Diodový můstek

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 5. ledna 2021; kontroly vyžadují 8 úprav .

Diodový můstek  - elektrické zařízení, elektrický obvod pro přeměnu ("usměrnění") střídavého proudu na pulzující (konstantní). Usměrnění pomocí diodového můstku se nazývá celovlnné [2] .

Existují jednofázové a vícefázové můstky. Jednofázový můstek se provádí podle obvodu Graetzova můstku . Zpočátku používal elektrovakuové diody a tento obvod byl považován za složité a drahé řešení, místo něj se obvykle používal obvod Mitkevich, u kterého má sekundární vinutí transformátoru průměrný výkon [3] . Nyní, když se polovodičové diody staly levnými a dostupné téměř pro každého, je ve většině případů použit můstkový obvod, s výjimkou Mitkevichova obvodu používaného v některých nízkonapěťových usměrňovačích, který má za stejných okolností vyšší účinnost [4 ] .

Místo diod lze v obvodu použít usměrňovací ventily libovolného typu - například selenové usměrňovače , rtuťové ventily a další, princip činnosti obvodu se tím nemění.

Dále jsou v ramenech můstku použity řízené ventily, např. tyristory nebo ignitrony , přičemž je možné řídit výstupní napětí usměrňovače pomocí fázově pulzního řízení řízených ventilů.

Historie

Usměrňovací můstkový obvod (obrázek 4) byl vynalezen polským elektroinženýrem Karolem Pollakem a patentován v prosinci 1895 ve Velké Británii [5] a v lednu 1896 v Německu [6] [7] .

V roce 1897 německý fyzik Leo Graetz nezávisle na svých předchůdcích vymyslel a zveřejnil popis podobného schématu [8] [9] [10] [11] . Graetzova publikace se dostala do širokého povědomí tehdejších elektrotechniků, proto se tento obvod dnes často nazývá Graetzův obvod nebo Graetzův můstek [12] .

V roce 1924 vynalezl sovětský elektrotechnik A. N. Larionov můstkový obvod plnovlnného třífázového usměrňovače proudu, pojmenovaného po něm [13] .

Princip činnosti usměrňovacích můstků

Jednofázový můstek (Graetzův obvod)

Vstup ( ) můstku je napájen střídavým napětím, které nemusí být nutně sinusové. V jednom z půlcyklů (vlevo na obrázku 5) jsou dvě diody otevřeny v protilehlých ramenech můstku a proud prochází pouze těmito 2 diodami , zatímco další 2 ve druhém páru protilehlých ramen jsou uzamčeny. V druhé půlcyklu (vpravo na obrázku 5) se otevírají další dvě diody a druhá dvojice diod se uzavírá. V zátěži teče proud v obou půlcyklech stejným směrem - diodový můstek převádí střídavý proud na pulzující stejnosměrný proud [14] .

Protože jsou vždy 2 diody zapojeny do série se zátěží, na každé z nich část vstupního napětí v otevřeném stavu klesne, maximální pulzující napětí na zátěži je vždy menší než amplituda vstupního napětí o dvojnásobek propustného poklesu napětí na zátěži. dioda. Amplituda střídavého napětí je větší než efektivní napětí v časech:

Velikost úbytku napětí na jedné diodě závisí na materiálu polovodiče a typu diody.Například u křemíkových diod s pn přechodem je propustný úbytek při nízkých proudech diodou ≈0,6 V při proudech blízkých maximu přípustné pro konkrétní zařízení ≈1 V Schottkyho diody Pro germaniové diody a ≈0,3 V (≈0,6 V) a ≈0,2 V (≈0,4 V) . Energetické ztráty způsobené přímým poklesem napětí na diodách snižují účinnost usměrňovače, zejména toto snížení je významné při usměrňování nízkých napětí. Například zdroj s křemíkovým diodovým můstkem s pn-přechodem na 5 V a proudem 10 A (výstupní výkon 50 W) bude mít účinnost nejvýše 70 %. Nízkonapěťové vysokoproudé usměrňovače proto využívají především Schottkyho diody nebo aktivní usměrňovací obvody využívající aktivně řízené spínače, například výkonné tranzistory s efektem pole .

Frekvence zvlnění usměrněného napětí se rovná dvojnásobku frekvence napájecího střídavého napětí :

Průměrný proud procházející jakoukoli diodou při průměrném zatěžovacím proudu [15] :

Následující vzorce jsou uvedeny za předpokladu, že propustný pokles na diodách je 0.

Rozsah zvlnění (rozdíl napětí mezi maximální a minimální hodnotou) na výstupu můstku bez vyhlazovacího kapacitního filtru :

Maximální zpětné napětí na diodě, když je můstek provozován na kapacitní zátěži [15] :

Průměrná hodnota usměrněného napětí:

Třífázový most (Larionovovo schéma)

V tomto obvodu (obrázek 8) se při změně fázových napětí otevře dvojice diod v sérii - jedna z horní skupiny na obrázku 8 a jedna ze spodní.

Protože se diody otevírají jak na horní části sinusového fázového napětí, tak na spodní části těchto sinusových napětí tří fází posunutých vůči sobě o 120°, je frekvence zvlnění usměrněného napětí 6krát větší než frekvence dodávat třífázové střídavé napětí

V každém okamžiku jsou otevřené 2 diody a v obvodu jsou 3 páry diod, takže průměrný proud procházející jakoukoli diodou při průměrném zatěžovacím proudu [15] :

Obvykle je Larionovův usměrňovač napájen střídavým napětím ze zdroje zapojeného podle obvodu „hvězda“, ale může být napájen i ze zdroje zapojeného podle obvodu „trojúhelníku“.

Výstupní napětí Larionova obvodu při napájení z třífázového zdroje typu „hvězda“ s fázovými napětími s amplitudami zanedbávajícími přímý úbytek napětí na diodách (za předpokladu, že jsou nulové, další vzorce jsou uvedeny za předpokladu nuly kapka na diodě v otevřeném stavu) je:

to je krát větší než u jednofázového obvodu s Graetzovým můstkem, je to způsobeno tím, že po určitou dobu během periody jsou dvě fázová napětí zapojena do série.

Rozsah zvlnění (rozdíl napětí mezi maximální a minimální hodnotou) na výstupu Larionova obvodu bez vyhlazovacího kapacitního filtru:

Rozsah zvlnění v tomto obvodu je tedy asi 14 % hodnoty usměrněného napětí, což umožňuje napájet mnoho stejnosměrných spotřebičů, které nejsou pro zvlnění kritické, bez použití vyhlazovacího filtru.

Průměrná hodnota usměrněného napětí:

Maximální zpětné napětí na diodě při práci na kapacitním filtru [15] :

Výhody usměrňovacích můstků

Celovlnná můstková rektifikace (oproti půlvlnná ) má následující výhody:

Nevýhody usměrňovacích můstků

Usměrňovače na diodových můstcích

Výstupní napětí střídavých usměrňovačů je zásadně pulzující. Mnoho spotřebičů usměrněného proudu není pro zvlnění kritické, například stejnosměrné motory , elektrochemické spotřebiče - elektrolytické články, baterie při nabíjení a další zařízení, ale většina spotřebičů vyžaduje energii s minimálním nebo žádným zvlněním.

Zvlnění na výstupu usměrňovače je charakterizováno faktorem zvlnění :

kde  je součet harmonických pulzací,  je průměrné usměrněné napětí usměrňovače.

Obvykle se používá absolutní faktor zvlnění:

kde  je rozsah pulzací.

Usměrněné napětí Graetzovým můstkem má amplitudu zvlnění rovnou amplitudě střídavého napětí:

a

Filtry se používají k vyhlazení vlnění . Nejjednodušším filtrem je kondenzátor zapojený paralelně k zátěži - stejnosměrný spotřebič (obrázek 10.). Filtrační kondenzátor ukládá energii (nabíjí se) proudovými impulsy ve špičkách vlnových impulsů a uvolňuje ji do zátěže, když výstupní napětí můstku poklesne v důsledku vlnění. Rychlost vybíjení kondenzátoru s kapacitou při zatěžovacím proudu ve zvlnění:

V důsledku vyhlazovacího působení kondenzátoru se amplituda zvlnění snižuje, úbytek napětí na kondenzátoru v intervalech mezi nabíjecími impulsy na vrcholech zvlnění, zde je zjednodušeno, že doba trvání nabíjecího impulsu kondenzátoru je mnohem kratší než doba trvání půlcyklu střídavého napětí:

kde  je období pulsací,  je frekvence pulsace,  - kapacita filtru,  - zátěžový proud,  - rozsah zvlnění napětí na zátěži.

V praxi se pro získání zvlnění používají i složitější filtry, například vícesekční RC filtry nebo LC filtry s tlumivkou . Při vysokých požadavcích na snížení zvlnění na výstupu kapacitního nebo jiného pasivního filtru se instalují lineární nebo spínané stabilizátory napětí .

Elektrické a provozní parametry

Níže jsou uvedeny běžně přijímané zkratky pro parametry, různí výrobci mohou používat jiná označení. Například v ruskojazyčné literatuře často označují nebo atd.

Maximální přípustné parametry

Jedná se o parametry, jejichž překročení je nepřípustné, i krátkodobé překročení těchto parametrů může vést ke katastrofální poruše zařízení nebo ke zhoršení jeho parametrů. Provoz při parametrech pod maximálními povolenými parametry zaručuje bezproblémový provoz zařízení. Spolehlivost zařízení zpravidla klesá, když je provozováno v režimech blížících se maximálně přípustnému.

Základní parametry

Tyto parametry se berou v úvahu při návrhu a výpočtu usměrňovačů a při výběru zařízení pro konkrétní aplikaci:

U vysokofrekvenčních a pulzních diodových můstků jsou někdy ve specifikaci uvedeny další parametry:

Jiné aplikace diodových můstků

Kromě použití jako usměrňovač střídavého napětí v napájecích zdrojích se diodové můstky používají k ochraně proti chybnému připojení spotřebiče se špatnou polaritou ke zdroji stejnosměrného proudu. Spotřebič je v tomto případě připojen na úhlopříčku diodového můstku na svorky " " a " " a zdroj konstantního napětí na svorky " ", přičemž při jakékoli polaritě připojení napájení je dodržena správná polarita napájení spotřebitele je zaručeno. Nevýhodou tohoto řešení je, že napětí na spotřebiči bude menší než napájecí napětí o dvojnásobek propustného úbytku napětí na diodě, při použití křemíkových diod s pn přechodem je to od 1,3 V při nízkých zatěžovacích proudech do 2 nebo více voltů při vysokých zatěžovacích proudech.

Další aplikací je řízení střídavého napětí pomocí aktivního prvku, který neumožňuje provoz s jinou polaritou přiváděného napětí, např. výkonový tranzistor s efektem pole s izolovaným hradlem (obrázek 11). V tomto obvodu je aktivní zařízení připojeno k diagonále " " - " " můstku a zátěž, můstek a zdroj střídavého napětí jsou zapojeny do série. Napětí na řídicím zařízení nemění polaritu v obou periodách střídavého napětí.

Do úhlopříčky můstku " " - " " lze zahrnout jakoukoli jinou dvousvorkovou síť s nelineární charakteristikou proud-napětí (CVC) . V tomto případě bude mít dvoukoncová síť vytvořená mezi svorkami můstku " " symetrický CVC. Například tímto zařazením jednoanodové asymetrické zenerovy diody vznikne elektrický analog symetrické dvouanodové zenerovy diody, výhodou takového řešení oproti běžné dvouanodové zenerově diodě je vysoká rovnost stabilizační napětí na bipolárních větvích I–V charakteristiky a malá parazitní kapacita, určená především vlastní kapacitou blokovaných diod můstku, takové obvody se někdy používají pro stabilizaci amplitudy a tvaru napětí v sinusovém napětí generátory s vídeňským mostem [16] .

Vysokorychlostní diodové můstky se také používají v klíčových obvodech, například v zařízeních typu sample-and-hold , například ve vzorkovacích osciloskopech . V tomto obvodu je zdroj konstantního napětí zahrnutý v úhlopříčce můstkových „ “ a „ “ můstkových diod v nepřítomnosti stroboskopického pulsu uzamčen, stroboskopický puls otevře všechny 4 diody můstku aplikované na výstupy „ “ a „ “ připojuje zdroj signálu obsažený v jednom z kolíků „ “ k paměťovému kondenzátoru obvodu vzorkování a přidržování, který je připojen k jinému kolíku „ “ můstku. Na základě principu translinearity taková aplikace linearizuje přenosovou charakteristiku klíčového obvodu.

Konstrukce

Můstky mohou být sestaveny ze samostatných diskrétních diod a mohou být vyrobeny ve formě jednoho balení produktu (diodové sestavy).

Průmysl vyrábí velmi širokou škálu diodových můstků pro různá maximální přípustná napětí a proudy, v různých případech pro povrchovou montáž a povrchovou montáž na desky plošných spojů s axiálními a planárními vývody.

Pro běžné použití je vhodnější jednopouzdrové provedení - levnější, objemově menší. Diody ve vysokonapěťových sestavách v něm jsou vybírány výrobcem a mají blízké maximální přípustné parametry a hodnotu zpětného proudu a během provozu jsou v téměř stejném tepelném režimu. Jednoplášťová sestava se navíc snadněji montuje do zařízení.

Nevýhodou jednoplášťového provedení je, že při poruše jedné z diod v sestavě se musí vyměnit celá součástka, u můstků diskrétních diod se vymění pouze vadná dioda.

Při usměrňování vysokých proudů generují diody velké množství tepla, takže v tomto případě lze použít diskrétní diody středního nebo vysokého výkonu namontované na chladiči. Konstrukce některých výkonných diodových sestav také umožňuje jejich instalaci na chladič.

Označení

V SSSR a Rusku První skupina - písmeno nebo číslo označuje polovodičový materiál: 1 nebo G  - germanium nebo jeho sloučeniny; 2 nebo K  - křemík nebo jeho sloučeniny; 3 nebo sloučeniny A  - galia ; 4 nebo I  - indium sloučeniny . Druhou skupinou je písmeno C  - diodový můstek. Třetí skupina: 2, 3 nebo 4 číslice - sériové číslo vývoje tohoto typu mostu. Čtvrtou skupinou je doplňkové písmeno upřesňující parametry, obvykle maximální provozní napětí. Příklady: KTs407, KTs405. Označení zahraničních výrobců

Zahraniční výrobci nemají pro diodové můstky standardní označení, každý výrobce přiděluje svým zařízením názvy samostatně. Například první písmena v označení různých výrobců mohou být DB, W, KBPC, MB, RC, QL a další s přidáním písmen nebo číslic [17] .

Viz také

Odkazy

Poznámky

  1. http://docs.cntd.ru/document/1200006618 Archivní kopie ze dne 21. července 2020 na Wayback Machine GOST 2.730-73 Jednotný systém pro projektovou dokumentaci. Podmíněná grafická označení ve schématech. Polovodičová zařízení.
  2. Půlvlnný usměrňovač je obvod pro usměrnění pouze jednoho půlcyklu vstupního střídavého napětí. U jednofázového obvodu se jedná o obvod s jednou diodou, u třífázového hvězdicového obvodu se třemi diodami, z nichž každá je zařazena do jedné ze tří fází.
  3. Horowitz P., Hill W. The Art of Circuitry: In 2 Volumes = The Art of Electronics: Second Edition (© Cambridge University Press, 1980) / Per. z angličtiny. vyd. M. V. Galperina, redakce: N. V. Seregina, Yu, L. Evdokimova. - M .: Mir, 1983. - díl 1: 568 s., díl 2: 590 s. — 50 000 výtisků.
  4. Výjimkou jsou silnoproudé nízkonapěťové usměrňovače, které se pro zvýšení účinnosti obvykle staví podle schématu napájeného transformátorem ze středového vinutí.
  5. Britský patent 24398 Archivováno 12. března 2020 na Wayback Machine .
  6. (Graetz, 1897), str. 327 poznámka pod čarou. . Získáno 30. října 2020. Archivováno z originálu dne 8. března 2021.
  7. (Redakce) (24. června 1897). „Ein neues Gleichrichter-Verfahren“ [Nová metoda nápravy]. Elektrotechnische Zeitschrift [ německy ] ]. 18 (25): 359 a poznámka pod čarou. Archivováno z originálu dne 2021-03-08 . Staženo 2020-10-30 . Použitý zastaralý parametr |deadlink=( nápověda )
  8. Graetz, L. (1. května 1897). „Electrochemisches Verfahren, um Wechselströme in Gleichströme zu verwandeln“ [Elektrochemická metoda přeměny střídavého na stejnosměrné proudy]. Sitzungsberichte der Mathematisch-Physikalischen Classe der Königlich Bayerischen Akademie der Wissenschaften zu München (Transakce matematicko-fyzikálních tříd Královské bavorské akademie věd v Mnichově) [ německy. ]. 27 :223-228.
  9. Graetz, L. (1897). „Electrochemisches Verfahren, um Wechselströme in Gleichströme zu verwandeln“ [Elektrochemická metoda přeměny střídavého na stejnosměrné proudy]. Annalen der Physik und Chemie . 3. série [ německy ] ]. 62 : 323-327. Archivováno z originálu dne 2021-03-08 . Staženo 2020-10-30 . Použitý zastaralý parametr |deadlink=( nápověda )
  10. Graetz, Leo (22. července 1897). „Electrochemisches Verfahren, um Wechselströme in Gleichströme zu verwandeln“ [Elektrochemická metoda přeměny střídavého na stejnosměrné proudy]. Elektrotechnische Zeitschrift [ německy ] ]. 18 (29): 423-424. Archivováno z originálu dne 2021-03-09 . Staženo 2020-10-30 . Použitý zastaralý parametr |deadlink=( nápověda )
  11. Strzelecki, R. Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks Archivováno 30. května 2019 na Wayback Machine . Springer, 2008, str. 57.
  12. Graetzův obvod řízení toku . Archivováno z originálu 4. listopadu 2013.
  13. Shustov M.A. Historie elektřiny. - M., Berlín: Direct-Media, 2019. - 568 s. — ISBN 978-5-4475-9841-9 .
  14. Obvod můstkového usměrňovače - Základy elektroniky . The Geek Pub . Získáno 3. září 2019. Archivováno z originálu dne 27. listopadu 2020.
  15. 1 2 3 4 Napájecí zdroje na polovodičových součástkách. Návrh a výpočet. / Ed. Dodik S. D. a Galperin E. I .. - M. : Sovětský rozhlas, 1969. - 448 s. - 55 000 výtisků. kopírovat.
  16. Aleksenko A. G., Kolombet E A., Starodub G. I. . - M . : Rozhlas a komunikace, 1981. - 224 s.
  17. Importované diodové můstky .