Die Wechselspannung wird vom Versorgungsunternehmen zum Verbraucher transportiert. Dies liegt in der Natur des Stromtransports begründet. Die meisten elektrischen Verbraucher im Haushalt (und teilweise auch in der Industrie) benötigen jedoch eine Gleichspannungsversorgung. Es werden Konverter benötigt. In vielen Fällen sind sie nach dem Schema "Abspanntransformator - Gleichrichter - Glättungsfilter" aufgebaut (außer bei getaktete Stromversorgungen). In einer Brückenschaltung angeordnete Dioden werden als Gleichrichter verwendet.
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Warum eine Diodenbrücke benötigt wird und wie sie funktioniert
Die Diodenbrücke ist eine Gleichrichterschaltung, die Wechselspannung in Gleichspannung umwandelt. Sie funktioniert auf der Grundlage der Einwegleitung, einer Eigenschaft von Halbleiterdioden, die den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt. Eine einzelne Diode kann auch als einfachster Gleichrichter dienen.
In diesem Zusammenhang wird die negative Seite (negativ) einer sinusförmigen Wellenform wird "abgeschnitten". Diese Methode hat Nachteile:
- Die Form der Ausgangsspannung ist alles andere als konstant, was einen großen und sperrigen Kondensator als Glättungsfilter erfordert;
- das AC-Netzteil höchstens zur Hälfte ausgelastet ist.
Der Strom durch die Last entspricht der Form der Ausgangsspannung. Daher ist es besser, einen Doppelhalbperioden-Gleichrichter in Form einer Diodenbrücke zu verwenden. Wenn vier Dioden in der obigen Schaltung enthalten sind und eine Last angeschlossen ist, arbeitet das Gerät wie folgt, wenn die Wechselspannung an den Eingang angelegt wird:
Wenn die Spannung positiv ist (oberer Teil der Sinuswelle, roter Pfeil), fließt der Strom durch die Diode VD2, die Last, VD3. Mit negativer Spannung (unterer Teil der Sinuswelle, grüner Pfeil) durch die Diode VD4, Last, VD1. Dies hat zur Folge, dass der Strom in einer Periode zweimal in derselben Richtung durch die Last fließt.
Die Form der Ausgangsspannung kommt einer Geraden sehr viel näher, obwohl die Restwelligkeit recht hoch ist. Die Energiequelle wird vollständig genutzt.
Wenn eine dreiphasige Spannungsquelle mit der erforderlichen Amplitude zur Verfügung steht, kann auf diese Weise eine Brücke hergestellt werden:
Es werden drei Ströme auf die Last geschaltet, die die Form der Ausgangsspannung mit einer Phasenverschiebung von 120 Grad wiederholen:
Die Ausgangsspannung wird die Spitzen der Sinuskurven umkreisen. Es ist zu erkennen, dass die Spannungsimpulse viel geringer sind als im einphasigen Stromkreis, ihre Form ist näher an einer Geraden. In diesem Fall wird die Kapazität des Glättungsfilters minimal sein.
Eine weitere Variante der Brücke ist eine kontrollierte Brücke. Bei dieser Variante werden die beiden Dioden durch Thyristoren ersetzt, d. h. durch elektronische Bauteile, die sich öffnen, wenn ein Signal an die Steuerelektrode angelegt wird. Im offenen Zustand verhalten sich Thyristoren fast wie gewöhnliche Dioden. Die Schaltung hat diese Form:
Die Schaltsignale werden vom Steuerkreis zu den vereinbarten Zeitpunkten geliefert, die Abschaltung erfolgt in dem Moment, in dem die Spannung durch Null geht. Die Spannung wird dann über einen Kondensator gemittelt und dieser Mittelwert kann gesteuert werden.
Diodenbrückenbezeichnung und Anschlussplan
Da Diodenbrücken nach verschiedenen Schemata gebaut werden können und nur wenige Elemente enthalten, wird die Gleichrichtereinheit in den meisten Fällen einfach durch Zeichnen eines Schaltplans identifiziert. Wenn dies nicht möglich ist, z. B. bei einem Blockschaltbild, wird die Brücke durch das Symbol für einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler dargestellt:
Das "~" steht für AC-StromkreiseDas Symbol "=" steht für Gleichstromkreise und "+" und "-" für die Ausgangspolarität.
Wenn der Gleichrichter auf einer klassischen 4-Dioden-Brückenschaltung basiert, ist eine leicht vereinfachte Darstellung zulässig:
Der Eingang des Gleichrichtergeräts wird ohne Beachtung der Polarität mit den Ausgangsklemmen der Wechselstromquelle (in den meisten Fällen ist dies ein Abspanntransformator) verbunden - jede Ausgangsklemme wird mit jeder Eingangsklemme verbunden. Der Ausgang der Brücke ist mit der Last verbunden. Dies kann eine Polarität erfordern oder auch nicht (einschließlich Stabilisator, Glättungsfilter).
Die Diodenbrücke kann an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden. In diesem Fall wird eine Schutzschaltung gegen unbeabsichtigte Verpolung geschaffen - jede Verbindung der Brückeneingänge mit dem Stromversorgungsausgang wird die Polarität der Spannung am Ausgang nicht umkehren.
Die wichtigsten technischen Merkmale
Bei der Auswahl von Dioden oder einer Brücke sollte zunächst Folgendes beachtet werden Höchster Betriebsvorwärtsstrom. Er muss größer sein als der Laststrom. Wenn dieser Wert nicht bekannt ist und die Leistung bekannt ist, muss er mit der Formel Inagr=Pnagr/Uf in Strom umgerechnet werden. Um den zulässigen Strom zu erhöhen, können die Halbleiter parallel geschaltet werden - der höchste Laststrom geteilt durch die Anzahl der Dioden. Dioden in einem Zweig der Brücke in diesem Fall ist es besser, durch enge Wert des Spannungsabfalls in den offenen Zustand zu wählen.
Der zweite wichtige Parameter ist DurchlassspannungDer zweite wichtige Parameter ist die Vorwärtsspannung, für die die Brücke oder ihre Komponenten ausgelegt sind. Sie darf nicht niedriger sein als die Ausgangsspannung der Wechselstromquelle (Amplitudenwert!). Für einen zuverlässigen Betrieb des Geräts ist eine Marge von 20-30 % erforderlich. Um die zulässige Spannung zu erhöhen, können Dioden in Reihe geschaltet werden - in jeder Schulter der Brücke.
Diese beiden Parameter reichen aus, um eine vorläufige Entscheidung über die Verwendung von Dioden im Gleichrichter zu treffen, aber es ist notwendig, auf einige andere Eigenschaften zu achten:
- maximale Betriebsfrequenz - beträgt in der Regel einige Kilohertz und ist für den Betrieb bei industriellen Frequenzen von 50 oder 100 Hz unerheblich, aber wenn die Diode in einem gepulsten Stromkreis arbeiten soll, kann dieser Parameter entscheidend sein;
- Spannungsabfall im offenen Zustand Der Leerlaufspannungsabfall von Siliziumdioden beträgt etwa 0,6 V, was bei einer Ausgangsspannung von z. B. 36 V unbedeutend ist, aber bei einem Betrieb unter 5 V kritisch sein kann - in diesem Fall sollten Schottky-Dioden mit ihren niedrigen Werten dieses Parameters gewählt werden.
Arten von Diodenbrücken und ihre Kennzeichnung
Die Diodenbrücke kann mit diskreten Dioden aufgebaut werden. Um die Polarität zu beachten, müssen Sie auf die Markierungen achten. In einigen Fällen wird die Kennzeichnung in Form einer Figur direkt auf dem Körper des Halbleiterbauelements angebracht. Dies ist charakteristisch für inländisch hergestellte Produkte.
Ausländische (und viele moderne russische) Geräte sind mit einem Punkt oder einem Ring gekennzeichnet. In den meisten Fällen ist die Anode auf diese Weise gekennzeichnet, aber es gibt keine Garantie. Am besten ziehen Sie ein Nachschlagewerk zu Rate oder verwenden einen Tester.
Sie können eine Brücke aus einer Baugruppe herstellen - vier Dioden werden in einem Gehäuse kombiniert und die Verbindung der Anschlüsse kann durch externe Leiter (z. B. auf einer Leiterplatte) erfolgen. Die Baugruppen können unterschiedlich sein, so dass Sie in den Datenblättern nach dem richtigen Anschluss suchen müssen.
Die BAV99S-Diodenbaugruppe mit 4 Dioden, aber nur 6 Stiften, hat zum Beispiel zwei Halbbrücken im Inneren (ein Punkt auf dem Gehäuse in der Nähe von Stift 1):
Um eine vollständige Brücke zu erhalten, müssen Sie die entsprechenden Pins mit externen Leitern verbinden (rot zeigt das Gleislayout bei Verwendung von Leiterplatten):
In diesem Fall wird die Wechselspannung an die Pins 3 und 6 angeschlossen. Der positive Gleichstrompol wird von Pin 5 oder 2 und der negative Pol von Pin 4 oder 1 abgenommen.
Und die einfachste Möglichkeit ist eine Baugruppe mit einer fertigen Brücke darin. Inländische Produkte können KTs402, KTs405 sein, es gibt auch Brücken aus ausländischer Produktion. In vielen Fällen wird die Kennzeichnung von Klemmen direkt auf dem Gehäuse angebracht, und die Aufgabe besteht nur noch in der richtigen Auswahl entsprechend den Eigenschaften und dem fehlerfreien Anschluss. Wenn es keine externe Klemmenmarkierung gibt, müssen Sie in einem Handbuch nachschlagen.
Vorteile und Nachteile
Die Vorteile von Diodenbrücken sind allgemein bekannt:
- jahrzehntelang bewährte Schaltungstechnik;
- Einfach zu montieren und anzuschließen;
- einfache Fehlerdiagnose und einfache Reparatur.
Die Nachteile sind die mit zunehmender Leistung steigende Größe und das höhere Gewicht der Schaltung sowie die Notwendigkeit, Kühlkörper für Hochleistungsdioden zu verwenden. Aber man kann nichts dagegen tun - man kann die Physik nicht überlisten. Wenn diese Bedingungen unannehmbar werden, muss über den Übergang zu einem Schaltnetzteil entschieden werden. Übrigens kann auch die Brückenschaltung von Dioden darin verwendet werden.
Es ist auch zu beachten, dass die Form der Ausgangsspannung alles andere als konstant ist. Bei Verbrauchern mit Anforderungen an die Stabilität der Versorgungsspannung muss eine Brücke zusammen mit Glättungsfiltern und gegebenenfalls Stabilisatoren am Ausgang eingesetzt werden.
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