Prostownik mostkowy diodowy to obwód, który zamienia prąd przemienny na prąd stały za pomocą czterech diod umieszczonych w mostku. Działa zarówno podczas cykli pozytywnych, jak i ujemnych, dzięki czemu jest bardziej wydajny niż typy półfalowe. W tym artykule szczegółowo wyjaśniono jego funkcje, napięcia wyjściowe, wybór, wydajność, zastosowanie transformatora, kontrolę tętnień i zastosowania.
Klasa C1. Mostek diodowy prostowniczy
Klasa C2. Główna funkcja prostownika mostka diodowego
Klasa C3. Napięcia wyjściowe mostka diodowego
CC4. Wybór i oceny mostka diodowego
Klasa C5. Sprawność mostka diodowego i zarządzanie ciepłem
Klasa C6. Wykorzystanie mostka diodowego i transformatora
Klasa C7. tętnienie i wygładzanie mostka diodowego
Klasa C8. Warianty i zastosowania mostków diodowych
Klasa C9. Problemy z mostkiem diodowym, testowanie i rozwiązywanie problemów
Klasa C10. Zastosowania mostków diodowych
Klasa C11. Konkluzja
Klasa C12. Często zadawane pytania [FAQ]
Prostownik mostka diodowego
Prostownik mostkowy diodowy to obwód, który zamienia prąd przemienny (AC) na prąd stały (DC). Wykorzystuje cztery diody ułożone w specjalny kształt zwany mostkiem. Celem tej konfiguracji jest upewnienie się, że prąd elektryczny zawsze przepływa przez obciążenie w jednym kierunku.
W prądzie przemiennym prąd zmienia kierunek wiele razy na sekundę. Prostownik mostkowy działa zarówno podczas dodatniej, jak i ujemnej części tego cyklu. To sprawia, że jest bardziej wydajny niż prostownik półokresowy, który działa tylko przez jedną połowę cyklu. Rezultatem jest stały przepływ prądu stałego, z którego mogą korzystać urządzenia elektroniczne.
Główna funkcja prostownika mostka diodowego
Podczas dodatniej połowy cyklu wejścia AC dwie diody przewodzą prąd i umożliwiają przepływ prądu przez obciążenie. Gdy wejście przełączy się w ujemną połowę cyklu, pozostałe dwie diody włączają się i kierują prąd w tym samym kierunku przez obciążenie. To przemienne przewodzenie zapewnia, że obciążenie zawsze otrzymuje prąd płynący w jednym kierunku, co skutkuje pulsującym wyjściem prądu stałego. Po dodaniu kondensatora lub filtra do obwodu, pulsujący prąd stały jest wygładzany, wytwarzając bardziej stabilne i ciągłe napięcie prądu stałego.
Napięcia wyjściowe mostka diodowego
Średnia moc wyjściowa DC
Średnie napięcie wyjściowe prądu stałego, reprezentowane przez wzór
to średnie napięcie mierzone na obciążeniu po wyprostowaniu. Reprezentuje efektywny poziom prądu stałego wyjścia pulsacyjnego i pomaga opisać, ile użytecznego prądu stałego obwód wytwarza z przemiennego wejścia.
Wartość RMS
Napięcie RMS (średnia kwadratowa) oblicza się według wzoru
RMS to metoda określania równoważnego napięcia stałego, które zapewnia taką samą moc jak przebieg prądu przemiennego. Zapewnia bardziej realistyczne zrozumienie efektu grzewczego lub mocy wyprostowanego sygnału, ponieważ odzwierciedla, ile energii sygnał może dostarczyć do obciążenia w czasie.
Efektywny prąd stały ze spadkami diody
W praktycznych obwodach prawdziwe diody nie są idealne i wprowadzają spadki napięcia. Efektywna moc wyjściowa prądu stałego z uwzględnieniem tych spadków może być wyrażona jako
Każda ścieżka przewodząca w mostku składa się z dwóch diod i obie przyczyniają się do spadku napięcia, który zmniejsza rzeczywistą moc wyjściową prądu stałego.
• Do diod krzemowych, Vf ≈ 0,7 V
• Do diod Schottky'ego, Vf ≈ 0,3 V
Zmniejsza to rzeczywistą moc wyjściową prądu stałego w porównaniu z idealnym przypadkiem.
Wybór i oceny mostka diodowego
Czynniki wyboru diody
• Prąd znamionowy przewodzenia (If): Ciągły prąd znamionowy diody powinien przekraczać maksymalny prąd obciążenia DC. Zawsze wybieraj z 25–50% marginesem bezpieczeństwa.
• Znamionowy prąd udarowy (Ifsm): Podczas uruchamiania, zwłaszcza podczas ładowania dużych kondensatorów filtrujących, dioda jest narażona na skoki rozruchowe kilkakrotnie wyższe niż prąd stały. Wysoka ocena Ifsm zapewnia, że dioda nie ulegnie awarii pod wpływem tych impulsów.
• Szczytowe napięcie odwrotne (PIV): Każda dioda musi wytrzymać maksymalny szczyt prądu przemiennego przy polaryzacji zwrotnej. Ogólną zasadą jest wybranie PIV co najmniej 2–3 razy większego od napięcia wejściowego RMS AC.
• Spadek napięcia przewodzenia (Vf): Niższy Vf oznacza mniejsze straty mocy i nagrzewanie. Diody Schottky'ego mają bardzo niskie Vf, ale zwykle niższe limity PIV, podczas gdy diody krzemowe są standardem do zastosowań wysokonapięciowych.
Powszechnie używane diody do prostowników mostkowych
| Dioda / Moduł | Aktualna ocena | Napięcie szczytowe |
|---|---|---|
| Numer katalogowy 1N4007 | 1 A | 1000 V |
| Numer katalogowy 1N5408 | 3 A | 1000 V |
| KBPC3510 | 35 A | 1000 V |
| Schottky (1N5819) | 1 A | Napięcie 40 V |
Sprawność mostka diodowego i zarządzanie ciepłem
Źródła strat
W mostku pełnookresowym prąd przepływa jednocześnie przez dwie diody. Każda kropla wynosi zwykle 0,6–0,7 V dla diod krzemowych lub 0,2–0,4 V dla typów Schottky'ego. Całkowitą moc traconą w postaci ciepła można obliczyć:
Jeśli ciepło nie jest zarządzane, temperatura złącza wzrasta, co przyspiesza zużycie diody i może prowadzić do katastrofalnej awarii.
Strategie zarządzania ciepłem
• Używaj urządzeń o niskiej wartości Vf: diody Schottky'ego znacznie obniżają straty przewodzenia. Diody o szybkim powrocie są lepsze w przypadku prostowników wysokiej częstotliwości.
• Metody rozpraszania ciepła: Przymocuj diody lub moduły mostkowe do radiatorów. Wybierz mostki prostownicze w metalowej obudowie z wbudowanymi ścieżkami termicznymi. Zapewnij odpowiednią ilość miedzi na płytce drukowanej wokół padów diodowych.
• Chłodzenie na poziomie systemu: Konstrukcja zapewniająca przepływ powietrza i wentylację w obudowach. Monitoruj temperaturę roboczą w stosunku do krzywych obniżania wartości znamionowych.
Wykorzystanie mostka diodowego i transformatora
Pełne wykorzystanie uzwojenia
W prostowniku z odczepem środkowym tylko połowa uzwojenia wtórnego przewodzi podczas każdego półcyklu, pozostawiając drugą połowę niewykorzystaną. Natomiast mostek diodowy wykorzystuje całe uzwojenie wtórne podczas obu półcykli, zapewniając pełne wykorzystanie transformatora i wyższą sprawność.
Nie ma potrzeby stosowania środkowego kranu
Główną zaletą prostownika mostkowego jest to, że nie wymaga on transformatora z odczepem centralnym. Upraszcza to konstrukcję transformatora. Zmniejsza zużycie i koszty miedzi. Sprawia, że prostownik bardziej nadaje się do kompaktowych zasilaczy.
Współczynnik wykorzystania transformatora (TUF)
Współczynnik wykorzystania transformatora (TUF) mierzy, jak efektywnie wykorzystywane jest wartość znamionowa transformatora:
| Typ prostownika | Wartość TUF |
|---|---|
| Centralne stuknięcie Full-Wave | 0,693 |
| Prostownik mostkowy | 0,812 |
Tętnienie i wygładzanie mostka diodowego
Natura Ripple
Gdy prąd przemienny przepływa przez prostownik mostkowy, zarówno dodatnia, jak i ujemna połowa są prostowane, co skutkuje ciągłą mocą wyjściową. Napięcie nadal rośnie i spada z każdą połową cyklu, wytwarzając tętnienie, a nie idealnie płaską linię prądu stałego. Częstotliwość tętnień jest dwukrotnie większa niż częstotliwość wejściowa AC:
• Zasilanie sieciowe 50 Hz → tętnienia 100 Hz
• Zasilanie sieciowe 60 Hz → tętnienie 120 Hz
Porównanie współczynnika Ripple
| Typ prostownika | Współczynnik tętnienia (γ) |
|---|---|
| Prostownik półfalowy | 1,21 |
| Centralne stuknięcie Full-Wave | 0,482 |
| Prostownik mostkowy | 0,482 |
Wygładzanie za pomocą filtrów
| Typ filtra | Opis | Funkcjonować |
|---|---|---|
| Filtr kondensatora | Duży kondensator elektrolityczny jest podłączony w poprzek obciążenia. | Ładuje się podczas skoków napięcia i rozładowuje podczas spadków, wygładzając wyprostowany przebieg. |
| Filtry RC lub LC | Filtr RC wykorzystuje rezystor-kondensator; Filtr LC wykorzystuje cewkę indukcyjną-kondensator. | RC dodaje proste wygładzanie; LC skutecznie radzi sobie z wyższymi prądami z lepszą redukcją tętnień. |
| Regulatory | Może być liniowy lub przełączający. | Zapewnia stabilne wyjście DC, utrzymując stałe napięcie niezależnie od zmian obciążenia. |
Warianty i zastosowania mostków diodowych
| Rodzaj | Plusy | Minusy |
|---|---|---|
| Standardowy mostek diodowy | Prosta konstrukcja, niedroga i szeroko stosowana. | Większe straty napięcia przewodzenia (\~1,4 V łącznie z diodami krzemowymi). |
| Most Schottky'ego | Bardzo niski spadek napięcia przewodzenia (\~0,3–0,5 V na diodę), duża prędkość przełączania. | Niższe napięcie znamionowe wsteczne ( ≤ 100 V). |
| Mostek synchroniczny (oparty na MOSFET) | Bardzo wysoka wydajność przy minimalnych stratach przewodzenia, odpowiednia dla konstrukcji wysokoprądowych. | Wymagane są bardziej złożone obwody sterujące i wyższy koszt komponentów. |
| SCR/Mostek sterowany | Umożliwia kontrolę kąta fazowego napięcia wyjściowego i obsługuje obsługę dużej mocy. | Wymaga zewnętrznych obwodów wyzwalających i może wprowadzać zniekształcenia harmoniczne. |
Problemy z mostkiem diodowym, testowanie i rozwiązywanie problemów
Typowe pułapki
• Zła orientacja diody - powoduje brak wyjścia lub nawet bezpośrednie zwarcie do transformatora.
• Zbyt mały filtr kondensatora - powoduje wysokie tętnienia i niestabilne wyjście prądu stałego.
• Przegrzane diody - występują, gdy prąd znamionowy lub rozpraszanie ciepła jest niewystarczające.
• Zły układ PCB - długie ścieżki i niewystarczająca powierzchnia miedzi zwiększają rezystancję i nagrzewanie.
Narzędzia do rozwiązywania problemów
• Multimetr (tryb testu diody): Mierzy spadek do przodu (~0,6–0,7 V dla krzemu, ~0,3 V dla Schottky'ego) i potwierdza zablokowanie w odwrotnym kierunku.
• Oscyloskop: Wizualizuje zawartość tętnień, napięcie szczytowe i zniekształcenia przebiegu przy obciążeniu.
• Termometr na podczerwień lub kamera termowizyjna: Wykrywa nadmierne nagrzewanie się diod, kondensatorów lub śladów pod obciążeniem.
• Miernik LCR: Mierzy wartość kondensatora filtra w celu sprawdzenia degradacji w czasie.
Zastosowania mostków diodowych
Zasilacze
Stosowany w zasilaczach AC-DC do radia, telewizorów, wzmacniaczy i urządzeń z kondensatorami filtrującymi i regulatorami.
Ładowarki akumulatorów
Stosowany w ładowarkach samochodowych, falownikach, UPS i światłach awaryjnych w celu zapewnienia kontrolowanego prądu stałego dla akumulatorów.
Sterowniki LED
Zamień prąd przemienny na prąd stały dla żarówek LED, paneli i latarni ulicznych, redukując migotanie za pomocą kondensatorów i sterowników.
Sterowanie silnikiem
Zapewnij prąd stały dla wentylatorów, małych silników, HVAC i sterowników przemysłowych, aby zapewnić płynną pracę.
Wnioski
Prostownik mostkowy diodowy to niezawodny sposób na konwersję prądu przemiennego na prąd stały. Wykorzystując pełny cykl prądu przemiennego i unikając konieczności stosowania środkowego gwintownika, zapewnia stabilne zasilanie prądem stałym. Dzięki odpowiedniemu doborowi diod, kontroli ciepła i filtrowaniu zapewnia wydajną pracę w zasilaczach, ładowarkach, systemach oświetleniowych i sterowaniu silnikami.
Często zadawane pytania [FAQ]
Jaka jest różnica między prostownikami mostkowymi jednofazowymi i trójfazowymi?
Jednofazowy wykorzystuje 4 diody na jedno wejście AC; trójfazowy wykorzystuje 6 diod z trzema wejściami, co zapewnia płynniejsze DC i mniejsze tętnienia.
Czy mostek prostowniczy może pracować bez transformatora?
Tak, ale jest to niebezpieczne, ponieważ wyjście DC nie jest odizolowane od sieci.
Co się stanie, jeśli jedna dioda w prostowniku mostkowym ulegnie awarii?
Zwarta dioda może spowodować przepalenie bezpieczników lub uszkodzenie transformatora; Otwarta dioda sprawia, że obwód działa jak prostownik półfalowy o wysokim tętnieniu.
Jaka jest maksymalna częstotliwość, jaką może obsłużyć mostek diodowy?
Standardowe diody pracują z częstotliwością do kilku kHz; Diody Schottky'ego lub szybko regenerujące obsługują częstotliwości od dziesiątek do setek kHz.
Czy prostowniki mostkowe można łączyć równolegle, aby uzyskać większy prąd?
Tak, ale wymagają metod równoważenia, takich jak rezystory szeregowe; W przeciwnym razie prąd może płynąć nierównomiernie i przegrzać diody.