การแก้ไขไดโอด: Half-Wave, Full-Wave, PIV

ลองใช้เครื่องมือของเราเพื่อกำจัดปัญหา





ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์การแก้ไขเป็นกระบวนการที่ไดโอด rectifier แปลงสัญญาณอินพุต AC แบบสลับวงจรเป็นสัญญาณเอาต์พุต DC ครึ่งรอบ

ไดโอดเดี่ยวจะสร้างการปรับคลื่นครึ่งคลื่นและเครือข่ายของไดโอด 4 ตัวจะสร้างการแก้ไขคลื่นเต็มรูปแบบ



ในโพสต์นี้เราจะวิเคราะห์ทั้งกระบวนการแก้ไขไดโอดครึ่งคลื่นและคลื่นเต็มรูปแบบและคุณสมบัติอื่น ๆ ผ่านฟังก์ชั่นการเปลี่ยนแปลงเวลาเช่นคลื่นไซน์และคลื่นสี่เหลี่ยม ความหมายโดยผ่านแรงดันไฟฟ้าและกระแสซึ่งเปลี่ยนขนาดและขั้วตามเวลา

เราจะพิจารณาว่าไดโอดเป็นไดโอดในอุดมคติโดยไม่สนใจว่าเป็นไดโอดซิลิคอนหรือเจอร์เมเนียมเพื่อลดความยุ่งยากในการคำนวณ เราจะถือว่าไดโอดเป็นไดโอด rectifier มาตรฐานที่มีความสามารถในการแก้ไขมาตรฐาน



การแก้ไขครึ่งคลื่น

แผนภาพที่ง่ายที่สุดแสดงสัญญาณแปรผันตามเวลาที่ใช้กับไดโอดแสดงในแผนภาพต่อไปนี้:

ที่นี่เราสามารถเห็นรูปคลื่น AC โดยที่ช่วงเวลา T หมายถึงหนึ่งรอบของรูปคลื่นเต็มรูปแบบซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยหรือผลรวมพีชคณิตของส่วนหรือ humps ด้านบนและด้านล่างของแกนกลาง

วงจรประเภทนี้ซึ่งใช้ไดโอด rectifier ตัวเดียวกับอินพุตสัญญาณ AC ไซน์แบบแปรผันตามเวลาเพื่อสร้างเอาต์พุต DC ที่มีค่าครึ่งหนึ่งของอินพุต เรียกว่าวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่น . ไดโอดเรียกว่าวงจรเรียงกระแสในวงจรนี้

ในช่วงระหว่าง t = 0 → T / 2 ของรูปคลื่น AC ขั้วของแรงดันไฟฟ้า vi จะสร้าง 'แรงดัน' ในทิศทางดังที่แสดงในแผนภาพด้านล่าง สิ่งนี้ช่วยให้ไดโอดเปิดและทำงานโดยมีขั้วตามที่ระบุไว้เหนือสัญลักษณ์ไดโอด

ไดโอด Conduction region (0 → T / 2)

เนื่องจากไดโอดกำลังดำเนินการอย่างเต็มที่การแทนที่ไดโอดด้วยไฟฟ้าลัดวงจรจะให้เอาต์พุตดังที่แสดงในภาพด้านขวาบน

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าเอาต์พุตที่สร้างขึ้นดูเหมือนจะเป็นการจำลองแบบที่แน่นอนของสัญญาณอินพุตที่ใช้เหนือแกนกลางของรูปคลื่น

ในช่วงเวลา T / 2 → T ขั้วของสัญญาณอินพุต vi จะกลายเป็นลบซึ่งทำให้ไดโอดดับลงส่งผลให้วงจรเปิดเทียบเท่ากับขั้วไดโอด ด้วยเหตุนี้ประจุจึงไม่สามารถไหลข้ามเส้นทางไดโอดในช่วง T / 2 → T ทำให้ vo เป็น:

vo = iR = 0R = 0 V (ใช้กฎของโอห์ม) การตอบสนองสามารถมองเห็นได้ในแผนภาพต่อไปนี้:

ในแผนภาพนี้เราสามารถเห็นเอาท์พุท DC Vo จากไดโอดสร้างพื้นที่บวกเฉลี่ยสุทธิเหนือแกนสำหรับวงจรอินพุตเต็มซึ่งสามารถกำหนดได้โดยสูตร:

Vdc = 0.318 Vm (ครึ่งคลื่น)

อินพุต vi และโวลต์โวลต์เอาต์พุตระหว่างกระบวนการแก้ไขไดโอดครึ่งคลื่นแสดงในรูปต่อไปนี้:

จากแผนภาพและคำอธิบายข้างต้นเราสามารถกำหนดการแก้ไขครึ่งคลื่นเป็นกระบวนการที่ครึ่งหนึ่งของวงจรอินพุตถูกกำจัดโดยไดโอดที่เอาต์พุต

ใช้ซิลิคอนไดโอด

เมื่อใช้ไดโอดซิลิกอนเป็นไดโอด rectifier เนื่องจากมีลักษณะการตกของแรงดันไปข้างหน้าเป็น VT = 0.7 V จึงสร้างขอบเขตอคติไปข้างหน้าดังแสดงในรูปต่อไปนี้:

VT = 0.7 V หมายความว่าตอนนี้สัญญาณอินพุตต้องมีอย่างน้อย 0.7 V เพื่อให้แน่ใจว่าไดโอดเปิดสำเร็จ ในกรณีที่อินพุต VT น้อยกว่า 0.7 V ก็จะล้มเหลวในการเปิดไดโอดและไดโอดจะยังคงอยู่ในโหมดวงจรเปิดต่อไปโดย Vo = 0 V

ในขณะที่ไดโอดดำเนินการในระหว่างกระบวนการแก้ไขจะสร้างเอาต์พุต DC ที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าคงที่สำหรับความต่างศักย์ของแรงดัน vo - vi เท่ากับการลดลงไปข้างหน้าที่กล่าวถึงข้างต้นที่ 0.7 V เราสามารถแสดงระดับคงที่นี้ด้วยสูตรต่อไปนี้:

vo = vi - VT

สิ่งนี้ก่อให้เกิดการลดลงของแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยเหนือแกนทำให้การลดสุทธิของเอาต์พุตที่แก้ไขจากไดโอดลดลงเล็กน้อย

จากรูปด้านบนหากเราพิจารณาว่า Vm (ระดับสัญญาณสูงสุด) สูงกว่า VT อย่างเพียงพอเช่น Vm >> VT เราสามารถประเมินค่าเอาต์พุต DC เฉลี่ยจากไดโอดโดยใช้สูตรต่อไปนี้ได้ค่อนข้างแม่นยำ

Vdc ≅ 0.318 (Vm - VT)

อย่างแม่นยำยิ่งขึ้นหากอินพุต AC สูงสุดสูงกว่า VT (ไปข้างหน้า) ของไดโอดอย่างเพียงพอเราก็สามารถใช้สูตรก่อนหน้านี้ในการประมาณเอาต์พุต DC ที่แก้ไขจากไดโอด:

Vdc = 0.318 โวลต์

ตัวอย่างที่แก้ไขสำหรับวงจรเรียงกระแส Half Bridge

ปัญหา:

ประเมินโวลต์เอาต์พุตและค้นหาขนาด DC ของเอาต์พุตสำหรับการออกแบบวงจรที่แสดงด้านล่าง:

วิธีการแก้: สำหรับเครือข่ายวงจรข้างต้นไดโอดจะเปิดสำหรับส่วนลบของสัญญาณอินพุตและ vo จะเป็นไปตามที่ระบุในภาพร่างต่อไปนี้

ตลอดระยะเวลาเต็มของวงจร AC อินพุตเอาต์พุต DC จะเป็น:

Vdc = 0.318Vm = - 0.318 (20 V) = - 6.36 โวลต์

เครื่องหมายลบระบุขั้วของเอาต์พุต DC ซึ่งตรงข้ามกับเครื่องหมายที่ให้ไว้ในแผนภาพภายใต้ปัญหา

ปัญหา # 2: แก้ปัญหาข้างต้นโดยพิจารณาว่าไดโอดเป็นซิลิกอนไดโอด

ในกรณีของไดโอดซิลิกอนรูปคลื่นเอาต์พุตจะมีลักษณะดังนี้:

และสามารถคำนวณเอาท์พุท DC ได้ตามที่อธิบายไว้ด้านล่าง:

Vdc ≅ - 0.318 (Vm - 0.7 V) = - 0.318 (19.3 V) ≅ - 6.14 V

แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงขาออกลดลงเนื่องจากปัจจัย 0.7 V อยู่ที่ประมาณ 0.22V หรือประมาณ 3.5%

การแก้ไขคลื่นเต็มรูปแบบ

เมื่อใช้สัญญาณ AC sinusoidal เป็นอินพุตสำหรับการแก้ไขเอาต์พุต DC สามารถปรับปรุงได้ถึงระดับ 100% โดยใช้กระบวนการแก้ไขคลื่นเต็มรูปแบบ

กระบวนการที่ง่ายและเป็นที่รู้จักมากที่สุดในการบรรลุสิ่งนี้คือการใช้ไดโอด 4 ตัว วงจรเรียงกระแสสะพาน เครือข่ายดังที่แสดงด้านล่าง

เครือข่ายวงจรเรียงกระแสสะพานแบบเต็มโดยใช้ไดโอด 4 ตัว

เมื่อวงจรอินพุตบวกดำเนินไปตามช่วงเวลา t = 0 ถึง T / 2 ขั้วของสัญญาณ AC อินพุตข้ามไดโอดและเอาต์พุตจากไดโอดจะแสดงดังต่อไปนี้:

ที่นี่เราจะเห็นว่าเนื่องจากการจัดเรียงพิเศษของเครือข่ายไดโอดในบริดจ์เมื่อ D2, D3 ดำเนินการ, ไดโอดตรงข้าม D1, D4 ยังคงมีความเอนเอียงและอยู่ในสถานะปิด

DC เอาต์พุตสุทธิที่สร้างขึ้นจากกระบวนการแก้ไขนี้ผ่าน D2, D3 สามารถดูได้ในแผนภาพด้านบน เนื่องจากเราได้จินตนาการถึงไดโอดให้เป็นอุดมคติเอาต์พุตจึงเป็น vo = vin

ในทำนองเดียวกันสำหรับครึ่งรอบเชิงลบของไดโอดสัญญาณอินพุต D1, D4 conduct และไดโอด D2, D3 จะเข้าสู่สถานะ OFF ดังที่แสดงด้านล่าง:

เราจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าเอาต์พุตจากวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ได้แปลงทั้งครึ่งรอบบวกและครึ่งลบของอินพุต AC เป็นครึ่งรอบ DC ครึ่งหนึ่งเหนือแกนกลาง

เนื่องจากพื้นที่เหนือแกนนี้มีมากกว่าพื้นที่ที่ได้รับสำหรับการปรับคลื่นครึ่งคลื่นถึงสองเท่าดังนั้นเอาต์พุต DC จะมีขนาดเป็นสองเท่าตามที่คำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:

Vdc = 2 (0.318Vm)

หรือ

Vdc = 0.636Vm (คลื่นเต็ม)

ดังที่แสดงในรูปด้านบนหากใช้ไดโอดซิลิกอนแทนไดโอดในอุดมคติการใช้กฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff เหนือเส้นการนำไฟฟ้าจะทำให้เราได้ผลลัพธ์ดังต่อไปนี้:

vi - VT - vo - VT = 0 และ vo = vi - 2VT,

ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าขาออกสูงสุด vo จะเป็น:

โวแม็กซ์ = Vm - 2VT

ในสถานการณ์ที่ V >> 2VT เราสามารถใช้สมการก่อนหน้านี้เพื่อรับค่าเฉลี่ยที่มีความแม่นยำสูงพอสมควร:

Vdc ≅ - 0.636 (Vm - 2VT),

อีกครั้งถ้าเรามี Vm สูงกว่า 2VT อย่างมีนัยสำคัญ 2VT สามารถถูกละเว้นได้และสามารถแก้ไขสมการได้ดังนี้:

Vdc ≅ - 0.636 (Vm)

PIV (แรงดันไฟฟ้าผกผันสูงสุด)

แรงดันไฟฟ้าผกผันสูงสุดหรือพิกัด (PIV) ซึ่งบางครั้งเรียกว่าคะแนนแรงดันย้อนกลับสูงสุด (PRV) ของไดโอดกลายเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในขณะที่ออกแบบวงจรเรียงกระแส

โดยพื้นฐานแล้วเป็นช่วงแรงดันไฟฟ้าแบบไบแอสย้อนกลับของไดโอดที่ต้องไม่เกินมิฉะนั้นไดโอดอาจแตกสลายโดยการเปลี่ยนไปยังพื้นที่ที่เรียกว่า zener avalanche region

ถ้าเราใช้กฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff กับวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นดังที่แสดงด้านล่างอธิบายง่ายๆว่าพิกัด PIV ของไดโอดต้องสูงกว่าค่าสูงสุดของอินพุตแหล่งจ่ายที่ใช้สำหรับอินพุตวงจรเรียงกระแส

สำหรับวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์แบบเต็มการคำนวณคะแนน PIV จะเหมือนกับวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นนั่นคือ:

PIV ≥ Vm เนื่องจาก Vm คือแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดที่ใช้กับโหลดที่เชื่อมต่อดังที่แสดงในรูปต่อไปนี้

ตัวอย่างที่แก้ไขแล้วสำหรับ Full Bridge Rectifier Network

กำหนดรูปคลื่นเอาต์พุตสำหรับเครือข่ายไดโอดต่อไปนี้และคำนวณระดับ DC เอาต์พุตและ PIV ที่ปลอดภัยสำหรับแต่ละไดโอดในเครือข่าย

วิธีแก้ไข: สำหรับครึ่งรอบบวกวงจรจะทำงานตามที่แสดงในแผนภาพต่อไปนี้:

เราสามารถวาดใหม่ในลักษณะต่อไปนี้เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น:

ที่นี่ vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (สูงสุด) = 1/2 (10 V) = 5 V

สำหรับครึ่งวัฏจักรเชิงลบบทบาทการนำของไดโอดสามารถเปลี่ยนกันได้ซึ่งจะทำให้เกิดเอาต์พุต Vo ดังที่แสดงด้านล่าง:

การไม่มีไดโอดสองตัวในบริดจ์ส่งผลให้เอาต์พุต DC ลดลงด้วยขนาด:

Vdc = 0.636 (5 V) = 3.18 โวลต์

นี่ค่อนข้างเหมือนกับที่เราได้รับจาก half bridge rectifier ที่มีอินพุตเดียวกัน

PIV จะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่สร้างขึ้นใน R ซึ่งก็คือ 5 V หรือครึ่งหนึ่งของค่าที่จำเป็นสำหรับครึ่งคลื่นที่แก้ไขด้วยอินพุตเดียวกัน




คู่ของ: สวิตช์แบบสองทิศทาง ถัดไป: Schottky Diodes - การทำงานลักษณะการใช้งาน