Diodjustering: halvvåg, fullvåg, PIV

Inom elektronik är likriktning en process där en likriktardiod omvandlar en växlande helcykel växelströmsingångssignal till en halvcykel likströmsutgångssignal.

En enda diod ger halvvågslikriktning och ett nätverk med fyra dioder ger en fullvågslikriktning

I det här inlägget kommer vi att analysera både halvvågs- ​​och fullvågsdiodjusteringsprocesser och andra egenskaper genom tidsvarierande funktioner som sinusvåg och fyrkantvåg. Betydelse, genom spänningar och strömmar som ändrar deras storlek och polaritet med avseende på tiden.

Vi kommer att betrakta dioden som en ideal diod genom att ignorera om det är en kiseldiod eller en Germanium, för att minimera komplikationer i beräkningarna. Vi kommer att betrakta dioden som en standardlikriktardiod med standardlikriktningsförmåga.

Halvvågs-korrigering

Det enklaste diagrammet som visar en tidsvarierande signal applicerad på en diod visas i följande diagram:

Här kan vi se en AC-vågform, där perioden T betyder en hel cykel av vågformen, vilket är medelvärdet eller den algebraiska summan av delarna eller puckelarna över och under den centrala axeln.

Denna typ av krets i vilken en enda likriktardiod appliceras med en tidsvarierande sinusformad växelströmsignalingång för att generera en likströmsutgång med ett värdehalvdel av ingången kallas en halvvågslikriktare . Dioden kallas likriktaren i denna krets.

Under perioden mellan t = 0 → T / 2 för växelströmsvågformen, skapar spänningen vi ett 'tryck' i riktningen enligt bilden nedan. Detta gör att dioden kan slå PÅ och leda med en polaritet som anges precis ovanför diodsymbolen.

Eftersom dioden leder fullständigt, kommer att ersätta dioden med en kortslutning en utgång som visas i bilden ovan till höger.

Utan tvekan verkar den genererade utsignalen vara en exakt replikering av den applicerade insignalen ovanför vågformens centrala axel.

Under perioden T / 2 → T blir insignalens vi polaritet negativ, vilket får dioden att stängas AV, vilket resulterar i en öppen kretsekvivalent över diodterminalerna. På grund av detta kan laddningen inte strömma över diodbanan under perioden T / 2 → T, vilket gör att vo blir:

vo = iR = 0R = 0 V (med Ohms lag). Svaret kan visualiseras i följande diagram:

I det här diagrammet kan vi se DC-utgången Vo från dioden producerar ett netto genomsnittligt positivt område ovanför axeln för hela ingångscykeln, vilket kan bestämmas av formeln:

Vdc = 0,318 Vm (halvvåg)

Ingången vi och utgången vo spänningar under dioden halvvågslikningsprocessen presenteras i följande figur:

Från ovanstående diagram och förklaringar kan vi definiera halvvågslikning som en process där hälften av ingångscykeln elimineras av dioden vid dess utgång.

Använda en kiseldiod

När en kiseldiod används som likriktardiod, eftersom den har ett framåtriktat spänningsfallskarakteristik på VT = 0,7 V, genererar den ett framåtriktat område som visas i följande bild:

VT = 0,7 V betyder att insignalen nu måste vara minst 0,7 V för att säkerställa att dioden slås PÅ framgångsrikt. Om ingången VT är mindre än 0,7 V helt enkelt inte skulle slå på dioden och dioden fortsätter att vara i sitt öppna kretsläge, med Vo = 0 V.

Medan dioden leder under korrigeringsprocessen genererar den en DC-utgång som bär en fast spänningsnivå för spänningsskillnaden vo - vi, lika med ovan diskuterat framåtfall på 0,7 V. Vi kan uttrycka denna fasta nivå med följande formel:

vo = vi - VT

Detta ger en minskning av den genomsnittliga utspänningen ovanför axeln, vilket orsakar en liten nettoreduktion av den rektifierade utgången från dioden.

Med hänvisning till ovanstående figur, om vi anser att Vm (toppsignalnivå) är tillräckligt hög än VT, så att Vm >> VT, kan vi utvärdera det genomsnittliga DC-utgångsvärdet från dioden med hjälp av följande formel, ganska exakt.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Mer exakt, om ingångs-AC-toppen är tillräckligt högre än VT (framåtfall) för dioden, kan vi helt enkelt använda den tidigare formeln för att uppskatta den likriktade likströmsutgången från dioden:

Vdc = 0,318 Vm

Löst exempel för halvbrolikriktare

Problem:

Utvärdera utgången vo och ta reda på DC-storleken på utgången för kretsdesignen som visas nedan:

Lösning: För ovanstående kretsnätverk kommer dioden att sättas PÅ för den negativa delen av insignalen, och vo kommer att vara som indikerat i följande skiss.

Under hela perioden för ingångs AC-cykeln kommer DC-utgången att vara:

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

Det negativa tecknet indikerar polariteten hos utgången DC som är motsatt tecknet i diagrammet under problemet.

Problem nr 2: Lös ovanstående problem med tanke på att dioden är en kiseldiod.

I fallet med en kiseldiod skulle utgångsvågformen se ut så här:

Och utgången DC skulle kunna beräknas enligt nedan:

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

Nedgången i utgångs-DC-spänningen på grund av 0,7 V-faktorn är cirka 0,22V eller cirka 3,5%

Fullvågs-korrigering

När en sinusformad växelströmssignal används som ingång för korrigering kan DC-utgången förbättras till 100% nivå med hjälp av en fullvågslikriktningsprocess.

Den mest kända och enkla processen för att uppnå detta är att använda en 4-diod Brygglikriktare nätverk som visas nedan.

När den positiva ingångscykeln fortskrider genom perioden t = 0 till T / 2, är polariteten för ingångs AC-signalen över dioden och utgången från dioden som visas nedan:

Här kan vi se att på grund av det speciella arrangemanget av diodnätverket i bryggan, när D2, D3 leder, förblir motsatta dioder D1, D4 omvänd förspända och i avstängt läge.

Nettoutgången DC genererad från denna korrigeringsprocess genom D2, D3 kan ses i ovanstående diagram. Eftersom vi har föreställt oss att dioderna skulle vara idealiska är utgången vo = vin.

För den negativa halva cykeln för ingångssignaldioderna D1, D4-ledning och dioder D2, D3, går nu också i OFF-läge, såsom illustreras nedan:

Vi kan tydligt se att utgången från brygglikriktaren har omvandlat både de positiva och de negativa halvcyklerna för ingången AC till två DC-halvcykler ovanför den centrala axeln.

Eftersom detta område ovanför axeln nu är två gånger mer än det område som erhålls för en halvvågslikriktning, kommer också utgången DC att bli dubbelt så stor som beräknad med hjälp av följande formel:

Vdc = 2 (0,318Vm)

eller

Vdc = 0,636Vm (fullvåg)

Som avbildas i ovanstående figur, om en kiseldiod används i stället för en ideal diod, skulle tillämpning av Kirchhoffs spänningslag över ledningslinjen ge oss följande resultat:

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

Därför kommer utgångsspänningstoppen vo att vara:

Vomax = Vm - 2VT

I en situation där V >> 2VT kan vi använda vår tidigare ekvation för att få medelvärdet med en ganska hög grad av precision:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Återigen, om vi har Vm betydligt högre än 2VT, kan 2VT helt enkelt ignoreras och ekvationen kan lösas som:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (Peak Inverse Voltage)

Den inverterade toppspänningen eller (PIV) -betyget, som ibland kallas toppvärdesspänning (PRV) för en diod, blir en avgörande parameter vid utformning av likriktarkretsar.

Det är i grunden ett omvänd förspänningsområde för dioden som inte får överskridas, annars kan dioden gå sönder genom att övergå till en region som kallas zener lavinregion.

Om vi ​​tillämpar Kirchhoffs spänningslag på en halvvågslikriktarkrets som visas nedan, förklarar det helt enkelt att PIV-värdena för en diod måste vara högre än toppvärdet för matningsingången som används för likriktaringången.

För en helbrygglikriktare är också PIV-beräkningen densamma som halvvågslikriktare, det vill säga:

PIV ≥ Vm, eftersom Vm är den totala spänningen som appliceras på den anslutna belastningen enligt bilden nedan.

Lösta exempel för Full Bridge Rectifier Network

Bestäm utgångsvågformen för följande diodnätverk och beräkna också utgångens DC-nivå och den säkra PIV för varje diod i nätverket.

Lösning: För den positiva halvcykeln skulle kretsen fungera som avbildat i följande diagram:

Vi kan skriva om detta på följande sätt för bättre förståelse:

Här är vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (max) = 1/2 (10 V) = 5 V

För den negativa halvcykeln kan ledningsrollen för dioderna bytas ut, vilket ger en utgång vo som visas nedan:

Frånvaron av två dioder i bryggan resulterar i en minskning av DC-utgången med en storlek:

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

Det här är helt detsamma som vi skulle ha fått från en halvbrygglikriktare med samma ingång.

PIV kommer att vara lika med den maximala spänningen som genereras över R, som är 5 V, eller hälften av den som behövs för en halvvåg som likriktats med samma ingång.