Диодный мост до или после трансформатора

Моноблок обладает значительными положительными достоинствами. Собранный в едином корпусе, он обеспечивает одинаковый тепловой режим работы всех его компонентов. Это стабилизирует характеристики диодов, включённых в его состав. Облегчается монтаж на печатную плату, и, соответственно, удешевляется весь процесс сборки.

Однако надо отметить и недостаток, вытекающий из применения единого корпуса. При выходе из строя одного диода требуется замена всей детали, исключая возможность удаления одного элемента.

Область применения

Электронные схемы питаются в основном постоянным напряжением. Компьютеры, например, используют потенциал в 5 вольт, а для ремонта электронных устройств применяются блоки питания на 12 и 24 вольта. Даже заряжая, уже привычный, смартфон для выпрямления напряжения используется всё те же 4 полупроводника. В автомобиле генератор вырабатывает трёхфазное переменное напряжение, и для дальнейшего применения его необходимо выпрямить и стабилизировать. Любое преобразование напряжения требует применения диодных мостов.

Самостоятельное изготовление

Начинающие радиолюбители часто сталкиваются с вопросом электропитания своих поделок. Часто приходится изготавливать блок питания своими руками. Однако не все знают как сделать диодный мост и при этом правильно подключить его к схеме стабилизатора. Следует подробно остановиться на этой задаче и способе её решения.

Диод — это полупроводник с двумя электродами. Они называются анод и катод. Преследуя цель сделать мост и правильно собрать его схему, необходимо взять 4 одинаковых выпрямительных диода. Проверить, по справочнику, соответствие проходящего тока и параметры расчётной мощности. Правильный подбор послужит основой надёжной работы выпрямителя.

Следующим шагом будет сборка отдельных элементов в диодный мост. Необходимо взять 2 диода и соединить анод одного с катодом другого. Сделать то же самое с оставшимися полупроводниками. Образовались две одинаковые пары со свободными электродами. Далее, соединяем катод одной сборки с соответствующим выводом второй. Повторим эту процедуру с оставшимися анодами. В итоге получится квадрат, в углах которого образовались следующие соединения:

• анод, катод — вход одного провода переменного напряжения;
• анод, анод — выход отрицательного потенциала;
• катод, анод — вход второго провода переменного напряжения;
• катод, катод — выход положительного потенциала.

Таким образом, получилась классическая схема диодного моста. Осталось подать переменное напряжение с трансформатора и снимать практически постоянное. Однако пульсации на выходе диодного моста могут повлиять на работу подключённого устройства. Для сглаживания подобных всплесков применяются фильтры и электролитические конденсаторы большой ёмкости. Создавая более стабильное питание, необходимо использовать схемы стабилизаторов, подключаемых к выходу диодного моста.

Определение

Диодный мост – это схемотехническое решение, предназначенное для выпрямления переменного тока. Другое название – двухполупериодный выпрямитель. Строится из полупроводниковых выпрямительных диодов или их разновидности – диодов Шоттки.

Мостовая схема соединения предполагает наличие нескольких (для однофазной цепи – четырёх) полупроводниковых диодов, к которым подключается нагрузка.

Он может состоять из дискретных элементов, распаянных на плате, но в 21 веке чаще встречаются соединенные диоды в отдельном корпусе. Внешне это выглядит, как и любой другой электронный компонент – из корпуса определенного типоразмера выведены ножки для подключения к дорожкам печатной платы.

Стоит отметить, что несколько совмещенных в одном корпусе вентилей, которые соединены не по мостовой схеме, называют диодными сборками.

В зависимости от сферы применения и схемы подключения диодные мосты бывают:

Обозначение на схеме может быть выполнено в двух вариантах, какое использовать УГО на чертеже зависит от того, собирается мост из отдельных элементов или используется готовый.

Принцип действия

Давайте разбираться, как работает диодный мост. Начнем с того, что диоды пропускают ток в одном направлении. Выпрямление переменного напряжения происходит за счет односторонней проводимости диодов. За счет правильного их подключения отрицательная полуволна переменного напряжения поступает к нагрузке в виде положительной. Простыми словами – он переворачивает отрицательную полуволну.

Для простоты и наглядности рассмотрим его работу на примере однофазного двухполупериодного выпрямителя.

Принцип работы схемы основам на том, что диоды проводят ток в одну сторону и состоит в следующем:

На вход диодного моста подают переменный синусоидальный сигнал, например 220В из бытовой электросети (на схеме подключения вход диодного моста обозначается как AC или

Каждая из полуволн синусоидального напряжения (рисунок ниже) пропускается парой вентилей, расположенных на схеме по диагонали.

Положительную полуволну пропускают диоды VD1, VD3, а отрицательную — VD2 и VD4. Сигнал на входе и выходе схемы вы видите ниже.

Такой сигнал называется – выпрямленное пульсирующее напряжение. Для того, чтобы его сгладить, в схему добавляется фильтр с конденсатором.

Основные характеристики

Рассмотрим основные характеристики полупроводниковых диодов. Латинскими буквами приведено их обозначение в англоязычной технической документации (т.н. Datasheet):

• V_rpm – пиковое или максимальное обратное напряжение. При превышении этого напряжения pn-переход необратимо разрушается.
• V_r(rms) – среднее обратное напряжение. Нормальное для работы, то же что и U_обр в характеристиках отечественных компонентов.
• I_o – средний выпрямленный ток, то же что и I_пр у отечественных.
• I_fsm – пиковый выпрямленный ток.
• V_fm – падение напряжения в прямом смещении (в открытом проводящем состоянии) обычно 0.6-0.7В, и больше у высокотоковых моделей.

При ремонте электронной техники и блоков питания или их проектировании новички спрашивают: как правильно выбрать диодный мост?

В этом случае самыми важными для вас параметрами будут обратное напряжение и ток. Например, чтобы подобрать диодный мост на 220В, нужно смотреть на модели с номинальным напряжением больше 400В и нужный ток, например, KBPC106 (или 108, 110). Его технические характеристики:

• максимальный выпрямленный ток – 3А;
• пиковый ток (кратковременно) – 50А;
• обратное напряжение – 600В (800В, 1000В у KBPC108 и 110 соответственно).

Запомните эти характеристики и вы легко сможете определить, какой выбрать вариант по каталогу.

Схемы выпрямителей

Выпрямление тока в блоках питания – основное назначение, среди других компонентов схемы можно выделить входной фильтр, который подключают после выпрямителя – он предназначен для сглаживания пульсаций. Давайте разберемся в этом вопросе подробнее!

В первую очередь стоит отметить, что диодным мостом называют схему однофазного выпрямителя из 4 диодов или трёхфазного из 6. Но любители часто так называют схему выпрямителя со средней точкой.

У двухполупериодного выпрямителя к нагрузке поступает две полуволны, а у однополупериодного – одна.

Чтобы не было путаницы, давайте разбираться в терминологии.

Ниже вы видите однофазную двухполупериодную схему, её правильное название «Схема Гретца», именно её чаще всего подразумевают под названием «диодный мост».

Схема Ларионова – трёхфазный диодный мост, на выходе сигнал двухполупериодный. Диоды в нём пропускают полуволны, открываясь на линейное напряжение, т.е. поочередно: верхний диод фазы A и нижний диод фазы B, верхний фазы B и нижний фазы C и т.д.

Для полноты картины следует рассказать и о других схемах выпрямителей переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель из 1 диода, включенного последовательно с нагрузкой. Применяется в балластных блоках питания, маломощных миниатюрных блоках питания, а также в приборах, нетребовательных к коэффициенту пульсаций. К нагрузке поступает только одна полуволна.

Двухполупериодный со средней точкой – это и есть то, что ошибочно называют мостом из 2 диодов. Здесь каждую полуволну проводит только один диод. Её преимуществом является больший КПД, чем у схемы Гретца, за счет меньшего числа полупроводниковых вентилей. Однако её использование осложнено тем, что нужен трансформатор с отводом от средней точки, что отражено на схеме принципиальной. Её нельзя использовать для выпрямления сетевого напряжения 220В.

Выпрямитель из сборок Шоттки. Используется в импульсных блоках питания, потому что у диодов Шоттки меньше время обратного восстановления, малая барьерная ёмкость (быстрее переход из открытого состояния в закрытое) и малое прямое падение напряжения (меньше потерь). Чаще всего Шоттки встречаются в сборках, с общим анодом или катодом, как изображено на рисунке ниже.

Поэтому для сборки схемы моста потребуется несколько сборок. Ниже приведен пример из 3 сборок Шоттки с общим катодом.

Из 4 сборок с общим катодом. Отличается от предыдущей тем, что выдерживает больший ток, при тех же компонентах потому, что Шоттки в ней соединены параллельно.

Из 2 сборок Шоттки – одна с общим анодом и одна с общим катодом. Узнать о том, что такое анод и катод, вы можете в нашей отдельной статье.

Как спаять и подключить

Изучать и знать схемы не сложно, основные трудности возникают, когда новичок решает спаять диодный мост своими руками. Для пайки выпрямителя из 4 советских экземпляров типа кд202 используйте иллюстрацию приведенную ниже.

Для сборки диодного моста из современных дискретных диодов типа маломощных 1n4007 (и других – все выглядят аналогично и отличаются только размерами) внимательно посмотрите на следующую иллюстрацию.

Но если вы не собираете его из отдельных деталей, а используете готовый мост, то смотрите ниже, как правильно подключить его в цепь.

Также новичкам будет интересно посмотреть видео о том, как сделать простейший блок питания на 12В:

Область применения и назначение

Чаще всего диодные мосты используют в блоках питания. В трансформаторных БП они подключаются ко вторичной обмотке трансформатора

В импульсных БП – ко входу сети 220В. При этом электронная схема управления и силовая цепь ИБП питается от выпрямленного и сглаженного (не всегда) сетевого напряжения (достигает порядка 300-310 Вольт).

На выводах вторичной обмотки импульсного блока питания высокочастотное переменное напряжение. Для того, чтобы его выпрямить, устанавливают сборки из сдвоенных диодов Шоттки. В связи с этим часто используют схему выпрямления со средней точкой.

В автомобилях и мотоциклах используются трёхфазные диодные мосты, собранные по схеме Ларионова с тремя дополнительными вентилями, потому что для питания бортовой сети используется трёхфазный генератор. Мост в генераторе выполняется в виде сектора окружности и устанавливается на его задней части.

Исключение составляют некоторые современные автомобили Toyota и прочих марок, в них используют 6 фазный генератор, для реализации двенадцатипульсной схемы выпрямления из 12 вентилей. Это нужно для снижения пульсации и увеличения выходного тока.

Способы проверки

Для проверки диодного моста лучше всего подходит мультиметр в режиме проверки диодов.

Для этого нужно прозвонить на короткое замыкание входную, затем выходную (диодный мост должен быть выпаян).

Не выпаивая прямо на плате, вы можете измерить падение напряжения на переходах диодов. Для этого нужно определить цоколевку моста, обычно она указывается прямо на корпусе, что мы и рассматривали выше.

На экране мультиметра в прямом смещении должно отображаться цифры в пределах 500-800 мВ, а в обратном – выше 1500 и до бесконечности (зависит от конкретного компонента и измерительного прибора). Тоb же самое можно сделать в режиме Омметра, как показано на рисунке ниже.

Более подробно этот процесс описан в статье «как проверить диодный мост», где кроме методики проверки мы рассказали и о признаках неисправности. Также ознакомьтесь с видео о том, как проверить однофазный выпрямитель и диодный мост автомобильного генератора:

На этом мы и заканчиваем наше подробное объяснение. Надеемся, теперь вам стало понятно, для чего нужен диодный мост и что он делает в электрической цепи. Если возникли вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока. Есть разные схемы выпрямителей и каждая из них в определённой мере справляется со своей задачей. В этой статье мы расскажем о том, как сделать однофазный выпрямитель, и зачем он нужен.

Определение

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Слово «постоянный» не совсем корректно, дело в том, что на выходе выпрямителя, в цепи синусоидального переменного напряжения, в любом случае окажется нестабилизированное пульсирующие напряжение. Простыми словами: постоянное по знаку, но изменяющееся по величине.

Различают два типа выпрямителей:

Однополупериодный. Он выпрямляет только одну полуволну входного напряжения. Характерны сильные пульсации и пониженное относительно входного напряжение.

Двухполупериодный. Соответственно, выпрямляется две полуволны. Пульсации ниже, напряжение выше чем на входе выпрямителя – это две основных характеристики.

Что значит стабилизированное и нестабилизированное напряжение?

Стабилизированным называется напряжение, которое не изменяется по величине независимо ни от нагрузки, ни от скачков входного напряжения. Для трансформаторных источников питания это особенно важно, потому что выходное напряжение зависит от входного и отличается от него на Ктрансформации раз.

Нестабилизированное напряжение – изменяется в зависимости от скачков в питающей сети и характеристик нагрузки. С таким блоком питания из-за просадок возможно неправильное функционирование подключенных приборов или их полная неработоспособность и выход из строя.

Выходное напряжение

Основные величины переменного напряжения – амплитудное и действующее значение. Когда говорят «в сети 220В переменки» имеют в виду действующее напряжение.

Если говорят об амплитудной величине, то имеют в виду, сколько вольт от нуля до верхней точки полуволны синусоиды.

Опустив теорию и ряд формул можно сказать, что действующее напряжение в 1.41 раз меньше амплитудного. Или:

Амплитудное напряжение в сети 220В равняется:

Однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода. Он просто не пропускает обратную полуволну. На выходе получается напряжение с сильными пульсациями от нуля до амплитудного значения входного напряжения.

Если говорить совсем простым языком, то в этой схеме к нагрузке поступает половина от входного напряжения. Но это не совсем корректно.

Двухполупериодные схемы пропускают к нагрузке обе полуволны от входного. Выше в статье упоминалось об амплитудном значении напряжения, так вот напряжение на выходе выпрямителя то же ниже по величине, чем действующее переменное на входе.

Но, если сгладить пульсации с помощью конденсатора, то, чем меньшими будут пульсации, тем ближе напряжение будет к амплитудному.

О сглаживания пульсаций мы поговорим позже. А сейчас рассмотрим схемы диодных мостов.

1. Выпрямитель по схеме Гретца или диодный мост;

2. Выпрямитель со средней точкой.

Первая схема более распространена. Состоит из диодного моста – четыре диода соединены между собой «квадратом», а в его плечи подключена нагрузка. Выпрямитель типа «мост» собирается по схеме приведенной ниже:

Её можно подключить напрямую к сети 220В, так сделано в современных импульсных блоках питания, или на вторичные обмотки сетевого (50 Гц) трансформатора. Диодные мосты по этой схеме можно собирать из дискретных (отдельных) диодов или использовать готовую сборку диодного моста в едином корпусе.

Вторая схема – выпрямитель со средней точкой не может быть подключена напрямую к сети. Её смысл заключается в использовании трансформатора с отводом от середины.

По своей сути – это два однополупериодных выпрямителя, подключенные к концам вторичной обмотки, нагрузка одним контактом подключается к точке соединения диодов, а вторым – к отводу от середины обмоток.

Её преимуществом перед первой схемой является меньшее количество полупроводниковых диодов. А недостатком – использование трансформатора со средней точкой или, как еще называют, отводом от середины. Они менее распространены чем обычные трансформаторы со вторичной обмоткой без отводов.

Сглаживание пульсаций

Питание пульсирующим напряжением неприемлемо для ряда потребителей, например, источники света и аудиоаппаратура. Тем более, что допустимые пульсации света регламентируются в государственных и отраслевых нормативных документах.

Для сглаживания пульсаций используют фильтры – параллельно установленный конденсатор, LC-фильтр, разнообразные П- и Г-фильтры…

Но самый распространенный и простой вариант – это конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Его недостатком является то, что для снижения пульсаций на очень мощной нагрузке придется устанавливать конденсаторы очень большой емкости – десятки тысяч микрофарад.

Его принцип работы заключается в том, что конденсатор заряжается, его напряжение достигает амплитуды, питающее напряжение после точки максимальной амплитуды начинает снижаться, с этого момента нагрузка питается от конденсатора. Конденсатор разряжается в зависимости от сопротивления нагрузки (или её эквивалентного сопротивления, если она не резистивная). Чем больше емкость конденсатора – тем меньшие будут пульсации, если сравнивать с конденсатором с меньшей емкостью, подключенного к этой же нагрузке.

Простым словами: чем медленнее разряжается конденсатор – тем меньше пульсации.

Скорости разряда конденсатора зависит от потребляемого нагрузкой тока. Её можно определить по формуле постоянной времени:

где R – сопротивление нагрузки, а C – емкость сглаживающего конденсатора.

Таким образом, с полностью заряженного состояния до полностью разряженного конденсатор разрядится за 3-5 t. Заряжается с той же скоростью, если заряд происходит через резистор, поэтому в нашем случае это неважно.

Отсюда следует – чтобы добиться приемлемого уровня пульсаций (он определяется требованиями нагрузки к источнику питания) нужна емкость, которая разрядится за время в разы превышающее t. Так как сопротивления большинства нагрузок сравнительно малы, нужна большая емкость, поэтому в целях сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяют электролитические конденсаторы, их еще называют полярными или поляризованными.

Обратите внимание, что путать полярность электролитического конденсатора крайне не рекомендуется, потому что это чревато его выходом из строя и даже взрывом. Современные конденсаторы защищены от взрыва – у них на верхней крышке есть выштамповка в виде креста, по которой корпус просто треснут. Но из конденсатора выйдет струя дыма, будет плохо, если она попадет вам в глаза.

Расчет емкости ведется исходя из того какой коэффициент пульсаций нужно обеспечить. Если выражаться простым языком, то коэффициентом пульсаций показывает, на какой процент проседает напряжение (пульсирует).

Чтобы посчитать емкость сглаживающего конденсатора можно использовать приближенную формулу:

Где Iн – ток нагрузки, Uн – напряжение нагрузки, Kн – коэффициент пульсаций.

Для большинства типов аппаратуры коэффициент пульсаций берется 0.01-0.001. Дополнительно желательно установить керамический конденсатор как можно большей емкости, для фильтрации от высокочастотных помех.

Как сделать блок питания своими руками?

Простейший блок питания постоянного тока состоит из трёх элементов:

Если нужно получить высокое напряжение, и вы пренебрегаете гальванической развязкой то можно исключить трансформатор из списка, тогда вы получите постоянное напряжение вплоть до 300-310В. Такая схема стоит на входе импульсных блоков питания, например, такого как у вас на компьютере. О них мы недавно писали большую статью – Как устроен компьютерный блок питания.

Это нестабилизированный блок питания постоянного тока со сглаживающим конденсатором. Напряжение на его выходе больше чем переменное напряжение вторичной обмотке. Это значит, что если у вас трансформатор 220/12 (первичная на 220В, а вторичная на 12В), то на выходе вы получите 15-17В постоянки. Эта величина зависит от емкости сглаживающего конденсатора. Эту схему можно использовать для питания любой нагрузки, если для нее неважно, то, что напряжение может «плавать» при изменениях напряжения питающей сети.

У конденсатора две основных характеристики – емкость и напряжение. Как подбирать емкость мы разобрались, а с подбором напряжения – нет. Напряжение конденсатора должно превышать амплитудное напряжение на выходе выпрямителя хотя бы в половину. Если фактическое напряжение на обкладках конденсатора превысит номинальное – велика вероятность его выхода из строя.

Старые советские конденсаторы делались с хорошим запасом по напряжению, но сейчас все используют дешевые электролиты из Китая, где в лучшем случае есть малый запас, а в худшем – и указанного номинального напряжения не выдержит. Поэтому не экономьте на надежности.

Стабилизированный блок питания отличается от предыдущего всего лишь наличием стабилизатора напряжения (или тока). Простейший вариант – использовать L78xx или другие линейные стабилизаторы, типа отечественного КРЕН.

Так вы можете получить любое напряжение, единственное условие при использовании подобных стабилизаторов, это то, напряжение до стабилизатора должно превышать стабилизированную (выходную) величину хотя бы на 1.5В. Рассмотрим, что написано в даташите 12В стабилизатора L7812:

Входное напряжение не должно превышать 35В, для стабилизаторов от 5 до 12В, и 40В для стабилизаторов на 20-24В.

Входное напряжение должно превышать выходное на 2-2.5В.

Т.е. для стабилизированного БП на 12В со стабилизатором серии L7812 нужно, чтобы выпрямленное напряжение лежало в пределах 14.5-35В, чтобы избежать просадок, будет идеальным решением применять трансформатора с вторичной обмоткой на 12В.

Но выходной ток достаточно скромный – всего 1.5А, его можно усилить с помощью проходного транзистора. Если у вас есть PNP-транзисторы, можно использовать эту схему:

На ней изображено только подключение линейного стабилизатора «левая» часть схемы с трансформатором и выпрямителем опущена.

Если у вас есть NPN-транзисторы типа КТ803/КТ805/КТ808, то подойдет эта:

Стоит отметить, что во второй схеме выходное напряжение будет меньше напряжения стабилизации на 0.6В – это падение на переходе эмиттер база, подробнее об этом мы писали в статье о биполярных транзисторах. Для компенсации этого падения в цепь был введен диод D1.

Можно и в параллель установить два линейных стабилизатора, но не нужно! Из-за возможных отклонений при изготовлении нагрузка будет распределяться неравномерно и один из них может из-за этого сгореть.

Установите и транзистор, и линейный стабилизатор на радиатор, желательно на разные радиаторы. Они сильно греются.

Регулируемые блоки питания

Простейший регулируемый блок питания можно сделать с регулируемым линейным стабилизатором LM317, её ток тоже до 1.5 А, вы можете усилить схему проходным транзистором, как было описано выше.

Вот более наглядная схема для сборки регулируемого блока питания.

Чтобы получить больший ток можно и использовать более мощный регулируемый стабилизатор LM350.

В последних двух схемах есть индикация включения, которая показывает наличие напряжения на выходе диодного моста, выключатель 220В, предохранитель первичной обмотки.

Вот пример регулируемого зарядного устройства для аккумулятора с тиристорным регулятором в первичной обмотке, по сути такой же регулируемый блок питания.

Кстати похожей схемой регулируют и сварочный ток:

Выпрямитель используется в источниках питания для получения постоянного тока из переменного. Без его участия не получится запитать нагрузку постоянного тока, например светодиодную ленту или радиоприемник.

Также используются в разнообразных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, есть ряд схем с использованием трансформатора с группой отводов от первичной обмотки, которые переключаются галетным переключателем, а во вторичной обмотке установлен только диодный мост. Переключатель устанавливают со стороны высокого напряжения, так как, там в разы ниже ток и его контакты не будут пригорать от этого.

По схемам из статьи вы можете собрать простейший блок питания как для постоянной работы с каким-то устройством, так и для тестирования своих электронных самоделок.

Схемы не отличаются высоким КПД, но выдают стабилизированное напряжение без особых пульсаций, следует проверить емкости конденсаторов и рассчитать под конкретную нагрузку. Они отлично подойдут для работы маломощных аудиоусилителей, и не создадут дополнительного фона. Регулируемый блок питания станет полезным автолюбителями и автоэлектрикам для проверки реле регулятора напряжения генератора.

Регулируемый блок питания используется во всех областях электроники, а если его улучшить защитой от КЗ или стабилизатором тока на двух транзисторах, то вы получите почти полноценный лабораторный блок питания.

Источник