Он используется в блоках питания и выполняет функцию выпрямления переменного напряжения. Таким образом, с помощью выпрямителя входной переменный электрический ток преобразуется на выходе в постоянный ток. Ведущую роль в этом процессе играет схема диодного моста выпрямителя. В результате на выходе происходит образование пульсирующего напряжения. Его частота в два раза превышает входную, однако полярность отличается высокой стабильностью. Для того, чтобы понять, как работает данный элемент, нужно точно знать, каким образом осуществляется сам процесс преобразования.

Преимущества диодного моста в преобразовании тока

Полупроводниковый диод обладает важным свойством, которое заключается в его способности пропускать электрический ток только в одну сторону. Благодаря этому свойству, диоды стали основной деталью выпрямителей тока.

Фактически, можно использовать всего один элемент и выпрямляющее устройство все равно будет работать. Оно известно под названием однополупериодного выпрямителя. В данном случае диод, находящийся в цепи, пропускает только один полупериод переменного тока с положительным значением. Из-за этого происходит потеря одной половины волны, приводящая к значительному снижению КПД таких выпрямительных устройств. Поэтому они используются только в высокочастотных блоках питания и не подходят для стандартной частоты.

В большинстве устройств данного типа применяются диодные мосты, состоящие из четырех элементов. Чтобы пропускать обе половины волны переменного тока, на каждом входе имеется два диода. Способ их подключения позволяет положительной полуволне уходить на выход с «плюсом», а отрицательной - на выход с «минусом». Благодаря противофазным колебаниям на входах, напряжение на выходе берется поочередно, с каждого из них. В результате обе полуволны суммируются в общее значение тока.

Полная фильтрация переменного тока на выходе осуществляется с помощью конденсатора. Во время подъема полуволны происходит накопление заряда, который, затем, отдается в процессе ее спада. Для улучшения работоспособности выпрямителя , и другие дополнительные элементы.

Особенности диодных мостов и их применение

Данный вид сборки состоит из четырех диодов с одинаковыми параметрами, размещенными в общем корпусе. Вся конструкция имеет 4 вывода, к двум из которых подключается переменное напряжение. Остальные выводы являются выходными и обозначаются как «+» и «-».

Схема диодного моста выпрямителя может состоять из отдельно взятых диодов или использовать монолитную диодную сборку. Такая сборка значительно упрощает ее монтаж. Однако, при выходе из строя хотя-бы одного диода, замене подлежит вся конструкция. Тем не менее, она более технологичная, занимает мало места, а для всех составных частей обеспечивается одинаковый тепловой режим. При отсутствии монолитной конструкции она легко заменяется четырьмя отдельными деталями, с одинаковыми параметрами и техническими характеристиками. Такая схема позволяет свободно менять любые неисправные элементы.

Без диодных мостов невозможно представить себе электронику, питание которой осуществляется через однофазную сеть переменного тока, напряжением 220 вольт. Она используется не только в трансформаторных, но и импульсных блоках питания. Живым примером служит блок питания компьютера.

Компактные люминесцентные лампы также оборудованы диодными мостами. Они применяются в энергосберегающих лампах, в конструкциях печатных плат. Для сварочных аппаратов предусмотрены схемы с очень высокой мощностью.

Небольшая и простая схема, составленная из четырех диодов и используемая для преобразования переменного тока в постоянный называется диодный мост. В отличие от ранее рассмотренной из одного диода и пропускающего ток только в один полупериод, мостовая схема дает возможность пропускать ток в течение обоих полупериодов. Достаточно часто, их делают в виде небольших сборок и микросборок помещенных обычно в пластмассовый корпус.

Обычно его отображают включением четырех диодов в общую мостовую схему, как показано в левой части рисунка ниже: здесь, диоды служат как бы плечами выпрямительного моста. Такое условное обозначение можно часто увидеть в старых радиолюбительских журналах. Однако, теперь его чаще обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок, говорящий только о полярность выходного напряжения.

Диодный мост принципы работы

Для лучшего понимания работы и закрепления теоретического материала рассмотрим работу на практическом примере низковольтного выпрямителя. В нем, с применением четырех диодов, во время каждой полуволны переменного напряжения работают поочередно только два активных радиокомпонента противоположных плеч моста, соединенных между собой не только последовательно, но и встречно по отношению ко второй паре.

Переменное напряжение следует на вход схемы. Когда на верхнем, в соответствии со схемой точки вторичной обмотки появится положительный полупериод переменного синусоидального напряжения, ток идет через третий диод, нагрузку, второй диод и к нижней точки вторичной обмотки. Элементы VD1 и VD4 в этот момент заперты и ток через них не проходит.

В течение другой полуволны синусоидального напряжения, когда плюс будет на нижнем выводе вторичной обмотки трансформатора, ток проходит через VD4, нагрузку, VD1 и к верхней точки вторичной обмотки. В этот момент VD2 и VD3 закрыты и ток через них не пройдет.

В результате, как мы видим на диаграмме "В", что несмотря на периодическую смену полярности напряжения на обмотке трансформатора, а через нагрузку диодного моста идет ток только одного направления. В таком выпрямителе максимальный КПД, так как используются два полупериода переменного тока из двух, поэтому этот тип выпрямителя получил название мостовой двухполупериодный.

Думаю теперь понятно что работа этой схемы по сравнению с выпрямлением напряжения одним диодом намного эффективней:

Удвоилась частота пульсаций выпрямленного напряжения; Уменьшились интервалы между импульсами, среднее значение напряжения постоянного тока примерно того же уровня, что и переменное со вторичной обмотки трансформатора.

Как проверить диодный мост

Словосочетание “диодный мост” образуется от слова “диод”. Следовательно, диодный мост должен состоять из диодов, но они должны соединятся с друг другом в определенной последовательности. Почему это имеет важное значение мы как раз и поговорим в этой статье.

Обозначение на схеме

Диодный мост на схемах выглядит подобным образом:

Иногда в схемах его обозначают еще так:

Как мы с вами видим, схема состоит из четырех диодов. Для того, чтобы она работала корректно, мы должны правильно соединить диоды и правильно подать на них переменное напряжение. Слева мы видим два значка “~”. На эти два вывода мы подаем переменное напряжение, а снимаем постоянное напряжение с других двух выводов обозначенных значками “+” и “-“. Диодный мост также называют диодным выпрямителем.

Принцип работы

Для выпрямления переменного напряжения в постоянное можно использовать один диод для выпрямления, но не желательно. Давайте рассмотрим рисунок, как все это будет выглядеть:

Диод срезает отрицательную полуволну переменного напряжения, оставляя только положительную, что мы и видим на рисунке выше. Вся прелесть этой немудреной схемы состоит в том, что мы получаем постоянное напряжение из переменного. Проблема кроется в том, что мы теряем половину мощности переменного напряжения. Ее срезает диод.

Чтобы исправить эту ситуацию, была придумана великими умами схема диодного моста. Диодный мост “переворачивает” отрицательную полуволну, превращая ее в положительную полуволну, тем самым у нас сохраняется мощность.

На выходе диодного моста появляется постоянное пульсирующее напряжение с частой в 100 Герц. Это в два раза больше, чем частота сети.

Практические опыты

Для начала возьмем простой диод.

Катод можно легко узнать по серебристой полоске. Почти все производители показывают катод полоской или точкой.

Чтобы наши опыты были безопасными, я взял понижающий , который из 220В делает 12В.

На первичную обмотку цепляем 220 Вольт, со вторичной обмотки снимаем 12 Вольт. показал чуть больше, так как на вторичной обмотке нет никакой нагрузки. Трансформатор работает на так называемом “холостом ходу”.

3,3х5=16.5В – это максимальное значение напряжения. А если разделить максимальное амплитудное значение на корень из двух, то получим где то 11,8 Вольт. Это и есть . Осциллограф не врет, все ОК.

Еще раз повторюсь, можно было использовать и 220 Вольт, но 220 Вольт – это не шутки, поэтому я и понизил переменное напряжение.

Припаяем к одному концу вторичной обмотки трансформатора наш диод.

Цепляемся снова осциллографа

Смотрим на осциллограмму

А где же нижняя часть изображения? Ее срезал диод. Он оставил только верхнюю часть, то есть ту, которая положительная.

Находим еще три таких диода и спаиваем диодный мост .

Цепляемся ко вторичной обмотке трансформатора по схеме диодного моста.

С двух других концов снимаем постоянное пульсирующее напряжение щупом осциллографа и смотрим на осциллограмму

Вот, теперь порядок.

Виды диодных мостов

Чтобы не заморачиваться с диодами, разработчики все четыре диода вместили в один корпус. В результате, получился очень компактный и удобный радиоэлемент – диодный мост. Думаю, вы догадаетесь, где импортный, а где советский))).

Например, на советском диодном мосте показаны контакты, на которые нужно подавать переменное напряжение значком ” ~ “, а контакты, с которых надо снимать постоянное пульсирующее напряжение значком “+” и “-“.

Существует множество видов диодных мостов в разных корпусах

Есть даже автомобильный диодный мост

Существует также диодный мост для трехфазного напряжения. Он собирается по так называемой схеме Ларионова и состоит из 6 диодов:

В основном трехфазные диодные мосты используются в силовой электронике.

Как вы могли заметить, такой трехфазный выпрямитель имеет пять выводов. Три вывода на фазы и с двух других выводов мы будем снимать постоянное пульсирующее напряжение.

Как проверить диодный мост

1) Первый способ самый простой. Диодный мост проверяется целостностью всех его диодов. Для этого прозваниваем каждый диод мультиметром и смотрим целостность каждого диода. Как это сделать, читаем

2) Второй способ 100%-ый. Но для этого потребуется осциллограф, или понижающий трансформатор. Давайте проверим импортный диодный мост. Для этого цепляем два его контакта к переменному напряжению со значками “~”, а с двух других контактов, с “+” и “-” снимаем показания с помощью осциллографа.

Смотрим осциллограмму

Значит, импортный диодный мост исправен.

Резюме

Диодный мост (выпрямитель) используется для преобразования переменного тока в постоянный.

Диодный мост используется почти во всей радиоаппаратуре, которая “кушает” напряжение из переменной сети, будь то простой телевизор или даже зарядка от сотового телефона.

Диодный мост - это элементарная электронная схема, служащая для преобразования переменного тока в постоянный. Он является самым распространенным радиокомпонентом, без которого не может обойтись ни один выпрямительный блок питания.

Конструктивные виды полупроводниковых мостов

Диодный мост может быть собран из отдельных полупроводниковых элементов или выполняется в виде монолитной сборки. Удобством последней является простота монтажа на печатной плате, малые габаритные размеры. Параметры элементов в ней тщательно подобраны на заводе, что исключает их разброс и перекос температурного режима работы, однако в случае выхода из строя одного элемента такой схемы замене подлежит вся сборка. Если вас не устраивают готовые диодные сборки, можете собрать эту простую схему самостоятельно. Монтаж элементов можно осуществить на печатную плату, но чаще всего его делают навесным, непосредственно на трансформаторе. Если требуется диодный мост большой мощности, не следует забывать, что диоды могут сильно греться, в таком случае их монтируют на алюминиевом радиаторе для отвода лишнего тепла. Диоды для моста необходимо подбирать в соответствии с требуемой мощностью схемы. Значение нагрузки возможно вычислить по закону Ома, для этого максимальный ток нужно умножить на максимальное напряжение. Результат следует умножить на два, чтобы схема имела запас прочности. Собирая диодный мост, следует помнить, что через каждый диод протекает всего 70 процентов номинального тока.

Принцип работы

На вход схемы поступает переменное напряжение, в первый полупериод электрический ток проходит через два диода, вторая пара диодов оказывается закрытой. Во второй полупериод ток проходит через вторую пару диодов, а первая оказывается закрытой. Таким образом, на выходе диодного моста получается пульсирующее напряжение, частота которого вдвое выше, чем входного. Для сглаживания пульсации выходного напряжения на выходе моста ставят конденсатор.

Область применения

Диодные мосты нашли широкое применение в промышленном оборудовании (блоках питания, зарядных устройствах, схемах управления электродвигателями, регуляторах мощности), в блоках питания бытовой техники (телевизорах, холодильниках, пылесосах, компьютерах, электроинструментах и так далее), в приборах освещения (люминесцентных лампах, в модулях солнечных батарей), в счетчиках электроэнергии.

Диодный мост для сварочного аппарата

Такой выпрямитель необходимо собирать на базе мощных диодов (например, подойдет тип В200 с максимальным током 200 ампер). Они имеют солидные габаритные размеры, их корпус необходимо сажать на алюминиевый радиатор для отвода теплоэнергии. Корпус таких диодов находится под напряжением, соответственно, радиатор тоже, поэтому монтаж должен учитывать эти особенности. В результате конструкция сварочного аппарата увеличивается в размерах. Однако в продаже есть готовые сборки, интегрированные в один корпус. Размеры такого моста сопоставимы со спичечным коробком или одним диодом типа В200 без радиатора. Максимальный ток составляет 30-50 ампер, а цена значительно ниже вышеописанных диодов.

Диодный мост генератора

Это выпрямительный блок, состоящий из трех параллельных полумостов, собирается на шести диодах (схема советского ученого Ларионова А. Н.). Такая схема преобразует переменное трехфазное напряжение в постоянное.

Диоды - это электронные устройства с двумя электродами («ди» - два). Анод и катод.

Раньше, в эпоху стеклянных электронных вакуумных ламп, это была самая простая из ламп. В ней непосредственно около катода располагалась нить накаливания, как в лампочке. Катод от этого разогревался, и из него начинали выпрыгивать электроны все быстрее и быстрее. А кроме напряжения накала к электродам было приложено рабочее напряжение. И если на катод подать минус, а на анод плюс, то электроны от катода начинают отталкиваться, а к аноду притягиваться. Так как этому процессу в вакууме ничто не мешает, через вакуум и побежит ток, пропорциональный приложенному напряжению. А если поменять полюса - подать на анод минус, а на катод плюс, ток остановится. Потому что анод холодный, а к катоду теперь приложен положительный потенциал, который возвращает выброшенные накалом катода электроны обратно. Вот так и получился самый первый и самый простой нелинейный электрический элемент. В одну сторону ток он пропускает, а в другую - нет.

Почти такая же картина и в полупроводниковых диодах. Только там нет вакуума, а твердая пластинка полупроводника имеет свойство не препятствовать движению электронов в одну сторону и запрещать их движение в противоположную.

Весь секрет в N-P-переходе полупроводника.

Полупроводниковый диод представляет собой пластинку, похожую на плоский кружочек (или квадратик) металла. Но это не металл, а две его стороны имеют чуть разные свойства. Металлы характеризуется тем, что электроны в их кристаллической решетке почти не держатся, вылетают и болтаются между атомами кристалла по любому поводу, самая небольшая температура, заставляющая ядра атомов на своих местах слегка вибрировать, вышибает электроны напрочь и массово. А на этом месте что образуется? Знамо дело, дырка. Так называется атом, потерявший электрон. И получается, что электроны хаотично мечутся по межатомному пространству металла, а дырки тоже мечутся - только уже по самой кристаллической решетке. Потому что если соседний атом «заметит» дырку, он очень просто легким толчком закинет в нее свой электрон. И это можно понять в обратном смысле: получилось, это дырка перескочила из того атома в этот. И так дырки начинают жить тоже своей самостоятельной жизнью и блуждать как им взбредется. А встретится им электрон - может произойти рекомбинация, когда электрон запрыгнет в эту самую дырку. Ну и все, нашел свою судьбу. Только свободных электронов в металле видимо-невидимо, и поэтому стоит приложить к проводнику напряжение - как тут же начнется уже более-менее упорядоченное движение электронов от минуса к плюсу, то есть электрический ток. Соответственно, и дырки побегут, наоборот, от плюса к минусу, то есть как раз так, как люди определили когда-то НАСТОЯЩИМ направлением тока. Определили, еще ничего не зная ни о свободных электронах, ни о дырках.

В полупроводниках картина очень тонкая. Он сам плохой проводник и никудышный изолятор. Потому они так и названы - полупроводники. В них тоже есть свободные электроны и дырки. Только их не так много, как в металлах, а равновесие электронов и дырок нарушают примеси в полупроводнике. Атомы примесей становятся дополнительными источниками в одних случаях свободных электронов, в других - «свободных» дырок. Есть такие атомы, которые в одном случае прихватывают себе лишний электрон и не отпускают его (акцепторная примесь). А на его месте в атоме полупроводника получается дырка и начинает бродить неприкаянно по кристаллической решетке.

А в другом случае атом примеси имеет свойство отдавать свой электрон (донорная примесь), ничего не прося взамен. И пойдет электрон лишний куда глаза глядят.

Первая проводимость названа дырочной - P (positive, положительная), вторая электронной - N (negative, отрицательная).

Но самое интересное, что два типа проводимости могут существовать в одном куске полупроводника. Вот той самой тонкой пластинки, похожей на металл. С одной стороны в нее внедряют донорную примесь, а с другой - акцепторную.

Очень просто: можно на основу из полупроводника - германия или кремния - с одной стороны нанести материал-акцептор, фосфор, мышьяк или сурьму. Температура плавления сурьмы чуть выше 980 ⁰С, а у полупроводников еще выше, около 1200–1400 ⁰С. Атомы акцептора (чаще всего сурьмы, более остальных практичной в обращении) внедряются в кристаллическую решетку полупроводника, делая его полупроводником типа P. Другую сторону обрабатывают алюминием или индием - легкими и плавкими металлами. Достаточно поместить капельку индия, просто капнуть с одной стороны при температуре плавления 430 ⁰С.

Вот и получился у нас знаменитый N-P переход, который ток пропускает в одну и другую стороны по-разному.

И правда, если представить ток как движение заряженных частиц, то в полупроводнике N-типа движутся электроны (их подавляюще больше). А в P-типа - дырки. Причем направление их движений противоположное. Только если в металле они движутся одновременно и независимо - одни туда, другие сюда, то в полупроводнике все не так. В полупроводнике N-типа движутся, в основном, электроны, по полупроводнику P-типа ток создает движение дырок. А вот в N-P переходе эти два вида токов встречаются.

На границе этих двух типов (границе между полупроводником с примесями одного типа и проводником с примесями другого) электроны вместо дальнейшего движения будут «находить свою судьбу», то есть встречаться с дырками и с ними производить рекомбинацию. Такую зону счастливых электронных пар мы называем «зоной запрета», потому что при рекомбинации атомы примесей становятся ионами (в N-зоне положительные, а в P-зоне отрицательные), и они создают электрическую разность потенциалов, всегда направленную от N проводимости к P проводимости. И вот теперь, если прикладывать напряжение к внешним контактам диода, и если полярность его совпадает с направлением этой разности потенциалов, то ток потечет через диод, а если противоположно ей, то нет. Первое направление (когда к P приложен плюс, а к N минус) называется прямым, второе (когда на P подан минус, а на N плюс) - обратным.

Прямое направление диода делает его по работе похожим на обычное сопротивление, работающим по закону Ома.

А обратное дает нечто вроде разрыва в цепи, хотя при этом всегда сохраняется некоторый обратный ток, зависящий от других вещей - температуры, радиации.

Вот на таких приборах и строятся выпрямительные мосты.

Выпрямительные мосты

Если подавать на диод переменное электрическое напряжение, которое непрерывно изменяется от некоторого напряжения U + > 0 до напряжения U – < 0, то наш диод начнет «срезать» все напряжения, которые для него будут «обратными».

В случае обычного для наших сетей синусоидального сигнала в результате работы диода получается «полусинусоида» тока (или напряжения в нагрузке).

Весь ток и напряжение в сети нагрузки будет иметь положительное направление, но половина электроэнергии не будет «доходить» до адресата.

Чтобы использовать и вторую половину синусоиды, нужно, чтобы она не срезалась, а меняла знак на противоположный. Вот и получилась схема диодного моста.

Уже лучше, но мост не является выпрямителем в полном смысле. Напряжение в нагрузку он дает не постоянное, а пульсирующее с двойной частотой.

Если нагрузкой сделаем лампу накаливания, то никаких пульсаций света можем и не заметить.

Лампа накаливания является прибором инерционным, в плане преобразования электричества в тепло и свет. То есть за 1/50 (при переменном напряжении) или за 1/100 (при пульсирующим напряжении от диодного моста) доли секунды ее нить накала не успевает остыть, как уже приходит очередной импульс. В этом случае диодный мостик такой схемы вполне подойдет.

В результате этого температура спирали во времени представляет собой кривую, сглаживающую кривую напряжения, выходящего из диодного моста. И чем спираль массивнее, тем более сглажена кривая ее температуры. В выпрямительных мостах сглаживание делается конденсатором, которые способны, подобно спирали лампы, накапливать энергию, а потом медленно ее отдавать.

Выпрямительный мост - это настолько отработанная, привычная и полезная схема, что для нее имеется общепринятое сокращенное графическое обозначение. А как сделать диодный мост - тут вообще все просто. Следует только разобраться с концами диодов - какие плюс и какие минус. На входные два узелка подается переменное напряжение, поэтому к ним подходят как плюс диодов, так и минус: VD1 плюс, VD2 минус -на верхний, VD3 + и VD4 - на нижний. А выходные клеммы от моста получают уже знакопостоянное напряжение, поэтому их плюсы и минусы совпадают с +/- диодов. VD2, VD4 припаяем плюсами на плюсовой выход, VD1, VD3 - минусами на минусовой. Вот и получился выпрямительный диодный мост.

Такие диодные мосты присоединяют часто к обычному трансформатору от блоков питания, понижающему к 12 вольтам. Диоды в этом случае подойдут любые, лишь бы рабочий диапазон напряжений был немного больше, чем на 12 вольт. Скажем, вольт на 20–35. Особых требований нет, соединения низковольтные, для подключения достаточно обычной спайки.

Трехфазный диодный мост

Однако делают диодные мосты и высоковольтные. Там все то же самое, только все элементы схемы рассчитываются на те номиналы напряжений, с которыми будет иметь дело диодный мост - с запасом, разумеется. Кроме того, можно сделать его и для трехфазного напряжения. И он оказывается сложнее однофазного не в три раза, а только в полтора.

Подключить диодный мост к трансформатору здесь нужно в трех точках, по одной на каждую фазу. Принципиальной разницы между спайкой диодного моста на три фазы и собранного под одну фазу нет. Разобраться с концами здесь почти так же просто. Здесь плюсы одних трех диодов и минусы других подключаются к выходам, после этого попарно спаиваются плюсы с минусами верхней и нижней тройки диодов, и в эти же три точки подаются фазы. Все, вы его собрали.