Диодно коригиране: половин вълна, пълна вълна, PIV

В електрониката коригирането е процес, при който токоизправителният диод преобразува променлив пълен цикъл променлив входен сигнал в полуциклов изходен DC сигнал.

Един диод произвежда корекция на половин вълна, а мрежа от 4 диода - корекция на пълна вълна

В този пост ще анализираме както процесите на коригиране на диоди с половин вълна, така и други вълни, както и други свойства чрез вариращи във времето функции като синусоида и квадратна вълна. Значение чрез напрежения и токове, които променят своята величина и полярност по отношение на времето.

Ще считаме диода за идеален диод, като пренебрегваме дали е силициев диод или германий, за да сведем до минимум усложненията при изчисленията. Ще считаме диода за стандартен токоизправител със стандартни способности за коригиране.

Поправка на половин вълна

Най-простата диаграма, показваща вариращ във времето сигнал, приложен към диод, е показана на следната диаграма:

Тук можем да видим AC форма на вълната, където периодът T означава един пълен цикъл на формата на вълната, която е средната стойност или алгебричната сума на частите или гърбиците над и под централната ос.

Този тип верига, в която се прилага единичен токоизправител диод с променлив във времето синусоидален вход за променлив ток, за да се генерира DC изход със стойност половината от входа се нарича изправител с половин вълна . Диодът се нарича изправител в тази схема.

По време на периода между t = 0 → T / 2 на променливотоковата форма, полярността на напрежението vi създава „налягане“ в посоката, както е показано на диаграмата по-долу. Това позволява на диода да се включва и да води с полярност, както е посочено точно над символа на диода.

Тъй като диодът се провежда напълно, заместването на диода с късо съединение ще доведе до изход, както е показано в горното дясно изображение.

Без съмнение генерираният изход изглежда точно копиране на приложения входен сигнал над централната ос на формата на вълната.

По време на периода T / 2 → T, полярността на входния сигнал vi става отрицателна, което води до изключване на диода, което води до еквивалент на отворена верига през диодните клеми. Поради това зарядът не може да преминава през диодната пътека през периода T / 2 → T, което води до vo:

vo = iR = 0R = 0 V (използвайки закона на Ом). Отговорът може да бъде визуализиран в следната диаграма:

В тази диаграма можем да видим DC изхода Vo от диода да създава нетна средна положителна област над оста, за входния пълен цикъл, който може да се определи по формулата:

Vdc = 0,318 Vm (полувълна)

Входното напрежение vi и изходното напрежение по време на процеса на диодна полувълнова ректификация е представено на следващата фигура:

От горните диаграми и обяснение можем да определим полувълновото коригиране като процес, при който половината от входния цикъл се елиминира от диода на изхода му.

Използване на силициев диод

Когато като изправител диод се използва силициев диод, тъй като той има характеристика на напрежение отпред за VT = 0,7 V, той генерира предна зона на отклонение, както е показано на следващата фигура:

VT = 0,7 V означава, че сега входният сигнал трябва да бъде най-малко 0,7 V, за да се гарантира, че диодът се включва успешно. В случай, че входният VT е по-малък от 0,7 V, просто няма да включи диода и диодът ще продължи да бъде в режим на отворена верига, с Vo = 0 V.

Докато диодът провежда по време на процеса на коригиране, той генерира постоянен ток, който носи фиксирано ниво на напрежение за разликата в напрежението vo - vi, равно на споменатия по-горе спад от 0.7 V. Можем да изразим това фиксирано ниво със следната формула:

vo = vi - VT

Това води до намаляване на средното изходно напрежение над оста, което води до леко нетно намаляване на ректифицираната мощност от диода.

Позовавайки се на горната фигура, ако смятаме, че Vm (пиково ниво на сигнала) е адекватно високо от VT, такова че Vm >> VT, можем да изчислим средната стойност на DC изхода от диода, използвайки следната формула, съвсем точно.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

По-точно, ако входният пик на променлив ток е достатъчно по-висок от VT (капка напред) на диода, тогава можем просто да използваме предишната формула за оценка на ректифицирания DC изход от диода:

Vdc = 0,318 Vm

Решен пример за полумостов изправител

Проблем:

Оценете изхода vo и разберете DC величината на изхода за схемата, показана по-долу:

Решение: За горната верижна мрежа диодът ще се включи за отрицателната част от входния сигнал и vo ще бъде както е посочено в следващата скица.

За целия период на входния променлив цикъл изходът за постоянен ток ще бъде:

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

Отрицателният знак показва полярността на изходния DC, която е противоположна на знака, предоставен в диаграмата под проблема.

Проблем №2: Решете горния проблем, считайки диода за силициев диод.

В случай на силициев диод, изходната форма на вълната ще изглежда така:

И изходният DC може да бъде изчислен, както е обяснено по-долу:

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

Спадът в изходното постояннотоково напрежение поради фактора 0.7 V е около 0.22V или приблизително 3.5%

Пълно вълново коригиране

Когато се използва AC синусоидален сигнал като вход за коригиране, DC изходът може да бъде подобрен до 100% ниво, използвайки процес на коригиране на пълни вълни.

Най-добре познатият и лесен процес за постигане на това е използването на 4-диод мостов токоизправител мрежа, както е показано по-долу.

Когато положителният входен цикъл напредва през периода t = 0 до T / 2, полярността на входния променлив сигнал през диода и изхода от диода са представени по-долу:

Тук можем да видим, че поради специалното разположение на диодната мрежа в моста, когато D2, D3 провеждат, противоположните диоди D1, D4 остават обърнати пристрастни и в изключено състояние.

Нетният изход DC, генериран от този процес на коригиране през D2, D3, може да се види на горната диаграма. Тъй като сме си представяли диодите за идеални, изходът е vo = vin.

Сега, също така за отрицателния полуцикъл на входния сигнал диодите D1, D4 провеждат и диодите D2, D3 преминават в изключено състояние, както е показано по-долу:

Можем ясно да видим, че изходът от мостовия токоизправител е преобразувал както положителния, така и отрицателния полуцикъл на входния променлив ток в два полуцикъла на постоянен ток над централната ос.

Тъй като тази област над оста сега е два пъти повече от областта, получена за корекция на половин вълна, изходният DC също ще стане два пъти по-голям от величината, изчислена по следната формула:

Vdc = 2 (0.318Vm)

или

Vdc = 0.636Vm (пълно вълна)

Както е показано на горната фигура, ако вместо идеален диод се използва силициев диод, прилагането на закона за напрежението на Кирхоф над проводимата линия ще ни даде следния резултат:

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

Следователно пиковото напрежение на изходното напрежение vo ще бъде:

Vomax = Vm - 2VT

В ситуация, в която V >> 2VT, можем да използваме по-ранното си уравнение, за да получим средната стойност с разумно висока степен на точност:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

И все пак, ако имаме Vm значително по-висок от 2VT, 2VT може просто да бъде игнориран и уравнението може да бъде решено като:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (пиково обратно напрежение)

Пиковото инверсно напрежение или (PIV) номиналът, който понякога се нарича и пиково обратно напрежение (PRV) на диода, става решаващ параметър при проектирането на токоизправителни вериги.

По същество това е обхват на напрежението на обратното пристрастие на диода, който не трябва да се надвишава, в противен случай диодът може да се разпадне, преминавайки в регион, наречен ценер лавинен регион.

Ако приложим закона на напрежението на Kirchhoff към верига на изправител с половин вълна, както е показано по-долу, това просто обяснява, че PIV рейтингът на диод трябва да бъде по-висок от пиковата стойност на захранващия вход, използван за входа на токоизправителя.

За пълен мостов изправител също така изчисляването на рейтинга PIV е същото като изправителя с половин вълна, т.е.

PIV ≥ Vm, тъй като Vm е общото напрежение, приложено към свързания товар, както е показано на следващата фигура.

Решени примери за мрежа с пълен мостов токоизправител

Определете изходната форма на вълната за следващата диодна мрежа и също изчислете изходното ниво на постоянен ток и безопасния PIV за всеки диод в мрежата.

Решение: За положителния полуцикъл веригата ще се държи, както е показано на следната диаграма:

Можем да прерисуваме това по следния начин за по-добро разбиране:

Тук vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (макс.) = 1/2 (10 V) = 5 V

За отрицателния полуцикъл, проводящата роля на диодите може да бъде разменена, което ще доведе до изходно vo, както е показано по-долу:

Липсата на два диода в моста води до намаляване на DC изхода с величина:

Vdc = 0.636 (5 V) = 3.18 V

Това е съвсем същото, което бихме получили от полумостов изправител със същия вход.

PIV ще бъде равен на максималното напрежение, генерирано през R, което е 5 V, или половината от необходимото за половин вълна, ректифицирана със същия вход.