Диодное выпрямление: полуволновое, полноволновое, PIV

В электронике выпрямление - это процесс, в котором выпрямительный диод преобразует переменный входной сигнал переменного тока полного цикла в выходной сигнал постоянного тока полупериода.

Один диод производит полуволновое выпрямление, а сеть из 4 диодов производит двухполупериодное выпрямление.

В этом посте мы проанализируем как полуволновые, так и полноволновые процессы выпрямления диодов, а также другие свойства с помощью изменяющихся во времени функций, таких как синусоидальная и прямоугольная волна. То есть через напряжения и токи, которые меняют свою величину и полярность во времени.

Мы будем рассматривать диод как идеальный диод, игнорируя кремниевый диод или германий, чтобы свести к минимуму сложности в расчетах. Будем рассматривать диод как стандартный выпрямительный диод со стандартными выпрямительными возможностями.

Полуволновое выпрямление

Простейшая диаграмма, показывающая изменяющийся во времени сигнал, подаваемый на диод, показана на следующей диаграмме:

Здесь мы можем видеть форму волны переменного тока, где период T означает один полный цикл формы волны, который является средним значением или алгебраической суммой частей или горбов выше и ниже центральной оси.

Этот тип схемы, в которой используется единственный выпрямительный диод с изменяющимся во времени синусоидальным входным сигналом переменного тока для генерации выхода постоянного тока, имеющего значение, равное половине входного. называется полуволновым выпрямителем . Диод в этой схеме называется выпрямителем.

В течение периода между t = 0 → T / 2 сигнала переменного тока полярность напряжения vi создает «давление» в направлении, показанном на диаграмме ниже. Это позволяет диоду включаться и проводить с соблюдением полярности, указанной чуть выше символа диода.

Поскольку диод полностью проводит, замена диода коротким замыканием даст выходной сигнал, как показано на правом верхнем изображении.

Несомненно, сгенерированный выходной сигнал является точной копией приложенного входного сигнала над центральной осью формы волны.

В течение периода T / 2 → T полярность входного сигнала vi становится отрицательной, что приводит к выключению диода, что приводит к эквивалентной разомкнутой цепи на выводах диода. Из-за этого заряд не может проходить через диодный тракт в течение периода T / 2 → T, в результате чего vo будет:

vo = iR = 0R = 0 В (с использованием закона Ома). Ответ можно визуализировать на следующей диаграмме:

На этой диаграмме мы можем видеть, что выход постоянного тока Vo от диода создает чистую среднюю положительную область над осью для полного входного цикла, которую можно определить по формуле:

Vdc = 0,318 Вм (полуволна)

Напряжения на входе vi и на выходе vo в процессе полуволнового выпрямления диода представлены на следующем рисунке:

Из приведенных выше диаграмм и объяснений мы можем определить полуволновое выпрямление как процесс, в котором половина входного цикла устраняется диодом на его выходе.

Использование кремниевого диода

Когда кремниевый диод используется в качестве выпрямительного диода, поскольку он имеет характеристику прямого падения напряжения VT = 0,7 В, он создает область прямого смещения, как показано на следующем рисунке:

VT = 0,7 В означает, что теперь входной сигнал должен быть не менее 0,7 В для обеспечения успешного включения диода. В случае, если входное напряжение VT меньше 0,7 В, диод просто не включится, и диод продолжит находиться в режиме разомкнутой цепи с Vo = 0 В.

В то время как диод проводит в процессе выпрямления, он генерирует на выходе постоянный ток, который несет фиксированный уровень напряжения для разности напряжений vo - vi, равный указанному выше прямому падению 0,7 В. Мы можем выразить этот фиксированный уровень следующей формулой:

vo = vi - VT

Это приводит к уменьшению среднего выходного напряжения над осью, вызывая небольшое чистое уменьшение выпрямленного выхода диода.

Обращаясь к приведенному выше рисунку, если мы считаем, что Vm (пиковый уровень сигнала) достаточно высок, чем VT, так что Vm >> VT, мы можем довольно точно оценить среднее значение постоянного тока на выходе диода, используя следующую формулу.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Точнее, если пик входного переменного тока значительно выше, чем VT (прямое падение) диода, то мы можем просто использовать предыдущую формулу для оценки выпрямленного постоянного тока на выходе диода:

Vdc = 0,318 Вм

Решенный пример для полумостового выпрямителя

Проблема:

Оцените выход vo и найдите величину постоянного тока на выходе для схемы, показанной ниже:

Решение: Для схемы вышеупомянутой схемы диод включится для отрицательной части входного сигнала, и vo будет таким, как показано на следующем рисунке.

В течение всего периода входного цикла переменного тока выход постоянного тока будет:

Vdc = 0.318Vm = - 0.318(20 V) = - 6.36 V

Отрицательный знак указывает полярность выходного постоянного тока, противоположную знаку, указанному на диаграмме под проблемой.

Проблема №2: Решите указанную выше проблему, рассматривая диод как кремниевый диод.

В случае кремниевого диода форма выходного сигнала будет выглядеть так:

Выходной постоянный ток можно рассчитать, как описано ниже:

Vdc ≅ - 0,318 (Вм - 0,7 В) = - 0,318 (19,3 В) ≅ - 6,14 В

Падение выходного постоянного напряжения из-за коэффициента 0,7 В составляет около 0,22 В или примерно 3,5%.

Полноволновая ректификация

Когда синусоидальный сигнал переменного тока используется в качестве входа для выпрямления, выход постоянного тока может быть улучшен до 100% уровня с помощью процесса двухполупериодного выпрямления.

Самый известный и простой способ добиться этого - использовать 4-диодный мостовой выпрямитель сеть, как показано ниже.

Когда цикл положительного входного сигнала проходит через период от t = 0 до T / 2, полярность входного сигнала переменного тока через диод и выходного сигнала диода такие, как показано ниже:

Здесь мы видим, что из-за особого расположения диодной сети в мосте, когда D2, D3 проводят, противоположные диоды D1, D4 остаются смещенными в обратном направлении и в выключенном состоянии.

Чистый выходной постоянный ток, генерируемый этим процессом выпрямления через D2, D3, можно увидеть на приведенной выше диаграмме. Поскольку мы представляли себе диоды идеальными, на выходе получается vo = vin.

Теперь, аналогично для отрицательного полупериода входного сигнала диоды D1, D4 проводят, а диоды D2, D3 переходят в состояние ВЫКЛ, как показано ниже:

Мы можем ясно видеть, что на выходе мостового выпрямителя положительные и отрицательные полупериоды входного переменного тока преобразованы в два полупериода постоянного тока над центральной осью.

Поскольку эта область над осью теперь в два раза больше, чем область, полученная для полуволнового выпрямления, выходной постоянный ток также станет в два раза больше, как вычислено по следующей формуле:

Vdc = 2 (0,318 Вм)

или же

Vdc = 0,636Vm (двухполупериодный)

Как показано на рисунке выше, если вместо идеального диода использовать кремниевый диод, применение закона Кирхгофа по напряжению по линии проводимости даст нам следующий результат:

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

Следовательно, пиковое значение выходного напряжения vo будет:

Vomax = Vm - 2VT

В ситуации, когда V >> 2VT, мы можем использовать наше предыдущее уравнение для получения среднего значения с достаточно высокой степенью точности:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Опять же, если у нас Vm значительно выше, чем 2VT, 2VT можно просто игнорировать, и уравнение может быть решено как:

Vdc ≅ - 0,636 (Вм)

PIV (пиковое обратное напряжение)

Пиковое обратное напряжение или номинальное значение (PIV), которое также иногда называют рейтингом пикового обратного напряжения (PRV) диода, становится решающим параметром при разработке схем выпрямителя.

По сути, это диапазон напряжения обратного смещения диода, который нельзя превышать, в противном случае диод может выйти из строя, перейдя в область, называемую областью лавинного стабилитрона.

Если мы применим закон Кирхгофа к схеме однополупериодного выпрямителя, как показано ниже, это просто объясняет, что рейтинг PIV диода должен быть выше, чем пиковое значение входа питания, используемого для входа выпрямителя.

Для полного мостового выпрямителя расчет PIV-рейтинга такой же, как и для полуволнового выпрямителя, а именно:

PIV ≥ Vm, поскольку Vm - это полное напряжение, приложенное к подключенной нагрузке, как показано на следующем рисунке.

Решенные примеры для полной мостовой выпрямительной сети

Определите форму выходного сигнала для следующей диодной сети, а также рассчитайте уровень выходного постоянного тока и безопасный PIV для каждого диода в сети.

Решение: в течение положительного полупериода схема будет вести себя, как показано на следующей диаграмме:

Для лучшего понимания мы можем перерисовать это следующим образом:

Здесь vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (max) = 1/2 (10 В) = 5 В

Для отрицательного полупериода роль проводимости диодов можно поменять местами, что даст выход vo, как показано ниже:

Отсутствие двух диодов в мосте приводит к уменьшению выходного постоянного тока на величину:

Vdc = 0.636(5 V) = 3.18 V

Это то же самое, что мы получили бы от полумостового выпрямителя с тем же входом.

PIV будет равен максимальному напряжению, генерируемому на R, которое составляет 5 В, или половине напряжения, необходимого для полуволны, выпрямленной с тем же входом.