Rectificare diodă: Half-Wave, Full-Wave, PIV

În electronică, rectificarea este un proces în care o diodă redresoare convertește un semnal alternativ de intrare alternativ cu ciclu complet într-un semnal de ieșire continuu cu jumătate de ciclu DC.

O singură diodă produce rectificare pe jumătate de undă, iar o rețea de 4 diode produce o rectificare cu undă completă

În acest post vom analiza atât procesele de redresare a diodei pe jumătate de undă cât și pe cele cu undă completă, precum și alte proprietăți prin funcții care variază în timp, cum ar fi undă sinusoidală și undă pătrată. Adică, prin tensiuni și curenți care își schimbă magnitudinea și polaritatea în raport cu timpul.

Vom considera dioda ca fiind o diodă ideală, ignorând dacă este vorba despre o diodă de siliciu sau un germaniu, pentru a minimiza complicațiile din calcule. Vom considera că dioda este o diodă redresor standard cu abilități standard de rectificare.

Redresare pe jumătate de val

Cea mai simplă diagramă care arată un semnal care variază în timp aplicat unei diode este prezentată în următoarea diagramă:

Aici putem vedea o formă de undă AC, în care perioada T semnifică un ciclu complet al formei de undă, care este valoarea medie sau suma algebrică a porțiunilor sau a cocoașelor de deasupra și de dedesubtul axei centrale.

Acest tip de circuit în care se aplică o singură diodă redresoare cu o intrare de semnal AC sinusoidală care variază în timp pentru a genera o ieșire de curent continuu având o valoare jumătate din intrare se numește redresor cu jumătate de undă . Dioda este denumită redresor în acest circuit.

În perioada cuprinsă între t = 0 → T / 2 a formei de undă AC, polaritatea tensiunii vi creează o „presiune” în direcția descrisă în diagrama de mai jos. Acest lucru permite diodei să pornească și să conducă cu o polaritate, așa cum este indicat chiar deasupra simbolului diodei.

Deoarece dioda conduce complet, înlocuind dioda cu un scurtcircuit, se va produce o ieșire așa cum se arată în imaginea din partea dreaptă de mai sus.

Fără îndoială, ieșirea generată pare a fi o replicare exactă a semnalului de intrare aplicat deasupra axei centrale a formei de undă.

În timpul perioadei T / 2 → T, polaritatea semnalului de intrare vi devine negativă, ceea ce determină oprirea diodei, rezultând un circuit deschis echivalent pe bornele diodei. Datorită acestui fapt, încărcătura nu poate circula pe calea diodei în perioada T / 2 → T, determinând ca vo să fie:

vo = iR = 0R = 0 V (folosind legea lui Ohm). Răspunsul poate fi vizualizat în următoarea diagramă:

În această diagramă putem vedea ieșirea continuă Vo din diodă produce o regiune pozitivă medie netă deasupra axei, pentru ciclul complet de intrare, care poate fi determinată de formula:

Vdc = 0,318 Vm (jumătate de undă)

Tensiunile de intrare vi și de ieșire vo în timpul procesului de redresare a diodei cu jumătate de undă sunt prezentate în figura următoare:

Din diagramele și explicațiile de mai sus putem defini rectificarea pe jumătate de undă ca un proces în care jumătate din ciclul de intrare este eliminat de diodă la ieșirea sa.

Folosind o diodă de siliciu

Când o diodă de siliciu este utilizată ca diodă redresoare, deoarece are o cădere de tensiune directă caracteristică VT = 0,7 V, ea generează o regiune de polarizare directă așa cum se arată în figura următoare:

VT = 0,7 V înseamnă că acum semnalul de intrare trebuie să fie de cel puțin 0,7 V pentru a se asigura că dioda se aprinde cu succes. În cazul în care intrarea VT este mai mică de 0,7 V, pur și simplu nu va reuși să pornească dioda și dioda va continua să fie în modul său de circuit deschis, cu Vo = 0 V.

În timp ce dioda conduce în timpul procesului de rectificare, generează o ieșire de curent continuu care poartă un nivel de tensiune fix pentru diferența de tensiune vo - vi, egală cu scăderea de 0,7 V. discutată mai sus. Putem exprima acest nivel fix cu următoarea formulă:

vo = vi - VT

Aceasta produce o reducere a tensiunii medii de ieșire deasupra axei, provocând o ușoară reducere netă a ieșirii rectificate din diodă.

Referindu-ne la figura de mai sus, dacă considerăm că Vm (nivelul de semnal de vârf) este suficient de ridicat decât VT, astfel încât Vm >> VT, putem evalua valoarea medie a ieșirii DC din diodă folosind următoarea formulă, destul de precis.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Mai precis, dacă vârful AC de intrare este suficient de mare decât VT (cădere directă) a diodei, atunci putem folosi pur și simplu formula anterioară pentru estimarea ieșirii DC rectificate din diodă:

Vdc = 0,318 Vm

Exemplu rezolvat pentru redresorul Half Bridge

Problemă:

Evaluați ieșirea vo și aflați magnitudinea continuă a ieșirii pentru proiectarea circuitului prezentată mai jos:

Soluţie: Pentru rețeaua de circuite de mai sus, dioda se va porni pentru porțiunea negativă a semnalului de intrare, iar vo va fi așa cum este indicat în schița următoare.

Pentru întreaga perioadă a ciclului de intrare AC, ieșirea DC va fi:

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

Semnul negativ indică polaritatea ieșirii DC care este opusă semnului furnizat în diagrama de sub problemă.

Problema # 2: Rezolvați problema de mai sus, considerând dioda a fi o diodă de siliciu.

În cazul unei diode de siliciu, forma de undă de ieșire ar arăta astfel:

Iar ieșirea DC ar putea fi calculată așa cum se explică mai jos:

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

Scăderea tensiunii DC de ieșire datorată factorului 0,7 V este de aproximativ 0,22 V sau aproximativ 3,5%

Rectificare Full-Wave

Când se utilizează un semnal sinusoidal de curent alternativ ca intrare pentru rectificare, ieșirea de curent continuu poate fi îmbunătățită la un nivel de 100% folosind un proces de rectificare cu undă completă.

Cel mai bine cunoscut și ușor proces pentru realizarea acestui lucru este prin utilizarea unei 4 diode redresor de punte rețea așa cum se arată mai jos.

Când ciclul pozitiv de intrare progresează prin perioada t = 0 până la T / 2, polaritatea semnalului de intrare AC de-a lungul diodei și ieșirea din diodă sunt prezentate mai jos:

Aici, putem vedea că, datorită aranjamentului special al rețelei de diode în punte, când D2, D3 se comportă, diodele opuse D1, D4 rămân inversate polarizate și în starea OFF.

Ieșirea DC netă generată din acest proces de rectificare prin D2, D3 poate fi văzută în diagrama de mai sus. Deoarece ne-am imaginat că diodele sunt ideale, ieșirea este vo = vin.

Acum, la fel pentru semiciclul negativ al semnalelor de intrare diodele D1, D4 și diodele D2, D3 intră în starea OFF, așa cum se ilustrează mai jos:

Putem vedea clar că ieșirea de la redresorul de punte a transformat atât semiciclurile pozitive, cât și cele negative ale semnalului de intrare AC în două semicicluri de curent continuu deasupra axei centrale.

Deoarece această regiune de deasupra axei este acum de două ori mai mare decât regiunea obținută pentru o rectificare pe jumătate de undă, ieșirea continuă va deveni, de asemenea, de două ori magnitudinea, calculată folosind următoarea formulă:

Vdc = 2 (0,318Vm)

sau

Vdc = 0,636Vm (undă completă)

Așa cum este prezentat în figura de mai sus, dacă în locul diodei ideale se folosește o diodă de siliciu, aplicarea legii tensiunii Kirchhoff peste linia de conducere ne-ar da următorul rezultat:

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

Prin urmare, vârful tensiunii de ieșire vo va fi:

Vomax = Vm - 2VT

Într-o situație în care V >> 2VT, putem folosi ecuația noastră anterioară pentru a obține valoarea medie cu un grad rezonabil de mare de precizie:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Din nou, dacă avem Vm semnificativ mai mare decât 2VT, 2VT poate fi pur și simplu ignorat, iar ecuația poate fi rezolvată ca:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (Tensiune inversă de vârf)

Tensiunea inversă de vârf sau valoarea (PIV), care este, de asemenea, numită uneori și valoarea de vârf a tensiunii inverse (PRV) a unei diode devine un parametru crucial în timpul proiectării circuitelor redresoare.

Este practic un interval de tensiune cu polarizare inversă a diodei care nu trebuie depășit, altfel dioda se poate defecta tranzitând într-o regiune numită regiune de avalanșă zener.

Dacă aplicăm legea tensiunii lui Kirchhoff unui circuit redresor cu jumătate de undă, așa cum se arată mai jos, acesta explică pur și simplu că ratingul PIV al unei diode trebuie să fie mai mare decât valoarea de vârf a intrării de alimentare utilizată pentru intrarea redresorului.

De asemenea, pentru un redresor cu punte completă, calculul PIV este același cu redresorul cu jumătate de undă, adică:

PIV ≥ Vm, deoarece Vm este tensiunea totală aplicată sarcinii conectate așa cum este descris în figura următoare.

Exemple rezolvate pentru rețea de redresare full bridge

Determinați forma de undă de ieșire pentru următoarea rețea de diode și calculați, de asemenea, nivelul DC de ieșire și PIV sigur pentru fiecare diodă din rețea.

Soluție: Pentru semiciclul pozitiv, circuitul se va comporta așa cum este descris în următoarea diagramă:

Putem redesena acest lucru în modul următor pentru o mai bună înțelegere:

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

Pentru semiciclul negativ, rolul de conducere al diodelor poate fi schimbat, ceea ce va produce o ieșire vo așa cum se arată mai jos:

Absența a două diode în punte duce la reducerea puterii de curent continuu cu o magnitudine:

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

Este exact același lucru pe care l-am fi obținut de la un redresor cu jumătate de punte cu aceeași intrare.

PIV va fi egal cu tensiunea maximă generată pe R, care este 5 V, sau jumătate din cea necesară pentru o jumătate de undă rectificată cu aceeași intrare.