Διόρθωση διόδων: Half-Wave, Full-Wave, PIV

Στα ηλεκτρονικά, η διόρθωση είναι μια διαδικασία κατά την οποία μια δίοδος ανορθωτή μετατρέπει ένα εναλλασσόμενο σήμα εισόδου εναλλασσόμενου πλήρους κύκλου σε σήμα εξόδου DC μισού κύκλου.

Μια μεμονωμένη δίοδος παράγει διόρθωση μισού κύματος και ένα δίκτυο 4 διόδων παράγει πλήρη διόρθωση κυμάτων

Σε αυτήν την ανάρτηση θα αναλύσουμε διαδικασίες διόρθωσης διόδου μισού κύματος και διόδων πλήρους κύματος και άλλες ιδιότητες μέσω συναρτήσεων που ποικίλλουν από το χρόνο, όπως ημιτονοειδές κύμα και τετράγωνο κύμα. Σημασία, μέσω τάσεων και ρευμάτων που αλλάζουν το μέγεθος και την πολικότητά τους σε σχέση με το χρόνο.

Θα θεωρήσουμε ότι η δίοδος είναι μια ιδανική δίοδος αγνοώντας εάν πρόκειται για δίοδο πυριτίου ή γερμανικό, για την ελαχιστοποίηση των επιπλοκών στους υπολογισμούς. Θα θεωρήσουμε ότι η δίοδος είναι μια τυπική δίοδος ανορθωτή με τυπικές ικανότητες διόρθωσης.

Ρύθμιση μισού κύματος

Το απλούστερο διάγραμμα που δείχνει ένα χρονικά μεταβαλλόμενο σήμα που εφαρμόζεται σε μια δίοδο φαίνεται στο ακόλουθο διάγραμμα:

Εδώ μπορούμε να δούμε μια κυματομορφή εναλλασσόμενου ρεύματος, όπου η περίοδος Τ υποδηλώνει έναν πλήρη κύκλο της κυματομορφής, που είναι η μέση τιμή ή το αλγεβρικό άθροισμα των τμημάτων ή των εξογκωμάτων πάνω και κάτω από τον κεντρικό άξονα.

Αυτός ο τύπος κυκλώματος στο οποίο εφαρμόζεται μια μόνο δίοδος ανορθωτή με μια είσοδο σήματος εναλλασσόμενου ημιτονοειδούς σήματος εναλλασσόμενου χρόνου για τη δημιουργία εξόδου DC με τιμή μισής από την είσοδο ονομάζεται ανορθωτής μισού κύματος . Η δίοδος αναφέρεται ως ανορθωτής σε αυτό το κύκλωμα.

Κατά την περίοδο μεταξύ t = 0 → T / 2 της κυματομορφής AC, η πολικότητα της τάσης vi δημιουργεί μια «πίεση» στην κατεύθυνση όπως απεικονίζεται στο παρακάτω διάγραμμα. Αυτό επιτρέπει στη δίοδο να ανάψει και να διεξαχθεί με πολικότητα όπως υποδεικνύεται ακριβώς πάνω από το σύμβολο της δίοδος.

Δεδομένου ότι η δίοδος λειτουργεί πλήρως, αντικαθιστώντας τη δίοδο με βραχυκύκλωμα, θα παράγει έξοδο όπως φαίνεται στην παραπάνω δεξιά πλευρά εικόνας.

Χωρίς αμφιβολία, η παραγόμενη έξοδος φαίνεται να είναι ακριβής αναπαραγωγή του εφαρμοζόμενου σήματος εισόδου πάνω από τον κεντρικό άξονα της κυματομορφής.

Κατά την περίοδο T / 2 → T, η πολικότητα του σήματος εισόδου vi γίνεται αρνητική, γεγονός που προκαλεί τη διακοπή της δίοδος, με αποτέλεσμα ένα ισοδύναμο ανοικτού κυκλώματος στους ακροδέκτες της διόδου. Λόγω αυτού, η φόρτιση δεν μπορεί να ρέει κατά μήκος της διαδρομής διόδων κατά την περίοδο T / 2 → T, προκαλώντας το vo να είναι:

vo = iR = 0R = 0 V (χρησιμοποιώντας τον Νόμο του Ohm). Η απόκριση μπορεί να απεικονιστεί στο ακόλουθο διάγραμμα:

Σε αυτό το διάγραμμα μπορούμε να δούμε ότι η έξοδος DC Vo από τη δίοδο παράγει μια καθαρή μέση θετική περιοχή πάνω από τον άξονα, για τον πλήρη κύκλο εισόδου, ο οποίος μπορεί να προσδιοριστεί από τον τύπο:

Vdc = 0,318 Vm (μισό κύμα)

Η τάση εισόδου vi και V εξόδου κατά τη διαδικασία διόρθωσης μισού κύματος διόδου παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα:

Από τα παραπάνω διαγράμματα και εξηγήσεις μπορούμε να ορίσουμε τη διόρθωση μισού κύματος ως μια διαδικασία στην οποία το μισό του κύκλου εισόδου αποβάλλεται από τη δίοδο στην έξοδο του.

Χρησιμοποιώντας μια δίοδο πυριτίου

Όταν μια δίοδος πυριτίου χρησιμοποιείται ως δίοδος ανορθωτή, δεδομένου ότι έχει χαρακτηριστικό πτώσης τάσης προς τα εμπρός VT = 0,7 V, δημιουργεί μια περιοχή εμπρόσθιας πόλωσης όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Το VT = 0,7 V σημαίνει ότι τώρα το σήμα εισόδου πρέπει να είναι τουλάχιστον 0,7 V για να διασφαλιστεί ότι η δίοδος ανάβει με επιτυχία. Σε περίπτωση που η είσοδος VT είναι μικρότερη από 0,7 V απλώς δεν θα ενεργοποιήσει τη δίοδο και η δίοδος θα συνεχίσει να βρίσκεται στη λειτουργία ανοιχτού κυκλώματος, με Vo = 0 V.

Ενώ η δίοδος διεξάγει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας διόρθωσης, παράγει έξοδο DC που φέρει σταθερό επίπεδο τάσης για τη διαφορά τάσης vo - vi, ίση με την προαναφερθείσα εμπρός πτώση 0,7 V. Μπορούμε να εκφράσουμε αυτό το σταθερό επίπεδο με τον ακόλουθο τύπο:

vo = vi - VT

Αυτό προκαλεί μείωση της μέσης τάσης εξόδου πάνω από τον άξονα, προκαλώντας μια μικρή καθαρή μείωση της διορθωμένης εξόδου από τη δίοδο.

Αναφερόμενος στην παραπάνω εικόνα, εάν θεωρήσουμε ότι το Vm (επίπεδο σήματος αιχμής) είναι αρκετά υψηλό από το VT, έτσι ώστε Vm >> VT, μπορούμε να αξιολογήσουμε με ακρίβεια τη μέση τιμή εξόδου DC από τη δίοδο χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Πιο συγκεκριμένα, εάν η κορυφή AC εισόδου είναι αρκετά υψηλότερη από την VT (εμπρός πτώση) της διόδου, τότε μπορούμε απλά να χρησιμοποιήσουμε τον προηγούμενο τύπο για τον υπολογισμό της διορθωμένης εξόδου DC από τη δίοδο:

Vdc = 0,318 Vm

Επίλυση παραδείγματος για ανορθωτή μισής γέφυρας

Πρόβλημα:

Αξιολογήστε την έξοδο και μάθετε το μέγεθος DC της εξόδου για τον σχεδιασμό κυκλώματος που φαίνεται παρακάτω:

Λύση: Για το παραπάνω δίκτυο κυκλώματος, η δίοδος θα ενεργοποιηθεί για το αρνητικό τμήμα του σήματος εισόδου και το vo θα είναι όπως υποδεικνύεται στο ακόλουθο σχέδιο.

Για όλη την περίοδο του κύκλου εισόδου AC, η έξοδος DC θα είναι:

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

Το αρνητικό σύμβολο υποδηλώνει την πολικότητα της εξόδου DC που είναι αντίθετη με την ένδειξη που παρέχεται στο διάγραμμα κάτω από το πρόβλημα.

Πρόβλημα # 2: Λύστε το παραπάνω πρόβλημα θεωρώντας ότι η δίοδος είναι δίοδος πυριτίου.

Σε περίπτωση δίοδος πυριτίου, η κυματομορφή εξόδου θα μοιάζει με αυτό:

Και η έξοδος DC μπορεί να υπολογιστεί όπως εξηγείται παρακάτω:

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

Η πτώση της τάσης DC εξόδου λόγω του συντελεστή 0,7 V είναι περίπου 0,22V ή περίπου 3,5%

Πλήρης διόρθωση κύματος

Όταν ένα ημιτονοειδές σήμα AC χρησιμοποιείται ως είσοδος για διόρθωση, η έξοδος DC μπορεί να βελτιωθεί σε επίπεδο 100% χρησιμοποιώντας μια διαδικασία διόρθωσης πλήρους κύματος.

Η πιο γνωστή και εύκολη διαδικασία για την επίτευξη αυτού είναι με τη χρήση 4-διόδων ανορθωτής γέφυρας δίκτυο όπως φαίνεται παρακάτω.

Όταν ο θετικός κύκλος εισόδου εξελίσσεται κατά την περίοδο t = 0 έως T / 2, η πολικότητα του σήματος AC εισόδου κατά μήκος της διόδου και η έξοδος από τη δίοδο είναι όπως παρουσιάζονται παρακάτω:

Εδώ, μπορούμε να δούμε ότι λόγω της ειδικής διάταξης του δικτύου διόδων στη γέφυρα, όταν D2, D3 διεξάγονται, οι αντίθετες δίοδοι D1, D4 παραμένουν αντίστροφες μεροληπτικές και σε κατάσταση OFF.

Η καθαρή έξοδος DC που παράγεται από αυτήν τη διαδικασία διόρθωσης μέσω D2, D3 φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα. Εφόσον έχουμε φανταστεί ότι οι δίοδοι είναι ιδανικές, η έξοδος είναι vo = vin.

Τώρα, επίσης, για τον αρνητικό μισό κύκλο των διόδων σήματος εισόδου D1, D4 conduct και Diods D2, D3 πηγαίνουν σε κατάσταση OFF, όπως φαίνεται παρακάτω:

Μπορούμε να δούμε ξεκάθαρα ότι η έξοδος από τον ανορθωτή γέφυρας έχει μετατρέψει τόσο τους θετικούς όσο και τους αρνητικούς μισούς κύκλους της εισόδου AC σε δύο DC μισούς κύκλους πάνω από τον κεντρικό άξονα.

Δεδομένου ότι αυτή η περιοχή πάνω από τον άξονα είναι τώρα δύο φορές μεγαλύτερη από την περιοχή που λαμβάνεται για διόρθωση μισού κύματος, η έξοδος DC θα γίνει επίσης διπλάσια του μεγέθους, όπως υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

Vdc = 2 (0.318Vm)

ή

Vdc = 0,636Vm (πλήρες κύμα)

Όπως απεικονίζεται στο παραπάνω σχήμα, εάν αντί για ιδανική δίοδο χρησιμοποιείται δίοδος πυριτίου, η εφαρμογή του νόμου περί τάσης του Kirchhoff πάνω από τη γραμμή αγωγιμότητας θα μας έδινε το ακόλουθο αποτέλεσμα:

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

Επομένως, η κορυφή τάσης εξόδου θα είναι:

Vomax = Vm - 2VT

Σε μια κατάσταση όπου V >> 2VT, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την προηγούμενη εξίσωση για να πάρουμε τη μέση τιμή με αρκετά υψηλό βαθμό ακρίβειας:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Και πάλι, εάν έχουμε Vm σημαντικά υψηλότερο από το 2VT, το 2VT μπορεί απλά να αγνοηθεί και η εξίσωση μπορεί να λυθεί ως:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (Αντίστροφη τάση κορυφής)

Η μέγιστη αντίστροφη τάση ή η βαθμολογία (PIV) η οποία μερικές φορές ονομάζεται και ονομαστική τιμή αντίστροφης τάσης (PRV) μιας διόδου γίνεται κρίσιμη παράμετρος κατά το σχεδιασμό κυκλωμάτων ανορθωτή.

Είναι βασικά ένα εύρος τάσης αντίστροφης μεροληψίας της διόδου που δεν πρέπει να ξεπεραστεί, διαφορετικά η δίοδος μπορεί να σπάσει μεταβαίνοντας σε μια περιοχή που ονομάζεται περιοχή χιονοστιβάδας zener.

Εάν εφαρμόσουμε τον νόμο τάσης του Kirchhoff σε κύκλωμα ανορθωτή μισού κύματος όπως φαίνεται παρακάτω, απλώς εξηγεί ότι η βαθμολογία PIV μιας διόδου πρέπει να είναι υψηλότερη από την τιμή αιχμής της εισόδου τροφοδοσίας που χρησιμοποιείται για την είσοδο ανορθωτή.

Για έναν ανορθωτή γεφυρών επίσης, ο υπολογισμός βαθμολογίας PIV είναι ο ίδιος με τον ανορθωτή μισού κύματος, δηλαδή:

PIV ≥ Vm, καθώς το Vm είναι η συνολική τάση που εφαρμόζεται στο συνδεδεμένο φορτίο, όπως απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα.

Λύθηκαν παραδείγματα για το Full Bridge Rectifier Network

Προσδιορίστε την κυματομορφή εξόδου για το ακόλουθο δίκτυο διόδων και υπολογίστε επίσης το επίπεδο εξόδου DC και το ασφαλές PIV για κάθε δίοδο στο δίκτυο.

Λύση: Για τον θετικό μισό κύκλο, το κύκλωμα θα συμπεριφερόταν όπως απεικονίζεται στο ακόλουθο διάγραμμα:

Μπορούμε να το ξαναγράψουμε με τον ακόλουθο τρόπο για καλύτερη κατανόηση:

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

Για τον αρνητικό μισό κύκλο, ο ρόλος αγωγιμότητας των διόδων μπορεί να αντικατασταθεί, ο οποίος θα παράγει μια έξοδο vo όπως φαίνεται παρακάτω:

Η απουσία δύο διόδων στη γέφυρα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της εξόδου DC με μέγεθος:

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

Αυτό είναι το ίδιο που θα είχαμε αποκτήσει από έναν ανορθωτή μισής γέφυρας με την ίδια είσοδο.

Το PIV θα είναι ίσο με τη μέγιστη τάση που δημιουργείται στο R, το οποίο είναι 5 V, ή το μισό από αυτό που απαιτείται για μισό κύμα που διορθώνεται με την ίδια είσοδο.