Диодный мост
Диодный мост
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.
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.
Диодная сборка.
Диодный мост во многих случаях обозначают на принципиальных схемах упрощённо. Например, вот так.
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.
Сборка диодного моста (или просто диодная сборка) – это 4 одинаковых по параметрам диода, которые соединены по схеме мостового выпрямителя и запакованы в один общий корпус. У такой сборки 4 вывода. Два служат для подключения переменного напряжения и обозначаются значком «
». Иногда могут иметь обозначение AC (Alternating Current — переменный ток).
Оставшиеся два вывода имеют обозначения « + » и « — ». Это выход выпрямленного, пульсирующего напряжения (тока).
Диодная сборка выпрямительного моста является более технологичной деталью. Она занимает меньше места на печатной плате. Для робота-сборщика на заводе проще и быстрее установить одну монолитную деталь вместо четырёх. Ещё одним из плюсов такой сборки можно считать то, что при работе все диоды внутри неё находятся в одном тепловом режиме.
Также стоит отметить и то, что сборки, порой, стоят дешевле, чем четыре отдельных диода. Но и в бочке мёда должна быть ложка дёгтя. Минус диодных сборок в том, что если выходит из строя хотя бы один диод, то менять её придётся полностью. Поэтому не лишним будет научиться проверять диодный мост мультиметром.
Думаю понятно, что в случае отдельных диодов нужно просто заменить один неисправный диод, что, соответственно, обойдётся дешевле.
В реальности сборка диодного моста может выглядеть вот так.
Диодная сборка KBL02 на печатной плате
Диодная сборка RS607 на плате компьютерного блока питания
А вот так выглядит диодная сборка DB107S для поверхностного (SMD) монтажа. Несмотря на свои малые размеры, сборка DB107S выдерживает прямой ток 1 A и обратное напряжение в 1000 V.
Более мощные выпрямительные диодные мосты требуют охлаждения, так как при работе они сильно нагреваются. Поэтому их корпус конструктивно выполнен с возможностью крепления на радиатор. На фото – диодный мост KBPC2504, рассчитанный на прямой ток 25 ампер.
Естественно, любую мостовую сборку можно заменить 4-мя отдельными диодами, которые соответствуют нужным параметрам. Это бывает необходимо, когда нужной сборки нет под рукой.
Иногда это вводит новичков в замешательство. Как же правильно соединить диоды, если предполагается изготовление диодного моста из отдельных диодов? Ответ изображён на следующем рисунке.
Условное изображение диодного моста и диодной сборки
Как видим всё довольно просто. Чтобы понять, как нужно соединить диоды, нужно вписать в стороны ромба изображение диода.
На принципиальных схемах и печатных платах диодный мост могут обозначать по-разному. Если используются отдельные диоды, то рядом с ними просто указывается сокращённое обозначение – VD, а рядом ставиться его порядковый номер в схеме. Например, вот так: VD1 – VD4. Иногда применяется обозначение VDS. Данное обозначение указывается обычно рядом с условным обозначением выпрямительного моста. Буква S в данном случае подразумевает, что это сборка. Также можно встретить обозначение BD.
Где применяется схема диодного моста?
Мостовая схема активно применяется практически в любой электронике, которая питается от однофазной электросети переменного тока (220 V): музыкальных центрах, DVD-проигрывателях, кинескопных и ЖК-телевизорах. . Да где его только нет! Кроме этого, он нашёл применение не только в трансформаторных блоках питания, но и в импульсных. Примером импульсного блока питания, в котором применяется данная схема, может служить рядовой компьютерный блок питания. На его плате легко обнаружить либо выпрямительный мост из отдельных мощных диодов, либо одну диодную сборку.
Вы легко найдёте диодный мост на печатных платах электро-пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА) или по-простому «балластах», а также в компактных люминесцентных лампах (КЛЛ).
В сварочных аппаратах можно обнаружить очень мощные диодные мосты, которые крепятся к теплоотводу. Это лишь несколько примеров того, где может применяться данное схемотехническое решение.
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.
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.
Техническое описание коннектора-выпрямителя
Коннектор для подключения светодиодных лент соответствующего питающего напряжения к сети переменного тока с напряжением 220В и частотой 50Гц (бытовая электросеть) представляет собой комбинированное устройство, основой которого является элементарный выпрямитель, построенный по схеме диодного моста (рис. 1).
Рис. 1. Принцип работы диодного моста.
Диодный мост — это электронная схема, предназначенная для выпрямления переменного тока в пульсирующий постоянный. В результате преобразования, на выходе диодного моста получается пульсирующее напряжение вдвое большей частоты, чем на входе, но стабильной полярности. В коннекторе не предусмотрено иных электронных компонентов, таких как конденсатор, обычно используемых для сглаживания пульсаций в блоках питания электронных приборов.
Диодный мост выполнен в виде монолитной диодной сборки размером 23х23мм и помещен в пластиковый корпус, который одновременно является и внешним изолятором (рис. 2). К выводам диодной сборки припаиваются провода входной (переменного тока) и выходной (постоянного тока) цепей.
Рис. 2. Диодный мост и коннектор в сборе.
Технические параметры диодного моста
- Максимальное постоянное обратное напряжение, В: 600
- Максимальное импульсное обратное напряжение, В: 600
- Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, А: 4
- Максимальный допустимый прямой импульсный ток, А: 80
- Максимальный обратный ток, мкА: 10
- Максимальное прямое напряжение, В при Iпр., А= 2: 1,05
- Максимальное время обратного восстановления, мкс: 500
- Рабочая температура, С: -40…150
- Способ монтажа: пайка
- Количество фаз: 1
Схема и принцип работы диодного моста
Схема диодного моста Рис. Наибольший рабочий ток выпрямления.
С появлением дешёвых полупроводниковых диодов эту схему стали применять всё чаще и чаще. Ответ изображён на следующем рисунке. Определили, еще ничего не зная ни о свободных электронах, ни о дырках.
Результат — более высокая степень сглаживания при той же емкости конденсатора фильтра, увеличение КПД используемого в выпрямителе трансформатора. В случае выхода из строя одного диода в составе монолитной сборки менять придется всю ее целиком несмотря на то, что три оставшихся элемента могут быть исправными.
Пульсации сглаживаются, а напряжение становится близким к постоянному. Схема подключения устройства На электрических схемах и печатных платах диодный выпрямитель обозначается в виде значка диода или латинскими буквами.
Следуя из названия, собран мост из 4 или 6 диодов. Работая с обеими полуволнами переменного напряжения, диодный мост выгодно отличается от однополупериодных выпрямителей.
Принцип работы диодного моста
Металлы характеризуется тем, что электроны в их кристаллической решетке почти не держатся, вылетают и болтаются между атомами кристалла по любому поводу, самая небольшая температура, заставляющая ядра атомов на своих местах слегка вибрировать, вышибает электроны напрочь и массово. В случае отсутствия мультиметра можно воспользоваться обычным вольтметром.
В данной схеме, ток протекает от фазы с наибольшим потенциалом, через нагрузку к фазе с наименьшем потенциалом. Данную пульсацию можно немного уменьшить с помощью параллельно включенного конденсатора к выходу диодного моста.
Его величина возрастает и зависит только сопротивления p- и n- области. Устройство выпрямителя и схема подключения На сегодняшний день не придумано ничего лучшего для полноценного выпрямления напряжения, чем обычный диодный мост.
ЧТО ТАКОЕ ДИОДНЫЙ МОСТ
Как подключить светодиод к 220 В используя конденсатор
Выше мы посмотрели, как легко, используя только диоды и резисторы, подключить к сети 220 В любой светодиод. Это были простые схемы. Сейчас посмотрим на более сложные, но лучшие в плане реализации и долговечности. Для этого нам понадобится уже конденсатор.
Токоограничивающий элемент — конденсатор. На схеме — C1. Конденсатор должен быть рассчитан на работу с напряжением не менее 400 В. После зарядки последнего ток через него будет ограничивать резистор.
Простейший выпрямитель
Рисунок 2. Характеристики тока в различных схемах.
Ток, протекающий в обычной осветительной сети, является переменным. Его величина и направление меняются 50 раз в течение одной секунды. График зависимости его напряжения от времени показан на рис. 2а. Красным цветом показаны положительные полупериоды, синим – отрицательные.
Поскольку величина тока изменяется от нуля до максимального (амплитудного) значения, вводится понятие действующего значения тока и напряжения. Например, в осветительной сети действующее значение напряжения 220 В – во включенном в эту сеть нагревательном приборе за одинаковые промежутки времени выделяется столько же тепла, сколько в том же устройстве, в цепи постоянного тока напряжением 220 В.
Но на самом деле напряжение в сети меняется за 0,02 с следующим образом:
- первую четверть этого времени (периода) – увеличивается от 0 до 311 В;
- вторую четверть периода – уменьшается от 311 В до 0;
- третью четверть периода – уменьшается от 0 до 311 В;
- последнюю четверть периода – возрастает от 311 В до 0.
В этом случае 311 В – амплитуда напряжения Uо. Амплитудное и действующее (U) напряжения связаны между собой формулой:
Рисунок 3. Диодный мост.
При включении в цепь переменного тока последовательно соединенных диода (VD) и нагрузки (рис. 2б), ток через нее протекает только во время положительных полупериодов (рис. 2в). Происходит это благодаря односторонней проводимости диода. Называется такой выпрямитель однополупериодным – одну половину периода ток в цепи есть, во время второй – отсутствует.
Ток, протекающий через нагрузку в таком выпрямителе, не постоянный, а пульсирующий. Превратить его практически в постоянный можно, включив параллельно нагрузке конденсатор фильтра Cф достаточно большой емкости. В течение первой четверти периода конденсатор заряжается до амплитудного значения, а в промежутках между пульсациями разряжается на нагрузку. Напряжение становится почти постоянным. Эффект сглаживания тем сильнее, чем больше емкость конденсатора.
Диодный мост перегорает из-за перегрузки в связи с превышением потребления тока. Происходит это из-за подключения потребителей с нагрузкой, превышающей расчетную величину.
Примерами выхода диодного моста служат:
· неправильные действия по «прикуриванию» чужого автомобиля с работающим двигателем на своей машине;
· перепутанная полярность аккумуляторной батареи во время прикуривания;
· замыкание между пластинами теплоотводов, присоединенных к «массе» и «плюсом» генератора случайными металлическими предметами или токопроводящими мостиками из пыли и грязи, может произойти возгорание по цепи генератор – аккумулятор. Поэтому пластины теплоотводов частично изолируются.
· подключение мощной акустики с софт буфером с большой нагрузкой, увеличивающей расчетный ток, на который рассчитан генератор;
· короткое замыкание в банках неисправного аккумулятора;
· микротрещины появляющиеся от перепадов температуры под капотом автомобиля, вследствие этого попадания в трещины конденсата или обычной влаги от неосторожной езды;
· иногда диоды выходят из строя сами по себе.
Применение на практике
Для примера, рассмотрим инверторный аппарат TELWIN Force 165. Во входном выпрямителе используются диодные сборки GBPC3508. Выпрямительный мост GBPC3508 может работать с током 35 А, обратное напряжение – 800 В.
С ним вместе идет обязательно сглаживающий фильтр из конденсаторов большой емкости. Кроме этого имеется фильтр электромагнитной совместимости, который не пропускает помехи от инвертора в бытовую сеть.
На выходе инвертора используются мощные сдвоенные диоды с общим катодом. Они имеют высокое быстродействие в отличие от диодов расположенных на входе устройства.
Благодаря малому времени восстановления, менее 50 наносекунд, приборы успевают переключать высокочастотный ток на выходе вторичной обмотки.
В данном приборе используются сдвоенные диоды марок STTH6003CW, FFH30US30DN или VS-60CPH03, рассчитаны на прямой ток 30 ампер на один прибор (60 ампер на оба) и обратное напряжение 300 вольт.
Устанавливаются на радиатор. Для защиты полупроводников от перегрузки используется RC фильтр. Схема управления требует стабильный источник питания без бросков напряжения.
Для этого в приборе предусмотрены стабилитроны или уже готовый интегральный стабилизатор, которые обеспечивают стабильное питание на микросхемах управления. В результате получается компактное устройство, позволяющее качественно варить металл.
