La tensione alternata è trasportata dall'utilità al consumatore. Ciò è dovuto alla natura del trasporto dell'elettricità. Ma la maggior parte delle utenze elettriche domestiche (e in parte industriali) richiedono un'alimentazione a tensione diretta. Richiede dei convertitori. In molti casi sono costruiti secondo lo schema "trasformatore step-down - raddrizzatore - filtro di livellamento" (eccetto per alimentatori a commutazione). I diodi disposti in un circuito a ponte sono usati come raddrizzatori.
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Perché il ponte di diodi è necessario e come funziona
Il ponte di diodi è usato come un circuito raddrizzatore, che converte la tensione AC in tensione DC. Funziona sulla base della conduzione unidirezionale, una proprietà di un diodo semiconduttore che permette alla corrente di fluire in una sola direzione. Un singolo diodo può anche servire come raddrizzatore più semplice.
A questo proposito, il lato negativo (negativo) di una forma d'onda sinusoidale è "tagliata". Questo metodo ha degli svantaggi:
- La forma della tensione d'uscita è tutt'altro che costante e richiede un condensatore grande e ingombrante come filtro di livellamento;
- l'alimentatore CA viene utilizzato al massimo per metà della sua capacità.
La corrente attraverso il carico ripete la forma della tensione di uscita. Perciò è meglio usare un raddrizzatore a doppio semiperiodo sotto forma di un ponte di diodi. Se quattro diodi sono inclusi nel circuito di cui sopra e un carico è collegato, l'unità funzionerà come segue quando la tensione AC è applicata all'ingresso:
Quando la tensione è positiva (parte superiore della sinusoide, freccia rossa), la corrente scorrerà attraverso il diodo VD2, carico, VD3. Con tensione negativa (parte inferiore della sinusoide, freccia verde) attraverso il diodo VD4, carico, VD1. Come risultato, la corrente passa attraverso il carico due volte in un periodo nella stessa direzione.
La forma della tensione di uscita è molto più vicina a una linea retta, anche se il livello di ondulazione è abbastanza alto. La potenza della fonte è completamente utilizzata.
Se è disponibile una fonte di tensione trifase dell'ampiezza richiesta, si può fare un ponte in questo modo:
Impilerà tre correnti sul carico, ripetendo la forma della tensione di uscita, con uno spostamento di fase di 120 gradi:
La tensione di uscita cercherà i vertici delle sinusoidi. Si può vedere che la tensione pulsa molto meno che nel circuito monofase, la sua forma è più vicina a una linea retta. In questo caso la capacità del filtro di lisciatura sarà minima.
E un'altra variante del ponte è un ponte controllato. In questa, i due diodi sono sostituiti da tiristori, che sono dispositivi elettronici che si aprono quando si applica un segnale all'elettrodo di controllo. Quando sono aperti, i tiristori si comportano quasi come diodi ordinari. Il circuito ha questa forma:
I segnali di commutazione sono forniti dal circuito di controllo nei momenti di tempo concordati, lo spegnimento avviene nel momento in cui la tensione passa per lo zero. La tensione è poi mediata attraverso un condensatore e questa media può essere controllata.
Designazione del ponte di diodi e schema di connessione
Poiché i ponti di diodi possono essere costruiti secondo vari schemi e hanno pochi elementi, nella maggior parte dei casi il raddrizzatore viene identificato semplicemente disegnando uno schema. Se questo non è accettabile, per esempio nel caso di un diagramma a blocchi, il ponte è indicato dal simbolo usato per qualsiasi convertitore da AC a DC:
Il "~" sta per Circuiti ACIl simbolo "=" sta per i circuiti DC, e "+" e "-" per la polarità dell'uscita.
Se il raddrizzatore è basato su un classico circuito a ponte di 4 diodi, è consentita una rappresentazione leggermente semplificata:
L'ingresso del raddrizzatore è collegato ai terminali di uscita della sorgente AC (nella maggior parte dei casi questo è un trasformatore step-down) senza osservare la polarità - qualsiasi terminale di uscita è collegato a qualsiasi terminale di ingresso. L'uscita del ponte è collegata al carico. Questo può richiedere o meno la polarità (compreso lo stabilizzatore, il filtro lisciante).
Il ponte di diodi può essere collegato a una fonte di tensione continua. In questo caso, si crea un circuito di protezione contro l'inversione involontaria della polarità - qualsiasi connessione degli ingressi del ponte all'uscita dell'alimentatore non invertirà la polarità della tensione alla sua uscita.
Le principali caratteristiche tecniche
Quando si scelgono i diodi o un ponte, si dovrebbe prima considerare quanto segue Massima corrente operativa in avanti. Deve essere più grande della corrente di carico. Se questo valore è sconosciuto e la potenza è nota, deve essere convertito in corrente con la formula Inagr=Pnagr/Uf. Per aumentare la corrente ammissibile, i semiconduttori possono essere collegati in parallelo - la corrente di carico più alta divisa per il numero di diodi. Diodi in un ramo del ponte in questo caso, è meglio scegliere dal valore vicino di caduta di tensione nello stato aperto.
Il secondo parametro importante è tensione in avantiIl secondo parametro importante è la tensione in avanti che il ponte o i suoi componenti sono progettati per portare. Non deve essere inferiore alla tensione di uscita della sorgente AC (valore di ampiezza!). Per un funzionamento affidabile del dispositivo, è necessario un margine del 20-30%. Per aumentare la tensione ammissibile, i diodi possono essere collegati in serie - in ogni spalla del ponte.
Questi due parametri sono sufficienti per la decisione preliminare di utilizzare i diodi nel dispositivo raddrizzatore, ma è necessario prestare attenzione ad alcune altre caratteristiche:
- frequenza massima di funzionamento - è di solito qualche kilohertz e per il funzionamento a frequenze industriali di 50 o 100 Hz non ha importanza, ma se il diodo deve funzionare in un circuito pulsato, questo parametro può diventare decisivo;
- Caduta di tensione a stato aperto La caduta di tensione in posizione aperta dei diodi al silicio è di circa 0,6 V, che non è importante per una tensione di uscita di 36 V, per esempio, ma può essere critica per il funzionamento sotto i 5 V - nel qual caso, i diodi Schottky con i loro bassi valori di questo parametro dovrebbero essere selezionati.
Tipi di ponti diodi e loro marcatura
Il ponte di diodi può essere assemblato con diodi discreti. Per osservare la polarità, è necessario prestare attenzione alle marcature. In alcuni casi, la marcatura in forma di figura è posta direttamente sul corpo del dispositivo a semiconduttore. Questa è una caratteristica dei prodotti di fabbricazione nazionale.
I dispositivi stranieri (e molti russi moderni) sono contrassegnati da un punto o da un anello. Nella maggior parte dei casi, l'anodo è segnato in questo modo, ma non c'è alcuna garanzia. È meglio consultare un libro di riferimento o usare un tester.
Si può fare un ponte da un assemblaggio - quattro diodi sono combinati in un caso e la connessione dei terminali può essere fatta da conduttori esterni (per esempio su un circuito). Gli assemblaggi possono variare, quindi bisogna guardare le schede tecniche per la connessione corretta.
Per esempio il gruppo di diodi BAV99S con 4 diodi ma solo 6 pin ha due mezzi ponti collegati all'interno (c'è un punto sul case vicino al pin 1):
Per ottenere un ponte completo devi collegare i pin corrispondenti con conduttori esterni (il rosso mostra la disposizione dei binari quando si usa il cablaggio del circuito stampato):
In questo caso la tensione AC è collegata ai pin 3 e 6. Il polo positivo DC è preso dal pin 5 o 2 e il polo negativo dal pin 4 o 1.
E l'opzione più semplice è un assemblaggio con un ponte pronto all'interno. I prodotti nazionali possono essere KTs402, KTs405, ci sono anche gruppi di ponti fatti all'estero. In molti casi la marcatura dei terminali è applicata direttamente sulla cassa, e il compito si riduce solo alla scelta corretta secondo le caratteristiche e alla connessione senza errori. Se non c'è una marcatura esterna dei terminali, dovrete fare riferimento a un manuale.
Vantaggi e svantaggi
I vantaggi dei ponti a diodi sono ben noti:
- decenni di circuiti collaudati;
- Facile da montare e collegare;
- facile diagnosi dei guasti e facile riparazione.
Gli svantaggi sono l'aumento delle dimensioni e del peso del circuito con l'aumento della potenza, così come la necessità di utilizzare dissipatori di calore per i diodi ad alta potenza. Ma non ci si può fare niente - non si può imbrogliare la fisica. Quando queste condizioni diventano inaccettabili, è necessario decidere il passaggio al circuito di alimentazione switching. A proposito, il collegamento a ponte di diodi può essere usato anche in esso.
Bisogna anche notare che la forma della tensione di uscita è tutt'altro che costante. Per lavorare con consumatori con esigenze di stabilità della tensione di alimentazione, è necessario utilizzare un ponte insieme a filtri di livellamento e, se necessario, stabilizzatori in uscita.
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