначения серии 1N400x с пассивированной стеклянной подложкой со стандартными номинальными значениями непрерывного прямого выпрямленного тока около 1,0 ампер и номинальным обратным блокирующим напряжением от 50 В для 1N4001 до 1000 В для 1N4007, причем маленький 1N4007GP является наиболее популярным для выпрямления сетевого напряжения общего назначения.

Полуволновое выпрямление

Выпрямитель — это схема, которая преобразует входную мощность переменного тока (AC) в выходную мощность постоянного тока (DC).Входной источник питания может быть однофазным или многофазным, причем простейшая из всех выпрямительных схем — это полуволновой выпрямитель .

Силовой диод в схеме полуволнового выпрямителя пропускает только половину каждой полной синусоидальной волны источника переменного тока, чтобы преобразовать его в источник постоянного тока. Тогда этот тип схемы называется «полуволновым» выпрямителем, потому что он пропускает только половину входящего источника питания переменного тока, как показано ниже.

Схема полуволнового выпрямителя

Во время каждого «положительного» полупериода синусоидальной волны переменного тока диод смещен в прямом направлении , поскольку анод положительный по отношению к катоду, что приводит к протеканию тока через диод.

Поскольку нагрузка постоянного тока является резистивной (резистор, R), ток, протекающий в нагрузочном резисторе, поэтому пропорционален напряжению (закон Ома), и поэтому напряжение на нагрузочном резисторе будет таким же, как и напряжение питания, Vs (минус Vƒ), то есть «постоянное» напряжение на нагрузке является синусоидальным только в течение первого полупериода, поэтому Vout = Vs.

Во время каждого «отрицательного» полупериода синусоидального входного сигнала переменного тока диод смещен в обратном направлении , так как анод является отрицательным по отношению к катоду.Следовательно, через диод или цепь не протекает ток. Затем в отрицательном полупериоде питания ток в нагрузочном резисторе не течет, так как на нем не появляется напряжение, поэтому Vout = 0.

Ток на стороне постоянного тока цепи течет только в одном направлении, делая цепь однонаправленной . Поскольку нагрузочный резистор получает от диода положительную половину формы волны, ноль вольт, положительную половину формы волны, ноль вольт и т. Д., Значение этого нерегулярного напряжения будет равно по значению эквивалентному напряжению постоянного тока, равному 0.318 * Vmax входного синусоидального сигнала или 0,45 * Vrms входного синусоидального сигнала.

Затем эквивалентное напряжение постоянного тока V _DC на нагрузочном резисторе рассчитывается следующим образом.

Где V _MAX — максимальное или пиковое значение напряжения синусоидального источника переменного тока, а V _RMS — это среднеквадратичное значение напряжения питания.

Пример силового диода No1

Рассчитайте падение напряжения V _DC и тока I _DC , протекающего через резистор 100 Ом, подключенный к однофазному полуволновому выпрямителю на 240 В среднеквадр., Как показано выше.Также рассчитайте среднюю мощность постоянного тока, потребляемую нагрузкой.

Таким образом, во время процесса выпрямления результирующие выходное постоянное напряжение и ток имеют как «ВКЛ», так и «ВЫКЛ» в течение каждого цикла. Поскольку напряжение на нагрузочном резисторе присутствует только в течение положительной половины цикла (50% входного сигнала), это приводит к низкому среднему значению постоянного тока, подаваемому на нагрузку.

Изменение формы выпрямленного выходного сигнала между состояниями «ВКЛ» и «ВЫКЛ» дает форму волны с большим количеством «пульсаций», что является нежелательной особенностью.Результирующая пульсация постоянного тока имеет частоту, равную частоте переменного тока.

Очень часто при выпрямлении переменного напряжения мы хотим получить «устойчивое» и непрерывное постоянное напряжение без каких-либо колебаний или пульсаций напряжения. Один из способов сделать это — подключить конденсатор большой емкости к клеммам выходного напряжения параллельно нагрузочному резистору, как показано ниже. Этот тип конденсатора обычно известен как «резервуар» или сглаживающий конденсатор .

Однополупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором

Когда выпрямление используется для обеспечения источника постоянного напряжения (DC) от источника переменного (AC), количество пульсаций напряжения может быть дополнительно уменьшено за счет использования конденсаторов большей емкости, но существуют ограничения как по стоимости, так и по размеру для типов используются сглаживающие конденсаторы.

Для данного номинала конденсатора больший ток нагрузки (меньшее сопротивление нагрузки) будет разряжать конденсатор быстрее (постоянная времени RC) и, таким образом, увеличивает получаемую пульсацию. Тогда для однофазной схемы однополупериодного выпрямителя, использующей силовой диод, не очень практично пытаться уменьшить напряжение пульсаций только с помощью конденсаторного сглаживания. В этом случае было бы более практично использовать вместо этого «полноволновую коррекцию».

На практике однополупериодный выпрямитель чаще всего используется в маломощных приложениях из-за их основных недостатков.Амплитуда выходного сигнала меньше, чем входная амплитуда, в течение отрицательного полупериода выходной сигнал отсутствует, поэтому половина мощности тратится впустую, а выходной сигнал является импульсным постоянным током, что приводит к чрезмерной пульсации.

Чтобы преодолеть эти недостатки, несколько силовых диодов соединены вместе для создания полноволнового выпрямителя, как описано в следующем руководстве.

Shahram Marivani — ПОЛНОВОЛНОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

ПОЛНОВОЛНОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Цель:

Целью этого эксперимента является изучение рабочих характеристик и характеристик двухполупериодных выпрямителей и источников питания постоянного тока, использующих стабилитрон в качестве устройства стабилизации напряжения.Будут изучены и измерены характеристики двухполупериодного выпрямителя, а также стабилитрона.

Введение:

Одно из важных применений диодов с P-N переходом — преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Можно использовать полуволновые выпрямители, но они крайне неэффективны при преобразовании мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Кроме того, они имеют высокое содержание гармоник, которые трудно отфильтровать и сгладить пульсации выпрямленного переменного тока.С другой стороны, двухполупериодный выпрямитель повышает эффективность преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Это также уменьшит содержание гармоник в выпрямленной форме волны и снизит требования к сглаживающему фильтру, необходимому для уменьшения пульсаций в выпрямленной форме волны. Типичная форма сигнала двухполупериодного выпрямителя показана на рисунке 1.

Рисунок 1 — Формы выходных сигналов двухполупериодного выпрямителя; темная линия — это отфильтрованный вывод, а более тонкая линия — нефильтрованный вывод.Стабилитроны

— это специальные диоды, предназначенные для поддержания фиксированного напряжения на нагрузке. Они предназначены для «пробоя» надежным и неразрушающим образом, когда они смещены в обратном направлении напряжением, превышающим напряжение пробоя. Типичная характеристика постоянного тока стабилитрона показана на рисунке 2. Перегиб в области обратного смещения на рисунке 2 — это «напряжение пробоя» стабилитрона. Однако это напряжение также известно как напряжение Зенера.

Рисунок 2 — Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона. Стабилитроны

имеют номинальное напряжение пробоя и максимальную мощность.Минимальное доступное напряжение стабилитрона составляет 2,7 В, тогда как номинальная мощность составляет 400 мВт и 1,3 Вт. Схема подключения стабилитрона в качестве базовой цепи стабилизации напряжения показана на рисунке 3.

Рисунок 3 — Подключение стабилитрона в качестве регулятора напряжения

Полный и стабилизированный источник питания может быть получен с помощью выпрямительных диодов для изменения мощности переменного тока на мощность постоянного тока. Выпрямленное напряжение фильтруется, чтобы уменьшить пульсации выпрямленного сигнала. Затем используется стабилитрон для регулирования напряжения до желаемого конечного значения.Простая блок-схема источника питания показана на рисунке 4.

На блок-схеме Рисунка 4 каждый отдельный блок описан более подробно ниже:

• Трансформатор: понижает напряжение сети переменного тока высокого напряжения до переменного тока низкого напряжения.
• Диодный выпрямитель: преобразует переменный ток в постоянный, но на выходе постоянного тока присутствует большая составляющая пульсаций.
• Фильтр: сглаживает постоянный ток от сильных колебаний и уменьшает составляющую пульсации.
• Регулятор напряжения: устраняет пульсации, устанавливая на выходе постоянного тока фиксированное напряжение.
• Нагрузка: это часть цепи, на которую подается питание постоянного тока для выполнения полезной работы.

Рисунок 4 — Простая блок-схема стабилизированного источника постоянного тока.

Лабораторная работа:

1. Измерение постоянной характеристики стабилитрона:
   1. Установите напряжение постоянного тока источника питания на 0 В.
   2. Подключите схему стабилитрона, как показано на рисунке 5.
   3. Изменяйте напряжение питания постоянного тока небольшими шагами.Используйте цифровой вольтметр, измерьте V _в , V _R и V _D , как показано на рисунке 5. Сведите данные измерений в таблицу.
   4. Для каждого шага рассчитайте постоянный ток через диод, который равен (В _R /2000).
   5. Поменяйте полярность источника питания постоянного тока на рис. 5. Повторите шаги измерения с 1.a до 1.d.
   
   Рисунок 5 — Схема подключения для измерения характеристики постоянного тока стабилитрона
2. Характеристика мостового выпрямителя:
   1. Подключите двухполупериодную схему выпрямителя, как показано на рисунке 6, где R _L = 1 кОм.Не подключайте конденсатор к нагрузке.
   2. Monitor V _o (см. Рисунок 6) на осциллографе. ЗАПРЕЩАЕТСЯ контролировать V _s и V _o на осциллографе одновременно. Измерьте пиковое входное и пиковое выходное напряжения. Захватите отображаемую форму волны. С помощью цифрового вольтметра измерьте напряжение постоянного тока на R _L .
   3. Подключите 47 мкФ к R _L . Наблюдайте за V _или на осциллографе и фиксируйте осциллограмму. Повторите измерение с конденсатором 10 мкФ.Сравните две формы выпрямленного сигнала, полученные с разными конденсаторами.
   4. Измените нагрузочный резистор на 10 кОм и 100 кОм и контролируйте выпрямленное напряжение на выходе. Прокомментируйте влияние сопротивления нагрузки на пульсации на выходе.

Рисунок 6 — Нефильтрованный двухполупериодный выпрямитель с мостовым соединением диодов
3. Характеристика двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом:
   1. Выполните необходимые измерения на трансформаторе с центральным ответвлением, чтобы определить, какой вывод является центральным ответвлением.
   2. Подключите двухполупериодную схему выпрямителя, как показано на рисунке 7, на котором R _L = 1 кОм. Не подключайте конденсатор к нагрузке.
   3. Контролируйте на осциллографе одновременно V _s и V _o (см. Рисунок 7). Измерьте пиковое входное и пиковое выходное напряжения. Захватите отображаемые формы сигналов. С помощью цифрового вольтметра измерьте напряжение постоянного тока на R _L .
   4. Подключите 47 мкФ к R _L . Наблюдайте за V _s и V _o на осциллографе и фиксируйте обе формы сигнала.

Рисунок 7 — Нефильтрованная двухполупериодная схема выпрямителя, использованная в эксперименте.
4. Регулируемый источник питания постоянного тока:
   1. Рассмотрим схему источника питания постоянного тока, показанную на рисунке 8. Используя ранее измеренные выпрямленные напряжения постоянного тока и стабилитрон, вычислите минимальное значение R _с , необходимое для защиты стабилитрона в условиях, когда нагрузка является разомкнутой цепью (это это наихудшее состояние). Стабилитрон рассчитан на 400 мВт, а минимальный ток стабилитрона составляет 5 мА.Обсудите результат с инструктором лаборатории, прежде чем использовать его в эксперименте.
   
   Рисунок 8 — Регулируемый источник питания постоянного тока
   2. Подключите схему, показанную на Рисунке 8, и используйте значение R _s , вычисленное в 4.a. Следите за напряжением на нагрузке с помощью осциллографа. Измерьте напряжение на R _L и напряжение на R _s . Рассчитайте ток, проходящий через стабилитрон.
   3. Отсоедините R _{от L} и измерьте напряжение и ток на стабилитроне.

Результаты и обсуждения:

В дополнение к вопросам, указанным в лабораторной процедуре, выполните следующие действия и ответьте на них:

• Постройте вольт-амперную характеристику стабилитрона.
• Какое значение прямого сопротивления стабилитрона?
• Что такое напряжение стабилитрона?

Диоды — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 63

Применение диодов

Для такого простого компонента диоды имеют множество применений.Вы найдете диод того или иного типа практически в каждой цепи. Они могут быть представлены в чем угодно, от цифровой логики слабого сигнала до схемы преобразования энергии высокого напряжения. Давайте рассмотрим некоторые из этих приложений.

Выпрямители

Выпрямитель — это схема, преобразующая переменный ток (AC) в постоянный (DC). Это преобразование критично для всякой бытовой электроники. Сигналы переменного тока выходят из розеток вашего дома, но именно постоянный ток питает большинство компьютеров и другой микроэлектроники.

Ток в цепях переменного тока буквально чередуется — быстро переключается между положительным и отрицательным направлениями — но ток в сигнале постоянного тока течет только в одном направлении. Итак, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, вам просто нужно убедиться, что ток не может течь в отрицательном направлении. Похоже на работу для ДИОДОВ!

Однополупериодный выпрямитель может быть изготовлен только из одного диода. Если сигнал переменного тока, такой как, например, синусоида, передается через диод, любая отрицательная составляющая сигнала отсекается.

Формы сигналов входного (красный / левый) и выходного (синий / правый) напряжения после прохождения через схему однополупериодного выпрямителя (в центре).

Двухполупериодный мостовой выпрямитель использует четыре диода для преобразования этих отрицательных выпуклостей в сигнале переменного тока в положительные.

Схема мостового выпрямителя (в центре) и форма выходного сигнала, которую она создает (синий / правый).

Эти цепи являются критическим компонентом источников питания переменного тока в постоянный, которые превращают сигнал 120/240 В переменного тока в розетке в 3.Сигналы постоянного тока 3В, 5В, 12В и т. Д. Если вы разорвали стенную бородавку, вы, скорее всего, увидели бы там несколько диодов, исправляющих ее.

Можете ли вы заметить четыре диода, образующие мостовой выпрямитель в этой бородавке?

Защита от обратного тока

Когда-нибудь вставлял батарею неправильно? Или поменять местами красный и черный провода питания? Если это так, то диод может быть благодарен за то, что ваша схема все еще жива. Диод, расположенный последовательно с положительной стороной источника питания, называется диодом обратной защиты.Это гарантирует, что ток может течь только в положительном направлении, а источник питания подает только положительное напряжение в вашу цепь.

Это применение диода полезно, когда разъем источника питания не поляризован, что позволяет легко испортить и случайно подключить отрицательный источник питания к положительному полюсу входной цепи.

Недостатком диода обратной защиты является то, что он вызывает некоторую потерю напряжения из-за прямого падения напряжения. Это делает диодов Шоттки отличным выбором для диодов обратной защиты.

Логические ворота

Забудьте о транзисторах! Простые цифровые логические вентили, такие как И или ИЛИ, могут быть построены из диодов.

Например, диодный логический элемент ИЛИ с двумя входами может быть построен из двух диодов с общими катодными узлами. Выход логической схемы также находится в этом узле. Когда один из входов (или оба) являются логической 1 (высокий / 5 В), выход также становится логической 1. Когда оба входа имеют логический 0 (низкий / 0 В), на выходе через резистор подается низкий уровень.

Логический элемент И построен аналогичным образом. Аноды обоих диодов соединены вместе, где находится выход схемы. Оба входа должны иметь логическую единицу, заставляя ток течь по направлению к выходному выводу и также подтягивать его к высокому уровню. Если на каком-либо из входов низкий уровень, ток от источника питания 5 В проходит через диод.

Для обоих логических вентилей можно добавить больше входов, добавив только один диод.

Обратные диоды и подавление скачков напряжения

Диоды

очень часто используются для ограничения потенциального повреждения из-за неожиданных больших скачков напряжения.Диоды подавления переходных напряжений (TVS) — это специальные диоды, вроде стабилитронов с низким пробивным напряжением (часто около 20 В), но с очень большими номинальными мощностями (часто в диапазоне киловатт). Они предназначены для шунтирования токов и поглощения энергии, когда напряжение превышает их напряжение пробоя.

Обратные диоды выполняют аналогичную работу по подавлению скачков напряжения, в частности, вызванных индуктивным компонентом, например двигателем. Когда ток через катушку индуктивности внезапно изменяется, создается всплеск напряжения, возможно, очень большой отрицательный всплеск.Обратный диод, помещенный на индуктивную нагрузку, даст этому отрицательному сигналу напряжения безопасный путь для разряда, фактически многократно проходя через индуктивность и диод, пока он в конечном итоге не погаснет.

Это всего лишь несколько вариантов применения этого удивительного маленького полупроводникового компонента.

---

---

← Предыдущая страница
Типы диодов

Выпрямитель | Инжиниринг | Фэндом

Выпрямитель

Выпрямитель — электрическое устройство для преобразования переменного тока в постоянный.

Как сделано []

Переменный ток, полуволновые и двухполупериодные выпрямленные сигналы

Это делается с помощью одного или нескольких полупроводниковых устройств (например, диодов), расположенных определенным образом. Когда для выпрямления переменного тока используется только один диод (путем блокировки отрицательной или положительной части формы волны. Разница между термином диод и термином выпрямитель является просто одним из применений, например, термин выпрямитель описывает диод , который используется для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямление — это процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC). Почти все выпрямители состоят из нескольких диодов в определенной конфигурации для более эффективного преобразования переменного тока в постоянный, чем это возможно с одним диодом. Выпрямление обычно выполняется полупроводниковыми диодами. До разработки твердотельных выпрямителей использовались ламповые диоды.

Полуволновое выпрямление []

При полуволновом выпрямлении либо положительная, либо отрицательная половина волны переменного тока проходит легко, другая половина блокируется.Полуволновое выпрямление устраняет половину волны, поэтому оно очень неэффективно. Как следует из названия, полуволновой выпрямитель позволяет только половине входного сигнала достигать выхода. Это может быть положительная или отрицательная половина в зависимости от того, в каком смысле подключен диод. Полуволновое выпрямление может быть достигнуто с помощью одного диода в однофазном питании.

Двухполупериодное выпрямление []

Двухполупериодное выпрямление преобразует обе полярности входного сигнала в постоянный ток и является более эффективным.Однако, в зависимости от конфигурации трансформатора, для него может потребоваться в четыре раза больше выпрямителей, чем для однополупериодного выпрямления. Это связано с тем, что для каждой выходной полярности требуется 2 выпрямителя для каждого, например, один для случая, когда переменный ток «X» положительный, а другой — для положительного контакта переменного тока «Y». Другой выход постоянного тока требует того же самого, что дает четыре отдельных перехода (см. Полупроводники / диод). Расположенные таким образом четыре выпрямителя называются мостовым выпрямителем.

Двухполупериодный выпрямитель преобразует всю форму входного сигнала в форму волны постоянной полярности (положительной или отрицательной) на выходе путем изменения отрицательных (или положительных) частей формы волны переменного тока.Таким образом, положительные (отрицательные) части объединяются с перевернутыми отрицательными (положительными) частями для создания полностью положительной (отрицательной) формы волны напряжения / тока.

Для однофазного переменного тока, если переменный ток имеет центральное ответвление, то два диода, соединенные спина к спине (т. Е. Аноды с анодом или катод с катодом), образуют двухполупериодный выпрямитель.

Если нет центрального отвода, то необходимы четыре диода, соединенные мостом.

Для трехфазного переменного тока используются шесть диодов.Обычно используется три пары диодов, однако каждая пара не является двойным диодом , который использовался бы для двухполупериодного однофазного выпрямителя. Вместо этого пары расположены последовательно (от анода к катоду). Как правило, имеющиеся в продаже двойные диоды имеют четыре вывода, поэтому пользователь может настроить их для использования с однофазным разделенным питанием, для полумоста или для трехфазного использования.

Приложения []

Трехфазный мостовой выпрямитель.

Один тип одиночного выпрямителя

переменного тока используется для передачи тока, потому что его можно легко повышать или понижать по напряжению с помощью простого трансформатора.Линии электропередач высокого напряжения передают ту же мощность при более низком токе (что приводит к меньшему нагреву), а затем она понижается трансформаторами подстанции до более управляемых напряжений. Преобразование уровня напряжения постоянного тока намного сложнее. Один из методов состоит в том, чтобы преобразовать напряжение в переменный ток (с помощью устройства, называемого инвертором), использовать трансформатор для изменения напряжения, а затем вернуть его обратно в постоянный ток. Постоянный ток необходим для внутренних цепей многих бытовых электрических и электронных устройств. Компьютеры, телефоны, телевизоры, часы, твердотельное освещение и т. Д., все предназначены для работы на DC.

Сглаживание выхода выпрямителя []

Хотя однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей достаточно для получения формы постоянного тока на выходе, ни одно из них не дает постоянного постоянного тока. Для получения «устойчивого» постоянного тока из выпрямленного переменного тока требуется сглаживающая цепь . В простейшей форме это может быть так называемый накопительный конденсатор или сглаживающий конденсатор, размещенный на выходе постоянного тока выпрямителя. По-прежнему останется некоторое количество пульсаций переменного тока, при котором напряжение не будет полностью сглажено.

Для дальнейшего уменьшения этой пульсации можно использовать конденсаторный входной фильтр. Это дополняет накопительный конденсатор дросселем и вторым фильтрующим конденсатором, так что на выводах фильтрующего конденсатора может быть получен устойчивый выход постоянного тока. Дроссель эффективно обеспечивает высокий импеданс для тока пульсаций.

Эффективность выпрямления []

Эффективность выпрямления измеряет, насколько эффективно выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. Он определяется как отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности переменного тока, где Выходная мощность постоянного тока является произведением среднего тока и напряжения.Более простой способ рассчитать эффективность — использовать.

Без сглаживания двухполупериодные выпрямители имеют КПД или 81%. Полупериодные выпрямители имеют КПД 40,5%.

См. Также []

Как преобразовать переменный ток в постоянный с помощью полнополупериодных и полуволновых выпрямителей

Электропитание переменного тока (AC) отвечает за работу многих типов электроприборов. Но что, если вам нужно питание постоянного тока (DC) для работы компьютера или светодиода? Для преобразования переменного тока в постоянный используется конфигурация диодов, а в некоторых случаях и трансформатора, известная как линейный выпрямитель или просто выпрямитель.

Что такое выпрямитель?

Выпрямители

бывают двух основных типов: двухполупериодные и полуволновые. Двухполупериодные выпрямители превращают всю форму волны переменного тока в серию однополярных импульсов постоянного тока, в то время как полуволновые выпрямители просто отсекают половину электрического выходного сигнала переменного тока, оставляя импульсы постоянного тока. Исторически мы также видели несколько других интересных устройств, выполняющих выпрямление напряжения, о которых мы поговорим позже в этой статье.

Полупериодный выпрямитель

Поскольку цепь переменного тока изменяет свое напряжение между положительным и отрицательным значением — для нашего примера мы будем использовать значение 60 Гц 120 В переменного тока, наблюдаемое в США, — устранение отрицательной или положительной половины этой электрической волны оставит вас с несколько нестабильным источником мощности постоянного тока.Вы можете выполнить этот метод передачи, используя один диод, который позволяет току течь только в одном направлении.

Давайте углубимся в процесс преобразования переменного тока в постоянный.

• Обратите внимание, что «120 В переменного тока» — это среднеквадратичное значение мощности, которое является более практичным показателем синусоидально изменяющихся пиковых значений напряжения 170 и -170 вольт сетевого источника питания.
• Если вы отключите максимум -170 В части сигнала, у вас останется мощность, которая нарастает до + 170 В постоянного тока, уменьшается до 0 В, а затем остается там в течение 1/120 секунды (поскольку полный цикл питания переменного тока занимает 1 / 60-й секунды) перед тем, как снова увеличить значение до 170.

Этот тип преобразования приводит к значительному снижению выходной мощности. Теоретически это составляет 40,6% от входного переменного тока. В действительности это число будет ниже из-за неизбежной потери эффективности, связанной с преобразованием.

Помимо более низкой средней мощности, потенциальным недостатком этого типа преобразования является то, что преобразованное электричество поступает прерывистыми импульсами. Одно интересное применение этого метода преобразования использует это ограничение: простой диммер лампочки переменного тока.Свет может оставаться освещенным, но для человеческого глаза кажется более тусклым из-за коротких промежутков в потоке электричества.

Как работает полноволновой мостовой выпрямитель?

Один диод может преобразовывать мощность переменного тока в прерывистый поток постоянного тока, но мостовой выпрямитель использует четыре диода для изменения направления обеих сторон импульса переменного тока. С мостовым выпрямителем постоянный ток все еще колеблется от нуля до пикового значения, но он не отключается в половине случаев. Этот метод обеспечивает вдвое большую мощность на выходе постоянного тока в виде полуволны, что соответствует теоретическому значению 81.2-процентный коэффициент преобразования мощности (снова ниже в реальном мире).

Этот вид выпрямленной мощности также легче фильтруется, чтобы обеспечить приемлемо чистый выход постоянного тока. Не мгновенных зазоров, типичных для полуволнового выпрямленного постоянного тока, не существует, даже если выходной сигнал изменяется от нуля до максимума по синусоидальной схеме.

Вы можете увидеть, как работает двухполупериодный мостовой выпрямитель, на принципиальной схеме выше:

• Любая сторона линии переменного тока подключается к узлу между непроводящей стороной одного диода и проводящей стороной другого.
• Каждый диод позволяет току проходить на положительную сторону нагрузки, когда эта линия переменного тока находится в положительном состоянии.
• Отрицательная сторона нагрузки подключается к противоположному узлу в цепи из 4 диодов, позволяя току проходить на любом конце в правильной фазе, что приводит к протеканию правильно выпрямленного тока.

Трансформатор с центральным отводом и мостовой выпрямитель

В третьем варианте схемы выпрямителя используются только два диода, но он выдает полностью выпрямленный сигнал постоянного тока с использованием трансформатора с центральным отводом.Мы проиллюстрировали процесс преобразования на изображении выше:

• Оба выхода трансформатора проходят через диод, который пропускает положительный ток только на положительную сторону нагрузки.
• Отрицательная сторона нагрузки постоянного тока подключается к центральному отводу вторичной обмотки трансформатора, образуя опорное напряжение нулевого напряжения.
• В результате каждая сторона волны переменного тока выдает положительный постоянный ток.
• Вы можете перевернуть диоды (или добавить еще два параллельно), чтобы сформировать отрицательную версию этой волны, если это необходимо.

Как и в мостовых выпрямителях, постоянный ток по-прежнему колеблется по синусоидальной схеме и в большинстве случаев требует фильтрации. Одним из недостатков этого типа установки является то, что для этого преобразования вам потребуется приобрести трансформатор. Диодная установка, которую мы использовали в двух других методах, может быть гораздо более экономичным решением.

Общие сведения о трехфазном питании и не только

В некоторых ситуациях вам может потребоваться преобразовать трехфазную мощность (или более) в цепь постоянного тока. Хорошая новость заключается в том, что функциональность мостового выпрямителя легко расширить, добавив больше диодов.Увеличение количества диодов направит еще больше импульсной мощности на положительный и отрицательный входы нагрузки. Для 3-фазного источника потребуется шесть диодов, а для 6-фазного источника тока — 12. Одним из преимуществ многофазного источника является то, что фазы переменного тока перекрываются, что приводит к сравнительно плавному выходу постоянного тока.

Другие методы преобразования переменного тока в постоянный

Люди выпрямляли ток из переменного тока в постоянный задолго до появления на рынке диодов из полупроводниковых материалов.Вот несколько увлекательных методов прошлых лет:

• Ртутно-дуговые выпрямители использовали заполненную газом трубку для преобразования электроэнергии в постоянный ток.
• Двигатель переменного тока приводил в действие генератор постоянного тока, решая мощность электромеханически.
• Одна из первых практик использовала импульсный источник питания, метод, который мы используем до сих пор.

Когда вы определяете компоненты, знание того, что доступно, может стать большой проблемой. Если вам нужно вдохновение для создания уникального приложения, обращение к историческим создателям и изобретателям поможет вам найти творческие решения.Это может даже избавить вас от необходимости заново изобретать маховик для преобразования переменного тока в постоянный.

Что такое диоды и выпрямители?

Полупроводники Что такое диоды и выпрямители?

24.03.2020 Редактор: Эрика Гранат

Два компонента, которые необходимы для работы широкого спектра электрических устройств, — это диоды и выпрямители. Без них электрический ток мог бы течь обратно в другие компоненты, вызывая повреждение или полный отказ системы.

Связанные компании

Выпрямительный диод — это двухпроводной полупроводник, который позволяет току проходить только в одном направлении. Как правило, диод с P-N переходом формируется путем соединения полупроводниковых материалов n-типа и p-типа.

(Источник: © YouraPechkin — stock.adobe.com)

В этой статье рассматривается разница между диодами и выпрямителями, их работа и применение.

Диоды: защитник современной электроники

Как простейшие полупроводниковые устройства, диоды обычно представляют собой двухконтактные компоненты, изготовленные из кремния или германия. Их цель — позволить току течь в одном направлении, не позволяя ему течь в другом. При установке в более крупную систему диод защищает чувствительные электронные части от воздействия неправильного количества или типа тока.

Базовый пример: в пульте ДУ от телевизора есть отсек для двух батареек АА.Когда батарейки вставлены правильно, диод пропускает ток от батарей через цепь в пульте дистанционного управления, что позволяет правильно использовать пульт. Однако, когда батареи вставлены неправильно, диод автоматически блокирует выход тока из батарей в обратном направлении. Пульт дистанционного управления не будет работать, но чувствительная электроника в безопасности.

Существует много типов полупроводниковых диодов, в том числе:

• Лавинные диоды для защиты цепей от скачков высокого напряжения

• Стабилитроны для регулирования напряжения

• Варакторные диоды для электронной настройки ТВ и радиоприемников

• Светоизлучающие диоды (LED) для получения света

• Туннельные диоды для генерации радиочастотных колебаний

Выпрямители: диод с превосходной токовой нагрузкой

Выпрямитель — это особый тип диода, который преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC).Это важный процесс, поскольку переменный ток может периодически менять направление, в то время как постоянный ток постоянно течет в одном направлении, что упрощает управление. Есть несколько типов выпрямителей, в том числе:

Однополупериодные выпрямители: выпрямители , которые пропускают только половину сигнала переменного тока от входа к выходу.

Двухполупериодные выпрямители: выпрямители , использующие полный сигнал, требующие дополнительного использования трансформатора.

Положительное полупериодное выпрямление: те, где верхний диод с положительной полярностью проводит ток, а нижний с отрицательной полярностью блокирует его

Отрицательное полупериодное выпрямление: те, где верхний диод заблокирован, а нижний открыт.

Бытовые приборы обычно содержат диод, предназначенный для однофазного выпрямления, что означает, что напряжение питания изменяется синхронно. С другой стороны, промышленные двигатели и электрические сети требуют многофазного выпрямления, что позволяет одновременно производить, передавать и распределять электроэнергию.

Применение диодов сегодня

Как неотъемлемая часть кремниевого чипа, диоды используются в огромном количестве электронных устройств. В микроволновой печи, например, диод работает вместе с конденсатором, чтобы удвоить напряжение, передаваемое на магнетрон резонатора (который генерирует микроволны). Диоды также используются в клавиатурах как часть матричных схем, что сокращает количество требуемых проводов. Исследователи даже разработали наноразмерные диоды из одной молекулы ДНК, что в ближайшем будущем может привести к созданию еще более компактных и мощных электронных устройств.

(ID: 46387981)

Как работает выпрямительный диод? — Определение строительства и исправления

Выпрямительный диод — полупроводниковый диод предназначен для выпрямления переменного тока (в основном с низкой частотой питания — 50 Гц при большой мощности, излучаемой при нагрузке). Чтобы «исправить» значение этого компонента, его основная задача — преобразование переменного тока (AC) в постоянный (DC) посредством применения выпрямительных мостов.Вариант выпрямительного диода с барьером Шоттки особенно ценится в цифровой электронике. Выпрямительный диод способен проводить ток от нескольких миллиампер до нескольких килоампер и напряжение до нескольких киловольт.

Рис. 1. Обозначение выпрямительного диода

Выпрямительный диод — Технические параметры

Наиболее распространенные выпрямительные диоды изготавливаются из кремния (полупроводникового кристалла). Они способны проводить высокие значения электрического тока, и это можно классифицировать как их основную особенность.Есть также менее популярные, но все же используемые полупроводниковые диоды из германия или арсенида галлия. Германиевые диоды имеют гораздо меньшее допустимое обратное напряжение и меньшую допустимую температуру перехода (T _j = 75 ° C для германиевых диодов и T _j = 150 ° C для кремниевого диода). Единственным преимуществом германиевого диода перед кремниевым диодом является более низкое значение порогового напряжения при работе в прямом смещении (V _{F (I0)} = 0,3 ÷ 0,5 В для германия и 0.7 ÷ 1,4В для кремниевых диодов).

Мы выделяем две группы технических параметров выпрямительного диода (они относятся и к другим полупроводниковым диодам):

• допустимые предельные параметры,
• характеристических параметров.

Выпрямительный диод характеризуется следующими предельными параметрами:

• В _F — прямое напряжение с определенным прямым током I _F (обычно с максимальным средним выпрямленным током, также известным как номинальный ток I _FN ),
• I _R — обратный ток при В _RWM пиковое обратное напряжение.
• I _FN — номинальный ток в прямом смещении (также известный как максимальный средний ток диода),
• I _FRM — пиковый, повторяемый ток диодной проводимости (например, для импульсов длительностью менее 3,5 мс и частотой 50 Гц),
• I _FSM — пиковый неповторяемый ток проводимости (например, для одиночного импульса длительностью менее 10 мс),
• В _RWM — пиковое, обратное напряжение (или среднее, обратное напряжение при работе диода в волновом выпрямителе с нагрузкой),
• В _RRM — пиковое, повторяющееся обратное напряжение,
• В _RSM — пиковое, неповторяющееся обратное напряжение,
• P _TOT — общее значение мощности, рассеиваемой на этом электронном компоненте,
• T _j — максимальная температура перехода диода
• R _th — термическое сопротивление в рабочих условиях,
• максимальный мгновенный ток диода (определяет сопротивление при перегрузках)

---

Выпрямительный диод — Задания для школьников

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи с выпрямительным диодом, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.

---

Сильноточный выпрямительный диод

Примером высокоэффективного диода является двойной сильноточный выпрямительный диод с током 2x 30A.

STM предлагает двойной выпрямительный диод высокого напряжения под названием STPS60SM200C. Диод лучше всего подходит для базовых станций, сварочных аппаратов, источников питания переменного / постоянного тока и промышленных приложений.

Рис. 2. Сильноточный выпрямительный диод STPS60SM200CW

Значение напряжения пробоя V _RRM составляет 200 В, напряжение проводимости 640 мВ, а его текущая память составляет 2×30 А.Дополнительная защита — от электростатического разряда до 2 кВ, называемого ESD.

Диапазон рабочих температур составляет от -40 ° C до 175 ° C. Такие значения температуры позволяют использовать диоды в любых условиях на базовых станциях.

Выпрямительный диод — ВАХ

Вольт-амперные характеристики выпрямительного диода показаны ниже (рис. 3.).

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики выпрямительного диода

.

Как проверить выпрямительный диод?

Простейшие мультиметры можно использовать для определения полярности выпрямительного диода (где — анод, а где — катод).Есть как минимум три способа сделать это, но я покажу два самых простых:

a) С помощью омметра (диапазон 2 кОм):

Рис. 4. Прямое смещение: Омметр покажет приблизительное значение прямого напряжения диода (около 0,7 В)

Рис. 5. Обратное смещение: омметр показывает «1», что означает очень высокое сопротивление (электрический клапан выключен).

Функция «проверка диодов» даст тот же результат, что и при использовании вышеупомянутого метода.

b) Использование функции измерения VDC:

Рис.6. Прямое смещение: мультиметр должен показывать падение напряжения около 0,7 В для кремниевых диодов

.

Рис. 7. Обратное смещение: мультиметр покажет приблизительное значение полного напряжения источника питания (Примечание: здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с приведенным выше примером. На самом деле, я бы изменил полярность источника питания, потому что вы не можете размонтировать «руками» один раз припаянный компонент, если вы его не демонтируете. Конечно, мы не хотим делать это с исправным рабочим компонентом. Я просто хотел показать вам пример, что вы также должны заплатить внимание к правильному размещению компонентов на вашей печатной или макетной плате)

Мостовые выпрямители

Мостовые выпрямители делятся на разные типы по:

• Структура и количество фаз питающего напряжения: однофазный мостовой выпрямитель, многофазный мостовой выпрямитель (трехфазный мостовой выпрямитель, двухфазный мостовой выпрямитель).
• Ряд полуволнового выпрямления напряжения: одинарный мост (однополупериодный выпрямитель), двойной мост (двухполупериодный диодный выпрямитель). Мы можем создать комбинированную схему, например, однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель или трехфазный двухполупериодный выпрямитель. Вы можете комбинировать количество фаз с полнополупериодными или однополупериодными выпрямителями.
• Тип нагрузки: резистивная, емкостная, индуктивная.

Свойства мостовых выпрямителей:

• В — напряжение питания,
• В _OS , I _OS — постоянное выходное напряжение компонента,
• I _OSmax — максимальный выходной ток,
• N _ip — энергоэффективность,
• Коэффициент пульсации цепи,
• В _Rmax — Максимальное обратное напряжение.

Полуволновой мостовой выпрямитель

Полуволновой мостовой выпрямитель

— это простейшая схема, которая может преобразовывать переменный ток (оба знака, + и -) в ток одного знака (+). После дальнейшей фильтрации полученный выходной ток может быть изменен на постоянный ток.

На выходе этой схемы мы получим синусоидальную волну только с положительной половиной ее периода, поэтому ее на самом деле называют полуволновым выпрямителем. Не будет «отрицательной части» синусоидальной волны, потому что выпрямительный диод проводит только тогда, когда он смещен в прямом направлении (положительное напряжение).Ток протекает через резистивную нагрузку только в одном направлении и пульсирует.

Пример простой схемы однополупериодного мостового выпрямительного диода показан ниже:

Рис. 8. Схема однополупериодного выпрямителя на диодах

Характеристики полуволнового мостового выпрямителя:

Рис. 9. Временные характеристики полуволнового мостового выпрямителя

.

Полноволновой мостовой выпрямитель

Схема полноволнового мостового выпрямителя показана ниже. Его часто называют мостом Гретца.

Рис. 10. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя (мост Гретца)

Принцип работы двухполупериодного мостового выпрямителя следующий. На рисунке ниже (красный) показан путь тока, два красных диода смещены в прямом направлении (проводят ток), а два других — в обратном направлении (не проводят ток). Ток идет от источника питания через первый красный диод. Потом с первого красного диода через нагрузку. После прохождения нагрузки он потечет через второй красный диод, а затем вернется к источнику питания.

Рис. 11. Схема полнополупериодного мостового выпрямителя (переменный ток, прямое смещение)

При изменении полярности напряжения питания ситуация, описанная выше, будет противоположной (синяя цепь ниже). Два синих диода смещены в прямом направлении (проводят ток), а два других — в обратном направлении (не проводят ток). Ток идет от источника питания через первый синий диод. Потом с первого синего диода через нагрузку. После прохождения нагрузки он потечет через второй синий диод, а затем вернется к источнику питания.

Рис. 12. Схема полнополупериодного мостового выпрямителя (переменный ток, обратное смещение)

Характеристики полноволнового мостового выпрямителя показаны ниже:

Рис. 13. Временные характеристики полуволнового мостового выпрямителя

.

Трехфазный мостовой выпрямитель

Использование трехфазного диодного мостового выпрямителя (двухполупериодного мостового выпрямителя) возможно в любой из трехфазных цепей напряжения. В этом случае пульсации выходного напряжения минимальны.Источники питания максимально используют мощность схемы. Трехфазные мостовые выпрямители часто имеют возможность управлять выходным током.

Ниже вы можете увидеть схему трехфазного выпрямителя, которая показывает, как его можно построить.

Рис. 14. Схема и характеристика трехфазного мостового выпрямителя

Расчет трехфазного мостового выпрямителя

Ниже приведен пример расчета трехфазного мостового выпрямителя с уравнениями и значениями для данной схемы.Результаты представлены в таблице ниже.

P _d — Выходная мощность

В _d — Среднее значение выпрямленного напряжения

I _d = P _d / V _d — Среднее значение выпрямленного тока

R = V _d / I _d — Сопротивление системы

Рис. 15. Трехфазный линейный мостовой выпрямитель

Формулы	Результаты трехфазного мостового выпрямителя	Банкноты
V d / V f	2,34	В f — фазное напряжение трансформатора
V d / V 12	1,35	В 12 — межфазное напряжение трансформатора
I / I d	0,82	I — действующее значение на вторичной обмотке трансформатора
V RRM / V d	1,05	В RRM — Пиковое обратное напряжение, повторяющееся
I F (AV) / I d	0,333	I F (AV) — средний ток проводимости
I FRMS / I d	0,58	I FRMS — действующее значение тока проводимости
P u = P d	R * I d 2	Выходная мощность
S 2 / P d		Мощность обработки вторичной обмотки трансформатора
S 1 / P d		Вычислительная мощность первичной обмотки трансформатора
S т / P d	1,05	Типовой трансформатор мощности

Полноволновой мостовой выпрямитель в качестве интегральной схемы

Двухполупериодный мостовой выпрямитель обычно представляет собой однокристальную интегральную схему.Он построен из четырех выпрямительных диодов в мостовой системе Гретца. Может использоваться для монтажа THT и SMD. Использование этого решения является наиболее популярным, экономичным и позволяет сэкономить место на печатной плате.

Рис. 16. Мостовой выпрямитель как элемент интегральной схемы

На рисунке выше показаны разъемы в каждой интегральной схеме мостового выпрямителя. Знак (+) соответствует выходу + VDC, знак (-) соответствует выходу — VDC, символы (~) соответствуют подключению VAC.Для правильного подключения напряжения необходимо подключить вход VAC к выходу + VDC по горизонтали, а выход VAC к выходу — VDC по горизонтали.

.