Диодный мост — схема выпрямления переменного тока¶
Диодный мост — это электронная схема из четырёх полупроводниковых диодов, соединённых по мостовой схеме (схеме Грейца), предназначенная для выпрямления переменного тока в пульсирующий постоянный. В отличие от однополупериодного выпрямителя, диодный мост использует оба полупериода входного переменного напряжения, что обеспечивает более высокий коэффициент использования трансформатора и снижение пульсаций выходного сигнала.
¶Принцип работы
Вход переменного напряжения подключается к диагонали моста, выход постоянного тока снимается с другой диагонали. В течение первого полупериода переменного напряжения ток проходит через одну пару диодов, во второй полупериод — через вторую пару. Направление тока в нагрузке при этом остаётся неизменным, что и обеспечивает выпрямление.
Работу схемы можно описать поочерёдными состояниями:
- Когда верхний по схеме вывод источника положителен относительно нижнего, ток идёт через верхний левый диод, нагрузку и нижний правый диод.
- Когда полярность меняется на противоположную, ток проходит через верхний правый диод, нагрузку и нижний левый диод.
В обоих случаях ток в нагрузке течёт в одном направлении. Проводимость диодов в «неправильном» направлении блокируется обратным напряжением, составляющим примерно половину амплитуды входного сигнала.
¶Характеристики
Основные параметры диодного моста определяются характеристиками входящих в него диодов:
- Прямое напряжение — суммарное падение напряжения на двух открытых последовательно диодах. Для кремниевых диодов оно составляет около 1,2–1,4 В (по 0,6–0,7 В на каждый), для диодов Шоттки — 0,4–0,6 В.
- Обратное максимальное напряжение (PIV) — каждому диоду в мосте приходится выдерживать обратное напряжение, равное амплитуде входного сигнала.
- Максимальный прямой ток — определяется самыми слабым элементом схемы и системой охлаждения.
- Частотные свойства — стандартные выпрямительные диоды работают в промышленной частоте (50–60 Гц), для высокочастотных схем применяются быстродействующие диоды.
Выходное напряжение моста имеет вид пульсирующего сигнала с удвоенной частотой входного (100 Гц при питании от сети 50 Гц). Для сглаживания пульсаций на выходе устанавливается конденсатор фильтра.
¶Конструктивное исполнение
Диодный мост может быть реализован в нескольких вариантах:
- Отдельные дискретные диоды — четыре диода, распаянные на печатной плате. Применяются в маломощных схемах и в учебных целях.
- Готовые модули (диодные сборки) — корпус с четырьмя выводами, внутри которого размещены четыре кристалла диодов. Наиболее распространённое исполнение — корпус с прямоугольной формой и четырьмя ножками, маркируются типами серии КЦ402, КЦ405, BR, GBU, KBPC и другими.
- Силовые модули — для токов в десятки и сотни ампер, часто снабжаемы фланцем для крепления к радиатору.
Типовая маркировка диодного моста включает обозначение переменного входа (обычно символ «~» или маркировка AC) и полярность выхода («+» и «−»).
¶Применение
Диодный мост является базовым узлом большинства блоков питания:
- Сетевые адаптеры и зарядные устройства — выпрямление напряжения бытовой сети после понижающего трансформатора.
- Источники питания электроники — в схемах с гальванической развязкой.
- Сварочные аппараты — выпрямление тока вторичной обмотки силового трансформатора.
- Зарядные станции для электромобилей — преобразование переменного тока сети в постоянный для зарядки тяговых батарей.
- Промышленные преобразователи — в составе выпрямительных агрегатов.
В схемах с импульсными преобразователями диодный мост устанавливается на входе, после фильтра помех, и формирует постоянное напряжение шины около 310 В при питании от сети 220 В.
¶Недостатки
Основной недостаток мостовой схемы — двойное падение напряжения на открытых диодах, что снижает КПД и создаёт тепловые потери. В низковольтных схемах (питание от аккумуляторов 1,5–12 В) это падение может быть существенной долей напряжения, поэтому там применяют схемы с синхронным выпрямлением на транзисторах или удвоители напряжения.
Для повышения эффективности в выпрямителях малого напряжения используют диоды Шоттки с прямым падением около 0,3 В.
¶История
Мостовая схема выпрямления была предложена немецким инженером Леоном Грейцем в 1897 году, независимо от неё аналогичное решение получило развитие в работах других исследователей того периода. С появлением полупроводниковых диодов в 1940-х годах схема получила широкое распространение и стала стандартным решением для выпрямления в радиоэлектронике.
Источники:
- «Основы электротехники», учебник под ред. В. А. Венцеля
- «Справочник по схемотехнике», Г. Г. Шрамков
- «Радиотехнические цепи и сигналы», К. К. Супрун
- «Электроника», Дж. Миллман, Г. Хильбиас