Diode-rectificatie: halve golf, volledige golf, PIV

In de elektronica is gelijkrichting een proces waarbij een gelijkrichterdiode een wisselstroomingangssignaal met een volledige cyclus omzet in een gelijkstroomuitgangssignaal van een halve cyclus.

Een enkele diode produceert een halfgolf-gelijkrichting en een netwerk van 4 diodes produceert een dubbelzijdige gelijkrichting

In dit bericht zullen we zowel halfgolf- als dubbelzijdige diode-rectificatieprocessen analyseren, en andere eigenschappen door middel van tijdvariërende functies zoals sinusgolf en blokgolf. Dat wil zeggen, door spanningen en stromen die hun grootte en polariteit veranderen met betrekking tot de tijd.

We zullen de diode als een ideale diode beschouwen door te negeren of het een siliciumdiode of een germanium is, om complicaties bij de berekeningen te minimaliseren. We zullen de diode beschouwen als een standaard gelijkrichterdiode met standaard gelijkrichtingscapaciteiten.

Halve golf rectificatie

Het eenvoudigste diagram dat een in de tijd variërend signaal toont dat op een diode wordt toegepast, wordt weergegeven in het volgende diagram:

Hier kunnen we een AC-golfvorm zien, waarbij de periode T een volledige cyclus van de golfvorm aangeeft, wat de gemiddelde waarde of de algebraïsche som is van de delen of de bulten boven en onder de centrale as.

Dit type circuit waarin een enkele gelijkrichterdiode wordt toegepast met een in de tijd variërende sinusvormige AC-signaalingang om een ​​DC-uitgang te genereren met een waarde van de helft van de ingang wordt een halfgolfgelijkrichter genoemd ​De diode wordt in dit circuit de gelijkrichter genoemd.

Gedurende de periode tussen t = 0 → T / 2 van de AC-golfvorm, creëert de polariteit van de spanning vi een 'druk' in de richting zoals weergegeven in het onderstaande diagram. Hierdoor kan de diode AAN schakelen en geleiden met een polariteit zoals aangegeven net boven het diodesymbool.

Aangezien de diode volledig geleidend is, zal het vervangen van de diode door een kortsluiting een output produceren zoals weergegeven in de afbeelding rechtsboven.

Ongetwijfeld lijkt de gegenereerde output een exacte replicatie te zijn van het toegepaste inputsignaal boven de centrale as van de golfvorm.

Gedurende de periode T / 2 → T wordt de polariteit van het ingangssignaal vi negatief, waardoor de diode UIT gaat, wat resulteert in een open circuit equivalent over de diodeklemmen. Hierdoor kan de lading niet over het diodepad stromen gedurende de periode T / 2 → T, waardoor vo is:

vo = iR = 0R = 0 V (volgens de wet van Ohm). Het antwoord kan worden gevisualiseerd in het volgende diagram:

In dit diagram kunnen we zien dat de DC-uitgang Vo van de diode een netto gemiddeld positief gebied boven de as produceert voor de volledige cyclus van de ingang, die kan worden bepaald door de formule:

Vdc = 0,318 Vm (halve golf)

De input vi en de output vo-spanningen tijdens het diode-halfgolf-rectificatieproces worden weergegeven in de volgende afbeelding:

Uit de bovenstaande diagrammen en uitleg kunnen we halfgolf gelijkrichting definiëren als een proces waarbij de helft van de ingangscyclus wordt geëlimineerd door de diode aan zijn uitgang.

Met behulp van een siliciumdiode

Wanneer een siliciumdiode wordt gebruikt als de gelijkrichterdiode, genereert deze, omdat deze een voorwaartse spanningsvalkarakteristiek van VT = 0,7 V heeft, een voorwaarts instelgebied zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

De VT = 0,7 V betekent dat het ingangssignaal nu minimaal 0,7 V moet zijn om ervoor te zorgen dat de diode succesvol wordt ingeschakeld. In het geval dat de ingang VT minder is dan 0,7 V, zou de diode gewoon niet worden ingeschakeld en blijft de diode in de open circuit-modus, met Vo = 0 V.

Terwijl de diode geleidt tijdens het rectificatieproces, genereert hij een DC-uitgang die een vast spanningsniveau draagt ​​voor het spanningsverschil vo - vi, gelijk aan de hierboven besproken voorwaartse daling van 0,7 V. We kunnen dit vaste niveau uitdrukken met de volgende formule:

vo = vi - VT

Dit levert een verlaging van de gemiddelde uitgangsspanning boven de as op, waardoor de gelijkgerichte output van de diode netto licht wordt verminderd.

Verwijzend naar de bovenstaande figuur, als we de Vm (pieksignaalniveau) als voldoende hoog beschouwen dan de VT, zodat Vm >> VT, kunnen we de gemiddelde DC-uitgangswaarde van de diode vrij nauwkeurig evalueren met behulp van de volgende formule.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Om precies te zijn, als de AC-ingangspiek voldoende hoger is dan VT (forward drop) van de diode, dan kunnen we eenvoudig de vorige formule gebruiken om de gelijkgerichte DC-output van de diode te schatten:

Vdc = 0,318 Vm

Opgelost voorbeeld voor Half Bridge Rectifier

Probleem:

Evalueer de output vo en ontdek de DC-magnitude van de output voor het onderstaande circuitontwerp:

Oplossing: Voor het bovenstaande circuitnetwerk zal de diode AAN gaan voor het negatieve gedeelte van het ingangssignaal, en vo zal zijn zoals aangegeven in de volgende schets.

Voor de volledige periode van de AC-ingangscyclus is de DC-uitgang:

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

Het minteken geeft de polariteit van de DC-uitgang aan die tegengesteld is aan het teken in het diagram onder het probleem.

Probleem # 2: Los het bovenstaande probleem op, aangezien de diode een siliciumdiode is.

In het geval van een siliciumdiode zou de uitgangsgolfvorm er als volgt uitzien:

En de output-DC kan worden berekend zoals hieronder wordt uitgelegd:

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

De daling van de DC-uitgangsspanning als gevolg van de 0,7 V-factor is ongeveer 0,22 V of ongeveer 3,5%

Full-wave rectificatie

Wanneer een AC-sinusvormig signaal wordt gebruikt als ingang voor rectificatie, kan de DC-uitgang worden verbeterd tot 100% niveau met behulp van een dubbelzijdige gelijkrichtingsproces.

De meest bekende en gemakkelijke manier om dit te bereiken is door een 4-diode te gebruiken brug gelijkrichter netwerk zoals hieronder weergegeven.

Wanneer de positieve invoercyclus vordert door de periode t = 0 tot T / 2, is de polariteit van het AC-ingangssignaal over de diode en de uitvoer van de diode zoals hieronder weergegeven:

Hier kunnen we zien dat als gevolg van de speciale opstelling van het diodenetwerk in de brug, wanneer D2, D3 geleiden, de tegenovergestelde diodes D1, D4 omgekeerd voorgespannen en in de UIT-toestand blijven.

De netto output DC gegenereerd door dit rectificatieproces via D2, D3 is te zien in het bovenstaande diagram. Omdat we ons hebben voorgesteld dat de diodes ideaal zijn, is de uitvoer vo = vin.

Nu, evenzo voor de negatieve halve cyclus van de ingangssignaaldiodes D1, D4 geleiding, en diodes D2, D3 gaan in een UIT-toestand, zoals hieronder geïllustreerd:

We kunnen duidelijk zien dat de output van de bruggelijkrichter zowel de positieve als de negatieve halve cycli van de input AC heeft omgezet in twee DC halve cycli boven de centrale as.

Aangezien dit gebied boven de as nu twee keer zo groot is als het gebied dat wordt verkregen voor een gelijkrichting van een halve golf, wordt de output-DC ook tweemaal de magnitude, zoals berekend met de volgende formule:

Vdc = 2 (0,318Vm)

of

Vdc = 0,636Vm (dubbele golf)

Zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding, als in plaats van de ideale diode een siliciumdiode wordt gebruikt, zou het toepassen van de spanningswet van Kirchhoff over de geleidingslijn ons het volgende resultaat geven:

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

Daarom zal de uitgangsspanning piek vo zijn:

Vomax = Vm - 2VT

In een situatie waarin V >> 2VT, kunnen we onze eerdere vergelijking gebruiken om de gemiddelde waarde met een redelijk hoge mate van precisie te krijgen:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Nogmaals, als we Vm aanzienlijk hoger hebben dan 2VT, kan de 2VT eenvoudigweg worden genegeerd en kan de vergelijking worden opgelost als:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (piek inverse spanning)

De piek-inverse spanning of de (PIV) -classificatie, die ook wel de piek-sperspanning (PRV) -classificatie van een diode wordt genoemd, wordt een cruciale parameter bij het ontwerpen van gelijkrichterschakelingen.

Het is in feite een spanningsbereik in tegengestelde richting van de diode dat niet mag worden overschreden, anders kan de diode defect raken door over te gaan naar een gebied dat zenerlawine-gebied wordt genoemd.

Als we de spanningswet van Kirchhoff toepassen op een halfgolfgelijkrichterschakeling, zoals hieronder wordt weergegeven, wordt eenvoudig uitgelegd dat de PIV-classificatie van een diode hoger moet zijn dan de piekwaarde van de voedingsingang die wordt gebruikt voor de gelijkrichteringang.

Ook voor een volledige bruggelijkrichter is de berekening van de PIV-classificatie hetzelfde als een halfgolfgelijkrichter, dat wil zeggen:

PIV ≥ Vm, aangezien Vm de totale spanning is die op de aangesloten belasting wordt toegepast, zoals weergegeven in de volgende afbeelding.

Opgeloste voorbeelden voor Full Bridge Rectifier Network

Bepaal de uitgangsgolfvorm voor het volgende diodenetwerk en bereken ook het uitgangs-DC-niveau en de veilige PIV voor elke diode in het netwerk.

Oplossing: voor de positieve halve cyclus zou het circuit zich gedragen zoals weergegeven in het volgende diagram:

We kunnen dit op de volgende manier opnieuw tekenen voor een beter begrip:

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

Voor de negatieve halve cyclus kan de geleidende rol van de diodes worden verwisseld, wat een output vo zal produceren zoals hieronder getoond:

De afwezigheid van twee diodes in de brug resulteert in een vermindering van de DC-output met een grootte:

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

Dit is vrijwel hetzelfde dat we zouden hebben verkregen van een halfbruggelijkrichter met dezelfde ingang.

De PIV is gelijk aan de maximale spanning die wordt gegenereerd over R, die 5 V is, of de helft van de spanning die nodig is voor een halve golf gelijkgericht met dezelfde ingang.