Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Основные характеристики

И отдельные диоды, и промышленные диодные сборки описываются стандартным набором технических характеристик:

• это напряжение обратной полярности, которое можно, не опасаясь пробоя, приложить к устройству;
• величина тока обратной полярности, который безопасно можно пропустить по устройству;
• длительность протекания тока по устройству без его перегрева;
• максимальная температура устройства, при которой оно сохраняет свою работоспособность;
• максимальная допустимая частота проходящего тока.

ФОТО: go-radio.ruВариант изображения моста на принципиальной электрической схемеФОТО: go-radio.ruСборка «Диодный мост» на печатной плате

Схема диодного моста

И самодельный мост, и промышленная диодная сборка изготавливаются по одной и той же схеме. Два диода последовательно спаиваются разноимёнными полюсами. Потом две пары спаивают одноимёнными полюсами на концах этих пар. К точкам соединения разноимённых полюсов подключается источник переменного напряжения, к точкам соединения одноимённых полюсов подключают нагрузку.

Диодные мосты применяются для выпрямления однофазного и трёхфазного тока.

Однофазный выпрямитель

Этот выпрямитель применяется в бытовой электронной технике чаще всего, так как бытовая электросеть однофазная. Как правило, пульсации выпрямленного тока с частотой 100 Гц не годятся для нормальной работы аппаратуры, появится неприятный звуковой фон – гудение. После выпрямителя следует ставить качественный сглаживающий фильтр из катушки индуктивности (последовательно) и конденсатора достаточной ёмкости (параллельно выходу выпрямителя).

ФОТО: electroinfo.netСхема однофазного моста

Трёхфазный выпрямитель

Трёхфазные выпрямители на выходе дают меньшую частоту пульсаций, чем однофазные. Понижаются требования к сглаживающим фильтрам.

Схемы выпрямителей для трёхфазных цепей бывают однотактные и двухтактные. В однотактной схеме к каждой обмотке трёхфазного трансформатора подключается минус диода. Свободные концы каждой из трёх катушек соединяются в общую точку.  Плюсы диодов тоже соединяются в одну точку. Нагрузка подключается между этими двумя общими точками.

ФОТО: electricalschool.infoПринципиальная схема однотактного трёхфазного моста-выпрямителя

Если требуется выходное напряжение более высокого значения, а пульсации поменьше, то собирается двухтактна схема. Собираются три пары диодов, в каждой паре плюсовой вывод одного подключается к минусу другого.  Плюсовые выводы трёх пар тоже собираются в одну точку, так же объединяются минусы диодов, а общие точки в каждой паре диодов подключаются к свободным концам трёх обмоток вторичной обмотки трансформатора. Нагрузка подключается между общим минусом и плюсом сборки. В такой схеме выходное напряжение несколько выше, а пульсации намного меньше. Иногда можно обойтись без сглаживающего фильтра. Такая схема имеет название «Мостовой трёхфазный выпрямитель Ларионова».

ФОТО: electricalschool.infoПринципиальная схема двухтактного трёхфазного моста-выпрямителяФОТО: electricalschool.infoСборка «Трёхфазный диодный мост»

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.

Рис. 1. Принцип работы диодного моста

Для пояснения выпрямления диодным мостом необходимо рассматривать работу схемы относительно формы напряжения на входе. Следует отметить, что кривая напряжения за один период имеет две полуволны – положительную и отрицательную. В свою очередь, каждая полуволна имеет процесс нарастания и убывания по отношению к максимальной точке амплитуды.

Поэтому работа выпрямительного устройства будет иметь такие этапы:

• На вход выпрямительного моста, обозначенного буквами А и Б подается переменное напряжение 220В.
• Каждая полуволна, подаваемая из электрической сети или от обмоток трансформатора, преобразуется в постоянную величину парой диодов, расположенных по диагонали.
• Положительная полуволна будет проводиться парой диодов VD1 и VD4 и выдавать на выход моста полуволну в положительной области оси ординат.
• Отрицательная полуволна будет выпрямляться парой диодов VD2 и VD3, с которых на том же выходе моста возникнет очередная полуволна в положительной области.

В связи с тем, что оба полупериода получают реализацию на выходе диодного моста, такое электронное устройство получило название двухполупериодного выпрямителя, также его называют схемой Гретца.

Обозначение на схеме и маркировка

На электрической схеме диодный мост может иметь различные варианты изображения. Чаще всего вы можете встретить такие обозначения:

Рис. 2. Обозначение на схеме

Первый вариант обозначения мостового выпрямителя используется, как правило, в тех ситуациях, когда электронный прибор представляет собой монолитную конструкцию, единую сборку. На схеме маркировка выполняется латинскими буквами VD, за которыми указывается порядковый номер.

Второй вариант наиболее распространен  для тех ситуаций, когда диодный мост состоит из отдельных полупроводниковых устройств, собранных в одну схему. Маркировка второго варианта, чаще всего, выполняется в виде ряда VD1 – VD4.

Следует также отметить, что вышеприведенное схематическое обозначение и маркировка хоть и имеет общепринятый характер, но может нарушаться при составлении схем.

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.

Рис. 3. 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:

Рис. 4. 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.

Выпрямление электроэнергии

До конца XIX века преобразование переменного напряжения в постоянное было проблемой. С изобретением диода — сначала вакуумного, а позже и полупроводникового — ситуация в корне изменилась. Благодаря своим уникальным свойствам, диод отлично различает полярность и позволяет легко сортировать токи с нужным направлением. Сначала для этих целей использовались отдельные диоды, позже появились диодные мосты, обеспечивающие высокое качество выпрямления.

https://youtube.com/watch?v=XamfUIu4wDI

Выпрямитель на одном диоде

Диод проводит ток только в одном направлении, именно поэтому его и называют полупроводниковым прибором. Если к катоду устройства подключить плюс источника напряжения, а к аноду — минус, диод будет вести себя как обычный проводник. Если полярность изменить, то прибор закроется и превратится в диэлектрик. Для ответа на вопрос о том, что это даёт, придется собрать простейшую схему и снова вооружиться осциллографом.

На схеме изображена работа полупроводникового диода в цепи переменного тока. Осциллограмма слева показывает картину на выходе трансформатора — обычный переменный ток. После диода всё существенно меняется — на графике исчезает отрицательная полуволна переменного напряжения. Ток еще не стал постоянным, но он уже не переменный — движения электрического заряда в обратном направлении нет. Такой род тока принято называть пульсирующим. Им еще нельзя питать электронику, но изменения налицо. Остаётся сгладить пики импульсов. Это делают с помощью конденсаторов.

На схеме представлен однополупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Во время положительного импульса напряжение не только питает нагрузку, но и одновременно заряжает конденсатор. Когда импульс заканчивается, конденсатор отдает накопленную энергию, сглаживая скачки напряжения.

Двухполупериодный прибор

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в преобразовании переменного тока в постоянный предыдущим экспериментом, результат ещё далек от идеала. Дело в том, что частота переменного тока довольно низкая (50 Гц), а навешивание сглаживающих конденсаторов имеет свои ограничения. Для того чтобы существенно улучшить форму выходного сигнала, нужно увеличить частоту.

Однако в розетках она строго фиксирована и не зависит от внешних факторов. Отрицательная полуволна напряжения срезается диодом. Поменять её полярность совсем несложно — достаточно лишь добавить несколько диодов, собрав мостовую схему. На рисунке представлен двухполупериодный выпрямитель на четырёх диодах, объясняющий то, как работает диодный мост:

При появлении положительной полуволны диоды VD2, VD3 окажутся включенными в прямом направлении и будут открыты. VD1, VD2 — закрыты. Полуволна свободно проходит к выходу выпрямителя. Когда напряжение сменит полярность, пары диодов поменяются местами — VD1 и VD4 откроются, VD2 и VD3 закроются. Отрицательная полуволна тоже пройдет к выходу, но поменяет полярность. В результате получится все то же импульсное однополярное напряжение, но частота его увеличится вдвое. Останется добавить сглаживающий конденсатор и посмотреть, что получится.

Двухполупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором на изображении показывает, что поставленная задача решена: переменное напряжение преобразовано в постоянное. Конечно, постоянство неидеально — имеются пульсации, однако с ними можно бороться с помощью фильтров. К тому же любая электроника допускает ту или иную величину пульсаций.

Такая схема, состоящая из четырех диодов, стала классической и получила название диодного или выпрямительного моста. Существует отдельная категория электронных приборов — выпрямительные мосты. Они состоят из четырех диодов, соединенных между собой соответствующим образом. В качестве примера можно посмотреть на выпрямительный мост КЦ402Г и его электрическую схему.

Как работает генератор авто

Схема работы генератора следующая: при повороте ключа в замке зажигания включается электросеть. Напряжение с аккумулятора поступает на регулятор, который в свою очередь, передает его на медные токосъемные кольца, конечный потребитель — обмотка возбуждения ротора. С момента вращения коленвала двигателя, через ременную передачу начинает вращаться вал ротора, создается электромагнитное поле. Ротор образует переменный ток, при достижении определенных оборотов обмотка возбуждения питается с самого генератора а не с АКБ.

Далее переменный ток поступает на диодный мост, где происходит процесс “выравнивания”. Регулятор напряжения следит за режимом работы ротора, при необходимости меняет напряжение обмотки возбуждения. Таким образом, при условии исправных деталей, на аккумулятор поступает стабильный ток, обеспечивающий бортовую сеть необходимым напряжением.

На панель приборов более современных авто выведен индикатор АКБ, который указывает на состояние генератора также (загорается при обрыве ремня или перезарядке). Такие автомобили как ВАЗ 2101-07, АЗЛК-2140, и другая советская “техника”, имеют стрелочный индикатор, амперметр или вольтметр, благодаря чему можно следить за состоянием генератора всегда.

Литература

М. Салато (M. Salato), А. Локхандвала (A. Lokhandwala), М. Солдано (M. Soldano). International Rectifier. AN-1087 Построение выпрямителя вторичного плеча при помощи ИС управления IR1167 SmartRectifierTM

International Rectifier. Техническое описание ИС управления интеллектуальным выпрямителем IR1167S

Аднаан Локхандвала (Adnaan Lokhandwala), Маурицио Салато (Maurizio Salato), Марко Солдано (Marko Soldano). Конференция разработчиков портативных источников питания 2006. Новая ИС управления выпрямлением выходного сигнала повышает эффективность и тепловые характеристики внешних AC-DC преобразователей питания

Заявка на получение патента США №2005/0122753 A1 от 9 июня 2005 г.

ВНИМАНИЮ ЧИТАТЕЛЕЙ!

В 11 номере журнала за 2009 год на стр. 29 допущена опечатка.

Название табл. 2 следует читать: «Характеристики переключателей».

Первый абзац на странице следует читать:

«Texas Instruments предлагает достаточно сбалансированные решения для применения в видеосистемах. Баланс заключается в оптимальных, часто — взаимозависящих, технических характеристиках ключей. Например, при достаточно низком сопротивлении во включенном состоянии также обеспечивается очень высокая скорость переключения.»

•••

Что такое диоды

Схема диодной сборки Из приведенного выше рисунка видно, что в мостовую схему входят четыре полупроводниковых элемента диода , порядок соединения которых соответствует встречно-параллельному принципу. Любое преобразование напряжения требует применения диодных мостов.

Избыток заряда одного знака заставляет носителей отталкиваться друг от друга, в то время как область с противоположным зарядом стремится притянуть их к себе. В электронике данная схема применяется в настоящее время повсеместно.

Более мощные выпрямительные диодные мосты требуют охлаждения, так как при работе они сильно нагреваются. Во время положительного полупериода положительное напряжение приложено к аноду VD1, а отрицательное — к катоду VD3. В обычной осветительной цепи течет переменный ток, который 50 раз в течение одной секунды меняет свою величину и направление.

Схема диодного моста Это так называемый однофазный выпрямительный мост, один из нескольких типов выпрямителей , которые активно применяются в электронике. Его превращение в постоянный — достаточно часто встречающаяся необходимость. В области соединения материала n- и p-типа существует потенциальный барьер.

Статья по теме: Объем испытаний

Физические свойства p-n перехода

Также в нем будет рассмотрен вопрос, касающийся того, как сделать диодный мост своими руками. Образованный избыток электронов формирует отрицательный заряд, а дырок — положительный. Но самое интересное, что два типа проводимости могут существовать в одном куске полупроводника. Пару слов о том, как работает диодный мост.

Схема и принцип работы диодного моста На данной схеме 4 диода соединенных по мостовой схеме подключены к источнику переменного напряжения В. Диод Раньше, в эпоху стеклянных электронных вакуумных ламп, это была самая простая из ламп.

Если взглянуть на принципиальные схемы блоков питания, как трансформаторных, так и импульсных, то после выпрямителя всегда стоит электролитический конденсатор, который сглаживает пульсации тока

Важно отметить, что ток Iн протекающий через нагрузку Rн, не изменяется по направлению, то есть является постоянным

Выпрямлению подвергается напряжение, снимаемое со вторичной понижающей обмотки трансформатора Т. При загорании включенного через ограничивающий резистор светодиода можно быть уверенным в том, что на выходе появился постоянный потенциал. В данной схеме, ток протекает от фазы с наибольшим потенциалом, через нагрузку к фазе с наименьшем потенциалом. Потому что анод холодный, а к катоду теперь приложен положительный потенциал, который возвращает выброшенные накалом катода электроны обратно. Однако отдельные образцы современных электронных устройств ваш мобильный, например нуждаются в постоянном или выпрямленном напряжении.
Способы соединения диодных мостов, выпрямителей для увеличения их максимального тока и напряжения

Постоянный и переменный ток

Из учебного курса физики все знают, что электрический ток подразумевает протекание электрического заряда из одного проводника в другой. В отличие от постоянного тока, который действительно идет в одном направлении (от минуса к плюсу), переменный течет сначала в одну сторону, а затем — в другую. Если подключить к розетке осциллограф, можно получить схематическое изображение такого движения тока.

На рисунке представлена осциллограмма переменного тока, где по оси абсцисс показано время, а по оси ординат — напряжение. Из графика хорошо видно, что напряжение плавно нарастает до величины 220 В, потом уменьшается до нуля и нарастает до той же величины, но с противоположным знаком. Иными словами, напряжение в розетке постоянно меняет знак со скоростью 50 раз в секунду.

Осциллограмма постоянного тока, показанная на изображении, наглядно демонстрирует, как на протяжении всего времени напряжение на клеммах имеет постоянную величину. При замыкании цепи ток будет течь в одну сторону.

Физические свойства p-n перехода

Главным элементом, использующимся при создании выпрямительного узла, является диод. В основе его работы лежит электронно-дырочный переход (p-n).

Общепринятое определение гласит: p-n переход — это область пространства, находящаяся на границе соединения двух полупроводников разного типа. В этом пространстве образуется переход n-типа в p-тип. Значение проводимости зависит от атомного строения материала, а именно от того, насколько прочно атомы удерживают электроны. Атомы в полупроводниках располагаются в виде решётки, а электроны привязаны к ним электрохимическими силами. Сам по себе такой материал является диэлектриком. Он или плохо проводит ток, или не проводит его совсем. Но если в решётку добавить атомы определённых элементов (легирование), физические свойства такого материала кардинально изменяются.

Избыток заряда одного знака заставляет носителей отталкиваться друг от друга, в то время как область с противоположным зарядом стремится притянуть их к себе. Электрон, перемещаясь, занимает свободное место, дырку. При этом на его старом месте также образовывается дырка. В результате чего создаётся два потока движения зарядов: один основной, а другой обратный. Материал с отрицательным зарядом в качестве основных носителей использует электроны, его называют полупроводником n-типа, а с положительным зарядом, использующим дырки, p-типа. В полупроводниках обоих типов неосновные заряды образуют ток, обратный движению основных зарядов.

В радиоэлектронике из материалов для создания p-n перехода используется германий и кремний. При легировании кристаллов этих веществ образуется полупроводник с различной проводимостью. Например, введение бора приводит к появлению свободных дырок и образованию p-типа проводимости. Добавление фосфора, наоборот, создаст электроны, и полупроводник станет n-типа.

Схема диодного моста

Наиболее характерным импульсным блоком является блок питания компьютера. Нижний предел измерения сопротивлений зависит от импеданса соединений проводов и контактов. Для питания используется переменный ток, при этом две составляющие моста должны быть регулируемые, чтобы обеспечить уравновешивание, как по модулю, так и по фазе.

Теперь только два паразитных падения напряжения Eпров. Мост для измерения индуктивности методом сравнения с мерой.

Схема управления электроприводом дистанционным способом. Иногда это вводит новичков в замешательство. Она обладает несколько большим дрейфом напряжения сдвига и более низким уровнем шумов.

Обычно, такое изображение либо служить для того, чтобы упростить вид принципиальной схемы, либо для того, чтобы показать, что в данном случае применена диодная выпрямительная сборка.

Коэффициент усиления A2 устанавливается в соответствии с используемой измерительной шкалой. Участки цепи, соединяющие точки а и с, а также b и d, называются диагоналями моста. Как работает простейший блок питания

Однофазный и трёхфазный диодный мост

Схема подключения датчика движения к прожектору

Существует две основные разновидности выпрямляющих сборок:

• Однофазный мост. Чаще используется в бытовых электроприборах. Имеет 4 вывода. На два их них подаётся переменное напряжение, т.е. фаза (L) и ноль (N). С двух оставшихся снимается постоянное, т.е. плюс (+) и минус (-).
• Трёхфазный мост. Встречается в мощных промышленных установках и оборудовании, питающимся от сети 380 вольт. На его вход подаются три фазы (L1, L2, L3). С выхода так же снимается постоянное напряжение. Такие мосты отличаются большими размерами и внушительными токами, которые они способны через себя пропустить.

Трёхфазный выпрямитель

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. 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.

Присутствует диодный мост генератора исключительно в «бортовых электростанциях» переменного тока. Поскольку большинство легковых авто комплектуются генераторами переменного тока, выпрямитель с диодами и стабилитроном присутствует в каждом из них. Обычно этот узел встраивается в генератор, но существуют выносные диодные мостики для удобного сервисного обслуживания, ремонта и замены диодов.