Ликбез КО. Лекция №1 Схемы выпрямления электрического тока.

История изобретения

В 1873 году английский учёный Фредерик Гутри разработал принцип работы вакуумных ламповых диодов с прямым накалом. Уже через год в Германии физик Карл Фердинанд Браун предположил похожие свойства в твердотельных материалах и изобрел точечный выпрямитель.
В начале 1904 года Джон Флеминг создал первый полноценный ламповый диод. В качестве материала для его изготовления он использовал оксид меди. Диоды начали широко использоваться в радиочастотных детекторах. Изучение полупроводников привело к тому, что в 1906 году Гринлиф Виттер Пиккард изобрел кристаллический детектор.

В середине 30-х годов XX века основные исследования физиков были направлены на изучение явлений, проходящих на границе контакта металл-полупроводник. Их результатом стало получение слитка кремния, обладающего двумя типами проводимости. Изучая его, в 1939 году американский учёный Рассел Ол открыл явление, названное позже p-n переходом. Он установил, что в зависимости от примесей, существующих на границе соприкосновения двух полупроводников, изменяется приводимость. В начале 50-х годов инженеры компании Bell Telephone Labs разработали плоскостные диоды, а уже через пять лет в СССР появились диоды на основе германия с переходом менее 3 см.

Изобретателем же схемы выпрямительного моста считается электротехник из Польши Карол Поллак. Позже в журнале Elektronische Zeitung опубликовали результаты исследований Лео Гретца, поэтому в литературе можно встретить и другое название диодного моста — схема или мост Гретца.

Что такое диоды

Диод – это полупроводниковый элемент на основе кристалла кремния. Ранее эти детали также изготавливались из германия, но со временем этот материал был вытеснен из-за своих недостатков. Электрический диод функционирует как клапан, т.е. он пропускает ток в одном направлении и блокирует его в другом. Такие возможности в эту деталь заложены на уровне атомарного строения его полупроводниковых кристаллов.

Один диод не может получить из переменного напряжения полноценное постоянное. Поэтому на практике используют более сложные сочетания этих элементов. Сборка из 4 или 6 деталей, объединённых по специальной схеме, образует диодный мост. Он уже вполне способен справиться с полноценным выпрямлением тока.

Интересно. Диоды обладают паразитной чувствительностью к температуре и свету. Прозрачные выпрямители в стеклянном корпусе могут использоваться как датчики освещённости. Германиевые диоды (прим. Д9Б) подходят в качестве термочувствительного элемента. Собственно из-за сильной зависимости свойств этих элементов от температуры их и перестали производить.

Определение

Диодный мост – это схемотехническое решение, предназначенное для выпрямления переменного тока. Другое название – двухполупериодный выпрямитель. Строится из полупроводниковых выпрямительных диодов или их разновидности – диодов Шоттки.

Мостовая схема соединения предполагает наличие нескольких (для однофазной цепи – четырёх) полупроводниковых диодов, к которым подключается нагрузка.

Он может состоять из дискретных элементов, распаянных на плате, но в 21 веке чаще встречаются соединенные диоды в отдельном корпусе. Внешне это выглядит, как и любой другой электронный компонент – из корпуса определенного типоразмера выведены ножки для подключения к дорожкам печатной платы.

Стоит отметить, что несколько совмещенных в одном корпусе вентилей, которые соединены не по мостовой схеме, называют диодными сборками.

В зависимости от сферы применения и схемы подключения диодные мосты бывают:

• однофазные;
• трёхфазные.

Обозначение на схеме может быть выполнено в двух вариантах, какое использовать УГО на чертеже зависит от того, собирается мост из отдельных элементов или используется готовый.

Схема со средней точкой

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой предполагает наличие трансформатора с двумя вторичными обмотками, имеющими центральный вывод. Так же может использоваться трансформатор с одной вторичной обмоткой, но он будет обязательно иметь вывод из центра обмотки. Кроме того в составе схемы имеются 2 диода. Выпрямитель с нулевым выводом работает за счет образования разных по направленности ЭДС. Обе эти ЭДС равны по величине сформированного напряжения относительно центра или 0 точки. При работе такого трансформатора, ток на обоих полуобмотках сдвинут по фазе на 180 градусов.

Принцип работы данного выпрямителя следующий:

1. На трансформаторе имеются выводы «w21» и «w22», которые имеют противоположные значения .
2. К этим выводам подключаются аноды вентилей «vd1» и «vd2».
3. Напряжение, прикладываемое к каждому диоду, имеет противоположную фазу («u21»–«u22» на схеме).
4. За первый полупериод ток протекает через открытый диод «vd1». Через его анод протекает ток только с положительным потенциалом. В этот полупериод диод «vd2» находится в состоянии обратного смещения. Он заперт и не пропускает ток от обмотки «w22».
5. Во время второго полупериода, ток с положительным потенциалом находится на аноде «vd2», открывая при этом диод. Диод пропускает через себя ток от обмотки «w22». Диод «vd1» при этом остается закрытым.

Двухполупериодная схема с нулевой точкой работает за счет отсутствия момента подмагничивания. Каждая половина вторичной обмотки работает в свой полупериод, а значит трансформатор находится в состоянии постоянной нагрузки.

Плюсы

У схемы с нулевым выходом есть преимущества только перед моделью однопериодного выпрямителя. Основные достоинства такой схемы:

1. Во время работы осуществляется передача тока обоих потенциалов, тем самым сохраняется до 90% исходной энергии.
2. 2 диода равномерно распределяют нагрузку, продлевая свой срок службы и заметно занижая нагрузку на всю схему.
3. Схема двухполупериодного выпрямителя предполагает сглаженную пульсацию тока, без использования высоковольтных, емкостных конденсаторов.

Несмотря на ряд преимуществ, однофазные выпрямители с двумя диодами имеют свои недостатки, о которых будет рассказано ниже.

Минусы

Для работы такой сцепи обязательно необходим специальный трансформатор с 2 вторичными обмотками или одной разделенной, с нулевым выходом. Такие устройства сильно повышают затраты на производство высоковольтных, мощных приборов.

Также большим минусом является нагрузка обратным током. В схеме должны быть использованы диоды с номинальным напряжением до 1000 вольт и возможностью выдерживать температуру до +80 градусов. Если эти параметры не соблюдаются, то при закрытии диода будет формироваться повышенная температура и сопротивление. Превышения параметров приведет к пробою самого диода.

Следующим минусом является использование самого нулевого отвода. Подключение к нему предполагает только использования части доступной энергии, что сильно снижает потенциал таких устройств.

Принцип действия

Давайте разбираться, как работает диодный мост. Начнем с того, что диоды пропускают ток в одном направлении. Выпрямление переменного напряжения происходит за счет односторонней проводимости диодов. За счет правильного их подключения отрицательная полуволна переменного напряжения поступает к нагрузке в виде положительной. Простыми словами – он переворачивает отрицательную полуволну.

Для простоты и наглядности рассмотрим его работу на примере однофазного двухполупериодного выпрямителя.

Принцип работы схемы основам на том, что диоды проводят ток в одну сторону и состоит в следующем:

• На вход диодного моста подают переменный синусоидальный сигнал, например 220В из бытовой электросети (на схеме подключения вход диодного моста обозначается как AC или ~).
• Каждая из полуволн синусоидального напряжения (рисунок ниже) пропускается парой вентилей, расположенных на схеме по диагонали.

Положительную полуволну пропускают диоды VD1, VD3, а отрицательную — VD2 и VD4. Сигнал на входе и выходе схемы вы видите ниже.

Такой сигнал называется – выпрямленное пульсирующее напряжение. Для того, чтобы его сгладить, в схему добавляется фильтр с конденсатором.

Описание выпрямителей

Трехфазный мостовой выпрямитель
Основное отличие устройств от своих однофазных аналогов проявляется в следующем:

• первые устанавливаются в линиях 220 Вольт и служат для получения постоянных токов незначительной величины (до 50-ти Ампер);
• трехфазные выпрямители используются в цепях, где рабочие (выпрямленные) токи существенно превышают этот показатель и достигают нескольких сотен Ампер.
• в сравнении с однофазными образцами эти приборы имеют более сложное устройство.

Известны схемы выпрямления трехфазного напряжения, позволяющие получить на выходе минимальный уровень пульсаций.

В электротехнике они называются «трехфазные мостовые выпрямители», так как по способу открывания диодов, управляемых полярностью напряжения, они напоминают мост через реку с односторонним движением. Только направление потока электронов в них чередуется с частотой 50 Гц, недоступной для проезда машин поочередно в каждую из сторон.

Схема диодного моста

Одной из важнейших частей электронных приборов питающихся от сети переменного тока 220 вольт является так называемый диодный мост. Диодный мост – это одно из схемотехнических решений, на основе которого выполняется функция выпрямления переменного тока.

Как известно, для работы большинства приборов требуется не переменный ток, а постоянный. Поэтому возникает необходимость в выпрямлении переменного тока.

Например, в составе блока питания, о котором уже заходила речь на страницах сайта, присутствует однофазный полномостовый выпрямитель – диодный мост. На принципиальной схеме диодный мост изображается следующим образом.

Схема диодного моста

Это так называемый однофазный выпрямительный мост, один из нескольких типов выпрямителей, которые активно применяются в электронике. С его помощью производят двухполупериодное выпрямление переменного тока.

В железе это выглядит следующим образом.

Диодный мост из отдельных диодов S1J37

Схему эту придумал немецкий физик Лео Гретц, поэтому данное схемотехническое решение иногда называют «схема Гретца» или «мост Гретца». В электронике данная схема применяется в настоящее время повсеместно. С появлением дешёвых полупроводниковых диодов эту схему стали применять всё чаще и чаще. Сейчас ею уже никого не удивишь, но в эпоху радиоламп «мост Гретца» игнорировали, поскольку она требовала применения аж 4 ламповых диодов, которые стоили по тем временам довольно дорого.

Разновидности диодных мостов

В зависимости от количества фаз, которые подключаются к диодному мосту, различают однофазные и трехфазные модели. Первый вариант мы детально рассмотрели на примере схемы Гретца выше.

Трехфазные выпрямители, в свою очередь, разделяются на шести- и двенадцатипульсовые модели, хотя схема диодного моста у них идентична. Рассмотрим более детально работу диодного устройства для трехфазной схемы.

Схема трехфазного диодного моста

Диодный мост, приведенный на рисунке выше, получил название схемы Ларионова. Конструктивно для каждой из фаз устанавливается сразу два диода в противоположном направлении друг относительно друга. Здесь важно отметить, что синусоида во всех трех фазах имеет смещение в 120° друг относительно друга, поэтому на выходах устройства при наложении результирующей диаграммы получится следующая картина:

Напряжение выпрямленное трехфазным мостом

Как видите, в сравнении с однофазным выпрямителем на базе диодного моста картина получается более плавной, а скачки напряжения имеют значительно меньшую амплитуду.

Как работает диодный мост?

Пару слов о том, как работает диодный мост. Если на его вход (обозначен значком «~») подать переменный ток, полярность которого меняется с определённой частотой (например, с частотой 50 герц, как в электросети), то на выходе (выводы «+» и «-») мы получим ток строго одной полярности. Правда, этот ток будет иметь пульсации. Частота их будет вдвое больше, чем частота переменного тока, который подаётся на вход.

Таким образом, если на вход диодного моста подать переменный ток электросети (частота 50 герц), то на выходе получим постоянный ток с пульсациями частотой 100 герц. Эти пульсации нежелательны и могут в значительной степени помешать работе электронной схемы.

Чтобы «убрать» пульсации необходимо применить фильтр. Простейший фильтр – это электролитический конденсатор достаточно большой ёмкости. Если взглянуть на принципиальные схемы блоков питания, как трансформаторных, так и импульсных, то после выпрямителя всегда стоит электролитический конденсатор, который сглаживает пульсации тока.

Обозначение диодного моста на схеме.

На принципиальных схемах диодный мост может изображаться по-разному. Взгляните на рисунки ниже – всё это одна и та же схема, но изображена она по-разному. Думаю, теперь взглянув на незнакомую схему, вы с лёгкостью обнаружите его.

Мостовой тип устройства

Трехфазная мостовая схема выпрямления использует шесть диодов (или тиристоров, если требуется управление). Выходное напряжение характеризуется тремя значениями: минимальным U, средним U и пиковым напряжением. Полноволновой трехфазный выпрямитель похож на мост Гейца. Схема полноволнового трехфазного устройства. Обычный трехфазный выпрямитель не использует нейтраль. Для сети 230 В / 400 В между двумя входами выпрямителя. Действительно, между 2 входами всегда есть составное напряжение U (= 400 В). Неконтролируемое устройство означает, что нельзя отрегулировать среднее выходное U для этого входного U. Неконтролируемое выпрямление использует диоды.

Трехфазный выпрямитель на диодах

Управляемый выпрямитель позволяет регулировать среднее выходное напряжение, воздействуя на задержки срабатывания тиристора (используется вместо диодов). Эта команда требует сложной электронной схемы.

Диод ведёт себя как тиристор, загружаемый без задержки. Выходное U трехфазного выходного напряжения. Всего 7 кривых: 6 синусоид и красная кривая, соединяющая верхнюю часть синусоид («синусоидальные шапки»). 6 синусоидов представляют собой 3 напряжения, составляющие U между фазами и 3 одинаковыми напряжениями, но с противоположным знаком:

U31 = -U13U23 = -U32U21 = -U12.

Красная кривая представляет U на выходе выпрямителя, то есть на клеммах резистивной нагрузки. Это U не относится к нейтрали. Она плавает. Это U колеблется между 1,5 В max и 1,732 Вmax (корень из 3). Umax — пиковое значение одного напряжения и составляет 230×1,414 = 325 В.

Свойства трехфазного напряжения

Кривая, действующая только на резистивной нагрузке, неконтролируемое выпрямление (с диодами), не возвращается на ноль, в отличие от моночастотного устройства (мост Грейца). Таким образом, пульсация значительно ниже и размеры индуктора и / или сглаживающего конденсатора менее ограничительны, чем для моста Гейца. Для получения ненулевого выходного U требуется по меньшей мере две фазы. Минимальное, максимальное и среднее значение напряжения. Численно, для сети 230 В / 400 В выпрямленное напряжение колеблется между минимальным напряжением: 1,5 В мин = 1,5 х (1,414×230) = 488 В, и максимальным: 1,732 Вмакс = 1,732 х (1,414×230) = 563 В.

Среднее значение трехфазного выпрямленного напряжения: avg = 1,654Vmax = 1,654 x (1,414×230) = 538 В. Выходное напряжение трехфазного выходного выпрямителя (зум). 3-фазный полноволновый выпрямитель MDS 130A 400V. 5 терминалов: 3 фазы, + и — . Этот выпрямитель содержит 6 диодов. Таким образом, можно суммировать следующие моменты:

• 6 диодов, 2 диода на фазу — слабая пульсация по сравнению с одноволновым выпрямителем (мост Гейца);
• среднее значение выпрямленного напряжения: 538 В для сети 230 В / 400 В;
• нейтраль не используется трехфазным выпрямителем.

Работа диодного моста

Он состоит из четырёх диодов, и эта конфигурация подключается через нагрузку. Во время положительного полупериода входных сигналов диодов D1 и D2 в прямом направлении смещены, а D3 и D4 обращены назад. Когда напряжение, превышающее пороговый уровень диодов D1 и D2, начинает проводиться — ток начинает протекать через него, как показано на рисунке ниже на красной линии. Во время отрицательного полупериода входного сигнала AC диоды D3 и D4 смещены вперёд, а D1 и D2 обращены в обратном направлении. Ток нагрузки начинает протекать через диоды D3 и D4, когда эти диоды начинают проводить, как показано на рисунке.

В обоих случаях направление тока нагрузки одинаковое, как показано на рисунке одностороннее, что означает DC. Таким образом, при использовании мостового выпрямителя входной ток AC преобразуется в DC. Выход на нагрузке с помощью этого мостового выпрямителя имеет пульсирующий характер, но для получения чистого DC требуется дополнительный фильтр, такой как конденсатор. Такая же операция применима для различных мостовых выпрямителей, но в случае управляемых выпрямителей запускается тиристор, чтобы управлять током для нагрузки.

Режим 1 (от α до π). В положительном полупериоде подаваемого переменного сигнала SC1 T1 и T2 являются прямым смещением и могут быть включены под углом α. Напряжение нагрузки равно положительному мгновенному напряжению питания AC.

Режим 2 (π toπ + α). При wt = π входное питание равно нулю, а после π оно становится отрицательным. Но индуктивность противодействует любым изменениям для поддержания DC нагрузки и в том же направлении.

Схема работы трехфазного выпрямителя

Назначение и практическое использование

Область использования моста, набранного из диодов, довольно широка. Это могут быть блоки питания и узлы управления. Он стоит во всех устройствах, питающихся от промышленной сети 220 вольт. Например, телевизоры, приёмники, зарядки, посудомоечные машины, светодиодные лампы.

Советуем к прочтению: Виды батареек: подробная классификация элементов питания по размеру, составу и другим параметрам

Не обходятся без него и автомобили. После запуска двигателя начинает работать генератор, вырабатывающий переменный ток. Так как бортовая сеть вся питается от постоянного напряжения, ставится выпрямительный мост, через который происходит подача выпрямленного напряжения. Этим же постоянным сигналом происходит и подзарядка аккумуляторной батареи.

Выпрямительное устройство используется для работы сварочного аппарата. Правда, для него применяются мощные устройства, способные выдерживать ток более 200 ампер. Использование в устройствах диодной сборки даёт ряд преимуществ по сравнению с простым диодом. Такое выпрямление позволяет:

• увеличить частоту пульсаций, которую затем просто сгладить, используя электролитический конденсатор;
• при совместной работе с трансформатором избавиться от тока подмагничивания, что даёт возможность эффективнее использовать габаритную мощность преобразователя;
• пропустить большую мощность с меньшим нагревом, тем самым увеличивая коэффициент полезного действия.

Но также стоит отметить и недостаток, из-за которого в некоторых случаях мост не используют. Прежде всего, это двойное падение напряжения, что особенно чувствительно в низковольтных схемах. А также при перегорании части диодов устройство начинает работать в однополупериодном режиме, из-за чего в схему проникают паразитные гармоники, способные вывести из строя чувствительные радиоэлементы.

Блок питания

Ни один современный блок питания не обходится без выпрямительного устройства. Качественные источники изготавливаются с использованием мостовых выпрямителей. Классическая схема состоит всего из трёх частей:

1. Понижающий трансформатор.
2. Выпрямительный мост.
3. Фильтр.

Синусоидальный сигнал с амплитудой 220 вольт подаётся на первичную обмотку трансформатора. Из-за явления электромагнитной индукции во вторичной его обмотке наводится электродвижущая сила, начинает течь ток. В зависимости от вида трансформатора величина напряжения за счёт коэффициента трансформации снижается на определённое значение.

Между выводами вторичной обмотки возникает переменный сигнал с пониженной амплитудой. В соответствии со схемой подключения диодного моста это напряжение подаётся на его вход. Проходя через диодную сборку, переменный сигнал преобразуется в пульсирующий.

Такая форма часто считается неприемлемой, например, для звукотехнической аппаратуры или источников освещения. Поэтому для сглаживания используется конденсатор, подключённый параллельно выходу выпрямителя.

Трёхфазный выпрямитель

На производствах и в местах, где используется трёхфазная сеть, применяют трёхфазный выпрямитель. Состоит он из шести диодов, по одной паре на каждую фазу. Использование такого рода устройства позволяет получить большее значение тока с малой пульсацией. А это, в свою очередь, снижает требования к выходному фильтру.

Наиболее популярными вариантами включения трёхфазных выпрямителей являются схемы Миткевича и Ларионова. При этом одновременно могут использоваться не только шесть диодов, но и 12 или даже 24. Трёхфазные мосты используются в тепловозах, электротранспорте, на буровых вышках, в промышленных установках очистки газов и воды.

Таким образом, использование мостовых выпрямителей позволяет преобразовывать переменный ток в постоянный, которым запитывается вся электронная аппаратура. Самостоятельно сделать диодный мост несложно. При этом его применение позволяет получить не только качественный сигнал, но и повысить надёжность устройства в целом.

Как проверить диодный мост

1-ый способ.

Как вы теперь знаете, однофазный диодный мост состоит из 4 диодов. Для того, чтобы узнать их расположение, мы должны скачать даташит на данный диод и посмотреть, как расположены диоды в данном диодном мосте. Например, для моего моста GBU6K диоды расположены вот так.

То есть все, что мне надо сделать – это просто прозвонить каждый диод с помощью мультиметра. Как это сделать, я писал еще в этой статье.

Второй способ.

Он же 100%. Но для этого потребуется осциллограф, ЛАТР или понижающий трансформатор, а также резистор, желательно 5-10 КОм. После того, как мы нашли его расположение выводов, на “+” и “-” припаиваем резистор 5-10 КОм. С этих же выводов снимаем осциллограмму.

То есть все должно выглядеть вот так.

Смотрим осциллограмму

Значит, диодный мост исправен.

Как сделать диодный мост своими руками

При необходимости и при наличии нужных диодов и паяльника нетрудно собрать диодный мост своими руками.

Выбор типа сборки

Для каждой задачи существует свой оптимальный вариант выпрямительной диодной сборки. Все их можно условно разделить на 3 вида:

• Выпрямитель на одном диоде. Применяется в самых простых и дешёвых схемах, где нет к.л. требований к качеству выходного напряжения, как, например, в ночниках.
• Сдвоенный диод. Эти детали внешне похожи на транзисторы, ведь они выпускаются в таких же корпусах. Они также имеют 3 вывода. По сути, это два диода, помещённых в один корпус. Один из выводов – средний. Он может быть общим катодом или анодом внутренних диодов.
• Полноценный диодный мост. 4 детали в одном корпусе. Подходит для устройств с большими токами. Применяется в основном на входах и выходах различных блоков питания и зарядных устройств.

Дополнительная информация. Выпрямители используются и в автомобилях. Они нужны для преобразования идущего с генератора переменного напряжения в постоянное. Оно, в свою очередь, необходимо для зарядки аккумулятора. Обычный бензогенератор вырабатывает переменный ток.

Что нужно для работы

Для работы нужно подготовить рабочее место с розеткой для паяльника, паяльник с подставкой, припой, канифоль, пинцет, маленькие кусачки. Конечно, нужны диоды с нужными характеристиками. При большом желании мост можно собрать на печатной плате с готовыми дорожками.

Инструкция по изготовлению

Проверка на работоспособность

Первая проверка всегда визуальная. Проверяется, те ли детали установлены, правильно ли собрана схема, качество пайки. Затем собирается проверочная схема с источником и измерительным прибором. И если этот этап прошёл успешно, то можно подключить нагрузку и провести окончательную проверку результатов своей работы.

Источники

• https://rusenergetics.ru/%D0%B1%D0%B5%D0%B7-%D1%80%D1%83%D0%B1%D1%80%D0%B8%D0%BA%D0%B8/sxema-podklyucheniya-i-naznachenie-diodnogo-mosta
• https://amperof.ru/teoriya/diodnyj-most-sxema.html
• https://elektrik-sam.ru/baza-znanij/4139-chto-takoe-diodnyj-most-prostoe-objasnenie.html
• https://go-radio.ru/diodniy%20most.html
• https://www.asutpp.ru/diodnyy-most.html
• https://ElectroInfo.net/teorija/trehfaznyj-vyprjamitel.html
• https://www.RusElectronic.com/diodnyj-most/
• https://homius.ru/diodnyj-most-shema.html
• https://ElectroInfo.net/radiodetali/4-diodnyj-most.html

Однополупериодный многофазный выпрямитель

Сначала удобнее рассмотреть несложные в изготовлении трехфазные однополупериодные выпрямители, применяемые в простых и недорогих преобразовательных схемах. При их построении в каждую из фаз устанавливается по одному мощному диоду, обслуживающему только данную ветку.

Всего в однополупериодном образце выпрямительного прибора используется три полупроводниковых диода с подключенными к ним нагрузками. После изучения эпюр напряжений и токов, получаемых на выходе электрической цепочки, можно сделать следующие выводы:

• эффективность (КПД) действия такого устройства очень низка;
• полезная мощность теряется при обработке отрицательных полуволн всех трех фаз;
• при использовании таких приборов получить нужные нагрузочные характеристики очень сложно.

Все эти недостатки однополупериодных схем вынудили разработчиков усложнить их, применив принцип двойного параллельного преобразования.