Dióda egyenirányítás: félhullámú, teljes hullámú, PIV

Az elektronikában az egyenirányítás olyan folyamat, amelyben egy egyenirányító dióda váltakozó teljes ciklusú váltakozó áramú bemeneti jelet félciklusú egyenáramú kimeneti jellé alakít.

Egyetlen dióda félhullámú egyenirányítást, 4 diódás hálózat pedig teljes hullámú egyenirányítást eredményez

Ebben a bejegyzésben elemezzük a félhullámú és a teljes hullámú dióda-egyenirányító folyamatokat, valamint más tulajdonságokat az időváltozó függvények révén, mint például a szinusz- és a négyzethullám. Ez azt jelenti, olyan feszültségeken és áramokon keresztül, amelyek megváltoztatják nagyságukat és polaritásukat az idő függvényében.

A diódát ideális diódának tekintjük, ha figyelmen kívül hagyjuk, hogy szilíciumdiódáról vagy germániumról van szó, hogy minimalizáljuk a bonyodalmakat a számításokban. A diódát standard egyenirányító diódának tekintjük, standard egyenirányító képességekkel.

Félhullámú rektifikálás

A diódára adott időváltozó jelet bemutató legegyszerűbb diagram a következő ábrán látható:

Itt láthatunk egy AC hullámformát, ahol a T periódus a hullámforma egy teljes ciklusát jelenti, amely a középtengely fölötti és alatti részek vagy púpok átlagos értéke vagy algebrai összege.

Ez a fajta áramkör, amelyben egyetlen egyenirányító diódát alkalmazunk, időben változó szinuszos váltakozó áramú bemenettel, a bemenet felének megfelelő DC kimenet előállításához félhullámú egyenirányítónak nevezzük . A diódát egyenirányítónak nevezik ebben az áramkörben.

Az AC hullámforma t = 0 → T / 2 közötti időtartama alatt a vi feszültség polaritása 'nyomást' hoz létre az alábbi ábra szerinti irányban. Ez lehetővé teszi a dióda BE kapcsolását és polaritással történő vezetését, amint azt a dióda szimbólum felett jelzik.

Mivel a dióda teljes mértékben vezet, a dióda rövidzárlattal történő helyettesítése a fenti jobb oldali képen látható kimenetet eredményezi.

Kétségtelen, hogy a generált kimenet az alkalmazott bemeneti jel pontos replikációja a hullámforma központi tengelye felett.

A T / 2 → T periódus alatt a vi bemeneti jel polaritása negatívvá válik, ami a dióda kikapcsolását eredményezi, ami egyenértékű nyitott áramkört eredményez a dióda kapcsokon. Emiatt a töltés nem tud átfolyni a diódaútvonalon a T / 2 → T periódusban, ami a vo-t:

vo = iR = 0R = 0 V (Ohm törvénye alapján). A válasz a következő ábrán látható:

Ebben a diagramon láthatjuk, hogy a dióda Vo kimeneti egyenáramú kimenete pozitív pozitív régiót eredményez a tengely felett, a teljes bemeneti ciklushoz, amelyet a képlettel határozhatunk meg:

Vdc = 0,318 Vm (félhullám)

A vi bemenetet és a kimeneti vo feszültségeket a dióda félhullámú egyenirányítási folyamat során a következő ábra mutatja:

A fenti diagramok és magyarázatok alapján meghatározhatjuk a félhullámú egyenirányítást olyan folyamatként, amelynek során a bemeneti ciklus felét a dióda a kimenetén kiküszöböli.

Szilícium dióda használata

Ha szilíciumdiódát használunk egyenirányító diódának, mivel az előremenő feszültségesés jellemzője VT = 0,7 V, akkor előretekerési tartományt generál, amint azt a következő ábra mutatja:

A VT = 0,7 V azt jelenti, hogy a dióda sikeres bekapcsolásának biztosításához a bemeneti jelnek legalább 0,7 V-nak kell lennie. Abban az esetben, ha a VT bemenet kisebb, mint 0,7 V, egyszerűen nem lehet bekapcsolni a diódát, és a dióda továbbra is nyitott áramkör üzemmódban marad, Vo = 0 V értékkel.

Míg a dióda az egyenirányítási folyamat során vezet, addig az egyenáramú kimenetet generál, amely rögzített feszültségszintet hordoz a vo - vi feszültségkülönbségre, amely megegyezik a fent tárgyalt előre 0,7 V eséssel. Ezt a fix szintet a következő képlettel fejezhetjük ki:

vo = vi - VT

Ez a tengely feletti átlagos kimeneti feszültség csökkenését eredményezi, ami a dióda kimenetének kismértékű nettó csökkenését okozza.

A fenti ábrára hivatkozva, ha a Vm-t (csúcsjelszintet) megfelelően magasnak tartjuk, mint a VT-t, így Vm >> VT, akkor a dióda átlagos DC kimeneti értékét a következő képlet segítségével, elég pontosan értékelhetjük.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Pontosabban, ha a bemenő változó csúcsa kellően magasabb, mint a dióda VT (előre csökkenése), akkor egyszerűen az előző képletet használhatjuk a dióda egyenirányított kimenetének becsléséhez:

Vdc = 0,318 Vm

Megoldott példa a Half Bridge Rectifierre

Probléma:

Értékelje a vo kimenetet, és derítse ki a kimenet DC nagyságát az alább látható áramkörtervezéshez:

Megoldás: A fenti áramköri hálózatnál a dióda bekapcsol a bemeneti jel negatív részénél, és vo a következő vázlaton látható.

Az AC bemeneti ciklus teljes időtartama alatt a DC kimenet a következő lesz:

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

A negatív előjel a kimeneti DC polaritását jelöli, amely ellentétes a probléma alatti diagramban megadott előjellel.

2. probléma: Oldja meg a fenti problémát, tekintve, hogy a dióda szilíciumdióda.

Szilícium-dióda esetén a kimeneti hullámforma így néz ki:

A DC kimenetet az alábbiakban ismertetett módon lehet kiszámítani:

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

A kimeneti egyenfeszültség 0,7 V-tényező miatti csökkenése körülbelül 0,22 V, vagy körülbelül 3,5%

Teljes hullámú rektifikálás

Ha egy egyenfeszültségű szinuszos jelet használunk bemenetként az egyenirányításhoz, akkor az egyenáramú kimenetet 100% -os szintre lehet javítani egy teljes hullámú egyenirányító eljárással.

Ennek legismertebb és legkönnyebb folyamata egy 4-diódás alkalmazás híd egyenirányító hálózat az alábbiak szerint.

Amikor a pozitív bemeneti ciklus előrehalad a t = 0 és T / 2 közötti időszakon keresztül, a bemenő váltakozó áramú jel polaritása a diódán és a dióda kimenete az alábbiakban látható:

Itt láthatjuk, hogy a híd diódahálózatának speciális elrendezése miatt, amikor D2, D3 vezet, az ellentétes D1, D4 diódák továbbra is torzítva, kikapcsolt állapotban vannak.

Az egyenirányítási folyamatból a D2, D3 révén generált nettó DC kimenet látható a fenti ábrán. Mivel a diódákat ideálisnak képzeltük, a kimenet vo = vin.

Most a D1, D4 vezetési diódák és a D2, D3 diódák negatív félciklusához hasonlóan KI állapotba kerülnek, az alábbiak szerint:

Világosan láthatjuk, hogy a hídirányító kimenete a bemeneti AC pozitív és negatív félciklusát két egyenáramú félciklussá alakította át a központi tengely felett.

Mivel ez a tengely feletti régió most kétszer nagyobb, mint a félhullámú egyenirányításra kapott tartomány, a kimeneti DC is kétszer akkora lesz, mint a következő képlet segítségével számoltuk:

Vdc = 2 (0,318 Vm)

vagy

Vdc = 0,636 Vm (teljes hullám)

Amint a fenti ábrán látható, ha az ideális dióda helyett szilíciumdiódát használunk, akkor Kirchhoff feszültségtörvényének alkalmazása a vezetővezetéken a következő eredményt adja:

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

Ezért a kimeneti feszültség csúcsa a következő lesz:

Vomax = Vm - 2VT

Olyan helyzetben, ahol V >> 2VT, korábbi egyenletünket használhatjuk arra, hogy az átlagértéket meglehetősen nagy pontossággal kapjuk meg:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Még egyszer, ha a Vm értéke lényegesen magasabb, mint 2VT, akkor a 2VT egyszerűen figyelmen kívül hagyható, és az egyenlet a következőképpen oldható meg:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (csúcs inverz feszültség)

A csúcs inverz feszültség vagy a (PIV) besorolás, amelyet néha dióda csúcs fordított feszültségének (PRV) is neveznek, döntő paraméterté válik az egyenirányító áramkörök tervezése során.

Alapvetően a dióda fordított előfeszültségű feszültségtartománya, amelyet nem szabad túllépni, különben a dióda lebomolhat egy zener lavina régiónak nevezett régióba való átjutással.

Ha Kirchhoff feszültségtörvényét alkalmazzuk egy félhullámú egyenirányító áramkörre, az alábbiak szerint, ez egyszerűen megmagyarázza, hogy a dióda PIV besorolásának magasabbnak kell lennie, mint az egyenirányító bemenetéhez használt táp bemenet csúcsértéke.

Teljes híd egyenirányító esetén is a PIV besorolás számítása megegyezik a félhullámú egyenirányítóval, vagyis:

PIV ≥ Vm, mivel Vm a csatlakoztatott terhelésre kifejtett teljes feszültség, amelyet a következő ábra mutat.

Megoldott példák a teljes híd egyenirányító hálózatra

Határozza meg a következő diódahálózat kimeneti hullámformáját, és számítsa ki a kimeneti egyenáramszintet és a biztonságos PIV értéket is a hálózat minden diódájához.

Megoldás: A pozitív félciklus esetében az áramkör a következő ábrán látható módon viselkedne:

A jobb megértés érdekében ezt a következő módon rajzolhatjuk át:

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

A negatív félciklusban a diódák vezető szerepe felcserélhető, amely az alábbiak szerint kimenetet eredményez:

Két dióda hiánya a hídban a DC kimenet nagyságrendű csökkenését eredményezi:

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

Ez teljesen ugyanaz, mint amit egy félhíd egyenirányítóval kaptunk volna, ugyanazzal a bemenettel.

A PIV egyenlő lesz az R-en keletkező maximális feszültséggel, amely 5 V, vagy annak a fele, amelyre szükség van egy ugyanazon bemenettel egyenirányított félhullámhoz.