Napięcie przemienne jest przesyłane z zakładu energetycznego do odbiorcy. Wynika to ze specyfiki transportu energii elektrycznej. Jednak większość domowych (i częściowo przemysłowych) odbiorników energii elektrycznej wymaga zasilania napięciem stałym. Wymaga to zastosowania konwerterów. W wielu przypadkach są one zbudowane według schematu "transformator step-down - prostownik - filtr wygładzający" (z wyjątkiem zasilacze impulsowe). Diody umieszczone w układzie mostka służą jako prostowniki.
Spis treści
Dlaczego mostek diodowy jest potrzebny i jak działa?
Mostek diodowy jest używany jako obwód prostowniczy, który przekształca napięcie zmienne w napięcie stałe. Działa ona na zasadzie przewodzenia jednokierunkowego, czyli właściwości diody półprzewodnikowej, która umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Pojedyncza dioda może również służyć jako najprostszy prostownik.
W związku z tym, strona ujemna (negatywny) fali sinusoidalnej jest "obcinana". Metoda ta ma wady:
- Kształt napięcia wyjściowego jest daleki od stałego, co wymaga zastosowania dużego i nieporęcznego kondensatora jako filtra wygładzającego;
- zasilacz sieciowy jest wykorzystywany najwyżej w połowie swojej mocy.
Prąd płynący przez obciążenie powtarza kształt napięcia wyjściowego. Dlatego lepiej jest zastosować prostownik o podwójnym okresie półokresowym w postaci mostka diodowego. Jeśli w powyższym obwodzie znajdują się cztery diody i podłączone jest obciążenie, to po podłączeniu napięcia zmiennego do wejścia urządzenie będzie działać w następujący sposób:
Gdy napięcie jest dodatnie (górna część sinusoidy, czerwona strzałka), prąd przepływa przez diodę VD2, obciążenie, VD3. Przy ujemnym napięciu (dolna część sinusoidy, zielona strzałka) przez diodę VD4, obciążenie, VD1. W rezultacie w jednym okresie prąd przepływa przez obciążenie dwukrotnie w tym samym kierunku.
Kształt napięcia wyjściowego jest znacznie bardziej zbliżony do linii prostej, choć poziom tętnień jest dość wysoki. Moc źródła jest w pełni wykorzystana.
Jeżeli dostępne jest źródło napięcia trójfazowego o wymaganej amplitudzie, można w ten sposób wykonać mostek:
Na obciążeniu zostaną ułożone trzy prądy, powtarzające kształt napięcia wyjściowego, z przesunięciem fazowym o 120 stopni:
Napięcie wyjściowe będzie zakreślać wierzchołki sinusoidy. Widać, że napięcie pulsuje znacznie słabiej niż w obwodzie jednofazowym, a jego kształt jest bliższy linii prostej. W tym przypadku pojemność filtra wygładzającego będzie minimalna.
Innym wariantem mostu jest most sterowany. W tym przypadku dwie diody zostały zastąpione tyrystorami, czyli urządzeniami elektronicznymi, które otwierają się po podaniu sygnału na elektrodę sterującą. W stanie otwartym tyrystory zachowują się prawie jak zwykłe diody. Układ ma następującą postać:
Sygnały przełączające są dostarczane przez obwód sterujący w ustalonych momentach czasu, wyłączenie następuje w chwili, gdy napięcie przechodzi przez zero. Napięcie jest następnie uśredniane na kondensatorze i można sterować tym uśrednianiem.
Oznaczenie mostka diodowego i schemat połączeń
Ponieważ mostki diodowe mogą być budowane według różnych schematów i składają się z niewielu elementów, w większości przypadków zespół prostownikowy można zidentyfikować po prostu na podstawie schematu ideowego. Jeśli jest to niedopuszczalne, np. w przypadku schematu blokowego, mostek jest oznaczany symbolem używanym dla przetwornika prądu przemiennego na prąd stały:
Znak "~" oznacza Obwody prądu przemiennegoSymbol "=" oznacza obwody prądu stałego, a "+" i "-" - polaryzację wyjścia.
Jeśli prostownik jest oparty na klasycznym układzie mostka czterodiodowego, można go przedstawić w nieco uproszczony sposób:
Wejście zespołu prostownika jest podłączone do zacisków wyjściowych źródła prądu zmiennego (w większości przypadków jest to transformator step-down) bez zachowania polaryzacji - dowolny zacisk wyjściowy jest podłączony do dowolnego zacisku wejściowego. Wyjście mostka jest podłączone do obciążenia. Może to wymagać polaryzacji lub nie (w tym stabilizator, filtr wygładzający).
Mostek diodowy może być podłączony do źródła napięcia stałego. W takim przypadku tworzony jest obwód zabezpieczający przed niezamierzonym odwróceniem polaryzacji - jakiekolwiek połączenie wejść mostka z wyjściem zasilacza nie spowoduje odwrócenia polaryzacji napięcia na jego wyjściu.
Główne cechy techniczne
Przy wyborze diod lub mostka należy najpierw zwrócić uwagę na następujące kwestie Najwyższy prąd roboczy w przód. Musi on być większy niż prąd obciążenia. Jeżeli wartość ta jest nieznana, a moc jest znana, należy ją przeliczyć na prąd, korzystając ze wzoru Inagr=Pnagr/Uf. Aby zwiększyć dopuszczalny prąd, półprzewodniki można łączyć równolegle - największy prąd obciążenia dzielony przez liczbę diod. Diody w jednej gałęzi mostka w tym przypadku lepiej wybrać na podstawie zbliżonej wartości spadku napięcia w stanie otwartym.
Drugim ważnym parametrem jest napięcie w przódDrugim ważnym parametrem jest napięcie wejściowe, do którego przenoszenia mostek lub jego elementy zostały zaprojektowane. Nie może być ono niższe niż napięcie wyjściowe źródła prądu przemiennego (wartość amplitudy!). Aby zapewnić niezawodne działanie urządzenia, wymagany jest margines 20-30%. Aby zwiększyć dopuszczalne napięcie, diody można połączyć szeregowo - w każdym z ramion mostka.
Te dwa parametry są wystarczające do podjęcia wstępnej decyzji o zastosowaniu diod w urządzeniu prostowniczym, ale należy zwrócić uwagę na kilka innych cech:
- maksymalna częstotliwość pracy - wynosi zwykle kilka kiloherców i przy pracy z częstotliwością przemysłową 50 lub 100 Hz nie ma znaczenia, ale jeśli dioda ma pracować w obwodzie impulsowym, parametr ten może mieć decydujące znaczenie;
- Spadek napięcia w stanie otwartym Spadek napięcia w stanie otwartym diod krzemowych wynosi około 0,6 V, co nie jest istotne dla napięcia wyjściowego np. 36 V, ale może być krytyczne przy pracy poniżej 5 V - w takim przypadku należy wybrać diody Schottky'ego, które charakteryzują się niską wartością tego parametru.
Rodzaje mostków diodowych i ich oznaczenia
Mostek diodowy może być zbudowany z diod dyskretnych. Aby zachować polaryzację, należy zwrócić uwagę na oznaczenia. W niektórych przypadkach oznaczenie w postaci rysunku jest umieszczane bezpośrednio na korpusie przyrządu półprzewodnikowego. Jest to charakterystyczne dla produktów wytwarzanych w kraju.
Urządzenia zagraniczne (i wiele współczesnych rosyjskich) są oznaczone kropką lub pierścieniem. W większości przypadków anoda jest oznaczona w ten sposób, ale nie ma na to gwarancji. Najlepiej skorzystać z książki referencyjnej lub użyć testera.
Mostek można wykonać z zespołu - cztery diody są połączone w jednej obudowie, a połączenie zacisków można wykonać przewodami zewnętrznymi (np. na płytce drukowanej). Zespoły mogą się różnić, dlatego w celu uzyskania informacji o prawidłowym połączeniu należy zapoznać się z kartami katalogowymi.
Na przykład zespół diodowy BAV99S z 4 diodami, ale tylko 6 pinami, ma wewnątrz połączone dwa półmostki (kropka na obudowie w pobliżu pinu 1):
Aby uzyskać pełny mostek, należy połączyć odpowiednie piny zewnętrznymi przewodnikami (na czerwono pokazano układ ścieżek w przypadku korzystania z okablowania obwodu drukowanego):
W tym przypadku napięcie zmienne jest podłączone do styków 3 i 6. Dodatni biegun prądu stałego jest pobierany z pinu 5 lub 2, a biegun ujemny z pinu 4 lub 1.
Najprostszą opcją jest montaż z gotowym mostem w środku. Produktami krajowymi mogą być KTs402, KTs405, są też mostki produkcji zagranicznej. W wielu przypadkach oznaczenie zacisków jest nanoszone bezpośrednio na obudowę, a zadanie sprowadza się jedynie do właściwego doboru zgodnie z charakterystyką i bezbłędnego połączenia. Jeśli nie ma zewnętrznego oznaczenia zacisków, należy skorzystać z instrukcji obsługi.
Zalety i wady
Zalety mostków diodowych są dobrze znane:
- dziesiątki lat sprawdzonych układów;
- Łatwy montaż i podłączenie;
- łatwa diagnostyka usterek i łatwa naprawa.
Wadą jest zwiększanie rozmiarów i masy obwodu wraz ze wzrostem mocy, a także konieczność stosowania radiatorów dla diod o dużej mocy. Ale nic się na to nie poradzi - fizyki nie da się oszukać. Gdy te warunki stają się nie do zaakceptowania, należy podjąć decyzję o przejściu do obwodu zasilacza impulsowego. Przy okazji można w nim zastosować mostkowe połączenie diod.
Należy również zauważyć, że kształt napięcia wyjściowego jest daleki od stałego. Do pracy z odbiornikami o wymaganiach dotyczących stabilności napięcia zasilającego konieczne jest zastosowanie mostka wraz z filtrami wygładzającymi oraz, w razie potrzeby, stabilizatorami na wyjściu.
Powiązane artykuły:
