Diodejustering: Half-Wave, Full-Wave, PIV

I elektronik er rektifikation en proces, hvor en ensretterdiode konverterer et alternerende fuldcyklus AC-indgangssignal til et halvt cyklus DC-udgangssignal.

En enkelt diode producerer halvbølge-ensrettering, og et netværk på 4 dioder frembringer en fuld bølge-udligning

I dette indlæg vil vi analysere både halvbølge- og fuldbølgedioderektifikationsprocesser og andre egenskaber gennem tidsvarierende funktioner som sinus- og firkantbølge. Betydning gennem spændinger og strømme, der ændrer deres størrelse og polaritet med hensyn til tid.

Vi vil betragte dioden som en ideel diode ved at ignorere, om det er en siliciumdiode eller en Germanium, for at minimere komplikationer i beregningerne. Vi vil betragte dioden som en standard ensretterdiode med standardudligningsevner.

Halvbølgeforbedring

Det enkleste diagram, der viser et tidsvarierende signal påført en diode, er vist i følgende diagram:

Her kan vi se en vekselstrømsbølgeform, hvor perioden T betyder en fuld cyklus af bølgeformen, som er gennemsnitsværdien eller den algebraiske sum af delene eller pukklerne over og under den centrale akse.

Denne type kredsløb, hvor en enkelt ensretterdiode påføres med en tidsvarierende sinusformet vekselstrømsignalindgang for at generere en jævnstrømsudgang med en værdi halvdelen af ​​indgangen kaldes en halvbølge ensretter . Dioden kaldes ensretter i dette kredsløb.

I perioden mellem t = 0 → T / 2 for vekselstrømsbølgeformen skaber polariteten af ​​spændingen vi et 'tryk' i retningen som vist i nedenstående diagram. Dette gør det muligt for dioden at tænde og lede med en polaritet som angivet lige over diodesymbolet.

Da dioden leder fuldt ud, vil udskiftning af dioden med en kortslutning producere en udgang som vist i billedet ovenfor til højre.

Ingen tvivl om, at det genererede output ser ud til at være en nøjagtig replikation af det anvendte indgangssignal over den centrale akse for bølgeformen.

I perioden T / 2 → T bliver polariteten af ​​indgangssignalet vi negativ, hvilket får dioden til at slukke, hvilket resulterer i et åbent kredsløbsækvivalent over diodeterminalerne. På grund af dette er ladningen ikke i stand til at strømme over diodestien i perioden T / 2 → T, hvilket får vo til at være:

vo = iR = 0R = 0 V (ved hjælp af Ohms lov). Svaret kan visualiseres i følgende diagram:

I dette diagram kan vi se DC-output Vo fra dioden producerer et netto gennemsnitligt positivt område over aksen for den fulde inputcyklus, som kan bestemmes af formlen:

Vdc = 0,318 Vm (halvbølge)

Input vi og output vo spændinger under diode-halvbølge-udbedringsprocessen er vist i følgende figur:

Fra ovenstående diagrammer og forklaringer kan vi definere halvbølgeforligning som en proces, hvor halvdelen af ​​indgangscyklussen elimineres af dioden ved dens udgang.

Brug af en siliciumdiode

Når en siliciumdiode anvendes som ensretterdioden, da den har et fremadrettet spændingsfaldskarakteristik på VT = 0,7 V, genererer den en fremadrettet forspændingsregion som vist i følgende figur:

VT = 0,7 V betyder, at indgangssignalet nu skal være mindst 0,7 V for at sikre, at dioden tænder med succes. Hvis input VT er mindre end 0,7 V, ville det simpelthen mislykkes at tænde dioden, og dioden vil fortsat være i sin åbne kredsløbstilstand med Vo = 0 V.

Mens dioden udføres under udbedringsprocessen, genererer den en jævnstrømsudgang, der bærer et fast spændingsniveau for spændingsforskellen vo - vi, svarende til det ovenfor diskuterede fremadfald på 0,7 V. Vi kan udtrykke dette faste niveau med følgende formel:

vo = vi - VT

Dette frembringer en reduktion i den gennemsnitlige udgangsspænding over aksen, hvilket forårsager en lille nettoreduktion af det udbedrede output fra dioden.

Idet der henvises til ovenstående figur, kan vi, hvis vi betragter Vm (peak signal level) som tilstrækkelig høj end VT, således at Vm >> VT, vurderer den gennemsnitlige DC-outputværdi fra dioden ved hjælp af følgende formel, ganske nøjagtigt.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Mere præcist, hvis indgangs-AC-spidsen er tilstrækkelig højere end VT (fremadfald) af dioden, så kan vi simpelthen bruge den foregående formel til at estimere det udbedrede DC-output fra dioden:

Vdc = 0,318 Vm

Løst eksempel på Half Bridge-ensretter

Problem:

Evaluer output vo og find ud af DC-størrelsen på output for kredsløbsdesignet vist nedenfor:

Opløsning: For ovenstående kredsløbsnetværk vil dioden tænde for den negative del af indgangssignalet, og vo vil være som angivet i den følgende skitse.

I den fulde periode af input-AC-cyklussen er DC-output:

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

Det negative tegn angiver polariteten på udgangsstrømmen, som er modsat det tegn, der er angivet i diagrammet under problemet.

Problem nr.2: Løs ovenstående problem i betragtning af dioden som en siliciumdiode.

I tilfælde af en siliciumdiode vil outputbølgeformen se sådan ud:

Og udgangsstrømmen kan beregnes som forklaret nedenfor:

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

Faldet i udgangsspændingen på grund af 0,7 V-faktoren er omkring 0,22V eller ca. 3,5%

Fuldbølgeforbedring

Når et AC-sinusformet signal bruges som indgang til afhjælpning, kan DC-udgangen forbedres til 100% niveau ved hjælp af en fuldbølge-ensretteringsproces.

Den mest kendte og nemme proces til opnåelse af dette er ved at anvende en 4-diode bro ensretter netværk som vist nedenfor.

Når den positive indgangscyklus forløber gennem perioden t = 0 til T / 2, er polariteten af ​​indgangs-AC-signalet over dioden og udgangen fra dioden som vist nedenfor:

Her kan vi se, at på grund af det specielle arrangement af diodenetværket i broen, når D2, D3 leder, forbliver de modsatte dioder D1, D4 omvendt forspændte og i slukket tilstand.

Nettoudgangsstrømmen, der genereres fra denne afhjælpningsproces gennem D2, D3, kan ses i ovenstående diagram. Da vi har forestillet os, at dioderne var ideelle, er output vo = vin.

Nu går ligeledes for den negative halve cyklus af indgangssignaldioderne D1, D4-ledning og dioderne D2, D3 i OFF-tilstand, som illustreret nedenfor:

Vi kan tydeligt se, at output fra broensretteren har konverteret både de positive og de negative halvcykler af input AC til to DC halvcykler over den centrale akse.

Da dette område over aksen nu er to gange mere end det område, der opnås for en halvbølgekorrigering, bliver udgangsstrømmen også dobbelt så stor som beregnet ved hjælp af følgende formel:

Vdc = 2 (0,318Vm)

eller

Vdc = 0,636Vm (fuldbølge)

Som afbildet i ovenstående figur, hvis en siliciumdiode anvendes i stedet for en ideel diode, vil anvendelse af Kirchhoffs spændingslov over ledningsledningen give os følgende resultat:

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

Derfor vil udgangsspændingstoppen vo være:

Vomax = Vm - 2VT

I en situation, hvor V >> 2VT, kan vi bruge vores tidligere ligning til at få gennemsnitsværdien med en rimelig høj grad af præcision:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Endnu en gang, hvis vi har Vm betydeligt højere end 2VT, kan 2VT simpelthen ignoreres, og ligningen kan løses som:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (Peak Inverse Voltage)

Den maksimale inverse spænding eller (PIV) rating, der også undertiden kaldes peak reverse voltage (PRV) rating af en diode, bliver en afgørende parameter, når der designes ensretterkredsløb.

Det er dybest set et omvendt forspændingsspændingsområde for dioden, der ikke må overskrides, ellers kan dioden gå i stykker ved at passere ind i et område kaldet zener lavineområde.

Hvis vi anvender Kirchhoffs spændingslov på et halvbølget ensretterkredsløb som vist nedenfor, forklarer det simpelthen, at PIV-klassificeringen af ​​en diode skal være højere end spidsværdien af ​​forsyningsindgangen, der anvendes til ensretterindgangen.

For en fuld bro ensretter er også PIV-beregningen den samme som halvbølgeretter, det vil sige:

PIV ≥ Vm, da Vm er den samlede spænding, der påføres den tilsluttede belastning som vist i den følgende figur.

Løste eksempler på Full Bridge-ensretternetværk

Bestem outputbølgeformen for det følgende diodenetværk, og bereg også output-DC-niveauet og det sikre PIV for hver diode i netværket.

Løsning: I den positive halvcyklus vil kredsløbet opføre sig som vist i følgende diagram:

Vi kan tegne dette på følgende måde for bedre forståelse:

Her er vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (max) = 1/2 (10 V) = 5 V.

I den negative halvcyklus kan ledningsrollen for dioderne udveksles, hvilket vil producere et output vo som vist nedenfor:

Fraværet af to dioder i broen resulterer i reduktion i DC-output med en størrelse:

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

Dette er helt det samme, som vi ville have fået fra en halvbro-ensretter med samme indgang.

PIV vil være lig med den maksimale spænding, der genereres over R, som er 5 V, eller halvdelen af ​​den nødvendige til en halvbølge, der er rettet med den samme indgang.