Диодный мост: устройство, принцип работы и сферы применения
Диодный мост электрического генератора это электрическая схема состоящая из нескольких мощных диодов и варистора, и служащая для выпрямления электрического тока поступающего с ротора возбудителя генератора на его силовой ротор.
Устройство и принцип работы диодного моста
Принцип работы диодного выпрямителя заключается в способности диодов пропускать электроток в одном направлении и предотвращать его обратное прохождение.
Основные этапы выпрямления синусоиды переменного тока:
- На вход выпрямительного блока поступает переменный ток 50-60 Гц.
- Сборка пропускает электроток в прямом направлении. При этом часть токовой синусоиды, которую полупроводниковая схема считает обратной, срезается и ее знак меняется на противоположный.
- В итоге функционирования полупроводникового моста на выход подается однополярный пульсирующий ток. Частота пульсаций выходного тока равна удвоенной частоте входного тока – 50х2 = 100 Гц.
Полученный на выходе выпрямительной схемы пульсирующий ток постоянным не является.
Основной вид устройства выпрямительного блока генератора с диодным мостом – это две теплоотводящие пластины, изготовленные из алюминиевого сплава. Пластины могут объединяться в общую конструкцию через 3 изолирующие втулки, а могут быть смонтированы отдельно друг от друга. В каждую из них впаивается по 3 диода – 3 положительных и 3 отрицательных. Плюсовые и минусовые полупроводники соединяются в пары.
Полупроводниковые выпрямители из единичных диодов или сборок
Диоды могут по отдельности впаиваться на плату, но в случае с диодным мостом генератора используется более прогрессивное решение – диодные сборки, подразумевающие объединение полупроводников в общем корпусе или на пластине. Это предпочтительный вариант – такой выпрямитель обходится дешевле и занимает меньший объем. Полупроводниковые элементы в этом случае подбираются в заводских условиях с контролем всех параметров. У отдельных диодов характеристики могут отличаться, что негативно сказывается на функционировании схемы.
Так же, что очень важно, для защиты от влаги и вибрации, вся диодная сборка заливается специальной смолой, или так называемым компаундом.
Другие преимущества сборки: работа всех ее элементов в едином тепловом режиме, что снижает вероятность выхода из строя отдельного полупроводника, простота монтажа прибора. Минусы сборки – сложность контроля за работоспособностью отдельно взятого полупроводника, невозможность замены одного отдельного элемента в случае его выхода из строя. Но при правильной подборке диодов сборки исправно служат в течение длительного времени.
Выпрямители в одно- и трехфазных сетях переменного тока
Диодный мост, используемый в электросетях напряжением 220 В, состоит из 4 диодов, трехфазных – из 6 полупроводниковых элементов. Принцип работы этих полупроводниковых выпрямителей одинаковый. Существует множество схем трехфазных выпрямительных блоков, самая мощная и совершенная из них состоит из 6 мостов, включенных параллельно.
Виды диодных мостов по мощности
Разные модели полупроводниковых выпрямителей рассчитаны на разный номинальный ток. По этому параметру полупроводниковые выпрямительные приборы делят на следующие серии:
- малой мощности – величина номинального тока до 0,3 А;
- средней мощности – 0,3 А – 10 А;
- большой мощности – более 10 А.
Одна из важных характеристик полупроводникового выпрямителя – наибольшее обратное напряжение, которое может выдержать блок. Если этот показатель будет превышен, то прибор выйдет из строя.
Области применения диодных мостов
Применяются в конструкции любого синхронного генератора переменного тока для обеспечения функционирования вращающегося магнитного поля силового ротора.
Диодные мосты применяют в основном для ремонта вышедшего из строя генератора.
Купить диодные выпрямительные мосты можно для применения в электросистемах городского электрического транспорта (трамваев, троллейбусов, метро), электровозов, в промышленных системах очистки газовых смесей, буровом оборудовании.
Что такое диодный мост и как он работает?
Наряду с линейными устройствами в электрической цепи можно встретить и нелинейные полупроводниковые элементы, имеющие самый разнообразный функционал в составе электронной схемы. Среди полупроводниковых приборов особое место занимает диодный мост, выполняющий роль преобразователя переменного напряжения в постоянное. Хоть для этих целей с тем же успехом может применяться и обычный диод, но сфера их применения существенно ограничивается рабочими параметрами одного элемента. Решить недостатки единичной детали помогла диодная сборка из нескольких, существенно отличающихся характеристиками и принципом работы.
Устройство и принцип работы
Диодный мост представляет собой электронную схему, собранную на основе выпрямительных диодов, который предназначен для преобразования подаваемого на него переменного тока в постоянный. Чаще всего в состав схемы включаются диоды Шоттки, но это не категоричное требование, поэтому в каком-либо конкретном случае может заменяться и другими моделями, подходящими по техническим параметрам. Схема моста из полупроводниковых диодов включает в себя четыре элемента для одной фазы. Диодный мостик может набираться как отдельными диодами, так и собираться единым блоком, в виде монолитного четырехполюсника.
Принцип работы диодного моста основывается на способности p – n перехода пропускать электрический ток только в одном направлении. Схема включения диодов в мост построена таким образом, чтобы для каждой полуволны создавался свой путь протекания электрического тока к подключенной нагрузке.
Рис. 1. Принцип работы диодного моста
Для пояснения выпрямления диодным мостом необходимо рассматривать работу схемы относительно формы напряжения на входе. Следует отметить, что кривая напряжения за один период имеет две полуволны – положительную и отрицательную. В свою очередь, каждая полуволна имеет процесс нарастания и убывания по отношению к максимальной точке амплитуды.
Поэтому работа выпрямительного устройства будет иметь такие этапы:
- На вход выпрямительного моста, обозначенного буквами А и Б подается переменное напряжение 220В.
- Каждая полуволна, подаваемая из электрической сети или от обмоток трансформатора, преобразуется в постоянную величину парой диодов, расположенных по диагонали.
- Положительная полуволна будет проводиться парой диодов VD1 и VD4 и выдавать на выход моста полуволну в положительной области оси ординат.
- Отрицательная полуволна будет выпрямляться парой диодов VD2 и VD3, с которых на том же выходе моста возникнет очередная полуволна в положительной области.
В связи с тем, что оба полупериода получают реализацию на выходе диодного моста, такое электронное устройство получило название двухполупериодного выпрямителя, также его называют схемой Гретца.
Обозначение на схеме и маркировка
На электрической схеме диодный мост может иметь различные варианты изображения. Чаще всего вы можете встретить такие обозначения:
Рис. 2. Обозначение на схеме
Первый вариант обозначения мостового выпрямителя используется, как правило, в тех ситуациях, когда электронный прибор представляет собой монолитную конструкцию, единую сборку. На схеме маркировка выполняется латинскими буквами VD, за которыми указывается порядковый номер.
Второй вариант наиболее распространен для тех ситуаций, когда диодный мост состоит из отдельных полупроводниковых устройств, собранных в одну схему. Маркировка второго варианта, чаще всего, выполняется в виде ряда VD1 – VD4.
Следует также отметить, что вышеприведенное схематическое обозначение и маркировка хоть и имеет общепринятый характер, но может нарушаться при составлении схем.
Разновидности диодных мостов
В зависимости от количества фаз, которые подключаются к диодному мосту, различают однофазные и трехфазные модели. Первый вариант мы детально рассмотрели на примере схемы Гретца выше.
Трехфазные выпрямители, в свою очередь, разделяются на шести- и двенадцатипульсовые модели, хотя схема диодного моста у них идентична. Рассмотрим более детально работу диодного устройства для трехфазной схемы.
Рис. 3. Схема трехфазного диодного моста
Диодный мост, приведенный на рисунке выше, получил название схемы Ларионова. Конструктивно для каждой из фаз устанавливается сразу два диода в противоположном направлении друг относительно друга. Здесь важно отметить, что синусоида во всех трех фазах имеет смещение в 120° друг относительно друга, поэтому на выходах устройства при наложении результирующей диаграммы получится следующая картина:
Рис. 4. Напряжение выпрямленное трехфазным мостом
Как видите, в сравнении с однофазным выпрямителем на базе диодного моста картина получается более плавной, а скачки напряжения имеют значительно меньшую амплитуду.
Технические характеристики
При выборе конкретного диодного моста для замены в выпрямительном блоке или для любой другой схемы важно хорошо ориентироваться в основных технических параметрах.
Среди таких характеристик наиболее значимыми для диодного моста являются:
- Амплитудное максимальное напряжение обратной полярности – это пороговое значение более которого уже произойдет необратимый процесс и полупроводник выйдет со строя. Обозначается как UАобр в отечественных моделях или Vrpm для зарубежных.
- Среднее обратное напряжение – представляет собой номинальное значение электрической величины, которое может прикладываться в процессе эксплуатации. Имеет обозначение Uобр в отечественных образцах или Vr(rms) для зарубежных диодных мостов.
- Средний выпрямленный ток – обозначает действующую величину электрического тока на выходе диодного моста. На устройствах указывается как Iпр или Io для моделей отечественного или зарубежного производства соответственно.
- Амплитудный выпрямленный ток – это максимальный ток на выходе выпрямителя, определяемый пиком полуволны на кривой, обозначается как Ifsm для пульсирующего тока на положительном и отрицательном выводе.
- Падение напряжения в прямой полярности – определяет потерю напряжения от собственного сопротивления диодного моста. На устройстве обозначается как Vfm.
Если вы хотите выбрать модель на замену, допустим в сети 220 В, то главный параметр для диодного моста обратный ток и напряжение. Рабочие характеристики должны значительно превышать номинал сети, к примеру, при напряжении 220 В – диодный мост должен выдерживать около 400 В. По току подойдет и меньший запас, но его также следует предусмотреть.
Преимущества и недостатки
Кроме диодного моста существуют и другие способы преобразования переменного в постоянный ток. В сравнении с однополупериодным, двухполупериодное выпрямление обладает рядом преимуществ:
- И отрицательная, и положительная полуволна синусоиды преобразуются в выходное напряжение, поэтому вся мощность трансформатора используется в наиболее оптимальной степени.
- За счет большей частоты пульсации получаемое от диодного выпрямителя напряжение куда проще сглаживать при помощи фильтров.
- Использование электроэнергии под нагрузкой уменьшает потери мощности на перемагничивание сердечника, возникающее из-за процессов взаимоиндукции в обмотках питающего трансформатора.
- Гармоничное перераспределение кривой электротока и напряжения на выходе – за счет передачи каждого полупериода сразу двумя диодами в мосте, выходной параметр получается куда более равномерным.
К недостаткам диодного моста следует отнести и большее падение напряжения, в сравнении с однополупериодной схемой или выпрямителем с отводом из средней точки. Это обусловлено тем, что ток протекает сразу черед два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может оказывать существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампера могут решать значение сигналов, режимы работы агрегатов и т.д. В качестве решения могут применяться диодные мосты с диодами Шотки, у которых падение прямого напряжения относительно ниже.
Еще одним недостатком является сложность определения перегоревшего звена, так как при выходе со строя хотя бы одного диода вся схема будет продолжать работать. Понять, что один из полупроводниковых элементов выпал из цепи можно лишь с помощью измерений, далеко не всегда прибор или схема отреагируют при сбое видимой неисправностью.
Практическое применение
На практике диодный мост имеет довольно широкий спектр применения – это и цифровая техника, блоки питания в персональных компьютерах, ноутбуках, различных устройствах, автомобильных генераторах, питающихся от низкого постоянного напряжения. Помимо этого их можно встретить в системах звуковоспроизведения, измерительной техники, теле- радиовещания, они устанавливаются в ряде различных устройств по всему дому. Для лучшего понимания роли диодного моста в этих приборах мы рассмотрим несколько конкретных схем, в которых он применяется.
Примеры схем с диодным мостом и их описание
Одна из наиболее простых схем с применением диодного моста – это зарядное устройство, применяемое для оборудования, питаемого низким напряжением. Один из таких вариантов рассмотрим на следующем примере
Рис. 5. Схема зарядного устройства
Как видите на рисунке, от понижающего трансформатора Т1 напряжение из переменного 220В преобразуется в переменное на уровне 7 – 9В. После этого пониженное напряжение подается на диодный мост VD, от которого выпрямленное через сглаживающий конденсатор С1 на микросхему КР. От микросхемы выпрямленное напряжение стабилизируется и выдается на клеммы разъема.
Рис. 6. Схема карманного фонаря
На рисунке выше приведен пример схемы карманного фонаря, данная модель подключается к бытовой сети 220В через розетку, что представлено соединением разъема Х1 и Х2. Далее напряжение подается на мост VD, а с него уже на микросхему DA1, которая при наличии входного питания сигнализирует об этом через светодиод HL1. После этого напряжение питания приходит на аккумулятор GB, который заряжается и затем используется в качестве основного источника питания для лампы фонарика.
Пример схемы сварочного агрегата
Здесь представлен пример схемы сварочного агрегата, в котором диодный мост устанавливается сразу после понижающего трансформатора для выпрямления электрического тока. Из-за сложности схемы дальнейшее рассмотрение работы устройства нецелесообразно. Стоит отметить, что существуют и другие устройства с еще более сложным принципом работы – импульсные блоки питания, ШИМ модуляторы, преобразователи и т.д.
Источник