Мост бывает через реку, через овраг, а также через дорогу. Но приходилось ли Вам слышать словосочетание "диодный мост"? Что за такой мост? А вот на этот вопрос мы с вами попробуем найти ответ.
Словосочетание "диодный мост" образуется от слова "диод". Получается, диодный мост должен состоять из диодов. Но если в диодном мосту есть диоды, значит, в одном направлении диод будет пропускать , а в другом нет. Это свойство диодов мы использовали, чтобы определить их работоспособность. Кто не помнит, как мы это делали, тогда вам сюда. Поэтому мост из диодов используется, чтобы из переменного напряжение получать постоянное напряжение .
А вот и схема диодного моста:
Иногда в схемах его обозначают и так:
Как мы с вами видим, схема состоит из четырех диодов. Но чтобы схемка диодного моста заработала, мы должны правильно соединить диоды, и правильно подать на них переменное напряжение. Слева мы видим два значка "~". На эти два вывода мы подаем переменное напряжение, а снимаем постоянное напряжение с других двух выводов: с плюса и минуса.
Для того, чтобы превратить переменное напряжение в постоянное можно использовать один диод для выпрямления, но не желательно. Давайте рассмотрим рисунок:
Переменное напряжение изменяется со временем. Диод пропускает через себя напряжение только тогда, когда напряжение выше нуля, когда же оно становится ниже нуля, диод запирается. Думаю все элементарно и просто. Диод срезает отрицательную полуволну, оставляя только положительную полуволну, что мы и видим на рисунке выше. А вся прелесть этой немудреной схемки состоит в том, что мы получаем постоянное напряжение из переменного. Вся проблема в том, что мы теряем половину мощности переменного напряжения . Ее тупо срезает диод.
Чтобы исправить эту ситуацию, была разработана схемка диодного моста. Диодный мост "переворачивает" отрицательную полуволну, превращая ее в положительную полуволну. Тем самым мощность у нас сохраняется. Прекрасно не правда ли?
На выходе диодного моста у нас появляется постоянное пульсирующее напряжение с частой в два раза больше, чем частота сети: 100 Гц.
Думаю, не надо писать, как работает схема, Вам все равно это не пригодится, главное запомнить, куда цепляется переменное напряжение, а откуда выходит постоянное пульсирующее напряжение.
Давайте же на практике рассмотрим, как работает диод и диодный мост.
Для начала возьмем диод.
Я его выпаял из блока питания компа. Катод можно легко узнать по полоске. Почти все производители показывают катод полоской или точкой.
Чтобы наши опыты были безопасными, я взял понижающий трансформатор, который из 220 Вольт трансформирует 12 Вольт. Кто не знает как он это делает, можете прочитать статью устройство трансформатора.
На первичную обмотку цепляем 220 Вольт, со вторичной снимаем 12 Вольт. Мультик показывает чуть больше, так как ко вторичной обмотке не подцеплена никакая нагрузка. Трансформатор работает на так называемом "холостом ходу".
Давайте же расмотрим осциллограмму, которая идет со вторичной обмотки транса. Максимальную амплитуду напряжение нетрудно посчитать. Если не помните как расчитать, можно глянуть статейку Осциллограф. Основы эксплуатации. 3,3х5= 16.5В - это максимальное значение напряжения. А если разделить максимальное значение амплитуда на корень из двух, то получим где то 11.8 Вольт. Это и есть действующее значение напряжения. Осцилл не врет, все ОК.
Еще раз повторюсь, можно было использовать и 220 Вольт, но 220 Вольт - это не шутки, поэтому я и понизил переменное напряжение.
Припаяем к одному концу вторичной обмотки транса наш диод.
Цепляемся снова щупами осцилла
Смотрим на осцилл
А где же нижняя часть изображения? Ее срезал диод. Диод оставил только верхнюю часть, то есть та, которая положительная. А раз он срезал нижнюю часть, то он следовательно срезал и мощность.
Находим еще три таких диода и спаиваем диодный мост.
Цепляемся ко вторичной обмотке транса по схеме диодного моста.
С двух других концов снимаем постоянное пульсирующее напряжение щупами осцилла и смотрим на осцилл.
Вот, теперь порядок, и мощность у нас никуда не пропала:-).
Чтобы не замарачиваться с диодами, разработчики все четыре диода вместили в один корпус. В результате получился очень компактный и удобный диодный мост. Думаю, вы догадаетесь, где импортный, а где советский))).
А вот и советский:
А как Вы догадались? :-) Например, на советском диодном мосте, показаны контакты, на которые надо подавать переменное напряжение (значком " ~ "), и показаны контакты, с которых надо снимать постоянное пульсирующее напряжение ("+" и "-").
Давайте проверим импортный диодный мост. Для этого цепляем два его контакта к переменке, а с двух других контактов снимаем показания на осцилл.
А вот и осциллограмма:
Значит импортный диодный мостик работает чики-пуки.
В заключении хотелось бы добавить, что диодный мост используется почти во всей радиоаппаратуре, которая кушает напряжение из сети, будь то простой телевизор или даже зарядка для сотового телефона. Проверяются диодный мост исправностью всех его диодов.
Итак, дорогие мои, мы собрали нашу схемку и пришло время ее проверить, испытать и нарадоваться сему счастью. На очереди у нас - подключение схемы к источнику питания. Приступим. На батарейках, аккумуляторах и прочих прибамбасах питания мы останавливаться не будем, перейдем сразу к сетевым источникам питания. Здесь рассмотрим существующие схемы выпрямления, как они работают и что умеют. Для опытов нам потребуется однофазное (дома из розетки) напряжение и соответствующие детальки. Трехфазные выпрямители используются в промышленности, мы их рассматривать также не будем. Вот электриками вырастете - тогда пожалуйста.
Источник питания состоит из нескольких самых важных деталей: Сетевой трансформатор - на схеме обозначается похожим как на рисунке,
Выпрямитель - его обозначение может быть различным. Выпрямитель состоит из одного, двух или четырех диодов, смотря какой выпрямитель. Сейчас будем разбираться.
а) - простой диод.
б) - диодный мост. Состоит из четырех диодов, включенных как на рисунке.
в) - тот же диодный мост, только для краткости нарисован попроще. Назначения контактов такие же, как у моста под буквой б).
Конденсатор фильтра. Эта штука неизменна и во времени, и в пространстве, обозначается так:
Обозначений у конденсатора много, столько же, сколько в мире систем обозначений. Но в общем они все похожи. Не запутаемся. И для понятности нарисуем нагрузку, обозначим ее как Rl - сопротивление нагрузки. Это и есть наша схема. Также будем обрисовывать контакты источника питания, к которым эту нагрузку мы будем подключать.
Далее - пара-тройка постулатов.
- Выходное напряжение определяется как Uпост = U*1.41. То есть если на обмотке мы имеем 10вольт переменного напряжения, то на конденсаторе и на нагрузке мы получим 14,1В. Примерно так.
- Под нагрузкой напряжение немного проседает, а насколько - зависит от конструкции трансформатора, его мощности и емкости конденсатора.
- Выпрямительные диоды должны быть на ток в 1,5-2 раза больше необходимого. Для запаса. Если диод предназначен для установки на радиатор (с гайкой или отверстие под болт), то на токе более 2-3А его нужно ставить на радиатор.
Так же напомню, что же такое двуполярное напряжение. Если кто-то подзабыл. Берем две батарейки и соединяем их последовательно. Среднюю точку, то есть точку соединения батареек, назовем общей точкой. В народе она известна так же как масса, земля, корпус, общий провод. Буржуи ее называют GND (ground - земля), часто ее обозначают как 0V (ноль вольт). К этому проводу подключаются вольтметры и осциллографы, относительно нее на схемы подаются входные сигналы и снимаются выходные. Потому и название ее - общий провод. Так вот, если подключим тестер черным проводом в эту точку и будем мерить напряжение на батарейках, то на одной батарейке тестер покажет плюс1,5вольта, а на другой - минус1,5вольта. Вот это напряжение +/-1,5В и называется двуполярным. Обе полярности, то есть и плюс, и минус, обязательно должны быть равными. То есть +/-12, +/-36В, +/-50 и т.д. Признак двуполярного напряжения - если от схемы к блоку питания идут три провода (плюс, общий, минус). Но не всегда так - если мы видим, что схема питается напряжением +12 и -5, то такое питание называется двухуровневым, но проводов к блоку питания будет все равно три. Ну и если на схему идут целых четыре напряжения, например +/-15 и +/-36, то это питание назовем просто - двуполярным двухуровневым.
Ну а теперь к делу.
1. Мостовая схема выпрямления.
Самая распространенная схема. Позволяет получить однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Схема обладает минимальными пульсациями напряжения и несложная в конструкции.
2. Однополупериодная схема.
Так же, как и мостовая, готовит нам однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Разница лишь в том, что у этой схемы удвоенные пульсации по сравнению с мостовой, но один диод вместо четырех сильно упрощает схему. Используется при небольших токах нагрузки, и только с трансформатором, намного большим мощности нагрузки, т.к. такой выпрямитель вызывает одностороннее перемагничивание трансформатора.
3. Двухполупериодная со средней точкой.
Два диода и две обмотки (или одна обмотка со средней точкой) будут питать нас малопульсирующим напряжением, плюс ко всему мы получим меньшие потери в сравнении с мостовой схемой, потому что у нас 2 диода вместо четырех.
4. Мостовая схема двуполярного выпрямителя.
Для многих - наболевшая тема. У нас есть две обмотки (или одна со средней точкой), мы с них снимаем два одинаковых напряжения. Они будут равны, пульсации будут малыми, так как схема мостовая, напряжения на каждом конденсаторе считается как напряжение на каждой обмотке помножить на корень из двух - всё, как обычно. Провод от средней точки обмоток выравнивает напряжения на конденсаторах, если нагрузки по плюсу и по минусу будут разными.
5. Схема с удвоением напряжения.
Это две однополупериодные схемы, но с диодами, включенными по разному. Применяется, если нам надо получить удвоенное напряжение. Напряжение на каждом конденсаторе будет определяться по нашей формуле, а суммарное напряжение на них будет удвоенным. Как и у однополупериодной схемы, у этой так же большие пульсации. В ней можно усмотреть двуполярный выход - если среднюю точку конденсаторов назвать землей, то получается как в случае с батарейками, присмотритесь. Но много мощности с такой схемы не снять.
6. Получение разнополярного напряжения из двух выпрямителей.
Совсем не обязательно, чтобы это были одинаковые блоки питания - они могут быть как разными по напряжению, так и разными по мощности. Например, если наша схема по +12вольтам потребляет 1А, а по -5вольтам - 0,5А, то нам и нужны два блока питания - +12В 1А и -5В 0,5А. Так же можно соединить два одинаковых выпрямителя, чтобы получить двуполярное напряжение, например, для питания усилителя.
7. Параллельное соединение одинаковых выпрямителей.
Оно нам дает то же самое напряжение, только с удвоенным током. Если мы соединим два выпрямителя, то у нас будет двойное увеличение тока, три - тройное и т.д.
Ну а если вам, дорогие мои, всё понятно, то задам, пожалуй, домашнее задание. Формула для расчета емкости конденсатора фильтра для двухполупериодного выпрямителя:
Для однополупериодного выпрямителя формула несколько отличается:
Двойка в знаменателе - число "тактов" выпрямления. Для трехфазного выпрямителя в знаменателе будет стоять тройка.
Во всех формулах переменные обзываются так:
Cф - емкость конденсатора фильтра, мкФ
Ро - выходная мощность, Вт
U - выходное выпрямленное напряжение, В
f - частота переменного напряжения, Гц
dU - размах пульсаций, В
Для справки - допустимые пульсации:
Микрофонные усилители - 0,001...0,01%
Цифровая техника - пульсации 0,1...1%
Усилители мощности - пульсации нагруженного блока питания 1...10% в зависимости от качества усилителя.
Эти две формулы справедливы для выпрямителей напряжения частотой до 30кГц. На бОльших частотах электролитические конденсаторы теряют свою эффективность, и выпрямитель рассчитывается немного не так. Но это уже другая тема.
Во многих электронных приборах, работающих при переменном токе в 220 вольт устанавливаются диодные мосты. Схема диодного моста на 12 вольт позволяет эффективно выполнять функцию по выпрямлению переменного тока . Это связано с тем, что для работы большинства приборов используется постоянный ток.
Как работает диодный мост
Переменный ток, имеющий определенную меняющуюся частоту, подается на входные контакты моста. На выходах с положительным и отрицательным значением образуется однополярный ток, обладающий повышенной пульсацией, значительно превышающей частоту тока, подаваемого на вход.
Появляющиеся пульсации нужно обязательно убрать, иначе электронная схема не сможет нормально работать. Поэтому, в схеме присутствуют специальные фильтры, представляющие собой электролитические с большой емкостью.
Сама сборка моста состоит из четырех диодов с одинаковыми параметрами. Они соединены в общую схему и размещаются в общем корпусе.
Диодный мост имеет четыре вывода. К двум из них подключается переменное напряжение, а два остальных являются положительным и отрицательным выводом пульсирующего выпрямленного напряжения.
Выпрямительный мост в виде диодной сборки обладает существенными технологическими преимуществами. Таким образом, на печатную плату устанавливается сразу одна монолитная деталь. Во время эксплуатации, для всех диодов обеспечивается одинаковый тепловой режим. Стоимость общей сборки ниже четырех диодов в отдельности. Однако, данная деталь имеет серьезный недостаток. При выходе из строя хотя-бы одного диода, вся сборка подлежит замене. При желании, любая общая схема может быть заменена четырьмя отдельными деталями.
Применение диодных мостов
В любых приборах и электронике, для питания которых используется переменный электрический ток, присутствует схема диодного моста на 12 вольт. Ее используют не только в трансформаторных, но и в импульсных выпрямителях. Наиболее характерным импульсным блоком является блок питания компьютера.
Кроме того диодные мосты применяются в люминесцентных компактных лампах или в энергосберегающих лампах . Они дают очень хороший эффект при использовании их в пускорегулирующих электронных аппаратах . Широко применяются и во всех моделях современных аппаратов.
Как сделать диодный мост
Преобразовать переменный ток в постоянный поможет диодный мост - схема и принцип действия этого устройства приводятся ниже. В обычной осветительной цепи течет переменный ток, который 50 раз в течение одной секунды меняет свою величину и направление. Его превращение в постоянный - достаточно часто встречающаяся необходимость.
Принцип действия полупроводникового диода
Рис. 1Название описываемого устройства ясно указывает, что эта конструкция состоит из диодов - полупроводниковых приборов, хорошо проводящих электричество в одном направлении и практически не проводящих его в противоположную сторону. Изображение этого прибора (VD1) на принципиальных схемах приведено на рис. 2в. Когда ток по нему течет в прямом направлении - от анода (слева) к катоду (справа), сопротивление его мало. При изменении направления тока на противоположное сопротивление диода многократно возрастает. В этом случае через него течет мало отличающийся от нуля обратный ток.
Поэтому при подаче на цепочку, содержащую диод, переменного напряжения U вх (левый график), электричество через нагрузку течет только в течение положительных полупериодов, когда к аноду приложено положительное напряжение. Отрицательные полупериоды «срезаются», и ток в сопротивлении нагрузки в это время практически отсутствует.
Строго говоря, выходное напряжение U вых (правый график) является не постоянным, хотя и течет в одном направлении, а пульсирующим. Нетрудно понять, что количество его импульсов (пульсаций) за одну секунду равно 50. Это не всегда допустимо, но пульсации можно сгладить, если подсоединить параллельно нагрузке конденсатор, имеющий достаточно большую емкость. Заряжаясь во время импульсов напряжения, в промежутках между ними конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки. Пульсации сглаживаются, а напряжение становится близким к постоянному.
Изготовленный в соответствии в этой схемой выпрямитель называется однополупериодным, поскольку в нем используется лишь один полупериод выпрямленного напряжения. Наиболее существенные недостатки такого выпрямителя следующие:
- повышенная степень пульсаций выпрямленного напряжения;
- низкий КПД;
- большой вес трансформатора и его нерациональное использование.
Поэтому применяются такие схемы только для питания устройств малой мощности. Для исправления этой нежелательной ситуации разработаны двухполупериодные выпрямители, которые превращают отрицательные полуволны в положительные. Сделать это можно по-разному, но самый простой способ - использование диодного моста.
Рис. 2
Диодный мост - схема двухполупериодного выпрямления, содержащая 4 диода вместо одного (рис. 2в). В каждом полупериоде два из них открыты и пропускают электричество в прямом направлении, а два других закрыты, и ток через них не течет. Во время положительного полупериода положительное напряжение приложено к аноду VD1, а отрицательное - к катоду VD3. В результате оба этих диода открыты, а VD2 и VD4 - закрыты.
Во время отрицательного полупериода положительное напряжение приложено к аноду VD2, а отрицательное - к катоду VD4. Эти два диода открываются, а открытые во время предыдущего полупериода закрываются. Ток через сопротивление нагрузки течет в том же направлении. В сравнении с однополупериодным выпрямителем количество пульсаций возрастает вдвое. Результат - более высокая степень сглаживания при той же емкости конденсатора фильтра, увеличение КПД используемого в выпрямителе трансформатора.
Диодный мост может быть не только собран из отдельных элементов, но и изготовлен как монолитная конструкция (диодная сборка). Ее легче монтировать, а диоды обычно подобраны по параметрам. Немаловажно и то, что они работают в одинаковых тепловых режимах. Недостаток диодного моста - необходимость замены всей сборки при выходе из строя даже одного диода.
Еще ближе к постоянному будет пульсирующий выпрямленный ток, который позволяет получить трехфазный диодный мост. Его вход подключается к источнику трехфазного переменного тока (генератору или трансформатору), а напряжение на выходе почти не отличается от постоянного, и сгладить его еще проще, чем после двухполупериодного выпрямления.
Выпрямитель на основе диодного моста
Схема двухполупериодного выпрямителя на основе диодного моста, пригодная для сборки своими руками, изображена на рис. 3а. Выпрямлению подвергается напряжение, снимаемое со вторичной понижающей обмотки трансформатора Т. Для этого нужно подключить диодный мост к трансформатору.
Пульсирующее выпрямленное напряжение сглаживается электролитическим конденсатором С, имеющим достаточно большую емкость - обычно порядка нескольких тысяч мкФ. Резистор R играет роль нагрузки выпрямителя на холостом ходу. В таком режиме конденсатор С заряжается до амплитудного значения, которое в 1,4 (корень из двух) раза выше действующего значения напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора.
С ростом нагрузки выходное напряжение уменьшается. Избавиться от этого недостатка можно, подключив к выходу выпрямителя простейший транзисторный стабилизатор. На принципиальных схемах изображение диодного моста часто упрощают. На рис. 3б показано, как еще может быть изображен соответствующий фрагмент на рис. 3а.
Следует заметить, что, хотя прямое сопротивление диодов невелико, тем не менее, оно отлично от нуля. По этой причине они нагреваются в соответствии с законом Джоуля-Ленца тем сильнее, чем больше величина тока, протекающего по цепи. Для предотвращения перегрева мощные диоды часто устанавливаются на теплоотводах (радиаторах).
Диодный мост - это практически обязательный элемент любого электронного устройства , питающегося от сети, будь то компьютер или выпрямитель для зарядки мобильного телефона.
Диодный мост — электрическая схема, предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный импульсный. Изобретение схемы в 1897 году приписывается немецкому физику Лео Гретцу, хотя англоязычные источники утверждают, что ещё в 1895 году диодный мост создал «польский Эдисон» — электротехник Карол Поллак. Наибольшее распространение схема получила после широкого внедрения полупроводниковых диодов.
Принцип действия этого типа выпрямительного устройства основан на свойстве полупроводникового диода пропускать электроток в одном направлении и не пропускать в другом. Так, если мы правильно подключим плюс и минус, через устройство пойдёт ток. Поменяем плюс и минус местами — движения не будет.
Переменный ток отличается тем, что в течение одного полупериода он движется в одном направлении, а в течение второго — в противоположном. И если просто включить в цепь один диод, то он будет работать «с пользой» только в течение одного полупериода. А если соединить диоды так, чтобы использовать оба полупериода? Благодаря этой идее и появились мостовые выпрямители.
Схема диодного моста—выпрямителя довольно проста и может быть собрана своими руками. Он состоит из четырёх диодов, соединённых в виде квадрата. На два противолежащих угла подаётся переменный ток от генератора. С двух других противолежащих углов снимается постоянный. В первый полупериод открываются два диода, выпрямляя полуволну переменного тока. Во второй полупериод открываются два других диода, преобразуя вторую полуволну. В итоге на выходе получается постоянный ток с частотой импульсов в два раза выше, чем частота переменного тока.
Преимущества и недостатки схемы
- Для использования выпрямленного тока импульсная составляющая должна быть сглажена с помощью фильтра—конденсатора. Чем выше частота, тем лучше проходит процесс сглаживания. Поэтому удвоение частоты в мостовой схеме является преимуществом.
- Двухполупериодное выпрямление позволяет лучше использовать мощность питающего трансформатора и за счёт этого уменьшить его размеры.
Недостатки .
- Удвоенное падение напряжения по сравнению с однополупериодным выпрямителем.
- Удваиваются потери мощности на рассеяние тепла. Для снижения потерь в мощных низковольтных схемах используются диоды Шоттки с малым падением напряжения.
- При выходе из строя одного из диодов моста выпрямительное устройство будет работать, однако его параметры будут отличаться от нормальных. Это, в свою очередь, может негативно сказаться на работе систем, запитанных от выпрямителя.
Использование и применение
Сегодня мосты широко применяются во всех случаях, когда используется постоянный ток — от мобильных телефонов, до автомобилей. Промышленность выпускает большое количество выпрямительных устройств, выполненных по мостовой схеме. Поэтому подобрать нужный мостик не составляет труда при условии ясного понимания, зачем он приобретается и какие функции будет выполнять.
Конструктивно выпрямители могут быть выполнены на отдельных диодах либо в виде единого блока. В первом случае при повреждении одного из диодов можно произвести замену. Для этого надо знать, как прозвонить диодный мост. Проверка проводится в виде последовательного перебора всех диодов на пропускание тока в прямом и обратном направлении. В качестве индикатора можно использовать как обычную лампочку, так и прибор, измеряющий силу тока или сопротивление.
Несмотря на доступность фабричных выпрямителей, многих интересует, как сделать диодный мост на 12 вольт самостоятельно. Дело в том, что 12 вольт — наиболее распространённое напряжение для питания многих устройств, например, персональных компьютеров. А стремление собрать выпрямитель самостоятельно зачастую вполне оправданно. Ведь большинство недорогих блоков питания, которые можно приобрести, не соответствуют заявленным параметрам по току и мощности.
Конечно, самодельный блок вряд ли будет выглядеть как фабричный, зато позволит произвести подключение устройств в полном соответствии с нужными параметрами.
Несмотря на то что выпрямительный мостик не является сложной схемой, его сборка требует не только умения спаять детали, но и правильно рассчитать их параметры. Прежде всего потребуется силовой трансформатор, понижающий напряжение до 10 вольт. Дело в том, что выходное напряжение моста выше входного примерно на 18 процентов. Поэтому если подать на выпрямитель 12 вольт переменного тока, то получим 14−15 вольт постоянного тока, а это может быть опасным для устройств, рассчитанных на 12 вольт.
Далее, нужно подобрать диоды, рассчитанные на двукратный запас по току. Так, если предполагается, что выпрямитель должен обеспечить ток силой в 5 ампер, то диоды должны выдерживать не менее 10 ампер. Двукратный запас должен иметь и конденсатор, но по напряжению. А для того чтобы лучше сглаживать выпрямленный ток, он должен иметь большую ёмкость. Поэтому оптимальным является электролитический конденсатор, рассчитанный на напряжение 25 вольт, ёмкостью от 2000 микрофарад. Все эти детали остаётся правильно соединить и проверить выходные параметры с помощью приборов.
Несмотря на то что в бытовых розетках, как известно, присутствует переменное напряжение величиной 220 В, подавляющее большинство электронных приборов требует намного меньших значений. Более того, это питание должно осуществляться не переменным, а постоянным током. Именно поэтому практически каждый бытовой прибор имеет в составе своей схемы выпрямитель - диодный мост.
Постоянный и переменный ток
Из учебного курса физики все знают, что электрический ток подразумевает протекание электрического заряда из одного проводника в другой. В отличие от постоянного тока, который действительно идет в одном направлении (от минуса к плюсу), переменный течет сначала в одну сторону, а затем - в другую. Если подключить к розетке осциллограф, можно получить схематическое изображение такого движения тока.
На рисунке представлена осциллограмма переменного тока, где по оси абсцисс показано время, а по оси ординат - напряжение. Из графика хорошо видно, что напряжение плавно нарастает до величины 220 В, потом уменьшается до нуля и нарастает до той же величины, но с противоположным знаком. Иными словами, напряжение в розетке постоянно меняет знак со скоростью 50 раз в секунду.
Для сравнения можно подключить щупы осциллографа к источнику постоянного тока. В качестве него могут использоваться клеммы батарейки. В этом случае картина будет несколько иная.
Осциллограмма постоянного тока, показанная на изображении, наглядно демонстрирует, как на протяжении всего времени напряжение на клеммах имеет постоянную величину. При замыкании цепи ток будет течь в одну сторону.
Особенности видов напряжения
Возникает закономерный вопрос о том, зачем в розетках используется переменный ток, если подавляющее большинство электронной аппаратуры питается постоянным током. Дело в том, что для питания узлов той или иной аппаратуры требуются напряжения разной величины. Процессор компьютера, например, питается 3 В, а мобильный телефон требует для своей зарядки целых 5 В. Усилителю музыкального центра нужно уже около 25 В.
Постоянное напряжение достаточно сложно трансформировать из одной величины в другую, а вот переменное - запросто. Для этого служат, к примеру, трансформаторы. Некоторые важные силовые узлы, такие как двигатели, все же нуждаются в переменном напряжении. Поэтому промышленные генераторы, питающие бытовые розетки, вырабатывают его до общепринятой величины (например, 220 В), а каждый прибор уже на месте получает из него то, что ему требуется.
Выпрямление электроэнергии
До конца XIX века преобразование переменного напряжения в постоянное было проблемой. С изобретением диода - сначала вакуумного, а позже и полупроводникового - ситуация в корне изменилась. Благодаря своим уникальным свойствам, диод отлично различает полярность и позволяет легко сортировать токи с нужным направлением. Сначала для этих целей использовались отдельные диоды, позже появились диодные мосты, обеспечивающие высокое качество выпрямления.
Выпрямитель на одном диоде
Диод проводит ток только в одном направлении, именно поэтому его и называют полупроводниковым прибором. Если к катоду устройства подключить плюс источника напряжения, а к аноду - минус, диод будет вести себя как обычный проводник. Если полярность изменить, то прибор закроется и превратится в диэлектрик. Для ответа на вопрос о том, что это даёт, придется собрать простейшую схему и снова вооружиться осциллографом.
На схеме изображена работа полупроводникового диода в цепи переменного тока. Осциллограмма слева показывает картину на выходе трансформатора - обычный переменный ток. После диода всё существенно меняется - на графике исчезает отрицательная полуволна переменного напряжения. Ток еще не стал постоянным, но он уже не переменный - движения электрического заряда в обратном направлении нет. Такой род тока принято называть пульсирующим. Им еще нельзя питать электронику, но изменения налицо. Остаётся сгладить пики импульсов. Это делают с помощью конденсаторов.
На схеме представлен однополупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Во время положительного импульса напряжение не только питает нагрузку, но и одновременно заряжает конденсатор. Когда импульс заканчивается, конденсатор отдает накопленную энергию, сглаживая скачки напряжения.
Чем выше емкость конденсатора, тем больше энергии он сможет запасти, и тем больше напряжение будет походить на постоянное.
Двухполупериодный прибор
Несмотря на значительные успехи, достигнутые в преобразовании переменного тока в постоянный предыдущим экспериментом, результат ещё далек от идеала. Дело в том, что частота переменного тока довольно низкая (50 Гц), а навешивание сглаживающих конденсаторов имеет свои ограничения. Для того чтобы существенно улучшить форму выходного сигнала, нужно увеличить частоту.
Однако в розетках она строго фиксирована и не зависит от внешних факторов. Отрицательная полуволна напряжения срезается диодом. Поменять её полярность совсем несложно - достаточно лишь добавить несколько диодов, собрав мостовую схему. На рисунке представлен двухполупериодный выпрямитель на четырёх диодах, объясняющий то, как работает диодный мост:
При появлении положительной полуволны диоды VD2, VD3 окажутся включенными в прямом направлении и будут открыты. VD1, VD2 — закрыты. Полуволна свободно проходит к выходу выпрямителя. Когда напряжение сменит полярность, пары диодов поменяются местами - VD1 и VD4 откроются, VD2 и VD3 закроются. Отрицательная полуволна тоже пройдет к выходу, но поменяет полярность. В результате получится все то же импульсное однополярное напряжение, но частота его увеличится вдвое. Останется добавить сглаживающий конденсатор и посмотреть, что получится.
Двухполупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором на изображении показывает, что поставленная задача решена: переменное напряжение преобразовано в постоянное. Конечно, постоянство неидеально - имеются пульсации, однако с ними можно бороться с помощью фильтров. К тому же любая электроника допускает ту или иную величину пульсаций.
Такая схема, состоящая из четырех диодов, стала классической и получила название диодного или выпрямительного моста. Существует отдельная категория электронных приборов - выпрямительные мосты. Они состоят из четырех диодов, соединенных между собой соответствующим образом. В качестве примера можно посмотреть на выпрямительный мост КЦ402Г и его электрическую схему.
Выпрямительный мост своими руками
Каждый, кто занимается конструированием электронных устройств, не обходится без выпрямителя. Он присутствует практически в каждом самодельном приборе, питаемом от сети. Для того чтобы собрать выпрямитель, недостаточно взять четыре диода и скрутить им ножки согласно приведенной схеме. Для того чтобы мост работал, придется ближе познакомиться с диодами и их характеристиками перед тем, как браться за паяльник. Основные характеристики, которые понадобятся при построении выпрямителя у полупроводников, следующие:
- Максимально допустимое обратное напряжение . Напряжение, которое способен выдерживать диод в закрытом состоянии.
- Максимально допустимый прямой ток . Ток, который может долговременно выдерживать диод без повреждения.
- Прямое напряжение . Величина падения напряжения на открытом диоде.
- Граничная частота . Частота переменного тока, на которой прибор еще может работать.
При сборке сетевого выпрямителя, способного отдавать в нагрузку ток в 1 А, необходимо сделать диодный мост на 12 вольт. Так выглядит практическая схема мостового выпрямителя.
Прежде всего, необходимо правильно всё рассчитать и подобрать нужный тип полупроводников, исходя из имеющихся диодов. Если в распоряжении есть диоды Д226, КД204А, КД201А и Д247, нужно открыть справочник и ознакомиться с их основными характеристиками (напряжением, током и граничной частотой):
- Д226 - 400 В, 0,3 А, 1 кГц;
- КД204А - 400 В, 0,4 А, 50 кГц;
- КД201А - 100 В, 5 А, 1,1 кГц;
- Д247 - 500 В, 10 А, 1 кГц.
Все четыре типа диодов подходят по напряжению и частоте, но первые два не выдержат ток в 1 А. Остаются КД201А и Д247. Решение взять те или другие зависит от конструкции блока питания. Первые диоды компактнее, вторые имеют хороший запас по току.
Сглаживающий конденсатор С1 нужно выбирать по типу, электрической емкости и напряжению. Понадобится электролитический конденсатор емкостью от 1 000 до 20 000 мкФ с рабочим напряжением не ниже 25 В. Чем выше емкость сглаживающего конденсатора, тем качественнее будет выпрямленное напряжение, но тем больше по габаритам окажется сама конструкция. Всю необходимую информацию, включая емкость, полярность и рабочее напряжение можно увидеть прямо на конденсаторе.
Осталось включить паяльник и спаять схему, не забывая при этом, что электролитические конденсаторы - полярные приборы. Они имеют плюс и минус, путать которые нельзя.
Выбор типа сборки
Использование выпрямительного моста вместо четырех диодов не только существенно упрощает сборку, но и делает конструкцию более компактной. Принцип выбора типа сборки тот же - по напряжению, току и частоте. Чтобы определить, подойдет ли, к примеру, сборка КЦ402Г, фото и схема которого приведены выше, нужно обратиться к справочнику. В нём указаны следующие характеристики моста:
- максимальное обратное напряжение диодов - 300 В;
- прямой ток всей сборки - 1 А;
- граничная частота - 5 кГц.
Мостик подходит, но микросборка будет работать на пределе своих возможностей по току. Для обеспечения надежности схемы лучше использовать более мощный прибор. Например, мост КЦ409А на ток 3 А или КЦ409И на 6 А.
Проверка элементов
Нередко в самодельных устройствах приходится использовать детали, уже бывшие в употреблении. Перед установкой все такие комплектующие должны быть проверены. Поскольку выпрямительная сборка представляет собой четыре диода, подключенных встречно-последовательно, а до выводов всех диодов можно добраться щупом, вопрос от том, как прозвонить диодный мост, решается элементарно.
Для этого достаточно измерить обычным омметром сопротивление каждого диода, ориентируясь на схему выпрямителя и цоколевку моста. В одной полярности щупов прибор должен показывать высокое сопротивление, в другой - низкое. Когда соответствующий диод пробит, в обоих положениях щупов сопротивление будет низким, если сгорел - высоким.
Использование барьера Шоттки
Еще одна основная характеристика, которая не использовалась в предыдущих расчетах, - прямое падение напряжения на открытом диоде. Диод только теоретически проводит ток в одну сторону, а диэлектрик - в другую. На практике в прямом подключении на приборе падает напряжение, которое может достигать 1,5 В и более.
Это значит, что напряжение на выходе однополупериодного выпрямителя будет ниже входного на 1,5 В, а если использовать мостовую схему, то на все 3 В. Кроме того, вольты, помноженные на протекающий через выпрямитель ток, будут бесполезно рассеиваться на диодах в виде тепла, уменьшая КПД схемы.
Избежать подобной неприятности позволяют диоды с барьером Шоттки. Они отличаются низким (десятые вольта) прямым падением напряжения, а значит, собранная на них схема будет обладать более высоким КПД и работать в облегченном режиме. Вид и схема мощной диодной сборки Шоттки представлены на изображении.
Сегодня и отдельные диоды, и диодные мосты Шоттки используются в качестве выпрямительных очень широко и выпускаются как отдельными приборами, так и сборками. Монтаж выпрямителя на диодах Шоттки ничем не отличается от сборки на обычных диодах.
Словосочетание “диодный мост” образуется от слова “диод”. Следовательно, диодный мост должен состоять из диодов, но они должны соединятся с друг другом в определенной последовательности. Почему это имеет важное значение мы как раз и поговорим в этой статье.
Обозначение на схеме
Диодный мост на схемах выглядит подобным образом:
Иногда в схемах его обозначают еще так:
Как мы с вами видим, схема состоит из четырех диодов. Для того, чтобы она работала корректно, мы должны правильно соединить диоды и правильно подать на них переменное напряжение. Слева мы видим два значка “~”. На эти два вывода мы подаем переменное напряжение, а снимаем постоянное напряжение с других двух выводов обозначенных значками “+” и “-“. Диодный мост также называют диодным выпрямителем.
Принцип работы
Для выпрямления переменного напряжения в постоянное можно использовать один диод для выпрямления, но не желательно. Давайте рассмотрим рисунок, как все это будет выглядеть:
.gif)
Диод срезает отрицательную полуволну переменного напряжения, оставляя только положительную, что мы и видим на рисунке выше. Вся прелесть этой немудреной схемы состоит в том, что мы получаем постоянное напряжение из переменного. Проблема кроется в том, что мы теряем половину мощности переменного напряжения. Ее срезает диод.
Чтобы исправить эту ситуацию, была придумана великими умами схема диодного моста. Диодный мост “переворачивает” отрицательную полуволну, превращая ее в положительную полуволну, тем самым у нас сохраняется мощность.
На выходе диодного моста появляется постоянное пульсирующее напряжение с частой в 100 Герц. Это в два раза больше, чем частота сети.
Практические опыты
Для начала возьмем простой диод.
Катод можно легко узнать по серебристой полоске. Почти все производители показывают катод полоской или точкой.
Чтобы наши опыты были безопасными, я взял понижающий , который из 220В делает 12В.
На первичную обмотку цепляем 220 Вольт, со вторичной обмотки снимаем 12 Вольт. показал чуть больше, так как на вторичной обмотке нет никакой нагрузки. Трансформатор работает на так называемом “холостом ходу”.
3,3х5=16.5В – это максимальное значение напряжения. А если разделить максимальное амплитудное значение на корень из двух, то получим где то 11,8 Вольт. Это и есть . Осциллограф не врет, все ОК.
Еще раз повторюсь, можно было использовать и 220 Вольт, но 220 Вольт – это не шутки, поэтому я и понизил переменное напряжение.
Припаяем к одному концу вторичной обмотки трансформатора наш диод.
Цепляемся снова осциллографа
Смотрим на осциллограмму
А где же нижняя часть изображения? Ее срезал диод. Он оставил только верхнюю часть, то есть ту, которая положительная.
Находим еще три таких диода и спаиваем диодный мост .
Цепляемся ко вторичной обмотке трансформатора по схеме диодного моста.
С двух других концов снимаем постоянное пульсирующее напряжение щупом осциллографа и смотрим на осциллограмму
Вот, теперь порядок.
Виды диодных мостов
Чтобы не заморачиваться с диодами, разработчики все четыре диода вместили в один корпус. В результате, получился очень компактный и удобный радиоэлемент – диодный мост. Думаю, вы догадаетесь, где импортный, а где советский))).
Например, на советском диодном мосте показаны контакты, на которые нужно подавать переменное напряжение значком ” ~ “, а контакты, с которых надо снимать постоянное пульсирующее напряжение значком “+” и “-“.
Существует множество видов диодных мостов в разных корпусах
Есть даже автомобильный диодный мост
Существует также диодный мост для трехфазного напряжения. Он собирается по так называемой схеме Ларионова и состоит из 6 диодов:
В основном трехфазные диодные мосты используются в силовой электронике.
Как вы могли заметить, такой трехфазный выпрямитель имеет пять выводов. Три вывода на фазы и с двух других выводов мы будем снимать постоянное пульсирующее напряжение.
Как проверить диодный мост
1) Первый способ самый простой. Диодный мост проверяется целостностью всех его диодов. Для этого прозваниваем каждый диод мультиметром и смотрим целостность каждого диода. Как это сделать, читаем
2) Второй способ 100%-ый. Но для этого потребуется осциллограф, или понижающий трансформатор. Давайте проверим импортный диодный мост. Для этого цепляем два его контакта к переменному напряжению со значками “~”, а с двух других контактов, с “+” и “-” снимаем показания с помощью осциллографа.
Смотрим осциллограмму
Значит, импортный диодный мост исправен.
Резюме
Диодный мост (выпрямитель) используется для преобразования переменного тока в постоянный.
Диодный мост используется почти во всей радиоаппаратуре, которая “кушает” напряжение из переменной сети, будь то простой телевизор или даже зарядка от сотового телефона.
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.
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
Или вот так.
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.
В сварочных аппаратах можно обнаружить очень мощные диодные мосты, которые крепятся к теплоотводу. Это лишь несколько примеров того, где может применяться данное схемотехническое решение.
