Diodengleichrichtung: Halbwelle, Vollwelle, PIV

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In der Elektronik ist die Gleichrichtung ein Prozess, bei dem eine Gleichrichterdiode ein alternierendes Vollzyklus-Wechselstromeingangssignal in ein Halbzyklus-Gleichstromausgangssignal umwandelt.

Eine einzelne Diode erzeugt eine Halbwellengleichrichtung, und ein Netzwerk von 4 Dioden erzeugt eine Vollwellengleichrichtung



In diesem Beitrag werden wir sowohl Halbwellen- als auch Vollwellendioden-Gleichrichtungsprozesse und andere Eigenschaften durch zeitlich variierende Funktionen wie Sinus- und Rechteckwellen analysieren. Das heißt, durch Spannungen und Ströme, die ihre Größe und Polarität in Bezug auf die Zeit ändern.

Wir werden die Diode als ideale Diode betrachten, indem wir ignorieren, ob es sich um eine Siliziumdiode oder ein Germanium handelt, um Komplikationen bei den Berechnungen zu minimieren. Wir werden die Diode als Standardgleichrichterdiode mit Standardgleichrichtungsfähigkeiten betrachten.



Halbwellengleichrichtung

Das einfachste Diagramm, das ein an eine Diode angelegtes zeitveränderliches Signal zeigt, ist im folgenden Diagramm dargestellt:

Hier sehen wir eine Wechselstromwellenform, wobei die Periode T einen vollständigen Zyklus der Wellenform bezeichnet, der der Durchschnittswert oder die algebraische Summe der Teile oder Buckel über und unter der Mittelachse ist.

Diese Art von Schaltung, bei der eine einzelne Gleichrichterdiode mit einem zeitlich variierenden sinusförmigen Wechselstromsignaleingang angelegt wird, um einen Gleichstromausgang mit einer Werthälfte des Eingangs zu erzeugen wird als Halbwellengleichrichter bezeichnet . Die Diode wird in dieser Schaltung als Gleichrichter bezeichnet.

Während des Zeitraums zwischen t = 0 → T / 2 der Wechselstromwellenform erzeugt die Polarität der Spannung vi einen 'Druck' in der Richtung, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Dadurch kann die Diode einschalten und mit einer Polarität leiten, die direkt über dem Diodensymbol angegeben ist.

Diodenleitungsbereich (0 → T / 2).

Da die Diode vollständig leitet, wird durch Ersetzen der Diode durch einen Kurzschluss ein Ausgang erzeugt, wie in der Abbildung oben rechts gezeigt.

Zweifellos scheint die erzeugte Ausgabe eine exakte Nachbildung des angelegten Eingangssignals über der Mittelachse der Wellenform zu sein.

Während der Periode T / 2 → T wird die Polarität des Eingangssignals vi negativ, wodurch die Diode ausgeschaltet wird, was zu einem Leerlaufäquivalent zwischen den Diodenanschlüssen führt. Aus diesem Grund kann die Ladung während der Periode T / 2 → T nicht über den Diodenpfad fließen, was dazu führt, dass vo:

vo = iR = 0R = 0 V (unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes). Die Antwort kann in der folgenden Abbildung dargestellt werden:

In diesem Diagramm sehen wir, dass der Gleichstromausgang Vo von der Diode für den gesamten Eingangszyklus einen positiven Nettobereich über der Achse erzeugt, der durch die Formel bestimmt werden kann:

VDC = 0,318 Vm (Halbwelle)

Die Eingangs- und Ausgangsspannungen während des Diodenhalbwellengleichrichtungsprozesses sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Aus den obigen Diagrammen und Erläuterungen können wir die Halbwellengleichrichtung als einen Prozess definieren, bei dem die Hälfte des Eingangszyklus von der Diode an ihrem Ausgang eliminiert wird.

Verwendung einer Siliziumdiode

Wenn eine Siliziumdiode als Gleichrichterdiode verwendet wird, erzeugt sie einen Durchlassvorspannungsbereich, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, da sie eine Durchlassspannungsabfallcharakteristik von VT = 0,7 V aufweist:

Die VT = 0,7 V bedeutet, dass das Eingangssignal jetzt mindestens 0,7 V betragen muss, um sicherzustellen, dass die Diode erfolgreich eingeschaltet wird. Wenn der Eingang VT kleiner als 0,7 V ist, kann die Diode einfach nicht eingeschaltet werden, und die Diode befindet sich weiterhin im Leerlaufmodus mit Vo = 0 V.

Während die Diode während des Gleichrichtungsprozesses leitet, erzeugt sie einen Gleichstromausgang, der einen festen Spannungspegel für die Spannungsdifferenz vo - vi trägt, der dem oben diskutierten Vorwärtsabfall von 0,7 V entspricht. Wir können diesen festen Pegel mit der folgenden Formel ausdrücken:

vo = vi - VT

Dies führt zu einer Verringerung der durchschnittlichen Ausgangsspannung über der Achse, was zu einer leichten Nettoverringerung des gleichgerichteten Ausgangs von der Diode führt.

Wenn wir uns auf die obige Abbildung beziehen und den Vm (Spitzensignalpegel) als ausreichend hoch als den VT betrachten, so dass Vm >> VT, können wir den durchschnittlichen DC-Ausgangswert der Diode unter Verwendung der folgenden Formel ziemlich genau bewerten.

VDC ≤ 0,318 (Vm - VT)

Genauer gesagt, wenn die Eingangswechselstromspitze ausreichend höher als VT (Vorwärtsabfall) der Diode ist, können wir einfach die vorherige Formel zum Schätzen des gleichgerichteten Gleichstromausgangs von der Diode verwenden:

VDC = 0,318 Vm

Gelöstes Beispiel für Halbbrückengleichrichter

Problem:

Bewerten Sie den Ausgang vo und ermitteln Sie die Gleichstromgröße des Ausgangs für das unten gezeigte Schaltungsdesign:

Lösung: Für das obige Schaltungsnetzwerk wird die Diode für den negativen Teil des Eingangssignals eingeschaltet, und vo ist wie in der folgenden Skizze angegeben.

Während der gesamten Dauer des Eingangs-Wechselstromzyklus beträgt der Gleichstromausgang:

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

Das negative Vorzeichen gibt die Polarität des Ausgangs-Gleichstroms an, die dem im Diagramm unter dem Problem angegebenen Vorzeichen entgegengesetzt ist.

Problem Nr. 2: Lösen Sie das obige Problem, indem Sie die Diode als Siliziumdiode betrachten.

Im Fall einer Siliziumdiode würde die Ausgangswellenform folgendermaßen aussehen:

Und der Ausgangs-Gleichstrom würde wie unten erläutert berechnet werden:

VDC ≤ - 0,318 (Vm - 0,7 V) = - 0,318 (19,3 V) ≤ - 6,14 V.

Der Abfall der Ausgangsgleichspannung aufgrund des 0,7-V-Faktors beträgt ungefähr 0,22 V oder ungefähr 3,5%

Vollwellengleichrichtung

Wenn ein sinusförmiges Wechselstromsignal als Eingang für die Gleichrichtung verwendet wird, kann der Gleichstromausgang unter Verwendung eines Vollweggleichrichtungsprozesses auf 100% verbessert werden.

Das bekannteste und einfachste Verfahren, um dies zu erreichen, ist die Verwendung einer 4-Diode Brückengleichrichter Netzwerk wie unten gezeigt.

Vollbrückengleichrichternetz mit 4 Dioden

Wenn der positive Eingangszyklus die Periode t = 0 bis T / 2 durchläuft, ist die Polarität des Eingangs-Wechselstromsignals über der Diode und des Ausgangs von der Diode wie folgt dargestellt:

Hier können wir sehen, dass aufgrund der speziellen Anordnung des Diodennetzwerks in der Brücke, wenn D2, D3 leiten, die entgegengesetzten Dioden D1, D4 in Sperrrichtung vorgespannt und im ausgeschalteten Zustand bleiben.

Der Nettoausgangsgleichstrom, der aus diesem Gleichrichtungsprozess durch D2, D3 erzeugt wird, ist im obigen Diagramm zu sehen. Da wir uns die Dioden als ideal vorgestellt haben, ist der Ausgang vo = vin.

Nun gehen ebenfalls für die negative Halbwelle der Eingangssignaldioden die Dioden D1, D4 und die Dioden D2, D3 in einen AUS-Zustand, wie nachstehend dargestellt:

Wir können deutlich sehen, dass der Ausgang des Brückengleichrichters sowohl die positive als auch die negative Halbwelle des Eingangswechselstroms in zwei Gleichstromhalbwellen über der Mittelachse umgewandelt hat.

Da dieser Bereich über der Achse jetzt zweimal größer ist als der Bereich, der für eine Halbwellengleichrichtung erhalten wird, wird der Ausgangs-Gleichstrom ebenfalls doppelt so groß, wie unter Verwendung der folgenden Formel berechnet:

VDC = 2 (0,318 Vm)

oder

VDC = 0,636 Vm (Vollwelle)

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, würde die Anwendung des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes über die Leitungsleitung das folgende Ergebnis liefern, wenn anstelle der idealen Diode eine Siliziumdiode verwendet wird:

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

Daher ist die Ausgangsspannungsspitze vo:

Vomax = Vm - 2VT

In einer Situation, in der V >> 2VT ist, können wir unsere frühere Gleichung verwenden, um den Durchschnittswert mit einem angemessen hohen Maß an Präzision zu erhalten:

VDC ≤ 0,636 (Vm - 2 VT),

Wenn wir Vm haben, das signifikant höher als 2VT ist, kann die 2VT einfach ignoriert werden und die Gleichung kann wie folgt gelöst werden:

VDC ≤ 0,636 (Vm)

PIV (Peak Inverse Voltage)

Die inverse Spitzenspannung oder die (PIV) Bewertung, die manchmal auch als PRV-Bewertung (Peak Reverse Voltage) einer Diode bezeichnet wird, wird beim Entwurf von Gleichrichterschaltungen zu einem entscheidenden Parameter.

Grundsätzlich handelt es sich um einen Sperrspannungsbereich der Diode, der nicht überschritten werden darf, da sonst die Diode durch Übergang in einen Bereich, der als Zener-Lawinenbereich bezeichnet wird, zusammenbrechen kann.

Wenn wir das Kirchhoffsche Spannungsgesetz auf eine Halbwellengleichrichterschaltung anwenden, wie unten gezeigt, erklärt dies einfach, dass die PIV-Bewertung einer Diode höher sein muss als der Spitzenwert des Versorgungseingangs, der für den Gleichrichtereingang verwendet wird.

Auch für einen Vollbrückengleichrichter ist die Berechnung der PIV-Bewertung dieselbe wie für einen Halbwellengleichrichter, d. H.

PIV ≥ Vm, da Vm die Gesamtspannung ist, die an die angeschlossene Last angelegt wird, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Gelöste Beispiele für ein Vollbrückengleichrichternetzwerk

Bestimmen Sie die Ausgangswellenform für das folgende Diodennetzwerk und berechnen Sie außerdem den Ausgangsgleichstrompegel und den sicheren PIV für jede Diode im Netzwerk.

Lösung: Für die positive Halbwelle würde sich die Schaltung wie in der folgenden Abbildung dargestellt verhalten:

Wir können dies zum besseren Verständnis folgendermaßen neu zeichnen:

Hier ist vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (max) = 1/2 (10 V) = 5 V.

Für die negative Halbwelle kann die Leitungsrolle der Dioden vertauscht werden, wodurch ein Ausgang vo wie unten gezeigt erzeugt wird:

Das Fehlen von zwei Dioden in der Brücke führt zu einer Verringerung des Gleichstromausgangs um eine Größenordnung:

VDC = 0,636 (5 V) = 3,18 V.

Dies ist genau das gleiche, was wir von einem Halbbrückengleichrichter mit demselben Eingang erhalten hätten.

Der PIV ist gleich der maximalen Spannung, die über R erzeugt wird, was 5 V entspricht, oder der Hälfte der Spannung, die für eine mit demselben Eingang gleichgerichtete Halbwelle benötigt wird.




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