Diodna rektifikacija: polvalna, polnovalna, PIV

V elektroniki je rektifikacija postopek, pri katerem usmerniška dioda pretvori izmenični vhodni signal AC v polnem ciklu v polkrožni izhodni DC signal.

Ena dioda proizvaja polvalno usmeritev, mreža 4 diod pa polnopravno usmeritev

V tem prispevku bomo analizirali tako polvalne kot polnovalne postopke rektifikacije diod ter druge lastnosti s časovno različnimi funkcijami, kot sta sinusni in kvadratni val. Pomen skozi napetosti in tokove, ki spreminjajo svojo velikost in polarnost glede na čas.

Diodo bomo imeli za idealno diodo, če ne upoštevamo, ali gre za silicijevo diodo ali germanij, da zmanjšamo zaplete pri izračunih. Diodo bomo imeli za običajno usmerniško diodo s standardnimi sposobnostmi rektifikacije.

Polvalni popravek

Najenostavnejši diagram, ki prikazuje časovno spremenljiv signal, ki se nanaša na diodo, je prikazan v naslednjem diagramu:

Tu lahko vidimo AC valovno obliko, kjer obdobje T pomeni en celoten cikel valovne oblike, kar je povprečna vrednost ali algebraična vsota delov ali grbin nad in pod osrednjo osjo.

Ta vrsta vezja, v katerem je uporabljena ena usmerniška dioda s časovno spremenljivim vhodom sinusoidnega AC signala, da se generira enosmerni izhod, ki ima vrednost polovice vhoda se imenuje polvalni usmernik . Dioda se v tem vezju imenuje usmernik.

V obdobju med t = 0 → T / 2 valovne oblike izmeničnega toka polarnost napetosti vi ustvarja 'tlak' v smeri, kot je prikazano na spodnjem diagramu. To omogoča diodi, da se vklopi in vodi s polarnostjo, kot je označena tik nad simbolom diode.

Ker dioda deluje popolnoma, zamenjava diode s kratkim stikom povzroči izhod, kot je prikazano na zgornji desni sliki.

Nedvomno se zdi, da ustvarjeni izhod natančno podvaja uporabljeni vhodni signal nad osrednjo osjo valovne oblike.

Med obdobjem T / 2 → T polarnost vhodnega signala vi postane negativna, zaradi česar se dioda izklopi, kar ima za posledico ekvivalent odprtega vezja na terminalih diode. Zaradi tega naboj v obdobju T / 2 → T ne more teči čez pot diode, zaradi česar je vo:

vo = iR = 0R = 0 V (z uporabo Ohmovega zakona). Odziv si lahko predstavimo na naslednjem diagramu:

V tem diagramu lahko vidimo, da enosmerni izhod Vo iz diode ustvari neto povprečno pozitivno območje nad osjo za vhodni celotni cikel, ki ga lahko določimo s formulo:

Vdc = 0,318 Vm (polval)

Vhodne napetosti vi in ​​izhodne napetosti med polvalnim procesom diodne rektifikacije so predstavljene na naslednji sliki:

Iz zgornjih diagramov in razlage lahko polvalno rektifikacijo definiramo kot postopek, pri katerem dioda na svojem izhodu izloči polovico vhodnega cikla.

Uporaba silicijeve diode

Ko se kot usmerniška dioda uporablja silicijeva dioda, ki ima karakteristiko padajočega napetosti VT = 0,7 V, ustvari prednapetostno območje, kot je prikazano na naslednji sliki:

VT = 0,7 V pomeni, da mora biti zdaj vhodni signal vsaj 0,7 V, da se dioda uspešno vklopi. V primeru, da je vhodni VT manjši od 0,7 V, diode preprosto ne vklopi in dioda še naprej ostane v načinu odprtega vezja z Vo = 0 V.

Medtem ko dioda med postopkom rektifikacije deluje, ustvari enosmerni izhod, ki nosi fiksno napetost za napetostno razliko vo-vi, enako enakemu zgoraj omenjenemu padcu za 0,7 V. Ta fiksni nivo lahko izrazimo z naslednjo formulo:

vo = vi - VT

To povzroči zmanjšanje povprečne izhodne napetosti nad osjo, kar povzroči rahlo neto zmanjšanje popravljenega izhoda iz diode.

Če upoštevamo zgornjo sliko, če menimo, da je Vm (najvišja raven signala) dovolj visoka kot VT, tako da je Vm >> VT, lahko povprečno izhodno vrednost diode iz naslednje diode ocenimo povsem natančno.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Natančneje, če je vhodni vrh izmeničnega toka dovolj večji od VT (padec naprej) diode, potem lahko preprosto uporabimo prejšnjo formulo za oceno rektificiranega enosmernega izhoda iz diode:

Vdc = 0,318 Vm

Rešen primer za pol mostni usmernik

Težava:

Ocenite izhodno vrednost vo in ugotovite enosmerno vrednost izhodnega toka za spodnjo zasnovo vezja:

Rešitev: Za zgornje omrežje vezja se dioda vklopi za negativni del vhodnega signala in vo bo, kot je prikazano na naslednji skici.

Za celotno obdobje vhodnega AC cikla bo enosmerni izhod:

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

Negativni znak označuje polarnost izhodnega enosmernega toka, ki je nasprotna znaku, ki je naveden na diagramu pod težavo.

Problem 2: Rešite zgornji problem, če upoštevate, da je dioda silicijeva dioda.

V primeru silicijeve diode bi bila izhodna valovna oblika videti tako:

In izhodni DC bi lahko izračunali, kot je razloženo spodaj:

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

Padec izhodne enosmerne napetosti zaradi faktorja 0,7 V je približno 0,22 V ali približno 3,5%

Popravek s polnimi valovi

Kadar se kot vhod za rektifikacijo uporablja sinusni signal AC, lahko izhod enosmernega toka s polnovalnim postopkom rektifikacije izboljšamo na 100%.

Najbolj znan in najlažji postopek za dosego tega je uporaba 4-diode mostni usmernik omrežje, kot je prikazano spodaj.

Ko pozitivni vhodni cikel napreduje skozi obdobje t = 0 do T / 2, sta polarnost vhodnega izmeničnega signala čez diodo in izhod iz diode prikazana spodaj:

Tu lahko vidimo, da zaradi posebne razporeditve diodnega omrežja v mostu, ko delujejo D2, D3, nasprotni diodi D1, D4 ostaneta obrnjeni pristranski in v izklopljenem stanju.

Neto izhodni enosmerni tok, ustvarjen v tem postopku rektifikacije skozi D2, D3, je razviden iz zgornjega diagrama. Ker smo si diode predstavljali idealne, je izhod vo = vin.

Zdaj se tudi pri negativnem polovičnem ciklu vhodnega signala diode D1, D4 prevajajo in diode D2, D3 preidejo v izklopljeno stanje, kot je prikazano spodaj:

Jasno lahko vidimo, da je izhod mostovnega usmernika tako pozitivni kot negativni polkrog vhodnega izmeničnega toka pretvoril v dva polcikla enosmernega toka nad osrednjo osjo.

Ker je to območje nad osjo dvakrat več od območja, dobljenega za polvalno rektifikacijo, bo izhodni enosmerni tok postal tudi dvakrat večji, kot je izračunano po naslednji formuli:

Vdc = 2 (0,318 Vm)

ali

Vdc = 0,636 Vm (polni val)

Kot je prikazano na zgornji sliki, če namesto idealne diode uporabimo silicijevo diodo, bi z uporabo Kirchhoffovega napetostnega zakona nad prevodno črto dobili naslednji rezultat:

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

Zato bo najvišja vrednost izhodne napetosti vo:

Vomax = Vm - 2VT

V situaciji, ko je V >> 2VT, lahko s prejšnjo enačbo dobimo povprečno vrednost z razmeroma visoko natančnostjo:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Še enkrat, če imamo Vm bistveno višjo od 2VT, lahko 2VT preprosto prezremo in enačbo rešimo kot:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (največja inverzna napetost)

Najvišja inverzna napetost ali nazivna vrednost (PIV), ki jo včasih imenujemo tudi najvišja reverzna napetost (PRV), postane ključni parameter pri načrtovanju usmerniških vezij.

V bistvu gre za območje napetosti z obratno pristranskostjo diode, ki ga ne smemo preseči, sicer se dioda lahko pokvari s prehodom v območje, imenovano cener-plazovito območje.

Če Kirchhoffov napetostni zakon uporabimo za polvalno usmerniško usmerjevalno vezje, kot je prikazano spodaj, preprosto pojasni, da mora biti PIV-vrednost diode višja od najvišje vrednosti napajalnega vhoda, uporabljenega za vhod usmernika.

Tudi za polni mostični usmernik je izračun ocene PIV enak polvalnemu usmerniku, to je:

PIV ≥ Vm, saj je Vm skupna napetost, ki deluje na priključeno obremenitev, kot je prikazano na naslednji sliki.

Rešeni primeri za polno usmerniško omrežje mostov

Določite izhodno valovno obliko za naslednje diodno omrežje in izračunajte tudi izhodno raven enosmernega toka in varni PIV za vsako diodo v omrežju.

Rešitev: V pozitivnem polovičnem ciklu bi se vezje obnašalo, kot je prikazano na naslednjem diagramu:

Za boljše razumevanje lahko to znova narišemo na naslednji način:

Tu je vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (max) = 1/2 (10 V) = 5 V

V negativnem polovičnem ciklu se lahko prevodna vloga diod zamenja, kar bo ustvarilo izhodno vrednost vo, kot je prikazano spodaj:

Odsotnost dveh diod v mostu povzroči zmanjšanje izhoda enosmernega toka z velikostjo:

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

To je povsem enako, kot bi ga dobili od pol mostovnega usmernika z enakim vhodom.

PIV bo enak največji napetosti, ustvarjeni na R, kar je 5 V, ali polovici tiste, ki je potrebna za pol vala, odpravljenega z istim vhodom.