Usměrnění diody: půlvlna, plná vlna, PIV

V elektronice je usměrnění proces, při kterém usměrňovací dioda převádí střídavý vstupní signál střídavého celého cyklu na výstupní signál stejnosměrného proudu v polovině cyklu.

Jedna dioda produkuje poloviční vlnovou usměrnění a síť 4 diod zajišťuje úplnou vlnovou opravu

V tomto příspěvku budeme analyzovat jak polovodičové, tak i plnovlnné diodové usměrňovací procesy a další vlastnosti pomocí časově proměnných funkcí, jako je sinusová vlna a čtvercová vlna. To znamená prostřednictvím napětí a proudů, které mění svou velikost a polaritu s ohledem na čas.

Diodu budeme považovat za ideální diodu ignorováním toho, zda jde o křemíkovou diodu nebo germanium, abychom minimalizovali komplikace ve výpočtech. Diodu budeme považovat za standardní usměrňovací diodu se standardními usměrňovacími schopnostmi.

Poloviční vlnová náprava

Nejjednodušší diagram ukazující časově proměnný signál aplikovaný na diodu je uveden v následujícím diagramu:

Zde vidíme průběh střídavého proudu, kde perioda T znamená jeden celý cyklus průběhu, což je průměrná hodnota nebo algebraický součet částí nebo hrbů nad a pod střední osou.

Tento typ obvodu, ve kterém je aplikována jedna usměrňovací dioda s časově proměnným vstupem sinusového střídavého signálu pro generování stejnosměrného výstupu, který má poloviční hodnotu vstupu se nazývá půlvlnný usměrňovač . Dioda se v tomto obvodu označuje jako usměrňovač.

Po dobu mezi t = 0 → T / 2 křivky střídavého proudu vytváří polarita napětí vi „tlak“ ve směru, jak je znázorněno na následujícím obrázku. To umožňuje diodě sepnout a vést s polaritou, jak je uvedeno těsně nad symbolem diody.

Vzhledem k tomu, že dioda plně vede, nahrazením diody zkratem se vytvoří výstup, jak je znázorněno na obrázku vpravo nahoře.

Bezpochyby se vygenerovaný výstup jeví jako přesná replikace aplikovaného vstupního signálu nad střední osou tvaru vlny.

Během periody T / 2 → T se polarita vstupního signálu vi stává zápornou, což způsobí vypnutí diody, což má za následek ekvivalent otevřeného obvodu přes svorky diody. Z tohoto důvodu náboj není schopen protékat diodovou cestou během období T / 2 → T, což způsobí, že vo bude:

vo = iR = 0R = 0 V (pomocí Ohmova zákona). Odpověď lze vizualizovat v následujícím diagramu:

V tomto diagramu vidíme, že stejnosměrný výstup Vo z diody vytváří čistou průměrnou kladnou oblast nad osou pro celý vstupní cyklus, který lze určit podle vzorce:

Vdc = 0,318 Vm (půlvlna)

Vstupní napětí vi a výstupní napětí během procesu usměrnění půlvlny diody jsou uvedeny na následujícím obrázku:

Z výše uvedených diagramů a vysvětlení můžeme definovat půlvlnovou opravu jako proces, při kterém je polovina vstupního cyklu eliminována diodou na svém výstupu.

Použití křemíkové diody

Pokud se jako usměrňovací dioda použije křemíková dioda, protože má charakteristiku poklesu dopředného napětí VT = 0,7 V, generuje oblast předpětí, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

VT = 0,7 V znamená, že nyní musí být vstupní signál alespoň 0,7 V, aby se zajistilo úspěšné zapnutí diody. V případě, že je vstupní VT menší než 0,7 V, jednoduše se nezapne dioda a dioda bude i nadále v režimu otevřeného obvodu s Vo = 0 V.

Zatímco dioda vede během procesu usměrňování, generuje stejnosměrný výstup, který nese pevnou úroveň napětí pro napěťový rozdíl vo - vi, rovnou výše diskutovanému dopřednému poklesu 0,7 V. Tuto pevnou úroveň můžeme vyjádřit následujícím vzorcem:

vo = vi - VT

To způsobí snížení průměrného výstupního napětí nad osou, což způsobí mírné čisté snížení usměrněného výstupu z diody.

S odkazem na výše uvedený obrázek, považujeme-li Vm (špičková úroveň signálu) za dostatečně vysokou než VT, takže Vm >> VT, můžeme docela přesně vyhodnotit průměrnou hodnotu stejnosměrného výstupu z diody pomocí následujícího vzorce.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Přesněji řečeno, pokud je vstupní střídavý proud dostatečně vysoký než VT (dopředný pokles) diody, můžeme jednoduše použít předchozí vzorec pro odhad usměrněného stejnosměrného výstupu z diody:

Vdc = 0,318 Vm

Vyřešený příklad pro usměrňovač Half Bridge

Problém:

Vyhodnoťte výstup vo a zjistěte stejnosměrnou velikost výstupu pro návrh obvodu zobrazený níže:

Řešení: U výše uvedené obvodové sítě se dioda zapne pro zápornou část vstupního signálu a vo bude podle následujícího náčrtu.

Po celou dobu vstupního střídavého cyklu bude stejnosměrný výstup:

Vdc = 0,318Vm = - 0,318 (20 V) = - 6,36 V

Záporné znaménko označuje polaritu výstupního stejnosměrného proudu, která je opačná k znaménku uvedenému na obrázku pod problémem.

Problém č. 2: Vyřešte výše uvedený problém vzhledem k tomu, že dioda je křemíková dioda.

V případě křemíkové diody by výstupní křivka vypadala takto:

A výstupní DC lze vypočítat, jak je vysvětleno níže:

Vdc ≅ - 0,318 (Vm - 0,7 V) = - 0,318 (19,3 V) ≅ - 6,14 V

Pokles výstupního stejnosměrného napětí v důsledku faktoru 0,7 V je kolem 0,22 V nebo přibližně 3,5%

Full-Wave Rectification

Pokud je jako vstup pro usměrnění použit střídavý sinusový signál, lze pomocí stejnosměrného usměrňovacího procesu zlepšit stejnosměrný výstup na 100%.

Nejznámější a nejsnadnější způsob, jak toho dosáhnout, je použití 4-diody můstkový usměrňovač síť, jak je uvedeno níže.

Když kladný vstupní cyklus postupuje periodou t = 0 až T / 2, polarita vstupního střídavého signálu přes diodu a výstup z diody jsou uvedeny níže:

Zde vidíme, že díky speciálnímu uspořádání diodové sítě v můstku, když se chovají D2, D3, zůstávají opačné diody D1, D4 obrácené předpjaté a ve vypnutém stavu.

Čistý výstupní stejnosměrný proud generovaný z tohoto procesu nápravy prostřednictvím D2, D3 je vidět na výše uvedeném diagramu. Protože jsme si představili, že diody jsou ideální, výstup je vo = vin.

Nyní podobně pro záporný poloviční cyklus vstupních signálních diod D1, D4 a diod D2, D3 přejde do stavu VYPNUTO, jak je znázorněno níže:

Jasně vidíme, že výstup z můstkového usměrňovače převedl pozitivní i negativní poloviční cykly vstupního střídavého proudu na dva stejnosměrné poloviční cykly nad střední osou.

Protože tato oblast nad osou je nyní dvakrát větší než oblast získaná pro půlvlnovou nápravu, výstupní stejnosměrný proud se také stane dvojnásobnou velikostí, jak je vypočítáno pomocí následujícího vzorce:

Vdc = 2 (0,318Vm)

nebo

Vdc = 0,636Vm (plná vlna)

Jak je znázorněno na výše uvedeném obrázku, pokud se místo ideální diody použije křemíková dioda, použití Kirchhoffova napěťového zákona nad vodivým vedením nám poskytne následující výsledek:

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

Špička výstupního napětí vo proto bude:

Vomax = Vm - 2VT

V situaci, kdy V >> 2VT, můžeme použít naši dřívější rovnici k získání průměrné hodnoty s přiměřeně vysokou mírou přesnosti:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Ještě jednou, pokud máme Vm výrazně vyšší než 2VT, lze 2VT jednoduše ignorovat a rovnici lze vyřešit jako:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (špičkové inverzní napětí)

Špičkové inverzní napětí nebo (PIV) jmenovitý proud, který se také někdy nazývá špičkové reverzní napětí (PRV) diody, se stává rozhodujícím parametrem při navrhování obvodů usměrňovače.

V zásadě nesmí být překročen rozsah napětí s obráceným zkreslením diody, jinak by se dioda mohla rozpadnout přechodem do oblasti zvané zenerova lavinová oblast.

Použijeme-li Kirchhoffův zákon napětí na polovodičový usměrňovací obvod, jak je znázorněno níže, jednoduše to vysvětluje, že PIV hodnocení diody musí být vyšší než špičková hodnota napájecího vstupu použitého pro vstup usměrňovače.

U plně můstkového usměrňovače je výpočet hodnocení PIV stejný jako u polovodičového usměrňovače, tj.:

PIV ≥ Vm, protože Vm je celkové napětí aplikované na připojenou zátěž, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Vyřešené příklady pro síť Full Bridge Rectifier

Určete výstupní vlnovou křivku pro následující diodovou síť a také pro každou diodu v síti vypočítejte výstupní stejnosměrnou úroveň a bezpečný PIV.

Řešení: Pro kladný poloviční cyklus by se obvod choval tak, jak je znázorněno v následujícím diagramu:

Pro lepší pochopení to můžeme překreslit následujícím způsobem:

Here, ve = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (max) = 1/2 (10 V) = 5 V

U záporného polovičního cyklu může být vodivá role diod zaměněna, což vytvoří výstup vo, jak je znázorněno níže:

Absence dvou diod v můstku má za následek snížení stejnosměrného výstupu o velikost:

Vdc = 0,636 (5 V) = 3,18 V

To je totéž, co bychom získali z polovičního můstkového usměrňovače se stejným vstupem.

PIV se bude rovnat maximálnímu napětí generovanému napříč R, které je 5 V, nebo polovině napětí potřebného pro poloviční vlnu usměrněnou se stejným vstupem.