Что такое диодный мост и как он работает?

Как выбрать диоды для изготовления диодного моста?

Главными критериями выбора являются напряжение и сила тока, при которой диод не перегревается. При прямом включении на нем падает напряжение около 0,6 В, поскольку он обладает внутренним сопротивлением. Обратное напряжение, которое диод выдерживает, не входя в режим теплового и электрического пробоя, имеет определенный предел. Если он рассчитан на 220 В, то берется запас не ниже 25 %. Но лучше брать его достаточно большим, чтобы уберечь от случайных скачков напряжения в сети.

Ток также берется с запасом. Если нужно, предусматривается охлаждающий радиатор.

Для правильного выбора пользуются справочной таблицей диодов и диодных мостов.

Устройство и принцип работы

Диодный мост представляет собой электронную схему, собранную на основе выпрямительных диодов, который предназначен для преобразования подаваемого на него переменного тока в постоянный. Чаще всего в состав схемы включаются диоды Шоттки, но это не категоричное требование, поэтому в каком-либо конкретном случае может заменяться и другими моделями, подходящими по техническим параметрам. Схема моста из полупроводниковых диодов включает в себя четыре элемента для одной фазы. Диодный мостик может набираться как отдельными диодами, так и собираться единым блоком, в виде монолитного четырехполюсника.

Принцип работы диодного моста основывается на способности p – n перехода пропускать электрический ток только в одном направлении. Схема включения диодов в мост построена таким образом, чтобы для каждой полуволны создавался свой путь протекания электрического тока к подключенной нагрузке.

Что такое диодный мост и как он работает?
Рис. 1. Принцип работы диодного моста

Для пояснения выпрямления диодным мостом необходимо рассматривать работу схемы относительно формы напряжения на входе. Следует отметить, что кривая напряжения за один период имеет две полуволны – положительную и отрицательную. В свою очередь, каждая полуволна имеет процесс нарастания и убывания по отношению к максимальной точке амплитуды.

Поэтому работа выпрямительного устройства будет иметь такие этапы:

  • На вход выпрямительного моста, обозначенного буквами А и Б подается переменное напряжение 220В.
  • Каждая полуволна, подаваемая из электрической сети или от обмоток трансформатора, преобразуется в постоянную величину парой диодов, расположенных по диагонали.
  • Положительная полуволна будет проводиться парой диодов VD1 и VD4 и выдавать на выход моста полуволну в положительной области оси ординат.
  • Отрицательная полуволна будет выпрямляться парой диодов VD2 и VD3, с которых на том же выходе моста возникнет очередная полуволна в положительной области.

В связи с тем, что оба полупериода получают реализацию на выходе диодного моста, такое электронное устройство получило название двухполупериодного выпрямителя, также его называют схемой Гретца.

Обозначение на схеме и маркировка

На электрической схеме диодный мост может иметь различные варианты изображения. Чаще всего вы можете встретить такие обозначения:

Что такое диодный мост и как он работает?
Рис. 2. Обозначение на схеме

Первый вариант обозначения мостового выпрямителя используется, как правило, в тех ситуациях, когда электронный прибор представляет собой монолитную конструкцию, единую сборку. На схеме маркировка выполняется латинскими буквами VD, за которыми указывается порядковый номер.

Второй вариант наиболее распространен для тех ситуаций, когда диодный мост состоит из отдельных полупроводниковых устройств, собранных в одну схему. Маркировка второго варианта, чаще всего, выполняется в виде ряда VD1 – VD4.

Следует также отметить, что вышеприведенное схематическое обозначение и маркировка хоть и имеет общепринятый характер, но может нарушаться при составлении схем.

Разновидности диодных мостов

В зависимости от количества фаз, которые подключаются к диодному мосту, различают однофазные и трехфазные модели. Первый вариант мы детально рассмотрели на примере схемы Гретца выше.

Трехфазные выпрямители, в свою очередь, разделяются на шести- и двенадцатипульсовые модели, хотя схема диодного моста у них идентична. Рассмотрим более детально работу диодного устройства для трехфазной схемы.

Что такое диодный мост и как он работает?
Рис. 3. Схема трехфазного диодного моста

Диодный мост, приведенный на рисунке выше, получил название схемы Ларионова. Конструктивно для каждой из фаз устанавливается сразу два диода в противоположном направлении друг относительно друга

Здесь важно отметить, что синусоида во всех трех фазах имеет смещение в 120° друг относительно друга, поэтому на выходах устройства при наложении результирующей диаграммы получится следующая картина:

Что такое диодный мост и как он работает?
Рис. 4. Напряжение выпрямленное трехфазным мостом

Как видите, в сравнении с однофазным выпрямителем на базе диодного моста картина получается более плавной, а скачки напряжения имеют значительно меньшую амплитуду.

Назначение и практическое использование

Область использования моста, набранного из диодов, довольно широка. Это могут быть блоки питания и узлы управления. Он стоит во всех устройствах, питающихся от промышленной сети 220 вольт. Например, телевизоры, приёмники, зарядки, посудомоечные машины, светодиодные лампы. Не обходятся без него и автомобили. После запуска двигателя начинает работать генератор, вырабатывающий переменный ток. Так как бортовая сеть вся питается от постоянного напряжения, ставится выпрямительный мост, через который происходит подача выпрямленного напряжения. Этим же постоянным сигналом происходит и подзарядка аккумуляторной батареи.

Выпрямительное устройство используется для работы сварочного аппарата. Правда, для него применяются мощные устройства, способные выдерживать ток более 200 ампер. Использование в устройствах диодной сборки даёт ряд преимуществ по сравнению с простым диодом. Такое выпрямление позволяет:

  • увеличить частоту пульсаций, которую затем просто сгладить, используя электролитический конденсатор;
  • при совместной работе с трансформатором избавиться от тока подмагничивания, что даёт возможность эффективнее использовать габаритную мощность преобразователя;
  • пропустить большую мощность с меньшим нагревом, тем самым увеличивая коэффициент полезного действия.

Но также стоит отметить и недостаток, из-за которого в некоторых случаях мост не используют. Прежде всего, это двойное падение напряжения, что особенно чувствительно в низковольтных схемах. А также при перегорании части диодов устройство начинает работать в однополупериодном режиме, из-за чего в схему проникают паразитные гармоники, способные вывести из строя чувствительные радиоэлементы.

Блок питания

Ни один современный блок питания не обходится без выпрямительного устройства. Качественные источники изготавливаются с использованием мостовых выпрямителей. Классическая схема состоит всего из трёх частей:

  1. Понижающий трансформатор.
  2. Выпрямительный мост.
  3. Фильтр.

Синусоидальный сигнал с амплитудой 220 вольт подаётся на первичную обмотку трансформатора. Из-за явления электромагнитной индукции во вторичной его обмотке наводится электродвижущая сила, начинает течь ток. В зависимости от вида трансформатора величина напряжения за счёт коэффициента трансформации снижается на определённое значение. Между выводами вторичной обмотки возникает переменный сигнал с пониженной амплитудой. В соответствии со схемой подключения диодного моста это напряжение подаётся на его вход. Проходя через диодную сборку, переменный сигнал преобразуется в пульсирующий.

Такая форма часто считается неприемлемой, например, для звукотехнической аппаратуры или источников освещения. Поэтому для сглаживания используется конденсатор, подключённый параллельно выходу выпрямителя.

Трёхфазный выпрямитель

На производствах и в местах, где используется трёхфазная сеть, применяют трёхфазный выпрямитель. Состоит он из шести диодов, по одной паре на каждую фазу. Использование такого рода устройства позволяет получить большее значение тока с малой пульсацией. А это, в свою очередь, снижает требования к выходному фильтру. Наиболее популярными вариантами включения трёхфазных выпрямителей являются схемы Миткевича и Ларионова. При этом одновременно могут использоваться не только шесть диодов, но и 12 или даже 24. Трёхфазные мосты используются в тепловозах, электротранспорте, на буровых вышках, в промышленных установках очистки газов и воды.

Присутствует диодный мост генератора исключительно в «бортовых электростанциях» переменного тока. Поскольку большинство легковых авто комплектуются генераторами переменного тока, выпрямитель с диодами и стабилитроном присутствует в каждом из них. Обычно этот узел встраивается в генератор, но существуют выносные диодные мостики для удобного сервисного обслуживания, ремонта и замены диодов.

Выпрямление электроэнергии

До конца XIX века преобразование переменного напряжения в постоянное было проблемой. С изобретением диода — сначала вакуумного, а позже и полупроводникового — ситуация в корне изменилась. Благодаря своим уникальным свойствам, диод отлично различает полярность и позволяет легко сортировать токи с нужным направлением. Сначала для этих целей использовались отдельные диоды, позже появились диодные мосты, обеспечивающие высокое качество выпрямления.

Выпрямитель на одном диоде

Диод проводит ток только в одном направлении, именно поэтому его и называют полупроводниковым прибором. Если к катоду устройства подключить плюс источника напряжения, а к аноду — минус, диод будет вести себя как обычный проводник. Если полярность изменить, то прибор закроется и превратится в диэлектрик. Для ответа на вопрос о том, что это даёт, придется собрать простейшую схему и снова вооружиться осциллографом.

На схеме изображена работа полупроводникового диода в цепи переменного тока. Осциллограмма слева показывает картину на выходе трансформатора — обычный переменный ток. После диода всё существенно меняется — на графике исчезает отрицательная полуволна переменного напряжения. Ток еще не стал постоянным, но он уже не переменный — движения электрического заряда в обратном направлении нет. Такой род тока принято называть пульсирующим. Им еще нельзя питать электронику, но изменения налицо. Остаётся сгладить пики импульсов. Это делают с помощью конденсаторов.

На схеме представлен однополупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Во время положительного импульса напряжение не только питает нагрузку, но и одновременно заряжает конденсатор. Когда импульс заканчивается, конденсатор отдает накопленную энергию, сглаживая скачки напряжения.

Двухполупериодный прибор

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в преобразовании переменного тока в постоянный предыдущим экспериментом, результат ещё далек от идеала. Дело в том, что частота переменного тока довольно низкая (50 Гц), а навешивание сглаживающих конденсаторов имеет свои ограничения. Для того чтобы существенно улучшить форму выходного сигнала, нужно увеличить частоту.

Однако в розетках она строго фиксирована и не зависит от внешних факторов. Отрицательная полуволна напряжения срезается диодом. Поменять её полярность совсем несложно — достаточно лишь добавить несколько диодов, собрав мостовую схему. На рисунке представлен двухполупериодный выпрямитель на четырёх диодах, объясняющий то, как работает диодный мост:

При появлении положительной полуволны диоды VD2, VD3 окажутся включенными в прямом направлении и будут открыты. VD1, VD2 — закрыты. Полуволна свободно проходит к выходу выпрямителя. Когда напряжение сменит полярность, пары диодов поменяются местами — VD1 и VD4 откроются, VD2 и VD3 закроются. Отрицательная полуволна тоже пройдет к выходу, но поменяет полярность. В результате получится все то же импульсное однополярное напряжение, но частота его увеличится вдвое. Останется добавить сглаживающий конденсатор и посмотреть, что получится.

Двухполупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором на изображении показывает, что поставленная задача решена: переменное напряжение преобразовано в постоянное. Конечно, постоянство неидеально — имеются пульсации, однако с ними можно бороться с помощью фильтров. К тому же любая электроника допускает ту или иную величину пульсаций.

Такая схема, состоящая из четырех диодов, стала классической и получила название диодного или выпрямительного моста. Существует отдельная категория электронных приборов — выпрямительные мосты. Они состоят из четырех диодов, соединенных между собой соответствующим образом. В качестве примера можно посмотреть на выпрямительный мост КЦ402Г и его электрическую схему.

Читать также: Как правильно обезжирить поверхность

Физические свойства p-n перехода

Главным элементом, использующимся при создании выпрямительного узла, является диод. В основе его работы лежит электронно-дырочный переход (p-n).

Общепринятое определение гласит: p-n переход — это область пространства, находящаяся на границе соединения двух полупроводников разного типа. В этом пространстве образуется переход n-типа в p-тип. Значение проводимости зависит от атомного строения материала, а именно от того, насколько прочно атомы удерживают электроны. Атомы в полупроводниках располагаются в виде решётки, а электроны привязаны к ним электрохимическими силами. Сам по себе такой материал является диэлектриком. Он или плохо проводит ток, или не проводит его совсем. Но если в решётку добавить атомы определённых элементов (легирование), физические свойства такого материала кардинально изменяются.

Избыток заряда одного знака заставляет носителей отталкиваться друг от друга, в то время как область с противоположным зарядом стремится притянуть их к себе. Электрон, перемещаясь, занимает свободное место, дырку. При этом на его старом месте также образовывается дырка. В результате чего создаётся два потока движения зарядов: один основной, а другой обратный. Материал с отрицательным зарядом в качестве основных носителей использует электроны, его называют полупроводником n-типа, а с положительным зарядом, использующим дырки, p-типа. В полупроводниках обоих типов неосновные заряды образуют ток, обратный движению основных зарядов.

В радиоэлектронике из материалов для создания p-n перехода используется германий и кремний. При легировании кристаллов этих веществ образуется полупроводник с различной проводимостью. Например, введение бора приводит к появлению свободных дырок и образованию p-типа проводимости. Добавление фосфора, наоборот, создаст электроны, и полупроводник станет n-типа.

Схема простого выпрямителя

Синусоидальное напряжение представляет собой периодический сигнал, изменяющийся во времени. С математической точки зрения он описывается функцией, в которой начало координат соответствует времени равным нулю. Сигнал состоит из двух полуволн. Находящаяся полуволна в верхней части координат относительно нуля называется положительным полупериодом, а в нижней части — отрицательным.

При подаче переменного напряжения на диод через подключённую к его выводам нагрузку, начинает протекать ток. Этот ток обусловлен тем, что в момент поступления положительного полупериода входного сигнала диод открывается. В этом случае к аноду прикладывается положительный потенциал, а к катоду отрицательный. При смене волны на отрицательный полупериод диод запирается, так как меняется полярность сигнала на его выводах.

Таким образом, получается, что диод как бы отрезает отрицательную полуволну, не пропуская её на нагрузку и на ней появляется пульсирующий ток только одной полярности. В зависимости от частоты приложенного напряжения, а для промышленных сетей она составляет 50 Гц, изменяется и расстояние между импульсами. Такого вида ток называется выпрямленным, а сам процесс —однополупериодным выпрямлением.

Выпрямляя сигнал, используя один диод, можно питать нагрузку, не предъявляющую особых требований к качеству напряжения. Например, нить накала. Но если запитать, например, приёмник, то появится низкочастотный гул, источником которого и будет промежуток, возникающий между импульсами. В некоторой мере для избавления от недостатков однополупериодного выпрямления совместно с диодом применяется параллельно включённый нагрузке конденсатор. Этот конденсатор будет заряжаться при поступлении импульсов и разряжаться при их отсутствии на нагрузку. А значит, чем больше значение ёмкости конденсатора, тем ток на нагрузке будет более сглажен.

Как проверить диод

Начиная проверку диода на работоспособность, необходимо понимать, что визуально неисправный диод иногда фактически невозможно отличить от рабочего. О том, как проверить диод мы детально расскажем в нашей статье.

Также, перед проверкой необходимо знать, что основные неисправности диодов бывают трех видов:

  • пробой диода (наиболее распространенный дефект). В результате такого дефекта диод проводит ток в любом направлении, фактически не имея собственного сопротивления:
  • обрыв диода (на практике встречается реже). В данном случае такой диод перестает полностью проводить ток, независимо от направления течения тока.
  • утечка. В этом случае диод проводит незначительный обратный ток.

При любой проверки диодов лучше всего их выпаивать с основной схемы полностью.

Подопытный диод 1n5844 – это 5А диод Шоттки. Проверка производится мультиметром Unit 151B.

Любой диод имеет два вывода: катод и анод. Катод помечен серебристой полоской.

Для того, чтобы ток протекал через диод, на анод должно поступать положительное напряжение, а к катоду отрицательное. Включив необходимый режим измерений на мультиметре, можно приступать к проверке диода.

Необходимо помнить, рабочий диод проводит ток лишь в одном направлении.

Подключив щупы, к аноду (красный +), а к катоду (черный ), мы видим значения на дисплее — это пороговое напряжение диода. Из этого можно сделать вывод, p-n переход открыт.

Подключив щупы, к катоду (красный -), а к аноду (черный +), значений на дисплее нет, кроме 1.

На этом процедура проверки диода закончена – диод исправен.

Если независимо от полярности подключения диода прибор показывает значение 0 или 001, (и иногда слышим характерный звуковой сигнал), это свидетельствует о том, что диод пробит. Такой диод проводит ток в любом направлении.

Если независимо от полярности подключения диода прибор показывает значение 1, такой диод имеет обрыв. Он вообще не проводит ток.

Как проверить диод, в случае когда, под рукой нет мультиметра с функцией проверки диода? Можно использовать для этой цели обычный омметр. Установив значение предела измерений до 20кОм, проверку диода таким тестером производят по схеме, описанной выше.

Иногда можно столкнутся со сдвоенными диодами. Такие диоды имеют три вывода, в одном корпусе заключены сразу два диода. Они имеют общий анод или катод. Проверка такой сдвоенной сборки абсолютно ничем не отличается от проверки обычного диода, только проверять нужно каждый диод в сборке.

Теперь мы знаем, как проверить диод, можем приступить к проверке диодного моста.

Для чего нужен диодный мост в генераторе автотехники

Диодный мост в генераторе

Это схемотехническое решение используется в электрических схемах автомобилей и мотоциклов. Диодный мост, устанавливаемый на генераторе переменного тока, нужен для преобразования вырабатываемого им переменного напряжения в постоянное. Постоянный ток служит для подзарядки АКБ и питания всех электропотребителей, имеющихся в современном транспорте. Требуемая мощность полупроводников в мостовой схеме определяется номинальным током, вырабатываемым генератором. В зависимости от этого показателя, полупроводниковые приборы разделяют на следующие группы по мощности:

  • маломощные – до 300 мА;
  • средней мощности – от 300 мА до 10 А;
  • высокомощные – выше 10 А.

Для автотехники обычно применяют мосты из кремниевых диодов, способных отвечать эксплуатационным требованиям в широком температурном диапазоне – от -60°C до +150°C.

Преимущества и недостатки

Кроме диодного моста существуют и другие способы преобразования переменного в постоянный ток. В сравнении с однополупериодным, двухполупериодное выпрямление обладает рядом преимуществ:

  • И отрицательная, и положительная полуволна синусоиды преобразуются в выходное напряжение, поэтому вся мощность трансформатора используется в наиболее оптимальной степени.
  • За счет большей частоты пульсации получаемое от диодного выпрямителя напряжение куда проще сглаживать при помощи фильтров.
  • Использование электроэнергии под нагрузкой уменьшает потери мощности на перемагничивание сердечника, возникающее из-за процессов взаимоиндукции в обмотках питающего трансформатора.
  • Гармоничное перераспределение кривой электротока и напряжения на выходе – за счет передачи каждого полупериода сразу двумя диодами в мосте, выходной параметр получается куда более равномерным.

К недостаткам диодного моста следует отнести и большее падение напряжения, в сравнении с однополупериодной схемой или выпрямителем с отводом из средней точки. Это обусловлено тем, что ток протекает сразу черед два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может оказывать существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампера могут решать значение сигналов, режимы работы агрегатов и т.д. В качестве решения могут применяться диодные мосты с диодами Шотки, у которых падение прямого напряжения относительно ниже.  

Практические опыты

Для начала возьмем простой диод.

Катод можно легко узнать по серебристой полоске. Почти все производители показывают катод полоской или точкой.

Чтобы наши опыты были безопасными, я взял понижающий трансформатор, который из 220В делает 12В.

На первичную обмотку цепляем 220 Вольт, со вторичной обмотки снимаем 12 Вольт. Мультиметр показал чуть больше, так как на вторичной обмотке нет никакой нагрузки. Трансформатор работает на  так называемом “холостом ходу”.

3,3х5=16.5В – это максимальное значение напряжения.  А если разделить максимальное амплитудное значение на корень из двух, то получим где то 11,8 Вольт. Это и есть действующее значение напряжения. Осциллограф не врет, все ОК.

Еще раз повторюсь, можно было использовать и 220 Вольт, но 220 Вольт  – это не шутки, поэтому я и понизил переменное напряжение.

Припаяем к одному концу  вторичной обмотки трансформатора наш диод.

Цепляемся снова щупами осциллографа

Смотрим на осциллограмму

А где же нижняя часть изображения? Ее срезал диод. Он оставил только верхнюю часть, то есть ту, которая положительная.

Находим еще  три таких диода и спаиваем диодный мост.

Цепляемся ко вторичной обмотке трансформатора по схеме диодного моста.

С двух других  концов снимаем постоянное пульсирующее напряжение щупом осциллографа и смотрим на осциллограмму

Вот, теперь порядок.

Схемы выпрямителей

Выпрямление тока в блоках питания – основное назначение, среди других компонентов схемы можно выделить входной фильтр, который подключают после выпрямителя – он предназначен для сглаживания пульсаций. Давайте разберемся в этом вопросе подробнее!

В первую очередь стоит отметить, что диодным мостом называют схему однофазного выпрямителя из 4 диодов или трёхфазного из 6. Но любители часто так называют схему выпрямителя со средней точкой.

У двухполупериодного выпрямителя к нагрузке поступает две полуволны, а у однополупериодного – одна.

Чтобы не было путаницы, давайте разбираться в терминологии.

Ниже вы видите однофазную двухполупериодную схему, её правильное название «Схема Гретца», именно её чаще всего подразумевают под названием «диодный мост».

Что такое диодный мост и как он работает?

Схема Ларионова – трёхфазный диодный мост, на выходе сигнал двухполупериодный. Диоды в нём пропускают полуволны, открываясь на линейное напряжение, т.е. поочередно: верхний диод фазы A и нижний диод фазы B, верхний фазы B и нижний фазы C и т.д.

Что такое диодный мост и как он работает?

Для полноты картины следует рассказать и о других схемах выпрямителей переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель из 1 диода, включенного последовательно с нагрузкой. Применяется в балластных блоках питания, маломощных миниатюрных блоках питания, а также в приборах, нетребовательных к коэффициенту пульсаций. К нагрузке поступает только одна полуволна.

Что такое диодный мост и как он работает?

Двухполупериодный со средней точкой – это и есть то, что ошибочно называют мостом из 2 диодов. Здесь каждую полуволну проводит только один диод. Её преимуществом является больший КПД, чем у схемы Гретца, за счет меньшего числа полупроводниковых вентилей. Однако её использование осложнено тем, что нужен трансформатор с отводом от средней точки, что отражено на схеме принципиальной. Её нельзя использовать для выпрямления сетевого напряжения 220В.

Выпрямитель из сборок Шоттки. Используется в импульсных блоках питания, потому что у диодов Шоттки меньше время обратного восстановления, малая барьерная ёмкость (быстрее переход из открытого состояния в закрытое) и малое прямое падение напряжения (меньше потерь). Чаще всего Шоттки встречаются в сборках, с общим анодом или катодом, как изображено на рисунке ниже.

Что такое диодный мост и как он работает?

Поэтому для сборки схемы моста потребуется несколько сборок. Ниже приведен пример из 3 сборок Шоттки с общим катодом.

Что такое диодный мост и как он работает?

Из 4 сборок с общим катодом. Отличается от предыдущей тем, что выдерживает больший ток, при тех же компонентах потому, что Шоттки в ней соединены параллельно.

Что такое диодный мост и как он работает?

Из 2 сборок Шоттки – одна с общим анодом и одна с общим катодом. Узнать о том, что такое анод и катод, вы можете в нашей отдельной статье.

Что такое диодный мост и как он работает?

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: