Diode bro

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 5. januar 2021; checks kræver 8 redigeringer .

Diodebro  - en elektrisk enhed, et elektrisk kredsløb til at konvertere ("ensretter") vekselstrøm til en pulserende (konstant). Ensretning ved hjælp af en diodebro kaldes fuldbølge [2] .

Der er enfasede og flerfasede broer. En enfaset bro udføres i henhold til Graetz -brokredsløbet . Oprindeligt brugte det elektrovakuumdioder , og dette kredsløb blev betragtet som en kompleks og dyr løsning; i stedet blev Mitkevich-kredsløbet normalt brugt, hvor transformatorens sekundære vikling har en gennemsnitlig udgang [3] . Nu hvor halvlederdioder er blevet billige og tilgængelige for næsten alle, bruges der i de fleste tilfælde et brokredsløb, med undtagelse af Mitkevich-kredsløbet, der bruges i nogle lavspændings-ensrettere, som alt andet lige har en højere effektivitet [4 ] .

I stedet for dioder kan ensretterventiler af enhver type bruges i kredsløbet - for eksempel selen ensrettere , kviksølvventiler og andre, princippet om drift af kredsløbet ændres ikke fra dette.

Også styrede ventiler bruges i broens skuldre, for eksempel tyristorer eller tændrør , mens det er muligt at styre ensretterens udgangsspænding ved hjælp af fase -pulsstyring af kontrollerede ventiler.

Historie

Ensretterbrokredsløbet (Figur 4) blev opfundet af den polske elektroingeniør Karol Pollak og patenteret i december 1895 i Storbritannien [5] og i januar 1896 i Tyskland [6] [7] .

I 1897 opfandt og offentliggjorde den tyske fysiker Leo Graetz , uafhængigt af sine forgængere en beskrivelse af et lignende skema [8] [9] [10] [11] . Graetz' publikation blev almindeligt kendt af datidens elektroingeniører, så dette kredsløb kaldes nu ofte for Graetz-kredsløbet eller Graetz-broen [12] .

I 1924 opfandt den sovjetiske elektroingeniør A. N. Larionov et brokredsløb af en fuldbølge trefaset strømensretter, opkaldt efter ham [13] .

Princippet for drift af ensretterbroer

Enfaset bro (Graetz-kredsløb)

Broens indgang ( ) forsynes med en vekselspænding, ikke nødvendigvis sinusformet. I en af ​​halvcyklerne (til venstre i figur 5) er to dioder åbne i modsatte arme af broen, og strømmen går kun gennem disse 2 dioder , mens de 2 andre i det andet par af modsatte arme er låst. På den anden halve cyklus (til højre i figur 5) åbner to andre dioder, og det andet par dioder lukker. I belastningen løber strømmen i begge halvcyklusser i samme retning - diodebroen omdanner vekselstrømmen til en pulserende jævnstrøm [14] .

Da 2 dioder altid er forbundet i serie med belastningen, hvor hver del af indgangsspændingen falder i åben tilstand, er den maksimale pulserende spænding ved belastningen altid mindre end indgangsspændingsamplituden med det dobbelte af fremadgående spændingsfald over diode. Amplituden af ​​vekselspændingen er mere end den effektive spænding i tider:

Størrelsen af ​​spændingsfaldet over én diode afhænger af halvledermaterialet og typen af ​​diode.For eksempel er for siliciumdioder med en pn-forbindelse det fremadgående fald ved lave strømme gennem dioden ≈0,6 V ved strømme tæt på maksimum tilladt for en bestemt enhed ≈1 V Schottky-dioder For germaniumdioder og henholdsvis ≈0,3 V (≈0,6 V) og ≈0,2 V (≈0,4 V) . Energitab forårsaget af et jævnspændingsfald over dioderne reducerer effektiviteten af ​​ensretteren, især denne reduktion er betydelig ved ensretter af lave spændinger. For eksempel vil en strømforsyning med en siliciumdiodebro med en pn-forbindelse ved 5 V og en strøm på 10 A (udgangseffekt på 50 W) have en effektivitet på højst 70%. Derfor bruger lavspændings højstrøms-ensrettere hovedsageligt Schottky-dioder eller aktive ensretterkredsløb ved hjælp af aktive kontrollerede kontakter, for eksempel kraftige felteffekttransistorer .

Rippelfrekvensen af ​​den ensrettede spænding er lig med to gange frekvensen af ​​AC-forsyningsspændingen :

Gennemsnitlig strøm gennem enhver diode ved gennemsnitlig belastningsstrøm [15] :

Følgende formler er givet, hvis det antages, at det fremadgående fald over dioderne er 0.

Ripple- område (spændingsforskel mellem maksimum- og minimumværdier) ved broens udgang uden et udjævnende kapacitivt filter :

Den maksimale omvendte spænding på dioden, når broen betjenes på en kapacitiv belastning [15] :

Gennemsnitsværdi af ensrettet spænding:

Trefaset bro (Larionovs skema)

I dette kredsløb (figur 8), når fasespændingerne ændres, åbnes et par dioder i serie - en fra den øverste gruppe i figur 8 og en fra den nederste.

Da dioderne åbner både på den øvre del af den sinusformede fasespænding og på den nederste del af disse sinusformede spændinger af de tre faser forskudt i forhold til hinanden med 120 °, er bølgefrekvensen af ​​den ensrettede spænding 6 gange frekvensen af levere trefaset vekselspænding

I hvert øjeblik er 2 dioder åbne, og der er 3 par dioder i kredsløbet, så den gennemsnitlige strøm gennem enhver diode ved en gennemsnitlig belastningsstrøm [15] :

Normalt drives Larionov-ensretteren af ​​vekselspænding fra en kilde, der er forbundet i henhold til "stjerne"-kredsløbet, men den kan også strømforsynes fra en kilde, der er forbundet i henhold til "trekant"-kredsløbet.

Udgangsspændingen fra Larionov-kredsløbet, når den drives fra en trefaset kilde af "stjerne" -typen med fasespændinger med amplituder , der negligerer direkte spændingsfald over dioderne (forudsat at de er nul, er yderligere formler givet under antagelsen om nul fald på dioden i åben tilstand) er:

det vil sige gange større end i et enfaset kredsløb med en Graetz-bro, dette skyldes, at der i nogen tid i perioden er seriekoblet to fasespændinger.

Området af krusninger (spændingsforskel mellem maksimum- og minimumværdier) ved udgangen af ​​Larionov-kredsløbet uden et udjævnende kapacitivt filter:

Således er ripple-området i dette kredsløb omkring 14% af den ensrettede spændingsværdi, hvilket gør det muligt at forsyne mange DC-forbrugere, der ikke er kritiske for ripples, uden at bruge et udjævningsfilter.

Gennemsnitsværdi af ensrettet spænding:

Den maksimale omvendte spænding på dioden ved arbejde på et kapacitivt filter [15] :

Fordele ved ensretterbroer

Ensretning af fuldbølgebro (versus halvbølge ) har følgende fordele:

Ulemper ved ensretterbroer

Ensrettere på diodebroer

Udgangsspændingen fra AC ensrettere er grundlæggende pulserende. Mange ensrettede strømforbrugere er ikke kritiske for krusning, for eksempel DC-motorer , elektrokemiske forbrugere - elektrolyseceller , batterier ved opladning og andre enheder, men de fleste forbrugere kræver strøm med minimal eller ingen krusning.

Ripple ved udgangen af ​​ensretteren er kendetegnet ved krusningsfaktoren :

hvor  er summen af ​​pulserende harmoniske,  er den gennemsnitlige ensrettede spænding for ensretteren.

Den absolutte krusningsfaktor bruges normalt:

hvor  er rækkevidden af ​​pulseringer.

Den ensrettede spænding ved Graetz-broen har en krusningsamplitude svarende til amplituden af ​​vekselspændingen:

og

Filtre bruges til at udjævne krusninger . Det enkleste filter er en kondensator forbundet parallelt med belastningen - en jævnstrømsforbruger (Figur 10.). Filterkondensatoren lagrer energi (oplades) af strømimpulser ved toppen af ​​rippelimpulserne og frigiver den til belastningen, når broudgangsspændingen falder på grund af krusninger. Afladningshastigheden for en kondensator med en kapacitans ved en belastningsstrøm i ripple dips:

Som et resultat af kondensatorens udjævningsvirkning falder amplituden af ​​krusningerne, spændingsfaldet over kondensatoren i intervallerne mellem ladningsimpulserne i toppen af ​​krusningerne, det forenkles her, at varigheden af ​​kondensatorladningsimpulsen er meget mindre end varigheden af ​​den halve cyklus af vekselspændingen:

hvor  er pulsationsperioden,  er pulseringsfrekvensen,  - filterkapacitet,  - belastningsstrøm,  - rækkevidden af ​​spændingsbølger på belastningen.

I praksis bruges mere komplekse filtre også til at opnå krusningsfiltrering, for eksempel flersektions RC-filtre eller LC-filtre med en drossel . Med høje krav til reduktion af ripple ved udgangen af ​​et kapacitivt eller andet passivt filter er der installeret lineære eller skiftespændingsstabilisatorer .

Elektriske og driftsparametre

Følgende er almindeligt accepterede forkortelser for parametre; forskellige producenter kan bruge andre betegnelser. For eksempel betegner de i russisksproget litteratur ofte eller osv.

Maksimalt tilladte parametre

Disse er parametrene, hvis overskud er uacceptabelt, selv et kortvarigt overskud af disse parametre kan føre til en katastrofal fejl i enheden eller forringelse af dens parametre. Drift ved parametre under det maksimalt tilladte garanterer problemfri drift af enheden. Som regel falder enhedens pålidelighed , når den betjenes i tilstande, der nærmer sig det maksimalt tilladte.

Grundlæggende parametre

Disse parametre tages i betragtning ved design og beregning af ensrettere og ved valg af en enhed til en bestemt applikation:

For højfrekvente og pulserede diodebroer er nogle gange yderligere parametre angivet i specifikationen:

Andre anvendelser af diodebroer

Ud over at blive brugt som vekselspændingsensretter i strømforsyninger, bruges diodebroer til at beskytte mod fejlkobling med forbrugerens forkerte polaritet til en jævnstrømskilde. I dette tilfælde er forbrugeren forbundet til diagonalen på diodebroen til terminalerne " " og " ", og konstantspændingskilden til terminalerne " ", mens den korrekte polaritet af strømforsyningsforbindelsen ved enhver polaritet af strømforsyningen forbrugerens strømforsyning er garanteret. Ulempen ved denne løsning er, at spændingen hos forbrugeren vil være mindre end strømforsyningsspændingen med det dobbelte af fremadgående spændingsfald over dioden; ved brug af siliciumdioder med en pn-forbindelse er dette fra 1,3 V ved lave belastningsstrømme til 2 eller mere volt ved høje belastningsstrømme.

En anden anvendelse er styring af vekselspænding ved hjælp af et aktivt element, der ikke tillader drift med en anden polaritet af den påførte spænding, for eksempel en effektfelteffekttransistor med en isoleret gate (figur 11). I dette kredsløb er den aktive enhed forbundet til broens diagonal " " - " ", og belastningen, broen og AC-spændingskilden er forbundet i serie. Spændingen på styreenheden ændrer ikke polaritet i begge perioder med vekselspænding.

Ethvert andet netværk med to terminaler med en ikke-lineær strømspændingskarakteristik (CVC) kan inkluderes i broens diagonal " " - " ". I dette tilfælde vil to-terminalnetværket dannet mellem terminalerne på broen " " have en symmetrisk CVC. For eksempel, med denne inkludering af en enkelt-anode asymmetrisk zenerdiode , dannes en elektrisk analog af en symmetrisk to-anode zenerdiode, fordelen ved en sådan løsning sammenlignet med en konventionel to-anode zenerdiode er den høje lighed af stabiliseringsspænding på de bipolære grene af I-V karakteristika og en lille parasitisk kapacitans, hovedsageligt bestemt af den iboende kapacitans af broens blokerede dioder, sådanne kredsløb bruges nogle gange til at stabilisere amplituden og formen af ​​spændingen i sinusformet spænding generatorer med en Wien-bro [16] .

Også højhastighedsdiodebroer bruges i nøglekredsløb, for eksempel i sample-and-hold-enheder , for eksempel ved prøvetagning af oscilloskoper . I dette kredsløb er kilden til konstant spænding inkluderet i diagonalen på broen " " og " " brodioderne i fravær af en strobeimpuls låst, strobeimpulsen åbner alle 4 dioder på broen, påført udgangene " " og " ", forbinder den medfølgende signalkilde til en af ​​benene " " til lagerkondensatoren på sample-and-hold kredsløbet, som er forbundet med en anden pin " " på broen. I kraft af princippet om translinearitet lineariserer en sådan applikation overførselskarakteristikken for nøglekredsløbet.

Konstruktion

Broer kan samles af separate diskrete dioder og kan laves i form af et enkelt pakkeprodukt (diodesamlinger).

Industrien producerer et meget bredt udvalg af diodebroer til forskellige maksimalt tilladte spændinger og strømme, i forskellige tilfælde til overflademontering og overflademontering på printplader med aksiale og plane ledninger.

Et enkelt-case design er at foretrække til normal brug - billigere, mindre i volumen. Dioder i højspændingssamlinger i det vælges af producenten og har tætte maksimalt tilladte parametre og omvendt strømværdi, og under drift er de i næsten samme termiske regime. Derudover er en enkeltskalssamling lettere at montere i enheder.

Ulempen ved et single-case design er, at hvis en af ​​dioderne i samlingen svigter, skal hele komponenten udskiftes; i broer af diskrete dioder udskiftes kun den defekte diode.

Ved ensretning af høje strømme genererer dioder meget varme, så i dette tilfælde kan diskrete mellem- eller højeffektdioder monteret på en køleplade bruges. Designet af nogle kraftige diodesamlinger sørger også for deres installation på en køleplade.

Markering

I USSR og Rusland Den første gruppe - et bogstav eller et tal angiver halvledermaterialet: 1 eller G  - germanium eller dets forbindelser; 2 eller K  - silicium eller dets forbindelser; 3 eller A  - galliumforbindelser ; 4 eller I  - indium forbindelser . Den anden gruppe er brevet C  - diodebro. Tredje gruppe: 2, 3 eller 4 cifre - serienummeret på udviklingen af ​​denne type bro. Den fjerde gruppe er et ekstra bogstav, der specificerer parametrene, normalt den maksimale driftsspænding. Eksempler: KTs407, KTs405. Mærkninger fra udenlandske producenter

Udenlandske producenter har ikke en standardmærkning for diodebroer; hver producent tildeler uafhængigt navne til sine enheder. For eksempel kan de første bogstaver i forskellige producenters markeringer være DB, W, KBPC, MB, RC, QL og andre med tilføjelse af bogstaver eller tal [17] .

Se også

Links

Noter

  1. http://docs.cntd.ru/document/1200006618 Arkivkopi dateret 21. juli 2020 på Wayback Machine GOST 2.730-73 Unified system til designdokumentation. Betingede grafiske betegnelser i skemaer. Halvlederenheder.
  2. En halv-bølge ensretter er et kredsløb til at ensrette kun en halv cyklus af input AC spændingen. I et enfaset kredsløb er dette et kredsløb med en diode, i et trefaset stjernekredsløb er det et kredsløb med tre dioder, som hver er inkluderet i en af ​​de tre faser.
  3. Horowitz P., Hill W. The Art of Circuitry: In 2 Volumes = The Art of Electronics: Second Edition (© Cambridge University Press, 1980) / Pr. fra engelsk. udg. M. V. Galperina, redaktører: N. V. Seregina, Yu. L. Evdokimova. - M . : Mir, 1983. - bind 1: 568 s., bind 2: 590 s. — 50.000 eksemplarer.
  4. Undtagelsen er højstrøms lavspændingsensrettere, som normalt er bygget efter et skema drevet af en transformer fra en midtpunktsvikling for at øge effektiviteten.
  5. Britisk patent 24398 Arkiveret 12. marts 2020 på Wayback Machine .
  6. (Graetz, 1897), s. 327 fodnote. . Hentet 30. oktober 2020. Arkiveret fra originalen 8. marts 2021.
  7. (Redaktionen) (24. juni 1897). "Ein neues Gleichrichter-Verfahren" [En ny metode til berigtigelse]. Elektrotechnische Zeitschrift [ tysk ] ]. 18 (25): 359 og fodnote. Arkiveret fra originalen 2021-03-08 . Hentet 2020-10-30 . Forældet parameter brugt |deadlink=( hjælp )
  8. Graetz, L. (1. maj 1897). "Electrochemisches Verfahren, um Wechselströme in Gleichströme zu verwandeln" [Elektrokemisk metode til at ændre veksel til jævnstrøm]. Sitzungsberichte der Mathematisch-Physikalischen Classe der Königlich Bayerischen Akademie der Wissenschaften zu München (Transaktioner af de matematisk-fysiske klasser fra det kongelige bayerske videnskabsakademi i München) [ tysk. ]. 27 :223-228.
  9. Graetz, L. (1897). "Electrochemisches Verfahren, um Wechselströme in Gleichströme zu verwandeln" [Elektrokemisk metode til at ændre veksel til jævnstrøm]. Annalen der Physik und Chemie . 3. serie [ tysk ] ]. 62 : 323-327. Arkiveret fra originalen 2021-03-08 . Hentet 2020-10-30 . Forældet parameter brugt |deadlink=( hjælp )
  10. Graetz, Leo (22. juli 1897). "Electrochemisches Verfahren, um Wechselströme in Gleichströme zu verwandeln" [Elektrokemisk metode til at ændre veksel til jævnstrøm]. Elektrotechnische Zeitschrift [ tysk ] ]. 18 (29): 423-424. Arkiveret fra originalen 2021-03-09 . Hentet 2020-10-30 . Forældet parameter brugt |deadlink=( hjælp )
  11. Strzelecki, R. Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks Arkiveret 30. maj 2019 på Wayback Machine . Springer, 2008, s. 57.
  12. Graetz Flow Control Circuit . Arkiveret fra originalen den 4. november 2013.
  13. Shustov M.A. Elektricitets historie. - M., Berlin: Direct-Media, 2019. - 568 s. — ISBN 978-5-4475-9841-9 .
  14. Broens ensretterkredsløb - Grundlæggende om elektronik . The Geek Pub . Hentet 3. september 2019. Arkiveret fra originalen 27. november 2020.
  15. 1 2 3 4 Strømforsyninger på halvlederenheder. Design og beregning. / Ed. Dodik S. D. og Galperin E. I .. - M . : Soviet Radio, 1969. - 448 s. - 55.000 eksemplarer. kopi.
  16. Aleksenko A. G., Kolombet E A., Starodub G. I. . - M . : Radio og kommunikation, 1981. - 224 s.
  17. Importerede diodebroer .