Co je diodový můstek, schéma, proč je potřeba a jak funguje

K usměrnění střídavého elektrického napětí v elektrotechnice a elektronice se používají různé obvody využívající diody – prvky s jednosměrnou vodivostí. Usměrňovač může být konstruován různými způsoby, ale nejoblíbenější je začlenění ventilů do můstkového obvodu.

Definice diodového můstku a jeho role v elektrických obvodech

Diodový můstek je jednotka určená pro celovlnné usměrnění střídavého proudu a složená z několika diod (ventilů). Původ tohoto termínu se ztratil v hlubinách desetiletí, ale tento koncept se používá dodnes a je aplikován nejen na usměrňovací obvody, ale na širokou třídu čtyřsvorkových sítí se symetrickou strukturou.

V elektrotechnice a elektronice se používají měřicí můstky tvořené standardními odpory, kondenzátory apod. K uspořádání elektrických filtrů se používají mosty Wien, Aries atd.

Účelem diodových můstků je efektivní (s největším využitím výkonu zdroje) usměrnění elektrického proudu. Můstkový usměrňovač umožňuje dosáhnout vysoké účinnosti konverze jednoduchými a levnými způsoby.

Princip činnosti

Dioda v obvodech střídavého proudu funguje stejným způsobem – prochází proud v jednom směru a neprochází ve druhém. Ale kombinací několika bran můžete dosáhnout různého provozu hotového okruhu.

V usměrňovacích obvodech

K usměrnění střídavého proudu v zásadě stačí jedna dioda. Kladnou vlnu sinusového napětí projde a zápornou nepropustí („rozsekne“ ji). Tato metoda má značnou nevýhodu – nevyužívá se poloviční výkon zdroje energie. Druhou nevýhodou je, že tvar výstupního napětí je daleko od přímky pro vyhlazení budete muset použít objemný filtr.

Tento nedostatek lze odstranit paralelním zapojením dvou usměrňovačů. K tomu budete potřebovat transformátor se dvěma vinutími zapojenými do série.

V tomto případě dioda VD1 přenáší pozitivní vlnu, druhá – negativní. Oba půlcykly proudu procházejí zátěží Rload ve stejném směru. Nevýhodou obvodu je, že je potřeba transformátor s odbočkou.

Stejného výsledku lze dosáhnout bez odbočky v sekundárním vinutí pomocí obvodu diodového můstku. V jednofázové verzi k tomu stačí čtyři ventily.

Kladná sinusová vlna bude sledovat dráhu označenou červenými šipkami:

• dioda VD2;
• zatížení;
• dioda VD3.

Negativní podél cesty označené zelenými šipkami:

Je zřejmé, že během jakéhokoli půlcyklu proud přes zátěž protéká jedním směrem.

Znalecký posudek
Stanovoy Alexey
Elektronický inženýr. Pracuji v opravně domácích spotřebičů. Zajímá mě návrh obvodů.

Tato vlastnost diodového můstku může být použita k odstranění nesprávné polarity připojení ve stejnosměrných obvodech. Mostový vstup lze připojit v jakékoli polaritě a zátěž bude stále správně napájena.

Pro třífázový systém lze použít několik typů usměrňovacích můstků. Nejběžnější je Larionovovo schéma. Má také dvě odrůdy:

1. Pro sekundární vinutí třífázového transformátoru zapojeného do hvězdy.
2. Pro sekundární vinutí zapojená do trojúhelníku).

Ve většině případů je sekundární vinutí transformátorů s výstupní úrovní 380 voltů zapojeno do hvězdy k uzemnění neutrálu, takže pro tento případ bude uvažován provoz obvodu třífázového usměrňovače.

Ve skutečnosti je obvod připojení můstku pro obě možnosti stejný, ale existují rozdíly v činnosti a tvaru výstupního napětí.

V tomto případě se k zátěži přidávají tři proudy každé fáze, posunuté o 120 stupňů. To vám umožní získat nejmenší zvlnění ve srovnání s jednofázovým obvodem.

Při přeměně AC na DC

Bez ohledu na to, jak je usměrňovací můstek sestaven, proud na jeho výstupu nebude plně konstantní. Aby se pulzující proud dostal do takového stavu, musí být zvlnění vyhlazeno. Nejčastěji se k tomu používají kondenzátory. Jsou připojeny paralelně k výstupu diodového můstku.

Poněkud zjednodušeně funguje kondenzátor takto:

• během špičkových pulsací se nabíjí, vyhlazuje přepětí;
• během minima se vypouští do zátěže a krmí ji.

Výsledkem je, že výstupní napětí (a proud procházející zátěží) se blíží konstantní hodnotě.

Tlumivky zapojené paralelně se zátěží jsou také vhodné pro vyhlazení vlnění, ale mají spoustu nevýhod – rozměry, hmotnost, dodatečný úbytek napětí atd.

Znalecký posudek
Stanovoy Alexey
Elektronický inženýr. Pracuji v opravně domácích spotřebičů. Zajímá mě návrh obvodů.

V obvodu s kondenzátorem se proud odebíraný ze sítě stává ostře nesinusovým. Kondenzátor slouží jako zásobník energie a proud se spotřebovává pouze na periodické dobíjení. Proto takový AC/DC měnič vytváří rušení v napájecí síti.

Typy diodových můstků a jejich vývody

Diodový můstek lze sestavit z diskrétních diod nebo můžete použít hotovou sestavu. Nejběžnější můstkové sestavy jsou ty, ve kterých jsou všechna spojení provedena interně a pouze vstupní a výstupní body jsou vyvedeny. Mezi takové elektronické součástky patří domácí KTs402 nebo KTs405. Mají stejný vnitřní obvod, ale různé typy pinů, ale jejich pinout je stejný. Obsazení pinů je vyznačeno na pouzdře (obrázek také ukazuje vnitřní strukturu sestavy diod). Pokud značky kolíků chybí nebo jsou vymazány, lze je zjistit vytočením.

Existují sestavy, ve kterých nejsou diody uvnitř během instalace zcela připojeny, můstek bude muset být pájen samostatně. To umožňuje větší volnost při navrhování a při osazování desek plošných spojů.

Základní parametry

Hlavní parametry, podle kterých se volí nebo vypočítává diodový můstek, jsou nejvyšší přípustný proud nebo nejvyšší přípustné zpětné napětí. Ve většině případů to stačí k výběru prvků nebo hotové sestavy.

Protože když můstkový usměrňovač pracuje v sérii se zátěží, jsou vždy připojeny dvě otevřené diody, může být v některých případech důležitá taková charakteristika, jako je pokles napětí na prvku. Pro křemíkový ventil je to přibližně 0,6 voltu. Pro 220 voltů ztráta 0,6×2 = 1,2 voltu nevadí a leží v nestabilitě síťového napětí, pro 12 voltů je tato hodnota již znatelná a pro obvody, kde je použito střídavé napětí 3 volty přímý pokles 1,2 voltu může mít rozhodující význam. V takových případech můžete použít například Schottkyho diody. U nich je tento parametr 0,2. 0,4 voltů.

Pokud bude můstek použit v obvodu pulsní konverze, může být důležitým parametrem maximální provozní frekvence. Pro použití v průmyslových frekvenčních instalacích (50 nebo 100 Hz) je zpravidla použitelný jakýkoli prvek, který je vhodný pro jiné charakteristiky.

Další parametry můstku jsou určeny standardními charakteristikami diod zařazených do obvodu. Lze je nalézt v referenčních knihách.

Značení a označení na schématech

Diodový můstek ve schématu lze označit jako přímé spojení všech prvků. Kompletní obrys jednofázového mostu je znázorněn na obrázku.

Normy elektrického vedení vyžadují, aby všechny prvky a spoje byly nakresleny vodorovně nebo svisle. UGO diodového můstku patří k zavedeným obrázkům, je tedy dovoleno pro něj kreslit spoje pod úhlem 45 stupňů. Díky tomu je struktura uzlu snadno rozpoznatelná.

Pomocí kanonických přístupů je možné nakreslit celovlnný usměrňovač. V tomto případě je to také snadno rozpoznatelné ve schématu.

Existuje další (zjednodušený) obrys jednofázového mostu. V něm není každý prvek zobrazen samostatně, ale je nahrazen společnou UGO diodou.

Existuje také obecné označení jednotky usměrňovače jako měnič napětí AC-na-DC. Toto UGO se používá zřídka.

Grafické označení třífázového mostu je také zakresleno v ustálené podobě. Je snadné jej vizuálně zvýraznit v celkovém diagramu.

Přehled typických zapojení diodových můstků

Schéma zapojení pro diodový můstek je obecně standardní. AC svorky jsou připojeny ke zdroji AC. Na DC svorky je připojena zátěž. Má ale smysl uvažovat o příkladech použití můstkového usměrňovače v různých praktických aplikacích.

Pro nabíječku

Není nutné mít v nabíječce vyhlazovací kondenzátor. Důležité je ale umět regulovat proud. V tomto případě nejsou filtrační prvky instalovány a diody (nebo jejich část) jsou nahrazeny tyristory. Pomocí metody řízení fázovým impulsem můžete regulovat průměrný nabíjecí proud baterie.

Pro generátor

Automobilový alternátor produkuje střídavý proud, který je následně usměrněn. Na první pohled se tato metoda zdá iracionální, zdá se, že je jednodušší použít generátor stejnosměrného proudu. Toto řešení je však spojeno s nižší technickou a ekonomickou efektivitou, proto je i zde použit můstkový usměrňovací obvod.

Diodový můstek je několik diod (v klasické verzi jsou čtyři), zapojených tak, že jsou zde 2 přípojná místa pro střídavé napětí (vstup) a dva výstupy pro stejnosměrné napětí.

Může být vyroben na diskrétních prvcích (hromadně), ve formě samostatné sestavy (v balení se čtyřmi piny), nebo může být také součástí integrovaných obvodů, ale druhá možnost je v tomto případě pro nás nezajímavá .

Pro přeměnu střídavého napětí na stejnosměrné je potřeba diodový můstek. Tento návrh obvodu se používá k řešení různých problémů, ale nejznámější aplikací je usměrňovač.

Schéma můstku sestávajícího ze 4 diod je na obr. 1. Obr. Toto je historický způsob jeho znázornění, stejně jako jeho zjednodušené znázornění (vpravo).

Tato možnost se nezdá být zcela vhodná pro zvážení principu činnosti diodového můstku, proto navrhuji jinou verzi obvodu, kterou v budoucnu použijeme.

Nejprve se podívejme, jak diodový můstek funguje a co dělá (obr. 2).

Do bodů A a B je přivedeno střídavé napětí.

V každé z nich jsou zapojeny dvě diody zapojené v opačných směrech.

Dovolte mi připomenout, že tato polovodičová zařízení mají jednosměrnou vodivost, to znamená, že vedou proud, pokud je na přesně definované svorce „plus“ nebo na jiné „mínus“ (viz článek o tom, jak dioda funguje).

V čase T1 je v bodě A plus a v bodě B mínus. V souladu s tím protékají proudy diodami VD2 a VD3 a vytvářejí odpovídající půlvlny napětí na výstupech C a D obvodu.

V čase T2 je situace obrácená a dvojice VD1 a VD4 začíná fungovat. Na výstupu diodového můstku se tak získá pulzující napětí, ale jeho polarita se nemění.

Každý půlcyklus je v tomto případě použit dvakrát (v jednom a druhém směru), takže usměrňovač realizovaný na bázi diodového můstku se nazývá celovlnný.

Vezměte prosím na vědomí, že dvě sinusoidy na vstupu jsou zobrazeny podmíněně (pouze pro přehlednost), ve skutečnosti je zde pouze jeden signál, protože obvod je jednofázový.

Abychom viděli, jak to funguje v praxi, uvažujme dvě schémata.

SCHÉMA ZAPOJENÍ DIODOVÉHO MOSTKU

Připojení k transformátoru.

Obrázek 3 ukazuje skutečný obvod jednoduchého napájecího zdroje.

Sekundární vinutí transformátoru T je připojeno na vstup diodového můstku. Zde se umístění (orientace diod) liší od toho, co bylo uvedeno dříve, ale bylo to provedeno proto, aby byl obvod snadněji čitelný.

Usměrněné napětí je přiváděno do kondenzátoru C za účelem vyhlazení zvlnění. Zde zobrazený kondenzátor je ilustrativní. V praxi se používají vysokokapacitní elektrolytické verze. Často je paralelně zapojeno více kondenzátorů, ale to jsou již detaily.

V zásadě by z výše uvedeného diagramu as přihlédnutím k dříve provedeným vysvětlením mělo být jasné, jak to všechno funguje.

Připojení ke generátoru.

Na následujícím schématu (obr. 4) je znázorněn třífázový diodový můstek, který je připojen k vinutí generátoru.

Se stejným úspěchem lze použít i třífázový transformátor. Princip fungování takového můstku je podobný jednofázovému. Jediná věc je, že každá ze tří fází je posunuta vůči druhé o 120 o.

Proto budou mít půlcykly na výstupu trochu jiný vzhled – vzájemně se překrývají. Je zřejmé, že zvlnění napětí je v tomto případě menší. Schémata vstupních a výstupních napětí jsou uvedena na obr. 5. Obr.

V provozu diodového můstku, jednofázového nebo třífázového, tedy není nic složitého – stačí jen malá představivost, abyste pochopili, jak se vše děje.

* * *
© 2014–2025 Všechna práva vyhrazena.
Materiály stránek mají informační charakter, mohou vyjadřovat názor autora a nesmějí být používány jako směrnice a normativní dokumenty.