Usmernenie diódy: polovičná vlna, plná vlna, PIV

V elektronike je usmernenie proces, pri ktorom usmerňovacia dióda prevádza striedavý vstupný signál striedavého celého cyklu na výstupný signál jednosmerného prúdu v polovici cyklu.

Jedna dióda produkuje usmernenie v polovici vlny a sieť so 4 diódami produkuje usmernenie v plnej vlne

V tomto príspevku budeme analyzovať procesy usmerňovania diód s polovičnou aj plnou vlnou a ďalšie vlastnosti prostredníctvom časovo premenných funkcií, ako je sínusová vlna a štvorcová vlna. To znamená prostredníctvom napätí a prúdov, ktoré menia svoju veľkosť a polaritu s ohľadom na čas.

Diódu budeme považovať za ideálnu diódu ignorovaním toho, či ide o kremíkovú diódu alebo germánium, aby sa minimalizovali komplikácie pri výpočtoch. Diódu budeme považovať za štandardnú usmerňovaciu diódu so štandardnými usmerňovacími schopnosťami.

Polovičná vlna

Najjednoduchší diagram zobrazujúci časovo premenný signál privádzaný na diódu je uvedený v nasledujúcom diagrame:

Tu môžeme vidieť krivku striedavého prúdu, kde perióda T znamená jeden celý cyklus krivky, čo je priemerná hodnota alebo algebraický súčet častí alebo hrbov nad a pod stredovou osou.

Tento typ obvodu, v ktorom je aplikovaná jedna usmerňovacia dióda s časovo premenným vstupom sínusového striedavého signálu na generovanie jednosmerného výstupu s polovičnou hodnotou vstupu sa nazýva polovodičový usmerňovač . Dióda sa v tomto obvode označuje ako usmerňovač.

Počas periódy medzi t = 0 → T / 2 krivky striedavého prúdu vytvára polarita napätia vi „tlak“ v smere, ako je znázornené na nasledujúcom diagrame. To umožňuje dióde zapnúť a viesť s polaritou uvedenou tesne nad symbolom diódy.

Pretože dióda vedie úplne, nahradením diódy skratom sa vytvorí výstup, ako je to znázornené na obrázku vpravo hore.

Niet pochýb o tom, že vygenerovaný výstup sa javí ako presná replikácia aplikovaného vstupného signálu nad stredovou osou priebehu.

Počas periódy T / 2 → T sa polarita vstupného signálu vi stane záporná, čo spôsobí vypnutie diódy, čo vedie k ekvivalentu otvoreného obvodu na svorkách diódy. Z tohto dôvodu náboj nemôže prúdiť cez diódovú cestu počas periódy T / 2 → T, čo spôsobí, že vo bude:

vo = iR = 0R = 0 V (pomocou Ohmovho zákona). Odozvu je možné vizualizovať na nasledujúcom diagrame:

Na tomto diagrame vidíme, že výstup DC Vo z diódy vytvára čistú priemernú kladnú oblasť nad osou pre celý cyklus vstupu, ktorú je možné určiť vzorcom:

Vdc = 0,318 Vm (polvlna)

Vstupné napätie vi a výstupné napätie počas procesu usmerňovania polvlny diódy je znázornený na nasledujúcom obrázku:

Z vyššie uvedených diagramov a vysvetlenia môžeme definovať polvlnovú nápravu ako proces, pri ktorom je polovica vstupného cyklu eliminovaná diódou na výstupe.

Použitie kremíkovej diódy

Ak sa ako usmerňovacia dióda použije kremíková dióda, pretože má charakteristiku poklesu napätia vpred VT = 0,7 V, generuje oblasť predpätia, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku:

VT = 0,7 V znamená, že teraz musí byť vstupný signál najmenej 0,7 V, aby sa zabezpečilo úspešné zapnutie diódy. V prípade, že vstupný VT je menší ako 0,7 V, jednoducho by dióda nezapla a dióda bude naďalej v režime otvoreného obvodu s Vo = 0 V.

Zatiaľ čo dióda vedie počas procesu nápravy, generuje jednosmerný výstup, ktorý nesie pevnú úroveň napätia pre napäťový rozdiel vo - vi, ktorá sa rovná vyššie diskutovanému poklesu vpred 0,7 V. Túto pevnú úroveň môžeme vyjadriť nasledujúcim vzorcom:

vo = vi - VT

To spôsobí zníženie priemerného výstupného napätia nad osou, čo spôsobí mierne čisté zníženie usmerneného výstupu z diódy.

S odvolaním sa na vyššie uvedený obrázok, ak považujeme Vm (špičkovú úroveň signálu) za primerane vysokú ako VT, takže Vm >> VT, môžeme pomerne presne vyhodnotiť priemernú hodnotu výstupného jednosmerného prúdu z diódy pomocou nasledujúceho vzorca.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Presnejšie, ak je vstupný AC vrchol dostatočne vysoký ako VT (pokles vpred) diódy, potom môžeme jednoducho použiť predchádzajúci vzorec na odhad usmerneného jednosmerného výstupu z diódy:

Vdc = 0,318 Vm

Vyriešený príklad pre usmerňovač s polovičným mostom

Problém:

Vyhodnoťte výstup vo a zistite DC veľkosť výstupu pre návrh obvodu zobrazený nižšie:

Riešenie: Pre vyššie uvedenú obvodovú sieť sa dióda zapne pre zápornú časť vstupného signálu a vo bude, ako je uvedené v nasledujúcom náčrte.

Po celú dobu vstupného striedavého cyklu bude jednosmerný výstup:

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

Záporné znamienko označuje polaritu výstupného jednosmerného prúdu, ktorá je opačná k znamienku uvedenému na diagrame pod problémom.

Problém č. 2: Vyriešte vyššie uvedený problém považovaním diódy za kremíkovú diódu.

V prípade kremíkovej diódy by výstupný priebeh vyzeral takto:

A výstup DC by sa dal vypočítať podľa vysvetlenia nižšie:

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

Pokles výstupného jednosmerného napätia v dôsledku faktora 0,7 V je okolo 0,22 V alebo približne 3,5%

Plná vlnová náprava

Ak sa ako vstup pre usmernenie použije striedavý sínusový signál, je možné pomocou jednosmerného usmerňovacieho procesu vylepšiť jednosmerný výstup na 100%.

Najznámejší a najjednoduchší spôsob, ako to dosiahnuť, je použitie 4-diódy mostový usmerňovač sieť, ako je uvedené nižšie.

Keď kladný vstupný cyklus postupuje cez periódu t = 0 až T / 2, polarita vstupného striedavého signálu cez diódu a výstup z diódy sú znázornené nižšie:

Tu vidíme, že vďaka špeciálnemu usporiadaniu diódovej siete v moste, keď vedú D2, D3, zostávajú opačné diódy D1, D4 obrátené predpäté a vo vypnutom stave.

Čistý výstupný DC generovaný z tohto procesu nápravy prostredníctvom D2, D3 je možné vidieť na vyššie uvedenom diagrame. Pretože sme si diódy predstavovali ako ideálne, výstup je vo = vin.

Teraz rovnako pre negatívny polovičný cyklus vstupných signálnych diód D1, D4 a diód D2, D3 prejdú do stavu VYPNUTÉ, ako je to znázornené nižšie:

Jasne vidíme, že výstup z mostíkového usmerňovača konvertoval pozitívny aj negatívny polovičný cyklus vstupného striedavého prúdu na dva jednosmerné polovičné cykly nad stredovou osou.

Pretože táto oblasť nad osou je teraz dvakrát väčšia ako oblasť získaná pre polovičnú usmernenie, výstupný DC sa tiež stane dvojnásobnou veľkosťou, ako sa počíta pomocou nasledujúceho vzorca:

Vdc = 2 (0,318 Vm)

alebo

Vdc = 0,636Vm (plná vlna)

Ako je znázornené na vyššie uvedenom obrázku, ak sa namiesto ideálnej diódy použije kremíková dióda, použitie Kirchhoffovho zákona o napätí cez vodivé vedenie by prinieslo tento výsledok:

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

Preto špička výstupného napätia vo bude:

Vomax = Vm - 2VT

V situácii, keď V >> 2VT, môžeme použiť našu predchádzajúcu rovnicu na získanie priemernej hodnoty s primerane vysokým stupňom presnosti:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Ešte raz, ak máme Vm výrazne vyššiu ako 2VT, môžeme 2VT jednoducho ignorovať a rovnicu môžeme vyriešiť takto:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (špičkové inverzné napätie)

Špičkové inverzné napätie alebo (PIV) hodnotenie, ktoré sa tiež niekedy nazýva hodnotenie špičkového reverzného napätia (PRV) diódy, sa stáva rozhodujúcim parametrom pri navrhovaní obvodov usmerňovača.

V zásade sa nesmie prekročiť rozsah napätia reverzného predpätia diódy, inak by sa dióda mohla rozpadnúť prechodom do oblasti zvanej lavínová oblasť zenerova.

Ak použijeme Kirchhoffov zákon napätia na obvod polovodičového usmerňovača, ako je uvedené nižšie, jednoducho to vysvetlí, že PIV hodnotenie diódy musí byť vyššie ako špičková hodnota napájacieho vstupu použitého pre vstup usmerňovača.

Aj pre plný mostíkový usmerňovač je výpočet hodnotenia PIV rovnaký ako polovodičový usmerňovač, to znamená:

PIV ≥ Vm, pretože Vm je celkové napätie, ktoré sa aplikuje na pripojenú záťaž, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku.

Vyriešené príklady siete s úplným mostíkovým usmerňovačom

Určte výstupný priebeh pre nasledujúcu diódovú sieť a tiež vypočítajte výstupnú úroveň jednosmerného prúdu a bezpečnú hodnotu PIV pre každú diódu v sieti.

Riešenie: V prípade kladného pol cyklu by sa obvod choval tak, ako je to znázornené na nasledujúcom diagrame:

Pre lepšie pochopenie to môžeme prekresliť nasledujúcim spôsobom:

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

Pre negatívny polcyklus je možné zameniť vodivú úlohu diód, ktorá vytvorí výstup vo, ako je uvedené nižšie:

Absencia dvoch diód v mostíku má za následok zníženie jednosmerného výkonu o veľkosť:

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

Je to úplne to isté, čo by sme dostali od polovičného mostíka s rovnakým vstupom.

PIV sa bude rovnať maximálnemu napätiu generovanému na R, ktoré je 5 V, alebo polovici napätia potrebného pre polovičnú vlnu usmernenú s rovnakým vstupom.