Диодный мост на постоянном напряжении

Что такое диодный мост и как он работает?

Наряду с линейными устройствами в электрической цепи можно встретить и нелинейные полупроводниковые элементы, имеющие самый разнообразный функционал в составе электронной схемы. Среди полупроводниковых приборов особое место занимает диодный мост, выполняющий роль преобразователя переменного напряжения в постоянное. Хоть для этих целей с тем же успехом может применяться и обычный диод, но сфера их применения существенно ограничивается рабочими параметрами одного элемента. Решить недостатки единичной детали помогла диодная сборка из нескольких, существенно отличающихся характеристиками и принципом работы.

Устройство и принцип работы

Диодный мост представляет собой электронную схему, собранную на основе выпрямительных диодов, который предназначен для преобразования подаваемого на него переменного тока в постоянный. Чаще всего в состав схемы включаются диоды Шоттки, но это не категоричное требование, поэтому в каком-либо конкретном случае может заменяться и другими моделями, подходящими по техническим параметрам. Схема моста из полупроводниковых диодов включает в себя четыре элемента для одной фазы. Диодный мостик может набираться как отдельными диодами, так и собираться единым блоком, в виде монолитного четырехполюсника.

Принцип работы диодного моста основывается на способности p – n перехода пропускать электрический ток только в одном направлении. Схема включения диодов в мост построена таким образом, чтобы для каждой полуволны создавался свой путь протекания электрического тока к подключенной нагрузке.

Для пояснения выпрямления диодным мостом необходимо рассматривать работу схемы относительно формы напряжения на входе. Следует отметить, что кривая напряжения за один период имеет две полуволны – положительную и отрицательную. В свою очередь, каждая полуволна имеет процесс нарастания и убывания по отношению к максимальной точке амплитуды.

Поэтому работа выпрямительного устройства будет иметь такие этапы:

• На вход выпрямительного моста, обозначенного буквами А и Б подается переменное напряжение 220В.
• Каждая полуволна, подаваемая из электрической сети или от обмоток трансформатора, преобразуется в постоянную величину парой диодов, расположенных по диагонали.
• Положительная полуволна будет проводиться парой диодов VD1 и VD4 и выдавать на выход моста полуволну в положительной области оси ординат.
• Отрицательная полуволна будет выпрямляться парой диодов VD2 и VD3, с которых на том же выходе моста возникнет очередная полуволна в положительной области.

В связи с тем, что оба полупериода получают реализацию на выходе диодного моста, такое электронное устройство получило название двухполупериодного выпрямителя, также его называют схемой Гретца.

Обозначение на схеме и маркировка

На электрической схеме диодный мост может иметь различные варианты изображения. Чаще всего вы можете встретить такие обозначения:

Первый вариант обозначения мостового выпрямителя используется, как правило, в тех ситуациях, когда электронный прибор представляет собой монолитную конструкцию, единую сборку. На схеме маркировка выполняется латинскими буквами VD, за которыми указывается порядковый номер.

Второй вариант наиболее распространен для тех ситуаций, когда диодный мост состоит из отдельных полупроводниковых устройств, собранных в одну схему. Маркировка второго варианта, чаще всего, выполняется в виде ряда VD1 – VD4.

Следует также отметить, что вышеприведенное схематическое обозначение и маркировка хоть и имеет общепринятый характер, но может нарушаться при составлении схем.

Разновидности диодных мостов

В зависимости от количества фаз, которые подключаются к диодному мосту, различают однофазные и трехфазные модели. Первый вариант мы детально рассмотрели на примере схемы Гретца выше.

Трехфазные выпрямители, в свою очередь, разделяются на шести- и двенадцатипульсовые модели, хотя схема диодного моста у них идентична. Рассмотрим более детально работу диодного устройства для трехфазной схемы.

Диодный мост, приведенный на рисунке выше, получил название схемы Ларионова. Конструктивно для каждой из фаз устанавливается сразу два диода в противоположном направлении друг относительно друга. Здесь важно отметить, что синусоида во всех трех фазах имеет смещение в 120° друг относительно друга, поэтому на выходах устройства при наложении результирующей диаграммы получится следующая картина:

Как видите, в сравнении с однофазным выпрямителем на базе диодного моста картина получается более плавной, а скачки напряжения имеют значительно меньшую амплитуду.

Технические характеристики

При выборе конкретного диодного моста для замены в выпрямительном блоке или для любой другой схемы важно хорошо ориентироваться в основных технических параметрах.

Среди таких характеристик наиболее значимыми для диодного моста являются:

• Амплитудное максимальное напряжение обратной полярности – это пороговое значение более которого уже произойдет необратимый процесс и полупроводник выйдет со строя. Обозначается как U_Аобр в отечественных моделях или V­_rpm для зарубежных.
• Среднее обратное напряжение – представляет собой номинальное значение электрической величины, которое может прикладываться в процессе эксплуатации. Имеет обозначение U_обр в отечественных образцах или V­_r(rms) для зарубежных диодных мостов.
• Средний выпрямленный ток – обозначает действующую величину электрического тока на выходе диодного моста. На устройствах указывается как I_пр или I_o для моделей отечественного или зарубежного производства соответственно.
• Амплитудный выпрямленный ток – это максимальный ток на выходе выпрямителя, определяемый пиком полуволны на кривой, обозначается как I_fsm для пульсирующего тока на положительном и отрицательном выводе.
• Падение напряжения в прямой полярности – определяет потерю напряжения от собственного сопротивления диодного моста. На устройстве обозначается как V­_fm.

Если вы хотите выбрать модель на замену, допустим в сети 220 В, то главный параметр для диодного моста обратный ток и напряжение. Рабочие характеристики должны значительно превышать номинал сети, к примеру, при напряжении 220 В – диодный мост должен выдерживать около 400 В. По току подойдет и меньший запас, но его также следует предусмотреть.

Преимущества и недостатки

Кроме диодного моста существуют и другие способы преобразования переменного в постоянный ток. В сравнении с однополупериодным, двухполупериодное выпрямление обладает рядом преимуществ:

• И отрицательная, и положительная полуволна синусоиды преобразуются в выходное напряжение, поэтому вся мощность трансформатора используется в наиболее оптимальной степени.
• За счет большей частоты пульсации получаемое от диодного выпрямителя напряжение куда проще сглаживать при помощи фильтров.
• Использование электроэнергии под нагрузкой уменьшает потери мощности на перемагничивание сердечника, возникающее из-за процессов взаимоиндукции в обмотках питающего трансформатора.
• Гармоничное перераспределение кривой электротока и напряжения на выходе – за счет передачи каждого полупериода сразу двумя диодами в мосте, выходной параметр получается куда более равномерным.

К недостаткам диодного моста следует отнести и большее падение напряжения, в сравнении с однополупериодной схемой или выпрямителем с отводом из средней точки. Это обусловлено тем, что ток протекает сразу черед два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может оказывать существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампера могут решать значение сигналов, режимы работы агрегатов и т.д. В качестве решения могут применяться диодные мосты с диодами Шотки, у которых падение прямого напряжения относительно ниже.

Еще одним недостатком является сложность определения перегоревшего звена, так как при выходе со строя хотя бы одного диода вся схема будет продолжать работать. Понять, что один из полупроводниковых элементов выпал из цепи можно лишь с помощью измерений, далеко не всегда прибор или схема отреагируют при сбое видимой неисправностью.

Практическое применение

На практике диодный мост имеет довольно широкий спектр применения – это и цифровая техника, блоки питания в персональных компьютерах, ноутбуках, различных устройствах, автомобильных генераторах, питающихся от низкого постоянного напряжения. Помимо этого их можно встретить в системах звуковоспроизведения, измерительной техники, теле- радиовещания, они устанавливаются в ряде различных устройств по всему дому. Для лучшего понимания роли диодного моста в этих приборах мы рассмотрим несколько конкретных схем, в которых он применяется.

Примеры схем с диодным мостом и их описание

Одна из наиболее простых схем с применением диодного моста – это зарядное устройство, применяемое для оборудования, питаемого низким напряжением. Один из таких вариантов рассмотрим на следующем примере

Как видите на рисунке, от понижающего трансформатора Т1 напряжение из переменного 220В преобразуется в переменное на уровне 7 – 9В. После этого пониженное напряжение подается на диодный мост VD, от которого выпрямленное через сглаживающий конденсатор С1 на микросхему КР. От микросхемы выпрямленное напряжение стабилизируется и выдается на клеммы разъема.

На рисунке выше приведен пример схемы карманного фонаря, данная модель подключается к бытовой сети 220В через розетку, что представлено соединением разъема Х1 и Х2. Далее напряжение подается на мост VD, а с него уже на микросхему DA1, которая при наличии входного питания сигнализирует об этом через светодиод HL1. После этого напряжение питания приходит на аккумулятор GB, который заряжается и затем используется в качестве основного источника питания для лампы фонарика.

Здесь представлен пример схемы сварочного агрегата, в котором диодный мост устанавливается сразу после понижающего трансформатора для выпрямления электрического тока. Из-за сложности схемы дальнейшее рассмотрение работы устройства нецелесообразно. Стоит отметить, что существуют и другие устройства с еще более сложным принципом работы – импульсные блоки питания, ШИМ модуляторы, преобразователи и т.д.

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

От энергоснабжающей организации до потребителей доставляется переменное напряжение. Это связано с особенностями транспортировки электроэнергии. Но большая часть бытовых (и, частично, производственных) электроприемников требует питания постоянным напряжением. Для его получения требуются преобразователи. Во многих случаях их строят по схеме «понижающий трансформатор – выпрямитель – сглаживающий фильтр» (за исключением импульсных блоков питания). В качестве выпрямителя используются диоды, включенные по мостовой схеме.

Для чего нужен диодный мост и как он работает

Диодный мост используется в качестве схемы выпрямления, преобразующей переменное напряжение в постоянное. Принцип его действия основан на односторонней проводимости — свойстве полупроводникового диода пропускать ток только в одном направлении. Простейшим выпрямителем может служить и одиночный диод.

При подобном включении нижняя (отрицательная) часть синусоиды «срезается». Такой способ имеет недостатки:

• форма выходного напряжения далека от постоянной, требуется большой и громоздкий конденсатор в качестве сглаживающего фильтра;
• мощность источника переменного тока используется максимум наполовину.

Ток через нагрузку повторяет форму выходного напряжения. Поэтому лучше использовать двухполупериодный выпрямитель в виде диодного моста. Если включить четыре диода по указанной схеме и подключить нагрузку, то при подаче на вход переменного напряжения блок будет работать так:

При положительном напряжении (верхняя часть синусоиды, красная стрелка) ток пойдет через диод VD2, нагрузку, VD3. При отрицательном (нижняя часть синусоиды, зеленая стрелка) через диод VD4, нагрузку, VD1. В итоге за один период ток дважды проходит через нагрузку в одном направлении.

Форма выходного напряжения гораздо ближе к прямой, хотя уровень пульсаций довольно высок. Мощность источника используется полностью.

Если имеется источник трехфазного напряжения необходимой амплитуды, можно сделать мост по такой схеме:

В нём на нагрузке будут складываться три тока, повторяющие форму выходного напряжения, со сдвигом фаз в 120 градусов:

Выходное напряжение будет огибать верхушки синусоид. Видно, что напряжение пульсирует гораздо меньше, чем в однофазной схеме, его форма более близка к прямой. В этом случае ёмкость сглаживающего фильтра будет минимальной.

Читайте также: Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317

И еще один вариант моста – управляемый. В нём два диода заменены тиристорами – электронными приборами, которые открываются при подаче сигнала на управляющий электрод. В открытом виде тиристоры ведут себя практически как обычные диоды. Схема принимает такой вид:

Сигналы включения подаются от схемы управления в согласованные моменты времени, отключение происходит в момент перехода напряжения через ноль. Потом напряжение усредняется на конденсаторе, и этим средним уровнем можно управлять.

Обозначение диодного моста и схема подключения

Так как мост из диодов может быть построен по различным схемам, а элементов в нём содержится немного, то в большинстве случаев обозначение выпрямительного узла производят, просто рисуя его принципиальную схему. Если это неприемлемо – например, в случае построения блок-схемы – то мост указывается в виде символа, которым указывают любой преобразователь переменного напряжения в постоянное:

Литера «~» означает цепи переменного тока, символ «=» – цепи постоянного тока, а «+» и «-» – выходную полярность.

Если выпрямитель построен по классической мостовой схеме из 4 диодов, то допускается немного упрощенное изображение:

Подключается вход выпрямительного блока к выходным терминалам источника переменного тока (в большинстве случаев им служит понижающий трансформатор) без соблюдения полярности – любой выходной вывод подключается к любому входному. Выход моста подключается к нагрузке. Она может требовать соблюдения полюсности (включая стабилизатор, сглаживающий фильтр), а может и не требовать.

Диодный мост может быть подключен к источнику постоянного напряжения. В этом случае получается схема защиты от непреднамеренной переполюсовки – при любом подключении входов моста к выходу блока питания, полярность напряжения на его выходе не изменится.

Основные технические характеристики

При выборе диодов или готового моста в первую очередь надо смотреть на наибольший рабочий прямой ток. Он должен с запасом превышать ток нагрузки. Если эта величина неизвестна, а известна мощность, её надо пересчитать в ток по формуле Iнагр=Pнагр/Uвых. Для увеличения допустимого тока полупроводниковые приборы можно соединять параллельно – наибольший ток нагрузки делится на количество диодов. Диоды в одной ветви моста в этом случае лучше подобрать по близкому значению падения напряжения в открытом состоянии.

Читайте также: Как расшифровать маркировку конденсатора и узнать его ёмкость?

Второй важный параметр – прямое напряжение, на которое рассчитан мост или его элементы. Оно не должно быть ниже выходного напряжения источника переменного тока (амплитудного значения!). Для надежной работы устройства надо взять запас в 20-30%. Для увеличения допустимого напряжения диоды можно включать последовательно – в каждое плечо моста.

Этих двух параметров достаточно для предварительного решения об использовании диодов в выпрямительном устройстве, но надо обратить внимание и на некоторые другие характеристики:

• максимальная рабочая частота – обычно несколько килогерц и для работы на промышленных частотах 50 или 100 Гц значения не имеет, а если диод будет работать в импульсной схеме, этот параметр может стать определяющим;
• падение напряжения в открытом состоянии у кремниевых диодов составляет около 0,6 В, что неважно для выходного напряжения, например, в 36 В, но может быть критичным при работе ниже 5 В – в этом случае надо выбирать диоды Шоттки, которые характеризуются низким значением этого параметра.

Разновидности диодных мостов и их маркировка

Диодный мост можно собрать на дискретных диодах. Чтобы соблюсти полярность, надо обратить внимание на маркировку. В некоторых случаях метка в виде рисунка нанесена прямо на корпус полупроводникового прибора. Это характерно для изделий отечественного производства.

Зарубежные (и многие современные российские) приборы маркируются точкой или кольцом. В большинстве случаев так обозначается анод, но гарантии нет. Лучше посмотреть справочник или воспользоваться тестером.

Можно сделать мост из сборки – четыре диода объединены в одном корпусе, а соединение выводов можно выполнить внешними проводниками (например, на печатной плате). Схемы сборок могут быть разнообразными, поэтому для правильного соединения надо смотреть даташиты.

Например, у диодной сборки BAV99S, содержащей 4 диода, но имеющей только 6 выводов, внутри имеется два полумоста, соединенных следующим образом (на корпусе около вывода 1 имеется точка):

Читайте также: Что такое операционный усилитель?

Чтобы получить полноценный мост, надо соединить внешними проводниками соответствующие выводы (красным показана трассировка дорожек в случае использования печатного монтажа):

В этом случае переменное напряжение подводится к выводам 3 и 6. Положительный полюс постоянного снимается с вывода 5 или 2, а отрицательный – 4 или 1.

И самый простой вариант – это сборка с готовым мостом внутри. Из отечественных изделий это могут быть КЦ402, КЦ405, существуют мосты-сборки зарубежного производства. Маркировка выводов во многих случаях нанесена прямо на корпус, и задача сводится только к корректному выбору по характеристикам и к безошибочному подключению. Если наружного обозначения выводов нет, придется обратиться к справочнику.

Преимущества и недостатки

Преимущества диодного моста общеизвестны:

• отработанные десятилетиями схемы;
• простота сборки и подключения;
• несложная диагностика неисправности и простота ремонта.

В качестве недостатков надо упомянуть рост габаритов и веса схемы при увеличении мощности, а также необходимости использования радиаторов для мощных диодов. Но с этим сделать ничего нельзя – физику не обмануть. Когда эти условия станут неприемлемыми, надо решать вопрос о переходе к импульсной схеме источника питания. Кстати, мостовое включение диодов может быть использовано и в ней.

Также надо отметить форму выходного напряжения, далекую от постоянной. Для работы с потребителями, предъявляющими требования к стабильности питающего напряжения, надо использовать мост совместно со сглаживающими фильтрами, а при необходимости и стабилизаторами на выходе.

Что такое диодный мост

Диодный мост – электрическое устройство, предназначенное выпрямления тока, то есть для преобразования переменного тока в постоянный.

Диодные мосты – важная часть электронных приборов, питающихся от бытовой электросети напряжением 220 В и частотой 50 (60) Гц. Его второе название – двухполупериодный выпрямитель. Диодный мост состоит из полупроводниковых выпрямительных диодов или из диодов Шоттки. Элементы могут отдельно распаиваться на плате. Однако современный вариант – объединение диодов в одном корпусе, который носит название «диодная сборка». Диодные мосты активно используются в электронике, трансформаторных и импульсных блоках питания, люминесцентных лампах. В сварочные аппараты устанавливают мощные полупроводниковые сборки, которые крепятся к теплоотводящему устройству.

Что такое диодный мост и из каких элементов он состоит

Диодный мост в схемах, применяемых в сетях с однофазным напряжением, состоит из четырех диодов, представляющих собой полупроводниковый элемент с одним p-n переходом. Ток в таком полупроводнике проходит только в одном направлении при подключении анода к плюсу источника, а катода – к минусу. Если подключение будет обратным, ток закрывается. Диодный мост для трехфазного электрического тока отличается наличием шести диодов, а не четырех. Существенные различия в принципе работы между мостовыми схемами для однофазных и трехфазных сетей отсутствуют.

Диод Шоттки – еще один вид полупроводниковых элементов, используемых в диодных мостах. Его основным отличием является переход металл-полупроводник, называемый «барьером Шоттки». Как и переход p-n, он обеспечивает проводимость в одну сторону. Для изготовления устройств Шоттки применяют арсенид галлия, кремний и металлы: золото, платину, вольфрам, палладий. При приложении небольших напряжений – до 60 В – диод Шоттки отличается малым падением напряжения на переходе (не более 0,4 В) и быстродействием. При бытовом напряжении 220 В он ведет себя как обычный кремниевый выпрямительный полупроводник. Сборки из таких полупроводниковых устройств часто устанавливаются в импульсных блоках питания.

Как работает диодный мост: для чайников, просто и коротко

На вход диодного моста подается переменный ток, полярность которого в бытовой электросети меняется с частотой 50 Гц. Диодная сборка «срезает» часть синусоиды, которая для прибора «является» обратной, и меняет ее знак на противоположный. В результате на выходе к нагрузке подается пульсирующий ток одной полярности.

Частота этих пульсаций в 2 раза превышает частоту колебаний переменного тока и равна в данном случае 100 Гц.

На рисунке а) изображена обычная синусоида напряжения переменного тока. На рисунке б) – срезанные положительные полуволны, полученные при использовании выпрямительного диода, который пропускает через себя положительную полуволну и запирается при прохождении отрицательной полуволны. Как видно из схемы, одного диода для эффективной работы недостаточно, поскольку «срезанная» отрицательная часть полуволн теряется и мощность переменного тока снижается в 2 раза. Диодный мост нужен для того, чтобы не просто срезать отрицательную полуволну, а поменять ее знак на противоположный. Благодаря такому схемотехническому решению, переменный ток полностью сохраняет мощность. На рисунке в) – пульсирующее напряжение после прохождения тока через диодную сборку.

Пульсирующий ток строго назвать постоянным нельзя. Пульсации мешают работе электроники, поэтому для их сглаживания после прохождения диодного моста в схему нужно включить фильтры. Простейший тип фильтра – электролитические конденсаторы значительной емкости.

На печатных платах и принципиальных схемах диодный мост, в зависимости от того, как он устроен (отдельные элементы или сборка), может обозначаться по-разному. Если он состоит из отдельно впаянных диодов, то их обозначают буквами VD, рядом с которыми указывают порядковый номер – 1-4. Буквами VDS обозначают сборки, иначе –VD.

Чем можно заменить диодный мост-сборку

Вместо диодного моста, собранного в одном корпусе, можно впаять в схему 4 кремниевых выпрямительных диода или 4 полупроводника Шоттки. Однако вариант диодной сборки более эффективен, благодаря:

• меньшей площади, занимаемой сборкой на схеме;
• упрощению работы сборщика схемы;
• единому тепловому режиму для всех четырех полупроводниковых устройств.

У такого схемотехнического решения есть и минус – в случае выхода из строя хотя бы одного полупроводника придется заменять всю сборку.

Для чего нужен диодный мост в генераторе автотехники

Это схемотехническое решение используется в электрических схемах автомобилей и мотоциклов. Диодный мост, устанавливаемый на генераторе переменного тока, нужен для преобразования вырабатываемого им переменного напряжения в постоянное. Постоянный ток служит для подзарядки АКБ и питания всех электропотребителей, имеющихся в современном транспорте. Требуемая мощность полупроводников в мостовой схеме определяется номинальным током, вырабатываемым генератором. В зависимости от этого показателя, полупроводниковые приборы разделяют на следующие группы по мощности:

• маломощные – до 300 мА;
• средней мощности – от 300 мА до 10 А;
• высокомощные – выше 10 А.

Для автотехники обычно применяют мосты из кремниевых диодов, способных отвечать эксплуатационным требованиям в широком температурном диапазоне – от -60°C до +150°C.

Чем заменить диодный мост в генераторе

В большинстве моделей авто- и мототехники мостовые сборки впаивают в алюминиевый радиатор, поэтому в случае выхода из строя их придется выпаивать и выпрессовывать из радиаторной пластины и заменять на новый. Поскольку это довольно сложная процедура, лучше избегать возникновения факторов, из-за которых сгорает диодный мост. Наиболее часто встречающиеся причины этой проблемы:

• на плату попала жидкость;
• грязь вместе с маслом проникла к полупроводникам и вызвала короткое замыкание;
• изменение положения полюсов контактов на АКБ.

Видео: принцип работы диодного моста