Устройство и работа выпрямительного диода. Диодный мост.

Несмотря на то что в бытовых розетках, как известно, присутствует переменное напряжение величиной 220 В, подавляющее большинство электронных приборов требует намного меньших значений. Более того, это питание должно осуществляться не переменным, а постоянным током. Именно поэтому практически каждый бытовой прибор имеет в составе своей схемы выпрямитель — диодный мост.

Что такое диодный мост и из каких элементов он состоит

Диодный мост в схемах, применяемых в сетях с однофазным напряжением, состоит из четырех диодов, представляющих собой полупроводниковый элемент с одним p-n переходом. Ток в таком полупроводнике проходит только в одном направлении при подключении анода к плюсу источника, а катода – к минусу. Если подключение будет обратным, ток закрывается. Диодный мост для трехфазного электрического тока отличается наличием шести диодов, а не четырех. Существенные различия в принципе работы между мостовыми схемами для однофазных и трехфазных сетей отсутствуют.

Устройство диода

Диод Шоттки – еще один вид полупроводниковых элементов, используемых в диодных мостах. Его основным отличием является переход металл-полупроводник, называемый «барьером Шоттки». Как и переход p-n, он обеспечивает проводимость в одну сторону. Для изготовления устройств Шоттки применяют арсенид галлия, кремний и металлы: золото, платину, вольфрам, палладий. При приложении небольших напряжений – до 60 В – диод Шоттки отличается малым падением напряжения на переходе (не более 0,4 В) и быстродействием. При бытовом напряжении 220 В он ведет себя как обычный кремниевый выпрямительный полупроводник. Сборки из таких полупроводниковых устройств часто устанавливаются в импульсных блоках питания.

История изобретения

В 1873 году английский учёный Фредерик Гутри разработал принцип работы вакуумных ламповых диодов с прямым накалом. Уже через год в Германии физик Карл Фердинанд Браун предположил похожие свойства в твердотельных материалах и изобрел точечный выпрямитель.

В начале 1904 года Джон Флеминг создал первый полноценный ламповый диод. В качестве материала для его изготовления он использовал оксид меди. Диоды начали широко использоваться в радиочастотных детекторах. Изучение полупроводников привело к тому, что в 1906 году Гринлиф Виттер Пиккард изобрел кристаллический детектор.

В середине 30-х годов XX века основные исследования физиков были направлены на изучение явлений, проходящих на границе контакта металл-полупроводник. Их результатом стало получение слитка кремния, обладающего двумя типами проводимости. Изучая его, в 1939 году американский учёный Рассел Ол открыл явление, названное позже p-n переходом. Он установил, что в зависимости от примесей, существующих на границе соприкосновения двух полупроводников, изменяется приводимость. В начале 50-х годов инженеры компании Bell Telephone Labs разработали плоскостные диоды, а уже через пять лет в СССР появились диоды на основе германия с переходом менее 3 см.

Изобретателем же схемы выпрямительного моста считается электротехник из Польши Карол Поллак. Позже в журнале Elektronische Zeitung опубликовали результаты исследований Лео Гретца, поэтому в литературе можно встретить и другое название диодного моста — схема или мост Гретца.

Как работает диодный мост: для чайников, просто и коротко

На вход диодного моста подается переменный ток, полярность которого в бытовой электросети меняется с частотой 50 Гц. Диодная сборка «срезает» часть синусоиды, которая для прибора «является» обратной, и меняет ее знак на противоположный. В результате на выходе к нагрузке подается пульсирующий ток одной полярности.

Обозначение диодного моста на схеме

Частота этих пульсаций в 2 раза превышает частоту колебаний переменного тока и равна в данном случае 100 Гц.

Работа диодного моста

На рисунке а) изображена обычная синусоида напряжения переменного тока. На рисунке б) – срезанные положительные полуволны, полученные при использовании выпрямительного диода, который пропускает через себя положительную полуволну и запирается при прохождении отрицательной полуволны. Как видно из схемы, одного диода для эффективной работы недостаточно, поскольку «срезанная» отрицательная часть полуволн теряется и мощность переменного тока снижается в 2 раза. Диодный мост нужен для того, чтобы не просто срезать отрицательную полуволну, а поменять ее знак на противоположный. Благодаря такому схемотехническому решению, переменный ток полностью сохраняет мощность. На рисунке в) – пульсирующее напряжение после прохождения тока через диодную сборку.

Пульсирующий ток строго назвать постоянным нельзя. Пульсации мешают работе электроники, поэтому для их сглаживания после прохождения диодного моста в схему нужно включить фильтры. Простейший тип фильтра – электролитические конденсаторы значительной емкости.

На печатных платах и принципиальных схемах диодный мост, в зависимости от того, как он устроен (отдельные элементы или сборка), может обозначаться по-разному. Если он состоит из отдельно впаянных диодов, то их обозначают буквами VD, рядом с которыми указывают порядковый номер – 1-4. Буквами VDS обозначают сборки, иначе –VD.

Выбор типа сборки

Использование выпрямительного моста вместо четырех диодов не только существенно упрощает сборку, но и делает конструкцию более компактной. Принцип выбора типа сборки тот же — по напряжению, току и частоте. Чтобы определить, подойдет ли, к примеру, сборка КЦ402Г, фото и схема которого приведены выше, нужно обратиться к справочнику. В нём указаны следующие характеристики моста:

• максимальное обратное напряжение диодов — 300 В;
• прямой ток всей сборки — 1 А;
• граничная частота — 5 кГц.

Мостик подходит, но микросборка будет работать на пределе своих возможностей по току. Для обеспечения надежности схемы лучше использовать более мощный прибор. Например, мост КЦ409А на ток 3 А или КЦ409И на 6 А.

Чем можно заменить диодный мост-сборку

Вместо диодного моста, собранного в одном корпусе, можно впаять в схему 4 кремниевых выпрямительных диода или 4 полупроводника Шоттки. Однако вариант диодной сборки более эффективен, благодаря:

• меньшей площади, занимаемой сборкой на схеме;
• упрощению работы сборщика схемы;
• единому тепловому режиму для всех четырех полупроводниковых устройств.

Различные варианты сборки диодного моста

У такого схемотехнического решения есть и минус – в случае выхода из строя хотя бы одного полупроводника придется заменять всю сборку.

Устройство выпрямителя и схема подключения

Минус диодных сборок в том, что если выходит из строя хотя бы один диод, то менять её придётся полностью. Это выход выпрямленного, пульсирующего напряжения тока. Он максимально передаёт габаритную мощность трансформатора.

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.

Обозначение и маркировка

Условно-графическое обозначение полупроводникового моста на принципиальных электрических схемах выглядит как ромб, из вершин которого выходят прямые короткие линии, символизирующие выводы. Каждый вывод подписывается знаком, соответствующим виду сигнала. Так, плюсом обозначается положительный выход, минусом — отрицательный, а тильдой — входы для подачи переменного сигнала. В середине ромба может как изображаться выпрямительный диод, так и нет.

В литературе, различных спецификациях и на схемах устройство подписывается латинскими символами VDS, после которых ставится арабская цифра, обозначающая порядковый номер. В иностранной литературе можно также встретить обозначение BDS. Стандарта для маркировки мостов не существует. Каждый производитель обозначает свою продукцию, как хочет, согласно своей системе.

Если внимательно изучить различные обозначения, то можно проследить тенденцию в маркировке, нанесённой на корпус прибора. На ней почти всегда присутствуют данные о его основных характеристиках. То есть указывается максимальный ток или рабочее напряжение. Например, DB151S — первые две цифры обозначают ток 1,5 А, а вторая напряжение согласно таблице, в этом случае 50 В.

Отечественные изделия классифицируются по-другому. Сам мост обозначается буквой «Ц», стоящее за ней число обозначает материал, а последующие цифры номер разработки. Например, популярный мостик у радиолюбителей выдерживающий обратное напряжение до 400 В, маркируется как КЦ407А.

Чем заменить диодный мост в генераторе

В большинстве моделей авто- и мототехники мостовые сборки впаивают в алюминиевый радиатор, поэтому в случае выхода из строя их придется выпаивать и выпрессовывать из радиаторной пластины и заменять на новый. Поскольку это довольно сложная процедура, лучше избегать возникновения факторов, из-за которых сгорает диодный мост. Наиболее часто встречающиеся причины этой проблемы:

• на плату попала жидкость;
• грязь вместе с маслом проникла к полупроводникам и вызвала короткое замыкание;
• изменение положения полюсов контактов на АКБ.

Самостоятельное изготовление

Выпрямительные однофазные мосты обычно не являются дефицитными радиодеталями, поэтому их можно купить и выбрать по необходимым параметрам практически в любом радиомагазине. Но не всегда есть на это время, поэтому нужный мост можно собрать и своими руками. Для этого понадобится подготовить:

1. Четыре одинаковых по своим характеристикам диода. Можно в принципе брать и любые, но следует понимать, что общие параметры моста будут определяться самым слабым элементом.
2. Монтажный провод.
3. Паяльник.
4. Пинцет.
5. Флюс и припой.
6. Бокорезы.
7. Электрическую схему диодного моста выпрямителя.

После того как всё подготовлено, на первом этапе залуживают выводы диодов. Для этого ножки радиоэлементов смазываются флюсом, и на них с помощью разогретого паяльника переносится олово, образующее тонкий слой. На следующем этапе диоды соединяются согласно схеме.

Для этого необходимо знать, где у элемента катод, а где анод. На схеме аноду соответствует вершина треугольника, а катоду — основание. На самом же элементе обозначается только анод. Это может быть полоска, точка или условно-графическое обозначение, смещённое к одному из выводов.

Затем берутся два элемента, и анод одного соединяется с катодом другого. Аналогичное действие повторяется и для оставшихся элементов. В итоге получается пара, каждая из которых состоит из двух диодов. Далее, между собой спаиваются катоды, а поле — аноды. После того как диоды соединены к точкам пайки, подсоединяются проводники, формирующие выводы устройства. На последнем этапе конструкция проверяется с помощью мультиметра.

Использование операционных усилителей

Как известно, у диодов вольтамперная характеристика нелинейная, создавая однофазный прецизионный (высокоточный) выпрямитель двухполупериодного типа на микросхеме ОУ, можно существенно снизить погрешность. Помимо этого, имеется возможность создать преобразователь, позволяющий стабилизировать ток на нагрузке. Пример схемы такого устройства показан ниже.

На рисунке изображен простейший стабилизатор тока. Используемый в нем ОУ – это управляемый по напряжению источник. Такая реализация позволяет добиться, чтобы ток на выходе преобразователя не зависел от потери напряжения на нагрузке Rн и диодном мосту D1-D4.

Если требуется стабилизация напряжения, схему преобразователя можно незначительно усложнить, добавив в нее стабилитрон. Он подключается параллельно сглаживающей емкости.

Кратко об управляемых преобразователях

Нередко требуется управлять напряжением на выходе преобразователя, не изменяя входное. Для этой цели наиболее оптимальным будет применение управляемых вентилей, пример такой реализации показан ниже.

Как организовать двухполярное питание

Сочетая балансную схему и мостовую, можно получить преобразователь, который будет давать на выходе двухполярное питание с общей (нулевой) точкой. Причем, для одного она будет отрицательной, а для другого – положительной. Такие устройства широко применяются в БП для цифровой радиотехнике.

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2 и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. Как мы увидим далее, у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую ( в этом при желании можно усмотреть проявление одного из диалектических законов – развитие по спирали).

Проверка радиоприбора

Чтобы проверить мост, понадобится взять цифровой прибор и переключить его в режим прозвонки диодов. На мультиметре этот режим соответствует символу диода. К тестеру подключается щуп чёрного цвета в гнездо COM, а красного в V/Ω. Суть проверки заключается в прозвонке переходов. Если за вывод № 1 принять положительный электрод устройства, за № 2 и 3 — входы для переменного сигнала, а за № 4 — отрицательный выход, то тестирование можно выполнить в следующем порядке:

1. Чёрным щупом дотрагиваются до первого вывода, а красным до третьего. На экране тестера должно загореться трёхзначное число, обозначающее сопротивление перехода. При смене полярности на табло должна появиться единица (бесконечность).
2. Красным щупом дотрагиваются до третьего вывода, а чёрным — до четвёртого. Тестер должен показать бесконечность, а при смене полярности должно появиться трёхзначное число.
3. К первой ноге подключается чёрный провод, а ко второй — красный. Прибор должен показать сопротивление перехода, при смене полярности — обрыв.
4. К третьему выводу подключается красный провод, к четвёртому — чёрный. Переход звониться не должен. При смене положения проводов тестер должен показать сопротивление.

Вам это будет интересно Расчет сопротивления контура заземления в частных домах

Если все четыре пункта выполняются, то можно считать, что выпрямитель собран правильно и находится в работоспособном состоянии. При этом таким способом можно проверить любой полупроводниковый мост.

Выпрямитель

Полученное после диодного моста напряжение имеет форму синусоиды, у которой отрицательная составляющая отражена относительно оси времени. Проще говоря, оно имеет форму холмов и называется пульсирующим. Такое напряжение положительное. Не содержит моментов, когда ток не течёт. Но всё же оно нестабильное. Например, в точке «a» оно рано 0 вольт, а в «b» – имеет максимальное значение. Данный выпрямитель нельзя считать законченным.

Для решения этой проблемы требуется сглаживающий электролитический конденсатор. На плате он обычно располагается там же, где и диодная сборка. Ёмкость накапливает энергию в те моменты, когда она имеет пиковые значения (точка b), и отдаёт её в моменты провалов (a). На выходе получается прямая линия – полноценный постоянный ток, пригодный для питания последующих электронных компонентов, процессоров, микросхем и т.п.

Простейший выпрямитель

Рисунок 2. Характеристики тока в различных схемах.

Ток, протекающий в обычной осветительной сети, является переменным. Его величина и направление меняются 50 раз в течение одной секунды. График зависимости его напряжения от времени показан на рис. 2а. Красным цветом показаны положительные полупериоды, синим ? отрицательные.

Поскольку величина тока изменяется от нуля до максимального (амплитудного) значения, вводится понятие действующего значения тока и напряжения. Например, в осветительной сети действующее значение напряжения 220 В ? во включенном в эту сеть нагревательном приборе за одинаковые промежутки времени выделяется столько же тепла, сколько в том же устройстве, в цепи постоянного тока напряжением 220 В.

Но на самом деле напряжение в сети меняется за 0,02 с следующим образом:

• первую четверть этого времени (периода) ? увеличивается от 0 до 311 В,
• вторую четверть периода ? уменьшается от 311 В до 0,
• третью четверть периода ? уменьшается от 0 до 311 В,
• последнюю четверть периода ? возрастает от 311 В до 0.

В этом случае 311 В ? амплитуда напряжения Uо. Амплитудное и действующее (U) напряжения связаны между собой формулой:

При включении в цепь переменного тока последовательно соединенных диода (VD) и нагрузки (рис. 2б), ток через нее протекает только во время положительных полупериодов (рис. 2в). Происходит это благодаря односторонней проводимости диода. Называется такой выпрямитель однополупериодным ? одну половину периода ток в цепи есть, во время второй ? отсутствует.

Ток, протекающий через нагрузку в таком выпрямителе, не постоянный, а пульсирующий. Превратить его практически в постоянный можно, включив параллельно нагрузке конденсатор фильтра Cф достаточно большой емкости. В течение первой четверти периода конденсатор заряжается до амплитудного значения, а в промежутках между пульсациями разряжается на нагрузку. Напряжение становится почти постоянным. Эффект сглаживания тем сильнее, чем больше емкость конденсатора.

Принцип действия двухполупериодной схемы

Рассмотрим два варианта реализации двухполупериодного преобразователя (выпрямителя): балансный и мостовой. Схема первого показана на рисунке ниже.

Используемые элементы:

• Tr – трансформатор, у которого имеются две одинаковые вторичные обмотки (или одна с отводом по середине);
• DV1 и DV2 – вентили (диоды);
• Cf – емкостной фильтр;
• Rn – сопротивление нагрузки.

Приведем сразу для наглядности осциллограмму в контрольных точках.

• U1 – осциллограмма на входе;
• U2 – график перед емкостным фильтром;
• Un – диаграмма на выходе устройства.

Данная схема – это два совмещенных однополупериодных преобразователя, то есть на два раздельных источника приходится одна общая нагрузка. Результат работы такого устройства наглядно демонстрирует график U2. Из него видно, что в процессе используются оба полупериода, что и дало название этим преобразователям.

Осциллограмма наглядно демонстрирует преимущества такого устройства, а именно, следующие факты:

• частота пульсаций на выходе устройства удваивается;
• уменьшение «провалов» между импульсами допускает использование меньшей фильтрующей емкости;
• двухтактный преобразователь обладает большим КПД, чем однополупериодный.

Теперь рассмотрим мостовой тип, он изображен на рисунке ниже.

Осциллограмма устройства мостового типа практически не отличается от балансного, поэтому приводить ее нет смысла. Основное преимущество такой схемы – нет необходимости использовать более сложный трансформатор.

Видео: Двухполупериодный выпрямительный мост

Преобразователи, где используется полупроводниковый диодный мост, широко применяются как в электротехнике (например, в аппаратах для сварки, где номинальный ток может доходить до 500 ампер), так и радиоэлектронике, в качестве источника для слаботочных цепей.

Заметим, что помимо полупроводниковых можно использовать и вакуумные диоды – кенотроны (ниже показан пример схемы такого устройства).

Собственно, представленная схема – это классическая реализация балансного преобразователя двухполупериодного типа. На сегодняшний день вакуумные диоды практически не применяются, их заменили полупроводниковые аналоги.

Однополупериодный преобразователь

Ниже приведена типичная схема подобного устройства с минимумом элементов.

Читать также: Регулировка подачи масла на бензопиле штиль

Обозначения:

• Tr – трансформатор;
• DV- вентиль (диод);
• Cf – емкость (играет роль сглаживающего фильтра);
• Rn – подключенная нагрузка.

Теперь рассмотрим осциллограмму в контрольных точках U1, U2 и Un.

Пояснение:

• в контрольной точке U1 отображается диаграмма снятая на входе устройства;
• U2 – диаграмма перед емкостным сглаживающим фильтром;
• Un – осциллограмма на нагрузке.

Временная диаграмма наглядно показывает, что после вентиля (диода) выпрямленное напряжение представляется в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. Когда происходит такой импульс, накапливается заряд емкостного фильтра, который разряжается во время отрицательного полупериода, это позволяет несколько сгладить пульсации.

Недостатки такой схемы очевидны – это низкий КПД, в следствии высокого уровня пульсаций. Но несмотря на это, устройства такого типа находят свое применение в цепях с низким токопотреблением.

Как реализовать удвоение напряжения

Ниже представлена схема, позволяющая получить на выходе устройства напряжение, вдвое выше исходного.

Для такого устройства характерно, что два конденсатора заряжаются в разные полупериоды, а поскольку они расположены последовательно, то, по итогу, на «Rn» суммарное напряжение будет вдвое выше, чем на входе.

В преобразователе с таким умножителем можно применять трансформаторы с меньшим напряжением вторичной обмотки.