Diodin tasaus: puoliaalto, täysi aalto, PIV

Elektroniikassa tasasuuntaus on prosessi, jossa tasasuuntausdiodi muuntaa vuorottelevan täyden jakson vaihtovirta-tulosignaalin puolisykliseksi tasavirtalähtösignaaliksi.

Yksi diodi tuottaa puoliaallon tasasuuntauksen ja 4 diodin verkko tuottaa täydellisen aallon tasasuuntauksen

Tässä viestissä analysoimme sekä puoliaallo- että täysi-aaltodiodin tasausprosessit ja muut ominaisuudet ajan vaihtelevien toimintojen, kuten siniaallon ja neliöaallon, avulla. Tarkoitus jännitteiden ja virtojen kautta, jotka muuttavat suuruuttaan ja napaisuuttaan ajan suhteen.

Pidämme diodia ihanteellisena diodina jättämällä piidiodin tai germaaniumin huomiotta, jotta laskelmien komplikaatiot voidaan minimoida. Pidämme diodia tavallisena tasasuuntausdiodina, jolla on tavalliset tasasuuntauskyvyt.

Puoliaallon tasaus

Yksinkertaisin kaavio, joka näyttää diodille syötetyn ajan vaihtelevan signaalin, on esitetty seuraavassa kaaviossa:

Täällä voimme nähdä AC-aaltomuodon, jossa jakso T tarkoittaa yhtä täyttä aaltomuodon sykliä, joka on keskiakselin ylä- ja alapuolella olevien osien tai kohoumien keskiarvo tai algebrallinen summa.

Tämän tyyppinen piiri, jossa käytetään yhtä tasasuuntausdiodia ajan vaihtelevalla sinimuotoisella AC-signaalitulolla DC-lähdön tuottamiseksi, jonka arvo on puolet tulosta kutsutaan puoliaallon tasasuuntaajaksi . Diodiin viitataan tasasuuntaajana tässä piirissä.

Aikavälillä t = 0 → T / 2 vaihtovirta-aaltomuodosta jännitteen vi napaisuus luo 'paineen' alla olevan kaavion mukaisesti. Tämä antaa diodin kytkeytyä päälle ja johtaa napaisuudella, kuten diodisymbolin yläpuolella on osoitettu.

Koska diodi toimii täydellisesti, diodin korvaaminen oikosululla tuottaa ulostulon, kuten yllä olevassa oikeanpuoleisessa kuvassa on esitetty.

Epäilemättä generoitu lähtö näyttää olevan tarkka replikointi käytetystä tulosignaalista aaltomuodon keskiakselin yläpuolella.

Ajanjaksolla T / 2 → T tulosignaalin vi napaisuus muuttuu negatiiviseksi, mikä saa diodin sammumaan, mikä johtaa avoimen piirin ekvivalenttiin diodiliittimien yli. Tästä johtuen varaus ei pysty virtaamaan diodiradan yli ajanjaksolla T / 2 → T, mikä aiheuttaa vo:

vo = iR = 0R = 0 V (käyttäen Ohmin lakia). Vastaus voidaan visualisoida seuraavassa kaaviossa:

Tässä kaaviossa voimme nähdä, että diodin tasavirtaulostulo Vo tuottaa keskimääräisen positiivisen alueen akselin yläpuolella koko syötteen jaksolle, joka voidaan määrittää kaavalla:

Vdc = 0,318 Vm (puoliaalto)

Diodin puoliaallon tasasuuntausprosessin tulo vi ja lähtövo-jännitteet on esitetty seuraavassa kuvassa:

Yllä olevista kaavioista ja selityksistä voidaan määritellä puoliaaltosuuntaus prosessiksi, jossa diodi eliminoi puolet tulosyklistä ulostulossaan.

Piidiodin käyttäminen

Kun piidiodia käytetään tasasuuntausdiodina, koska sillä on eteenpäin suuntautuva jännitehäviöominaisuus VT = 0,7 V, se muodostaa eteenpäin suuntautuvan esijännitealueen seuraavan kuvan mukaisesti:

VT = 0,7 V tarkoittaa, että tulosignaalin on nyt oltava vähintään 0,7 V, jotta diodi kytkeytyy päälle. Jos tulo VT on alle 0,7 V, diodi ei yksinkertaisesti kytkeydy päälle ja diodi on edelleen avoimen piirin tilassa, kun Vo = 0 V.

Vaikka diodi johtaa tasasuuntausprosessin aikana, se tuottaa tasavirtaulostulon, jolla on kiinteä jännitetaso jännite-erolle vo - vi, joka on sama kuin edellä käsitelty eteenpäin laskeva 0,7 V.

vo = vi - VT

Tämä vähentää keskimääräistä lähtöjännitettä akselin yläpuolella aiheuttaen pienen nettovähennyksen diodin oikaisutuotosta.

Edellä olevaan kuvaan viitaten, jos katsomme, että Vm (huippusignaalin taso) on riittävän korkea kuin VT, niin että Vm >> VT, voimme arvioida diodin keskimääräisen DC-lähtöarvon seuraavan kaavan avulla melko tarkasti.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Tarkemmin sanottuna, jos AC-tulon huippu on riittävän korkea kuin diodin VT (eteenpäin pudotus), voimme yksinkertaisesti käyttää edellistä kaavaa diodin tasasuuntaisen DC-ulostulon arvioimiseksi:

Vdc = 0,318 Vm

Ratkaistu esimerkki puolisillan tasasuuntaajalle

Ongelma:

Arvioi lähtö vo ja selvitä lähtöjännitteen suuruus seuraavassa esitetylle piirisuunnitelmalle:

Ratkaisu: Edellä mainitussa piiriverkossa diodi kytkeytyy PÄÄLLE tulosignaalin negatiiviselle osalle, ja vo on kuten seuraavassa luonnoksessa on esitetty.

DC-lähtö on koko AC-tulojakson ajan:

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

Negatiivinen merkki osoittaa ulostulojännitteen napaisuuden, joka on vastakkainen ongelman kaaviossa esitetyn merkin kanssa.

Tehtävä # 2: Ratkaise yllä oleva ongelma pitäen diodi piidiodina.

Piidiodin tapauksessa lähtöaaltomuoto näyttäisi tältä:

Ja lähtö DC voidaan laskea seuraavasti:

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

Lähtöjännitteen pudotus 0,7 V -kertoimesta johtuen on noin 0,22 V tai noin 3,5%

Täyden aallon oikaisu

Kun tasasuuntaista vaihtosignaalia käytetään tasasuuntauksen tulona, ​​tasavirtaulostuloa voidaan parantaa 100%: n tasolle käyttämällä täyden aallon tasausprosessia.

Tunnetuin ja helpoin tapa tämän saavuttamiseksi on käyttää 4-diodia sillan tasasuuntaaja verkkoon alla olevan kuvan mukaisesti.

Kun positiivinen tulosykli etenee ajanjaksolla t = 0 - T / 2, tulosignaalin AC-signaalin napaisuus diodin yli ja diodin ulostulo ovat seuraavat:

Tässä voimme nähdä, että diodiverkon erityisen järjestelyn vuoksi sillassa, kun D2, D3 johtavat, vastakkaiset diodit D1, D4 pysyvät päinvastaisina ja kytkettyinä pois päältä -tilassa.

Tästä tasasuuntausprosessista D2, D3: n kautta muodostettu nettolähtö DC voidaan nähdä yllä olevasta kaaviosta. Koska olemme kuvittaneet diodit olevan ihanteellisia, lähtö on vo = vin.

Samoin tulosignaalidiodien D1, D4 johtaminen ja diodit D2, D3 negatiivisen puolijakson aikana menevät OFF-tilaan, kuten alla on esitetty:

Voimme selvästi nähdä, että sillan tasasuuntaajan lähtö on muuttanut tulon AC positiivisen ja negatiivisen puolisyklin kahdeksi tasavirtapuoliskosykliksi keskiakselin yläpuolelle.

Koska tämä akselin yläpuolella oleva alue on nyt kaksi kertaa suurempi kuin puoliaallon tasasuuntaukselle saatu alue, myös ulostulovirrasta tulee kaksinkertainen suuruus laskettuna seuraavaa kaavaa käyttäen:

Vdc = 2 (0,318 Vm)

tai

Vdc = 0,636 Vm (täysi aalto)

Kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty, jos ihanteellisen diodin sijasta käytetään piidiodia, Kirchhoffin jännitelain soveltaminen johtojohdon yli antaisi meille seuraavan tuloksen:

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

Siksi lähtöjännitteen huippu vo on:

Vomax = Vm - 2 VT

Tilanteessa, jossa V >> 2VT, voimme käyttää aikaisempaa yhtälöä saadaksemme keskiarvon kohtuullisen suurella tarkkuudella:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2 VT),

Jälleen kerran, jos Vm on merkittävästi suurempi kuin 2VT, 2VT voidaan yksinkertaisesti jättää huomiotta ja yhtälö voidaan ratkaista seuraavasti:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (huippu käänteinen jännite)

Käänteisen huippujännitteen tai (PIV) -luokituksen, jota kutsutaan myös diodin käänteisjännitepiikiksi (PRV), tulee ratkaiseva parametri suunniteltaessa tasasuuntaajapiirejä.

Se on periaatteessa diodin käänteisen esijännitteen jännitealue, jota ei saa ylittää, muuten diodi voi hajota siirtymällä zener-lumivyöryalueeksi kutsuttuun alueeseen.

Jos sovellamme Kirchhoffin jännitelakia puoliaallon tasasuuntaajapiiriin, kuten alla on esitetty, se yksinkertaisesti selittää, että diodin PIV-nimellisarvon on oltava korkeampi kuin tasasuuntaajan tuloon käytetyn syöttötulon huippuarvo.

Myös koko sillan tasasuuntaajan PIV-luokituksen laskenta on sama kuin puoliaaltosuuntaajan, ts.

PIV ≥ Vm, koska Vm on liitettyyn kuormaan kohdistettu kokonaisjännite, kuten seuraavassa kuvassa on esitetty.

Ratkaistu esimerkkejä Full Bridge Rectifier -verkosta

Määritä seuraavan diodiverkon lähtöaaltomuoto ja laske myös ulostulotason taso ja turvallinen PIV kullekin verkon diodille.

Ratkaisu: Positiivisen puolijakson aikana piiri käyttäytyy seuraavan kaavion mukaisesti:

Voimme piirtää tämän seuraavalla tavalla ymmärtämisen parantamiseksi:

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

Negatiiviselle puolisyklille diodien johtavuusrooli voidaan vaihtaa, mikä tuottaa ulostulon vo, kuten alla on esitetty:

Kahden diodin puuttuminen siltasta johtaa tasavirran lähdön vähenemiseen suuruudella:

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

Tämä on aivan sama kuin olisimme saaneet puolisillan tasasuuntaajalta, jolla on sama tulo.

PIV on yhtä suuri kuin R: n yli syntyvä maksimijännite, joka on 5 V, tai puolet siitä, mikä tarvitaan puolitaajuudella, joka on tasattu samalla tulolla.