Для чего нужен диодный мост
Что такое диодный мост
Диодный мост – электрическое устройство, предназначенное выпрямления тока, то есть для преобразования переменного тока в постоянный.
Содержание статьи
Диодные мосты – важная часть электронных приборов, питающихся от бытовой электросети напряжением 220 В и частотой 50 (60) Гц. Его второе название – двухполупериодный выпрямитель. Диодный мост состоит из полупроводниковых выпрямительных диодов или из диодов Шоттки. Элементы могут отдельно распаиваться на плате. Однако современный вариант – объединение диодов в одном корпусе, который носит название «диодная сборка». Диодные мосты активно используются в электронике, трансформаторных и импульсных блоках питания, люминесцентных лампах. В сварочные аппараты устанавливают мощные полупроводниковые сборки, которые крепятся к теплоотводящему устройству.
Схема диодного моста из 4 диодов
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.
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.
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.
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:
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.
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:
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:
Видео: принцип работы диодного моста
Что такое диодный мост и как он работает?
Наряду с линейными устройствами в электрической цепи можно встретить и нелинейные полупроводниковые элементы, имеющие самый разнообразный функционал в составе электронной схемы. Среди полупроводниковых приборов особое место занимает диодный мост, выполняющий роль преобразователя переменного напряжения в постоянное. Хоть для этих целей с тем же успехом может применяться и обычный диод, но сфера их применения существенно ограничивается рабочими параметрами одного элемента. Решить недостатки единичной детали помогла диодная сборка из нескольких, существенно отличающихся характеристиками и принципом работы.
Устройство и принцип работы
Диодный мост представляет собой электронную схему, собранную на основе выпрямительных диодов, который предназначен для преобразования подаваемого на него переменного тока в постоянный. Чаще всего в состав схемы включаются диоды Шоттки, но это не категоричное требование, поэтому в каком-либо конкретном случае может заменяться и другими моделями, подходящими по техническим параметрам. Схема моста из полупроводниковых диодов включает в себя четыре элемента для одной фазы. Диодный мостик может набираться как отдельными диодами, так и собираться единым блоком, в виде монолитного четырехполюсника.
Принцип работы диодного моста основывается на способности p – n перехода пропускать электрический ток только в одном направлении. Схема включения диодов в мост построена таким образом, чтобы для каждой полуволны создавался свой путь протекания электрического тока к подключенной нагрузке.
Технические характеристики
При выборе конкретного диодного моста для замены в выпрямительном блоке или для любой другой схемы важно хорошо ориентироваться в основных технических параметрах.
Среди таких характеристик наиболее значимыми для диодного моста являются:
Если вы хотите выбрать модель на замену, допустим в сети 220 В, то главный параметр для диодного моста обратный ток и напряжение. Рабочие характеристики должны значительно превышать номинал сети, к примеру, при напряжении 220 В – диодный мост должен выдерживать около 400 В. По току подойдет и меньший запас, но его также следует предусмотреть.
Преимущества и недостатки
Кроме диодного моста существуют и другие способы преобразования переменного в постоянный ток. В сравнении с однополупериодным, двухполупериодное выпрямление обладает рядом преимуществ:
К недостаткам диодного моста следует отнести и большее падение напряжения, в сравнении с однополупериодной схемой или выпрямителем с отводом из средней точки. Это обусловлено тем, что ток протекает сразу черед два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может оказывать существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампера могут решать значение сигналов, режимы работы агрегатов и т.д. В качестве решения могут применяться диодные мосты с диодами Шотки, у которых падение прямого напряжения относительно ниже.
Еще одним недостатком является сложность определения перегоревшего звена, так как при выходе со строя хотя бы одного диода вся схема будет продолжать работать. Понять, что один из полупроводниковых элементов выпал из цепи можно лишь с помощью измерений, далеко не всегда прибор или схема отреагируют при сбое видимой неисправностью.
Выпрямительные диоды: устройство, конструктивные особенности и основные характеристики
Основное предназначение выпрямительных диодов — преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и управления, используют в каскадных генераторах и т.д. Начинающим радиолюбителям будет интересно узнать, как устроены эти полупроводниковые элементы, а также их принцип действия. Начнем с общих характеристик.
Устройство и конструктивные особенности
Основной элемент конструкции – полупроводник. Это пластина кристалла кремния или германия, у которого имеются две области р и n проводимости. Из-за этой особенности конструкции она получила название плоскостной.
При изготовлении полупроводника обработка кристалла производится следующим образом: для получения поверхности р-типа ее обрабатывают расплавленным фосфором, а р-типа – бором, индием или алюминием. В процессе термообработки происходит диффузия этих материалов и кристалла. В результате образуется область с р-n переходом между двумя поверхностями с различной электропроводимостью. Полученный таким образом полупроводник устанавливается в корпус. Это обеспечивает защиту кристалла от посторонних факторов воздействия и способствует теплоотводу.
Как уже упоминалось, в качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Первые применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.
Классификация по мощности
Мощность элементов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:
Принцип работы
Проще всего объяснить принцип действия выпрямительных диодов на примере. Для этого смоделируем схему простого однополупериодного выпрямителя (см. 1 на рис. 6), в котором питание поступает от источника переменного тока с напряжением UIN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.
Во время положительного полупериода, диод находится в открытом положении и пропускает через себя ток на нагрузку. Когда приходит очередь отрицательного полупериода, устройство запирается, и питание на нагрузку не поступает. То есть происходит как бы отсечение отрицательной полуволны (на самом деле это не совсем верно, поскольку при данном процессе всегда имеется обратный ток, его величина определяется характеристикой Iобр).
В результате, как видно из графика (3), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.
Заметим, что импульсное напряжение, на выходе такого выпрямителя подходить только для питания малошумных нагрузок, примером может служить зарядное устройство для кислотного аккумулятора фонарика. На практике такую схему используют разве что китайские производители, с целью максимального удешевления своей продукции. Собственно, простота конструкции является единственным ее полюсом.
К числу недостатков однодиодного выпрямителя можно отнести:
Заметим, что эти недостатки можно несколько уменьшить, для этого достаточно сделать простой фильтр на базе высокоемкостного электролитического конденсатора.
Принцип работы такого фильтра довольно простой. Электролит заряжается во время положительного полупериода и разряжается, когда наступает черед отрицательного. Емкость при этом должна быть достаточной для поддержания напряжения на нагрузке.
Приведенное решение несколько улучшит ситуацию, но ненамного, если запитать от такого однополупериодного выпрямителя, например, активные колонки компьютера, в них будет слышаться характерный фон. Для устранения проблемы потребуются более радикальное решение, а именно диодный мост. Рассмотрим принцип работы этой схемы.
Электрические параметры
У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:
Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде
На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).
При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).
В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.
Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.
Устройство и принцип работы диодного моста
Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Схема включения полупроводниковых выпрямительных элементов продемонстрирована ниже.
Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным. Его преимущества очевидны, перечислим их:
Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.
Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.
Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «
» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».
На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.
На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.
Теперь есть представление о работе выпрямительных диодов и диодных мостов.
Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения
От энергоснабжающей организации до потребителей доставляется переменное напряжение. Это связано с особенностями транспортировки электроэнергии. Но большая часть бытовых (и, частично, производственных) электроприемников требует питания постоянным напряжением. Для его получения требуются преобразователи. Во многих случаях их строят по схеме «понижающий трансформатор – выпрямитель – сглаживающий фильтр» (за исключением импульсных блоков питания). В качестве выпрямителя используются диоды, включенные по мостовой схеме.
Для чего нужен диодный мост и как он работает
Диодный мост используется в качестве схемы выпрямления, преобразующей переменное напряжение в постоянное. Принцип его действия основан на односторонней проводимости — свойстве полупроводникового диода пропускать ток только в одном направлении. Простейшим выпрямителем может служить и одиночный диод.
При подобном включении нижняя (отрицательная) часть синусоиды «срезается». Такой способ имеет недостатки:
Ток через нагрузку повторяет форму выходного напряжения. Поэтому лучше использовать двухполупериодный выпрямитель в виде диодного моста. Если включить четыре диода по указанной схеме и подключить нагрузку, то при подаче на вход переменного напряжения блок будет работать так:
При положительном напряжении (верхняя часть синусоиды, красная стрелка) ток пойдет через диод VD2, нагрузку, VD3. При отрицательном (нижняя часть синусоиды, зеленая стрелка) через диод VD4, нагрузку, VD1. В итоге за один период ток дважды проходит через нагрузку в одном направлении.
Форма выходного напряжения гораздо ближе к прямой, хотя уровень пульсаций довольно высок. Мощность источника используется полностью.
Если имеется источник трехфазного напряжения необходимой амплитуды, можно сделать мост по такой схеме:
В нём на нагрузке будут складываться три тока, повторяющие форму выходного напряжения, со сдвигом фаз в 120 градусов:
Выходное напряжение будет огибать верхушки синусоид. Видно, что напряжение пульсирует гораздо меньше, чем в однофазной схеме, его форма более близка к прямой. В этом случае ёмкость сглаживающего фильтра будет минимальной.
И еще один вариант моста – управляемый. В нём два диода заменены тиристорами – электронными приборами, которые открываются при подаче сигнала на управляющий электрод. В открытом виде тиристоры ведут себя практически как обычные диоды. Схема принимает такой вид:
Сигналы включения подаются от схемы управления в согласованные моменты времени, отключение происходит в момент перехода напряжения через ноль. Потом напряжение усредняется на конденсаторе, и этим средним уровнем можно управлять.
Обозначение диодного моста и схема подключения
Так как мост из диодов может быть построен по различным схемам, а элементов в нём содержится немного, то в большинстве случаев обозначение выпрямительного узла производят, просто рисуя его принципиальную схему. Если это неприемлемо – например, в случае построения блок-схемы – то мост указывается в виде символа, которым указывают любой преобразователь переменного напряжения в постоянное:
» означает цепи переменного тока, символ «=» – цепи постоянного тока, а «+» и «-» – выходную полярность.
Если выпрямитель построен по классической мостовой схеме из 4 диодов, то допускается немного упрощенное изображение:
Подключается вход выпрямительного блока к выходным терминалам источника переменного тока (в большинстве случаев им служит понижающий трансформатор) без соблюдения полярности – любой выходной вывод подключается к любому входному. Выход моста подключается к нагрузке. Она может требовать соблюдения полюсности (включая стабилизатор, сглаживающий фильтр), а может и не требовать.
Диодный мост может быть подключен к источнику постоянного напряжения. В этом случае получается схема защиты от непреднамеренной переполюсовки – при любом подключении входов моста к выходу блока питания, полярность напряжения на его выходе не изменится.
Основные технические характеристики
При выборе диодов или готового моста в первую очередь надо смотреть на наибольший рабочий прямой ток. Он должен с запасом превышать ток нагрузки. Если эта величина неизвестна, а известна мощность, её надо пересчитать в ток по формуле Iнагр=Pнагр/Uвых. Для увеличения допустимого тока полупроводниковые приборы можно соединять параллельно – наибольший ток нагрузки делится на количество диодов. Диоды в одной ветви моста в этом случае лучше подобрать по близкому значению падения напряжения в открытом состоянии.
Второй важный параметр – прямое напряжение, на которое рассчитан мост или его элементы. Оно не должно быть ниже выходного напряжения источника переменного тока (амплитудного значения!). Для надежной работы устройства надо взять запас в 20-30%. Для увеличения допустимого напряжения диоды можно включать последовательно – в каждое плечо моста.
Этих двух параметров достаточно для предварительного решения об использовании диодов в выпрямительном устройстве, но надо обратить внимание и на некоторые другие характеристики:
Разновидности диодных мостов и их маркировка
Диодный мост можно собрать на дискретных диодах. Чтобы соблюсти полярность, надо обратить внимание на маркировку. В некоторых случаях метка в виде рисунка нанесена прямо на корпус полупроводникового прибора. Это характерно для изделий отечественного производства.
Зарубежные (и многие современные российские) приборы маркируются точкой или кольцом. В большинстве случаев так обозначается анод, но гарантии нет. Лучше посмотреть справочник или воспользоваться тестером.
Можно сделать мост из сборки – четыре диода объединены в одном корпусе, а соединение выводов можно выполнить внешними проводниками (например, на печатной плате). Схемы сборок могут быть разнообразными, поэтому для правильного соединения надо смотреть даташиты.
Например, у диодной сборки BAV99S, содержащей 4 диода, но имеющей только 6 выводов, внутри имеется два полумоста, соединенных следующим образом (на корпусе около вывода 1 имеется точка):
Чтобы получить полноценный мост, надо соединить внешними проводниками соответствующие выводы (красным показана трассировка дорожек в случае использования печатного монтажа):
В этом случае переменное напряжение подводится к выводам 3 и 6. Положительный полюс постоянного снимается с вывода 5 или 2, а отрицательный – 4 или 1.
И самый простой вариант – это сборка с готовым мостом внутри. Из отечественных изделий это могут быть КЦ402, КЦ405, существуют мосты-сборки зарубежного производства. Маркировка выводов во многих случаях нанесена прямо на корпус, и задача сводится только к корректному выбору по характеристикам и к безошибочному подключению. Если наружного обозначения выводов нет, придется обратиться к справочнику.
Преимущества и недостатки
Преимущества диодного моста общеизвестны:
В качестве недостатков надо упомянуть рост габаритов и веса схемы при увеличении мощности, а также необходимости использования радиаторов для мощных диодов. Но с этим сделать ничего нельзя – физику не обмануть. Когда эти условия станут неприемлемыми, надо решать вопрос о переходе к импульсной схеме источника питания. Кстати, мостовое включение диодов может быть использовано и в ней.
Также надо отметить форму выходного напряжения, далекую от постоянной. Для работы с потребителями, предъявляющими требования к стабильности питающего напряжения, надо использовать мост совместно со сглаживающими фильтрами, а при необходимости и стабилизаторами на выходе.