Для выпрямления переменного электрического напряжения в электротехнике и электронике используются различные схемы на диодах – элементах с односторонней проводимостью. Выпрямитель можно построить различными способами, но наибольшей популярностью пользуется включение вентилей по мостовой схеме.
- Определение диодного моста и его роль в электрических схемах
- Принцип работы
- В выпрямительных схемах
- В преобразовании переменного тока в постоянный ток
- Виды диодных мостов и их распиновка
- Основные параметры
- Маркировка и обозначение на схемах
- Обзор типовых схем включения диодного моста
- Для зарядного устройства
- Для генератора
- Для трансформатора
- Для блока питания
Определение диодного моста и его роль в электрических схемах
Диодным мостом называется узел, предназначенный для двухполупериодного выпрямления переменного тока и составленный из нескольких диодов (вентилей). Происхождение термина затерялось в глубине десятилетий, но понятие используется до сих пор, и применяется не только к схемам выпрямления, а к широкому классу четырехполюсников, имеющих симметричную структуру.
В электротехнике и электронике применение получили измерительные мосты, составленные из образцовых резисторов, конденсаторов и т.п. Для организации электрических фильтров применяют мосты Вина, Овена и т.п.
Область назначения диодных мостов – эффективное (с наибольшим использованием мощности источника питания) выпрямление электрического тока. Мостовой выпрямитель позволяет получить высокий КПД преобразования простыми и недорогими способами.
Принцип работы
Диод в цепях переменного тока работает одинаково – пропускает ток в одну сторону и не пропускает в другую. Но комбинацией нескольких вентилей можно добиться различной работы готовой схемы.
В выпрямительных схемах
Принципиально для выпрямления переменного тока достаточно одного диода. Он будет пропускать положительную волну синусоидального напряжения и не пропускать отрицательную (будет ее «срезать»). Этот способ имеет существенный недостаток – половина мощности источника питания не используется. Второй минус – форма выходного напряжения далека от прямой линии, для сглаживания придется использовать громоздкий фильтр.
Этот недостаток можно исправить, включив два выпрямителя параллельно. Для этого понадобится трансформатор с двумя обмотками, включенными последовательно.
В этом случае диод VD1 пропускает положительную волну, второй – отрицательную. Через нагрузку Rload проходят оба полупериода тока в одном направлении. Минус схемы – требуется трансформатор с отводом.
Этого же результата можно добиться и без отвода во вторичной обмотке, используя схему диодного моста. В однофазном варианте для этого достаточно четырех вентилей.
Положительная волна синусоиды пойдет по пути, обозначенному красными стрелками:
- диод VD2;
- нагрузка;
- диод VD3.
Отрицательная по пути, маркированному зелеными стрелками:
- VD4;
- нагрузка;
- VD1.
Очевидно, что в течение любого полупериода ток через нагрузку идет в одном направлении.
Для трехфазной системы можно использовать несколько разновидностей выпрямительных мостов. Наиболее распространена схема Ларионова. Она тоже имеет две разновидности:
- Для вторичных обмоток трехфазного трансформатора, включенных «звездой».
- Для вторичных обмоток, включенных «треугольником).
В большинстве случаев вторичная обмотка трансформаторов с выходным уровнем 380 вольт включается «звездой» для организации заземления нейтрали, поэтому работа схемы трехфазного выпрямителя будет рассмотрена для этого случая.
На самом деле, схема соединения в мостик для обоих вариантов является одинаковой, но есть отличия в работе и форме выходного напряжения.
В этом случае в нагрузке складываются три тока каждой фазы, сдвинутые между собой на 120 градусов. Это позволяет получить наименьшие, по сравнению с однофазной схемой, пульсации.
В преобразовании переменного тока в постоянный ток
По какой схеме ни был бы собран выпрямительный мост, ток на его выходе не будет полноценным постоянным. Чтобы довести пульсирующий ток до такого состояния, пульсации надо сгладить. Для этого чаще всего применяют конденсаторы. Их подключают параллельно выходу диодного моста.
Если рассматривать несколько упрощенно, конденсатор работает так:
- во время пика пульсаций он заряжается, сглаживая выброс;
- во время минимума разряжается в нагрузку, подпитывая ее.
В результате напряжение на выходе (и ток через нагрузку) становится близким к постоянному.
Для сглаживания пульсаций пригодны и дроссели, включаемые параллельно с нагрузкой, но они имеют массу недостатков – габариты, вес дополнительное падение напряжения и т.п.
Виды диодных мостов и их распиновка
Диодный мост можно собрать из дискретных диодов, а можно использовать готовую сборку. Наиболее распространены мостовые сборки, в которых все соединения выполнены внутри, а наружу выведены только входные и выходные точки. К таким электронным компонентам относятся отечественные КЦ402 или КЦ405. Они имеют одинаковую внутреннюю схему, но различный тип выводов, однако их распиновка одинакова. Назначение выводов нанесено на корпусе (на рисунке показана и внутренняя структура диодной сборки). Если маркировка выводов отсутствует или стерлась, ее можно определить прозвонкой.
Бывают сборки, у которых диоды внутри соединены не полностью, при монтаже мост придется спаять самостоятельно. Это лает больше свободы при конструировании и при разводке печатных плат.
Основные параметры
Главными параметрами, по которым выбирается или рассчитывается диодный мост, являются наибольший допустимый ток или наибольшее допустимое обратное напряжение. В большинстве случаев этого достаточно для выбора элементов или готовой сборки.
Так как при работе мостового выпрямителя последовательно с нагрузкой всегда включены два открытых диода, в некоторых случаях может оказаться важным такая характеристика, как падение напряжения на элементе. У кремниевого вентиля оно составляет примерно 0,6 вольт. Для 220 вольт потеря 0,6х2=1,2 вольт значения не имеет и лежит в пределах нестабильности сетевого напряжения, для 12 вольт такое значение уже заметно, а для схем, где используется переменное напряжение в 3 вольта прямое падение в 1,2 вольта может иметь решающее значение. В таких случаях можно применить, например, диоды Шоттки. Для них этот параметр составляет 0,2..0,4 вольта.
Если мостик будет применяться в схеме импульсного преобразования, важным параметром может быть максимальная рабочая частота. Для применения в установках промышленной частоты (50 или 100 герц) применим, как правило, любой элемент, подходящий по остальным характеристикам.
Прочие параметры моста определяются стандартными характеристиками входящих в состав схемы диодов. Их можно посмотреть в справочниках.
Маркировка и обозначение на схемах
Диодный мост на схеме может быть обозначен как непосредственное соединение всех элементов. Полное начертание однофазного моста показано на рисунке.
Стандарты составления электрических схем требуют, чтобы все элементы и соединения были нарисованы горизонтально либо вертикально. УГО диодного моста относится к устоявшимся изображениям, поэтому для него разрешается чертить соединения под углом 45 градусов. Это делает структуру узла легкоузнаваемой.
Можно нарисовать двухполупериодный выпрямитель с применением канонических подходов. В этом случае он тоже легко узнается на схеме.
Существует и другое (упрощенное) начертание однофазного мостика. В нем каждый элемент отдельно не показан, а заменен общим УГО диода.
Существует и обобщенное обозначение выпрямительного узла, как преобразователя переменного напряжения в постоянное. Это УГО применяется редко.
Графическое обозначение трехфазного моста также вычерчивается в устоявшемся виде. Его легко визуально выделить на общей схеме.
Обзор типовых схем включения диодного моста
Схема подключения диодного моста в целом стандартна. К выводам переменного тока подключается источник переменного тока. К выводам постоянного тока подключается нагрузка. Но есть смысл рассмотреть примеры применения мостового выпрямителя в различных практических применениях.
Для зарядного устройства
В зарядном устройстве аккумулятора не обязательно иметь сглаживающий конденсатор. Зато важно иметь возможность регулирования тока. В этом случае элементы фильтра не устанавливают, а диоды (или часть) заменяют тиристорами. Используя фазоимпульсный метод управления, можно регулировать усредненный ток заряда аккумулятора.
Для генератора
Автомобильный генератор вырабатывает переменный ток, который затем выпрямляется. Этот способ на первый взгляд кажется нерациональным, кажется, что проще применять генератор постоянного тока. Но такое решение связано с меньшей технической и экономической эффективностью, поэтому и здесь применяется мостовая схема выпрямления.
Для трансформатора
Классическое применение диодного мостика – трансформаторный блок питания. В нем напряжение снижается трансформатором T1, выпрямляется мостом D1 и сглаживается конденсатором С1.
Для блока питания
В импульсных источниках питания переменное напряжение, как правило, выпрямляется дважды:
- До преобразования.
- После преобразования (для каждого выходного напряжения отдельный выпрямитель).
На приведенном примере сетевое напряжение выпрямляется сборкой BD1, сглаживается до постоянного конденсаторами С3 и С4, а после преобразования снова выпрямляется диодами и сборками D11-D17.
После преобразования используется схема с трансформатором с отводом, так как миниатюризация в данном случае важнее, чем сложность изготовления импульсного трансформатора (он и без отводов достаточно сложен).
Читайте также: Подборка схем для самостоятельного изготовления импульсного БП
Диодный мостик не является сложным электротехническим узлом. Тем не менее, для его грамотного применения желательно изучить процессы, происходящие при его работе.
