Диодный мост

На вход (${\displaystyle \sim U}$) моста подаётся переменное напряжение, не обязательно синусоидальное. В одном из полупериодов (на рисунке 5 слева) открыты два диода в противоположных плечах моста и ток проходит только через эти 2 диода, а 2 других в другой паре противоположных плеч при этом заперты. На другом полупериоде (на рисунке 5 справа) открываются два других диода и другая пара диодов запирается. В нагрузке ${\displaystyle R_{L}}$ ток в обоих полупериодах течёт в одном направлении, — диодный мост преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный[14].

Так как с нагрузкой всегда последовательно включены 2 диода, на каждом из которых в открытом состоянии падает часть входного напряжения ${\displaystyle U_{rd},}$ то максимальное пульсирующее напряжение на нагрузке ${\displaystyle U_{R_{L}max}}$ всегда меньше амплитуды входного напряжения ${\displaystyle U_{0}}$ на удвоенное прямое падение напряжения на диоде. Амплитуда переменного напряжения больше эффективного напряжения ${\displaystyle U_{eff}}$ в ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ раз:

${\displaystyle U_{R_{L}max}=U_{0}-2\ U_{rd}={\sqrt {2}}\ U_{eff}-2\ U_{rd}.}$

Величина падения напряжения на одном диоде зависит от полупроводникового материала и типа диода Так, например, у кремниевых диодов с p-n-переходом прямое падение при малых токах через диод составляет ≈0,6 В при токах близких к предельно-допустимому для конкретного прибора ≈1 В. У германиевых диодов и диодов Шоттки ≈0,3 В (≈0,6 В) и ≈0,2 В (≈0,4 В) соответственно. Потери энергии, вызванные прямым падением напряжения на диодах снижают КПД выпрямителя, особенно это снижение существенно при выпрямлении низких напряжений. Например, источник питания с диодным мостом на кремниевых диодах с p-n-переходом на 5 В и током 10 А (выходная мощность 50 Вт) будет иметь КПД не более 70 %. Поэтому в низковольтных сильноточных выпрямителях применяют в основном диоды Шоттки или схемы активного выпрямления с помощью активных управляемых ключей, например, мощных полевых транзисторов.

Частота пульсаций ${\displaystyle f_{p}}$ выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте питающего переменного напряжения ${\displaystyle f_{0}}$:

${\displaystyle f_{p}=2\ f_{0}.}$

Средний ток ${\displaystyle I_{dm}}$ через любой диод при среднем токе нагрузки ${\displaystyle I_{R_{L}}}$[15]:

${\displaystyle I_{dm}=I_{R_{L}}/2.}$

Далее формулы приведены в предположении, что прямое падение на диодах равно 0.

Размах пульсаций ${\displaystyle U_{p}}$ (разность напряжений между максимальным и минимальным значениями) на выходе моста без сглаживающего ёмкостного фильтра:

${\displaystyle U_{p}=U_{0}={\sqrt {2}}\ U_{eff}\approx 1{,}41\ U_{eff}.}$

Максимальное обратное напряжение ${\displaystyle U_{r}}$ на диоде при работе моста на ёмкостную нагрузку[15]:

${\displaystyle U_{r}=U_{0}={\sqrt {2}}\ U_{eff}.}$

Среднее значение ${\displaystyle {\overline {U}}}$ выпрямленного напряжения:

${\displaystyle {\overline {U}}={\frac {2\ U_{0}}{\pi }}={\frac {2{\sqrt {2}}\ U_{eff}}{\pi }}\approx 0{,}64\ U_{0}\approx 0{,}9\ U_{eff}.}$

Рисунок 8. Электрическая схема трёхфазного моста с источником переменного напряжения, включенного по схеме «звезда».

Рисунок 9. Частота основной гармоники пульсаций выпрямленного напряжения моста Ларионова в 6 раз выше частоты питающего напряжения. На рисунке для сравнения показано выпрямленное трёхфазное напряжение однополупериодным трёхфазным выпрямителем у которого частота пульсаций равна утроенному значению частоты питающего напряжения.

В этой схеме (рисунок 8) при изменении фазных напряжений открываются последовательно по паре диодов — один из верхней по рисунку 8 группы и один — из нижней.

Так как диоды открываются как на верхней части синусоидального фазного напряжения так и на нижней части этих синусоидальных напряжений трёх фаз, сдвинутых относительно друг друга на 120°, частота пульсаций ${\displaystyle f_{p}}$ выпрямленного напряжения в 6 раз больше частоты питающего трёхфазного переменного напряжения ${\displaystyle f_{0}:}$

${\displaystyle f_{p}=6\ f_{0}.}$

В каждый момент открыты по 2 диода и в схеме 3 пары диодов, поэтому средний ток ${\displaystyle I_{dm}}$ через любой диод при среднем токе нагрузки ${\displaystyle I_{R_{L}}}$[15]:

${\displaystyle I_{dm}=I_{R_{L}}/3.}$

Обычно выпрямитель по схеме Ларионова питают переменным напряжением от источника, включенного по схеме «звезда», но также возможно её питание от источника, включённого по схеме «треугольник».

Выходное напряжение схемы Ларионова при питании от трёхфазного источника типа «звезда» с фазными напряжениями с амплитудами ${\displaystyle U_{0}}$ в пренебрежении прямого падения напряжения на диодах (полагая их нулевыми, далее формулы приведены в предположении нулевого падения на диоде в открытом состоянии) равна:

${\displaystyle U_{R_{L}max}={\sqrt {3}}\ U_{0}={\sqrt {3}}{\sqrt {2}}\ U_{eff}\approx }$

${\displaystyle \approx 1{,}65\ U_{0}\approx 2{,}45\ U_{eff},}$

то есть, в ${\displaystyle {\sqrt {3}}}$ раз больше, чем в однофазной схеме с с мостом Гретца, это вызвано тем, что некоторое время в течение периода два фазных напряжения включены последовательно.

Размах пульсаций ${\displaystyle U_{p}}$ (разность напряжений между максимальным и минимальным значениями) на выходе схемы Ларионова без сглаживающего ёмкостного фильтра:

${\displaystyle U_{p}=({\sqrt {3}}-1{,}5)\ U_{0}={\frac {({\sqrt {3}}-1{,}5)}{\sqrt {3}}}U_{R_{L}max}\approx }$

${\displaystyle \approx (1{,}73-1{,}5)\ U_{0}\approx 0{,}23\ U_{0}\approx 0{,}14\ U_{R_{L}max}.}$

Таким образом, размах пульсаций в этой схеме составляют около 14 % от значения выпрямленного напряжения, что позволяет питать многие некритичные к пульсациям потребители постоянного тока без применения сглаживающего фильтра.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

${\displaystyle {\overline {U}}={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot U_{0}}{\pi }}={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot U_{eff}}{\pi }}\approx 1{,}66\ U_{0}\approx 2{,}34\ U_{eff}.}$

Максимальное обратное напряжение ${\displaystyle U_{r}}$ на диоде при работе на ёмкостной фильтр[15]:

${\displaystyle U_{r}={\sqrt {3}}\ U_{0}={\sqrt {6}}\ U_{eff}.}$

Двухполупериодное выпрямление с помощью моста (по сравнению с однополупериодным) имеет преимущества:

• на выходе моста напряжение имеет повышенную частоту пульсаций, что упрощает фильтры пульсаций;
• во вторичной обмотке трансформатора, питающей мост, отсутствует постоянный ток подмагничивания, что облегчает режим работы трансформатора и снижает его необходимые размеры;
• увеличивает коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (для однополупериодного выпрямителя он составляет около 0,45, так как в однополупериодном выпрямителе через нагрузку протекает только один полупериод переменного тока), что позволяет сделать габариты его магнитопровода меньшего сечения.

• При работе происходит двойное падение напряжения на диодах по сравнению с однополупериодным выпрямлением (прямое напряжение на кремниевых диодах не менее 0,65 × 2 ≈ 1,3 В), это нежелательно в низковольтных схемах.
• Также удваиваются потери энергии, рассеиваемой в виде тепла, на диодах, что снижает КПД мощных низковольтных (напряжение в несколько вольт) выпрямителей. Частично этот недостаток может быть преодолён за счет использования диодов Шоттки с малым прямым падением напряжения или применением синхронных активных выпрямителей. Меньшими потерями энергии при низковольтном выпрямлении большой мощности обладает двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, в котором ток в каждом полупериоде протекает не через два последовательно включённых диода, а через один диод.
• При выходе из строя одного из диодов (обрыве) схема превращается в однополупериодный выпрямитель, что может быть сразу не замечено, и в устройстве будет скрытый дефект, ухудшающий параметры.

Это параметры, превышение которых недопустимо, даже кратковременное превышение этих параметров может привести к катастрофическому отказу прибора или деградации его параметров. Работа при параметрах ниже предельно-допустимых гарантирует безотказную работу прибора. Как правило, надёжность прибора снижается при его эксплуатации в режимах, приближающихся к предельно-допустимым.

• ${\displaystyle V_{RMS}}$ (В) — максимальное повторяющееся рабочее напряжение — предельное переменное амплитудное напряжения, подаваемое на мост.
• ${\displaystyle V_{RPM}}$ (В) — максимальное импульсное напряжение — предельное кратковременно подаваемое напряжение, допустимая длительность импульса обычно указывается в спецификации.
• ${\displaystyle I_{O}}$ (А) — максимальный средний выпрямленный ток. Указывается при оговорённой температуры корпуса, или даётся зависимость его от температуры. При повышении температуры этот ток приблизительно линейно уменьшается и при предельной температуре равен нулю.
• ${\displaystyle I_{FRM}}$ (А) — максимальный повторяющийся выпрямленный ток.
• ${\displaystyle I_{FSM}}$ (А) — максимальный импульсный выпрямленный ток, иногда называемый ударным прямым током, допустимая длительность импульса обычно указывается в спецификации для длительности равной половине периода промышленной частоты (10 мс для частоты 50 Гц; 8,3 мс для частоты 60 Гц).
• ${\displaystyle i^{2}t}$ (А²·с) — защитный фактор, характеризует стойкость прибора к импульсным перегрузкам — это предельное значение интеграла от квадрата неповторяющегося импульсного прямого тока диода за оговорённую длительность одного импульса, обычно — длительность половины периода переменного напряжения.
• ${\displaystyle T_{J}}$ (°С) — предельная рабочая температура полупроводникового p-n-перехода.
• ${\displaystyle T_{S}}$ или ${\displaystyle T_{stg}}$ (°С) — предельная температура хранения.
• ${\displaystyle P_{J}}$ (Вт) — предельная рассеиваемая тепловая мощность.

Эти параметры учитываются при проектировании и расчётах выпрямителей и для выбора прибора для конкретного применения:

• ${\displaystyle V_{F}}$ (В) — прямое падение напряжение на приборе в открытом состоянии, обычно указывается для предельно-допустимого среднего прямого тока.
• ${\displaystyle I_{R}}$ (А или мкА) — максимальный обратный ток, обычно указывается для максимальной рабочей температуры и предельно-допустимого обратного напряжения.
• ${\displaystyle f_{max}}$ (кГц) — максимальная рабочая частота или частота, на которой средний выпрямленный ток снижается в ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ раз. Разные изготовители могут применять и иные критерии максимальной рабочей частоты.
• ${\displaystyle R_{\theta A}}$ (°С/Вт) — тепловое сопротивление полупроводниковые переходы — окружающий воздух.
• ${\displaystyle R_{\theta J}}$ (°С/Вт) — тепловое сопротивление полупроводниковые переходы — корпус.

Для высокочастотных и импульсных диодных мостов иногда в спецификации указывают дополнительные параметры:

• ${\displaystyle t_{R}}$ (мкс) — максимальное время обратного восстановления — время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током оговорённого значения — время, в течение которого обратный ток спадает до указанного значения.
• ${\displaystyle C_{D}}$ (пФ) — электрическая ёмкость в запертом состоянии, обычно указывается для заданного обратного напряжения.
• ${\displaystyle Q_{S}}$ (Кл, пКл) — заряд переключения — заряд неосновных носителей, накопленный в полупроводниковой структуре при протекании прямого указанного тока.