Pod de diode

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 5 ianuarie 2021; verificările necesită 8 modificări .

Punte de diode  - un dispozitiv electric, un circuit electric pentru transformarea ("redresarea") curentului alternativ într-un pulsator (constant). Rectificarea folosind o punte de diode se numește full-wave [2] .

Există punți monofazate și multifazate. O punte monofazată este realizată conform circuitului podului Graetz . Inițial, a folosit diode electrovacuum și acest circuit a fost considerat o soluție complexă și costisitoare; în schimb, a fost folosit de obicei circuitul Mitkevich, în care înfășurarea secundară a transformatorului are o ieșire medie [3] . Acum, că diodele semiconductoare au devenit ieftine și accesibile pentru aproape toată lumea, în cele mai multe cazuri se folosește un circuit în punte, cu excepția circuitului Mitkevich folosit la unele redresoare de joasă tensiune, care, celelalte lucruri fiind egale, are o eficiență mai mare [4] ] .

În loc de diode, în circuit pot fi utilizate supape redresoare de orice tip - de exemplu , redresoare cu seleniu , supape cu mercur și altele, principiul de funcționare al circuitului nu se schimbă de la aceasta.

De asemenea, supapele controlate sunt utilizate în umerii podului, de exemplu, tiristoare sau ignitroni , în timp ce este posibil să se controleze tensiunea de ieșire a redresorului folosind controlul fază -impuls al supapelor controlate.

Istorie

Circuitul punții redresoare (Figura 4) a fost inventat de inginerul electric polonez Karol Pollak și brevetat în decembrie 1895 în Marea Britanie [5] și în ianuarie 1896 în Germania [6] [7] .

În 1897, fizicianul german Leo Graetz , independent de predecesorii săi, a inventat și publicat o descriere a unei scheme similare [8] [9] [10] [11] . Publicația lui Graetz a devenit cunoscută pe scară largă de inginerii electrici din acea vreme, așa că acest circuit este acum adesea numit circuit Graetz sau pod Graetz [12] .

În 1924, inginerul electrician sovietic A. N. Larionov a inventat un circuit de punte al unui redresor de curent trifazat cu undă completă, numit după el [13] .

Principiul de funcționare a punților redresoare

Pod monofazat (circuit Graetz)

Intrarea ( ) a punții este alimentată cu o tensiune alternativă, nu neapărat sinusoidală. Într-unul dintre semicicluri (în stânga în Figura 5), ​​două diode sunt deschise în brațele opuse ale podului și curentul trece doar prin aceste 2 diode , în timp ce celelalte 2 din cealaltă pereche de brațe opuse sunt blocate. În cealaltă jumătate de ciclu (în dreapta în Figura 5), ​​alte două diode se deschid și cealaltă pereche de diode se închide. În sarcină , curentul în ambele semicicluri circulă în aceeași direcție - puntea de diode transformă curentul alternativ într-un curent continuu pulsatoriu [14] .

Deoarece 2 diode sunt întotdeauna conectate în serie cu sarcina, pe fiecare dintre care o parte a tensiunii de intrare scade în stare deschisă, tensiunea maximă pulsatorie la sarcină este întotdeauna mai mică decât amplitudinea tensiunii de intrare de două ori căderea de tensiune directă pe diodă. Amplitudinea tensiunii alternative este mai mare decât tensiunea efectivă în timp:

Mărimea căderii de tensiune pe o diodă depinde de materialul semiconductor și de tipul de diodă. De exemplu, pentru diodele de siliciu cu o joncțiune pn, căderea directă la curenți mici prin diodă este ≈0,6 V la curenți aproape de maxim. permis pentru un anumit dispozitiv ≈1 V Schottky Pentru diodele cu germaniu și diodele ≈0,3 V (≈0,6 V) și , respectiv, ≈0,2 V (≈0,4 V) . Pierderile de energie cauzate de o cădere directă de tensiune pe diode reduc eficiența redresorului, mai ales această reducere este semnificativă la redresarea tensiunilor joase. De exemplu, o sursă de alimentare cu o punte de diodă de siliciu cu o joncțiune pn la 5 V și un curent de 10 A (putere de ieșire de 50 W) va avea o eficiență de cel mult 70%. Prin urmare, redresoarele de curent înalt de joasă tensiune utilizează în principal diode Schottky sau circuite active de redresare folosind comutatoare controlate activ, de exemplu, tranzistoare puternice cu efect de câmp .

Frecvența de ondulare a tensiunii redresate este egală cu dublul frecvenței tensiunii de alimentare CA :

Curentul mediu prin orice diodă la curentul mediu de sarcină [15] :

Următoarele formule sunt date presupunând că scăderea directă între diode este 0.

Interval de ondulare (diferența de tensiune între valorile maxime și minime) la ieșirea punții fără un filtru capacitiv de netezire :

Tensiunea inversă maximă pe diodă atunci când puntea este operată pe o sarcină capacitivă [15] :

Valoarea medie a tensiunii redresate:

Pod trifazat (schema lui Larionov)

În acest circuit (Figura 8), atunci când tensiunile de fază se schimbă, o pereche de diode sunt deschise în serie - una din grupul superior din Figura 8 și una din cel inferior.

Deoarece diodele se deschid atât pe partea superioară a tensiunii de fază sinusoidală, cât și pe partea inferioară a acestor tensiuni sinusoidale ale celor trei faze deplasate una față de alta cu 120 °, frecvența de ondulare a tensiunii redresate este de 6 ori frecvența alimentarea cu tensiune trifazată de curent alternativ

În fiecare moment, 2 diode sunt deschise și există 3 perechi de diode în circuit, deci curentul mediu prin orice diodă la un curent mediu de sarcină [15] :

De obicei, redresorul Larionov este alimentat cu tensiune alternativă de la o sursă conectată conform circuitului „stea”, dar poate fi alimentat și de la o sursă conectată conform circuitului „triunghi”.

Tensiunea de ieșire a circuitului Larionov atunci când este alimentată de la o sursă trifazată de tip „stea” cu tensiuni de fază cu amplitudini neglijând căderea de tensiune continuă la diode (presupunând că acestea sunt zero, formulele suplimentare sunt date în ipoteza zero picătură pe diodă în stare deschisă) este:

adică ori mai mari decât într-un circuit monofazat cu o punte Graetz, acest lucru se datorează faptului că de ceva timp în timpul perioadei două tensiuni de fază sunt conectate în serie.

Gama de ondulații (diferența de tensiune între valorile maxime și minime) la ieșirea circuitului Larionov fără un filtru capacitiv de netezire:

Astfel, intervalul de ondulare din acest circuit este de aproximativ 14% din valoarea tensiunii rectificate, ceea ce face posibilă alimentarea multor consumatori de curent continuu care nu sunt critici pentru ondulații fără a utiliza un filtru de netezire.

Valoarea medie a tensiunii redresate:

Tensiunea inversă maximă pe diodă atunci când se lucrează la un filtru capacitiv [15] :

Beneficiile punților redresoare

Rectificarea podului cu undă completă (față de semiundă ) are următoarele avantaje:

Dezavantajele punților redresoare

Redresoare pe punți de diode

Tensiunea de ieșire a redresoarelor de curent alternativ este fundamental pulsatorie. Mulți consumatori de curent redresați nu sunt esențiali pentru ondulare, de exemplu, motoarele de curent continuu , consumatorii electrochimici - celule de electroliză , baterii la încărcare și alte dispozitive, dar majoritatea consumatorilor necesită energie cu ondulație minimă sau deloc.

Ondularea la ieșirea redresorului este caracterizată de factorul de ondulare :

unde  este suma armonicilor de pulsație,  este tensiunea medie redresată a redresorului.

Factorul de ondulație absolut este de obicei utilizat:

unde  este intervalul de pulsații.

Tensiunea redresată de puntea Graetz are o amplitudine a ondulației egală cu amplitudinea tensiunii alternative:

și

Filtrele sunt folosite pentru a netezi ondulațiile . Cel mai simplu filtru este un condensator conectat în paralel cu sarcina - un consumator de curent continuu (Figura 10.). Condensatorul de filtru stochează energie (este încărcat) prin impulsuri de curent la vârfurile impulsurilor ondulate și o eliberează la sarcină atunci când tensiunea de ieșire a podului scade din cauza ondulațiilor. Rata de descărcare a unui condensator cu o capacitate la un curent de sarcină în scăderi de ondulare:

Ca urmare a acțiunii de netezire a condensatorului, amplitudinea ondulațiilor scade, scăderea tensiunii pe condensator în intervalele dintre impulsurile de încărcare de la vârfurile ondulațiilor, este simplificat aici că durata impulsului de încărcare a condensatorului este mult mai mică decât durata semiciclului de tensiune alternativă:

unde  este perioada pulsațiilor,  este frecvența pulsațiilor,  - capacitate de filtrare,  - curent de sarcină,  - gama de ondulații de tensiune pe sarcină.

În practică, filtrele mai complexe sunt, de asemenea, utilizate pentru a obține filtrarea ondulată, de exemplu, filtre RC cu mai multe secțiuni sau filtre LC cu un șoc . Cu cerințe ridicate pentru reducerea ondulației la ieșirea unui filtru capacitiv sau a altui filtru pasiv, sunt instalați stabilizatori liniari sau de comutare de tensiune .

Parametri electrici și de funcționare

Următoarele sunt abrevieri acceptate în mod obișnuit pentru parametri; diferiți producători pot folosi alte denumiri. De exemplu, în literatura în limba rusă ele denotă adesea sau etc.

Parametrii maxim admisi

Aceștia sunt parametrii, al căror exces este inacceptabil, chiar și un exces pe termen scurt al acestor parametri poate duce la o defecțiune catastrofală a dispozitivului sau la degradarea parametrilor acestuia. Funcționarea la parametri sub maximul admis garantează funcționarea fără probleme a dispozitivului. De regulă, fiabilitatea dispozitivului scade atunci când este operat în moduri care se apropie de maximul permis.

Parametrii de bază

Acești parametri sunt luați în considerare la proiectarea și calcularea redresoarelor și pentru alegerea unui dispozitiv pentru o anumită aplicație:

Pentru punțile cu diode de înaltă frecvență și în impulsuri, uneori parametri suplimentari sunt indicați în specificație:

Alte aplicații ale punților de diode

Pe lângă faptul că sunt utilizate ca redresor de tensiune AC în sursele de alimentare, punțile de diode sunt folosite pentru a proteja împotriva conexiunii eronate cu polaritatea greșită a consumatorului la o sursă de alimentare CC. În acest caz, consumatorul este conectat la diagonala punții de diode la bornele " " și " ", iar sursa de tensiune constantă la bornele " ", în timp ce la orice polaritate a conexiunii de alimentare, polaritatea corectă a alimentarea cu energie electrică a consumatorului este garantată. Dezavantajul acestei soluții este că tensiunea la consumator va fi mai mică decât tensiunea sursei de alimentare cu dublul căderii de tensiune directă pe diodă; atunci când se utilizează diode de siliciu cu o joncțiune pn, aceasta este de la 1,3 V la curenți de sarcină mici la 2 sau mai mulți volți la curenți de sarcină mari.

O altă aplicație este controlul tensiunii alternative folosind un element activ care nu permite funcționarea cu o polaritate diferită a tensiunii aplicate, de exemplu, un tranzistor cu efect de câmp de putere cu o poartă izolată (Figura 11). În acest circuit, dispozitivul activ este conectat la diagonala " " - " " a podului, iar sarcina, puntea și sursa de tensiune AC sunt conectate în serie. Tensiunea de pe dispozitivul de control nu modifică polaritatea în ambele perioade de tensiune alternativă.

Orice altă rețea cu două terminale cu o caracteristică curent-tensiune neliniară (CVC) poate fi inclusă în diagonala punții " " - " ". În acest caz, rețeaua cu două terminale formată între bornele podului " " va avea un CVC simetric. De exemplu, cu această includere a unei diode zener asimetrice cu un singur anod , se formează un analog electric al unei diode zener simetrice cu doi anozi, avantajul unei astfel de soluții în comparație cu o diodă zener convențională cu doi anozi este egalitatea ridicată a tensiune de stabilizare pe ramurile bipolare ale caracteristicilor I–V și o capacitate parazită mică, determinată în principal de capacitatea intrinsecă a diodelor blocate ale punții, astfel de circuite sunt uneori folosite pentru a stabiliza amplitudinea și forma tensiunii în tensiune sinusoidală generatoare cu un pod Wien [16] .

De asemenea, punțile de diode de mare viteză sunt utilizate în circuitele cheie, de exemplu, în dispozitivele de prelevare și reținere , de exemplu, în osciloscoapele de eșantionare . În acest circuit, sursa de tensiune constantă inclusă în diagonala punții „ ” și diodele puntei „ ” în absența unui impuls stroboscopic este blocată, pulsul stroboscopic deschide toate cele 4 diode ale punții, aplicate la ieșirile „ ” și „ ”, conectează sursa de semnal inclusă la unul dintre pinii „ ” la condensatorul de stocare al circuitului de eșantionare și menținere, care este conectat la un alt pin „ ” al podului. În virtutea principiului transliniarității , o astfel de aplicație liniarizează caracteristica de transfer a circuitului cheie.

Constructii

Podurile pot fi asamblate din diode separate separate și pot fi realizate sub forma unui produs dintr-un singur pachet (ansambluri de diode).

Industria produce o gamă foarte largă de punți de diode pentru diferite tensiuni și curenți maximi admisibili, în diverse cazuri pentru montaj la suprafață și montaj la suprafață pe plăci de circuite imprimate cu cabluri axiale și plane.

Un design cu o singură carcasă este de preferat pentru utilizare normală - mai ieftin, mai mic ca volum. Diodele din ansamblurile de înaltă tensiune din el sunt selectate de producător și au parametrii maximi admisiți apropiați și valoarea curentului invers, iar în timpul funcționării sunt aproape în același regim termic. În plus, un ansamblu cu o singură carcasă este mai ușor de montat în dispozitive.

Dezavantajul unui design cu un singur caz este că, dacă una dintre diodele din ansamblu eșuează, întreaga componentă trebuie înlocuită; în podurile de diode discrete, doar dioda defectată este înlocuită.

La redresarea curenților mari, diodele generează multă căldură, așa că în acest caz pot fi folosite diode discrete de putere medie sau mare montate pe un radiator. De asemenea, modelele unor ansambluri puternice de diode prevăd instalarea lor pe un radiator.

Marcare

În URSS și Rusia Primul grup - o literă sau un număr indică materialul semiconductor: 1 sau G  - germaniu sau compușii săi; 2 sau K  - siliciu sau compușii săi; 3 sau compuşi A  - galiu ; 4 sau compuși I  - indiu . Al doilea grup este scrisoarea C  - punte de diode. Grupa a treia: 2, 3 sau 4 cifre - numărul de serie al dezvoltării acestui tip de pod. Al patrulea grup este o literă suplimentară care specifică parametrii, de obicei tensiunea maximă de funcționare. Exemple: KTs407, KTs405. Marcaje ale producătorilor străini

Producătorii străini nu au un marcaj standard pentru punțile de diode; fiecare producător atribuie în mod independent nume dispozitivelor sale. De exemplu, primele litere din marcajele diferiților producători pot fi DB, W, KBPC, MB, RC, QL și altele cu adăugarea de litere sau numere [17] .

Vezi și

Link -uri

Note

  1. http://docs.cntd.ru/document/1200006618 Copie de arhivă din 21 iulie 2020 la Wayback Machine GOST 2.730-73 Sistem unificat pentru documentația de proiectare. Denumirile grafice condiționate în scheme. Dispozitive semiconductoare.
  2. Un redresor cu jumătate de undă este un circuit pentru redresarea unui singur semiciclu al tensiunii AC de intrare. Într-un circuit monofazat, acesta este un circuit cu o diodă; într-un circuit în stea trifazat, este un circuit cu trei diode, fiecare dintre acestea fiind inclusă într-una dintre cele trei faze.
  3. Horowitz P., Hill W. The Art of Circuitry: In 2 Volumes = The Art of Electronics: Second Edition (© Cambridge University Press, 1980) / Per. din engleza. ed. M. V. Galperina, editori: N. V. Seregina, Yu. L. Evdokimova. - M . : Mir, 1983. - vol. 1: 568 p., vol. 2: 590 p. — 50.000 de exemplare.
  4. Excepție fac redresoarele de joasă tensiune de curent înalt, care sunt de obicei construite după o schemă alimentată de un transformator dintr-o înfășurare de mijloc pentru a crește eficiența.
  5. Brevet britanic 24398 Arhivat la 12 martie 2020 la Wayback Machine .
  6. (Graetz, 1897), p. 327 nota de subsol. . Preluat la 30 octombrie 2020. Arhivat din original la 8 martie 2021.
  7. (Redacție) (24 iunie 1897). „Ein neues Gleichrichter-Verfahren” [O nouă metodă de rectificare]. Elektrotechnische Zeitschrift [ germană ] ]. 18 (25): 359 și nota de subsol. Arhivat din original pe 08.03.2021 . Accesat 2020-10-30 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  8. Graetz, L. (1 mai 1897). „Electrochemisches Verfahren, um Wechselströme in Gleichströme zu verwandeln” [Metoda electrochimică de schimbare a curentului alternativ în curent continuu]. Sitzungsberichte der Mathematisch-Physikalischen Classe der Königlich Bayerischen Akademie der Wissenschaften zu München (Tranzacțiile claselor matematico-fizice ale Academiei Regale de Științe Bavareze din München) [ germană. ]. 27 :223-228.
  9. Graetz, L. (1897). „Electrochemisches Verfahren, um Wechselströme in Gleichströme zu verwandeln” [Metoda electrochimică de schimbare a curentului alternativ în curent continuu]. Annalen der Physik und Chemie . Seria a 3-a [ germană ] ]. 62 : 323-327. Arhivat din original pe 08.03.2021 . Accesat 2020-10-30 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  10. Graetz, Leu (22 iulie 1897). „Electrochemisches Verfahren, um Wechselströme in Gleichströme zu verwandeln” [Metoda electrochimică de schimbare a curentului alternativ în curent continuu]. Elektrotechnische Zeitschrift [ germană ] ]. 18 (29): 423-424. Arhivat din original pe 09.03.2021 . Accesat 2020-10-30 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  11. Strzelecki, R. Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks Arhivat 30 mai 2019 la Wayback Machine . Springer, 2008, p. 57.
  12. Circuitul de control al debitului Graetz . Arhivat din original pe 4 noiembrie 2013.
  13. Shustov M.A. Istoria energiei electrice. - M., Berlin: Direct-Media, 2019. - 568 p. — ISBN 978-5-4475-9841-9 .
  14. Bridge Rectifier Circuit - Electronics Basics . The Geek Pub . Preluat la 3 septembrie 2019. Arhivat din original la 27 noiembrie 2020.
  15. 1 2 3 4 Surse de alimentare pe dispozitivele semiconductoare. Proiectare si calcul. / Ed. Dodik S. D. și Galperin E. I .. - M . : Radio sovietică, 1969. - 448 p. - 55.000 de exemplare. copie.
  16. Aleksenko A. G., Kolombet E A., Starodub G. I. . - M . : Radio şi comunicare, 1981. - 224 p.
  17. Punți de diode importate .