Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Что такое диодный мост

Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)

Трехфазная мостовая схема (рис. 1.6, а) обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности, наименьшим обратным напряжением на диодах и высокой частотой пульсации (шестипульсная) выпрямленного напряжения, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра. Схема приме­няется в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей.

Схема трехфазного мостового выпрямителя содержит выпрямительный мост из шести вентилей, в котором последовательно соединены две трехфазные группы. В нижней группе вентили соединены катодами (катодная группа), а в верхней – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку, представлены на рис. 1.6 (б, в).

Рис. 1.6. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б, в).

Каждая из двух групп выпрямителя повторяет работу трехфазного выпрямителя со средней точкой, поэтому при таком же значении напряжения вторичной обмотки трансформатора

что сокращает число витков вторичных обмоток трансформатора и снижает требования к изоляции.

Максимальное обратное напряжение вентиля данной схемы, как и в трехфазной схеме со средней точкой, равно амплитуде линейного вторичного напряжения. Однако ввиду того, что при том же значении

В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а в мостовой схеме – под действием линейного напряжения. Ток нагрузки здесь протекает через два вентиля: один – с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. Иными словами, в проводящем состоянии будут находиться те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение.

За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей и схема работает в шесть тактов, в связи с чем ее часто называют шестипульсной. Таким образом, выпрямленное напряжение имеет шестикратные пульсации, хотя угол проводимости каждого вентиля такой же, как в трехфазной схеме со средней точкой, т.е. 2π/3 (120º). Среднее значение тока вентиля соответственно составляет

Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к данной фазе. Один из вентилей входит в анодную группу, а другой – в катодную. Вторичный ток является переменным с паузой между импульсами длительностью π/3 (60º), когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная составляющая во вторичном токе отсутствует, в связи с чем поток вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора в мостовой схеме не создается.

На базе этой схемы возможно построение 12-ти и 24-х пульсных схем выпрямления, которые используют последовательное и параллельное соединение схем при различном сочетании соединений (“звезда” или “треугольник”) вторичных обмоток трансформатора.

Коэффициент использования трансформатора для различных схем выпрямления при активной нагрузке

Аналогично рассмотренной схеме со средней точкой могут быть определены габаритная мощность и коэффициент использования трансформатора по мощности для любых схем выпрямления при чисто активной нагрузке :

Неисправности выпрямителя

Поскольку узел выпрямителя генератора состоит из нескольких полупроводниковых приборов, в 90% случаев защищен крышкой, для диагностики понадобятся электроприборы и частичная разборка генератора. Однако в некоторых случаях признаки неисправности диодного моста водитель может услышать:

  • при появлении пульсаций (в бортовую сеть подается переменное напряжение вместо постоянного) электродвигатели некоторых потребителей могут воспроизводить звуки по аналогии с динамиком;
  • чаще всего «пищит» привод стеклоподъемников и печки, причем тональность изменяется при изменении оборотов этих приборов, а не частоты вращения коленвала.

Во всех остальных случаях неисправности генератора автомобиля в узле выпрямителя диагностируются исключительно приборами. Для этого потребуется схема подключения диодного моста в конкретной модификации генератора, так как симптомы нарушения механической части полностью аналогичны поломке электрических деталей.

Диагностика поломок

Узел выпрямителя собирается по различным технологиям – часть деталей крепится механическим способом, мелкие диоды впаиваются в схему, крупногабаритные обычно запрессовываются. Поэтому потребоваться ремонт выпрямителя может, не только при выходе из строя полупроводниковых элементов, но и при некорректной их установке на «подкове» теплоотводящей пластины.

Методика диагностики выглядит следующим образом:

  • с генератора снимается задняя крышка для обеспечения доступа к диодам;
  • на пластину подается проводом «–» от АКБ, она прижимается к корпусу на генераторе, один провод лампы касается к диоду в месте присоединения статорной обмотки, второй – к «+» аккумулятора, при пробое лампочка загорится;
  • тестер выставляется в режим омметра на 1 кОм, если поменять местами щупы мультиметра, показания должны измениться с 0 на 400 – 800 Ом в разных направлениях.

Читать дальше: Заряжаю аккумулятор он кипит

В большинстве случаев горит диодный мост при проникновении влаги.

Как проверить диодный мост генератора

Протестировать блок на установленном или демонтированном генераторе. Для проведения процедуры понадобятся провода, омметр, но подойдет и обычная автомобильная лампочка.

Проверка диодного моста на машине

Перед тестированием снимите клемму «минус» с аккумуляторной батареи и отсоединить провода от генератора. Если используется мультиметр, переставьте его в режим омметра. Плюсовым щупом красного цвета прикоснитесь к выводу «30» генератора, минусовым – к металлическому корпусу генератора. Если выпрямительный блок исправен, показания прибора будут показывать бесконечно большое сопротивление. В противном случае диодный мост нужно заменить.

Вышеописанная проверка позволяет определить целостность моста в плане отсутствия короткого замыкания. На следующем этапе производится проверка элемента на пробой. Красным плюсовым щупом снова прикоснитесь к клемме «30» генератора, а минусовой – поочередно к болтам крепления моста (обычно они квадратные). Сопротивление должно быть бесконечно большим. Теперь поменяйте местами щупы: показания должны составлять 500-700 Ом. Проверять нужно по отдельности каждый диод, меняя полярность тестера!

Если нет измерительного прибора, воспользуйтесь автомобильной лампочкой на 12В. Тогда отсоедините все клеммы от аккумулятора и провода – от генератора. Сначала нужно протестировать весь мост целиком:

  • минус АКБ подключите к металлическому корпусу генератора;
  • возьмите подходящий провод и в его разрыв подсоедините (последовательно) лампочку;
  • второй конец провода от нее подключите к клемме «30» генератора;
  • свечение лампы говорит о неисправности моста.

Далее нужно протестировать каждый диод . Для этого минус закрепите на корпусе, а плюсом через лампу прикоснитесь к болту крепления диода. Её свечение говорит о пробое электронного компонента. Проверьте каждый из них. Далее «плюс» идущий от батареи, закрепите на клемме «30» генератора, а минусом поочередно касайтесь диодов. Если лампа в каком-либо случае загорелась, мост нужно менять. При необходимости проверки дополнительных диодов, оставьте «плюс» на клемме «30», а минус подключите к выводу «61»: светящаяся лампочка говорит о проблемах в выпрямительном блоке.

Проверка демонтированного выпрямительного блока

Снимите генератор и извлеките из него мост. Дальнейший ход действий:

  • установите тестер в положение омметра и включите (если она есть) звуковую индикацию;
  • минусовый щуп прибора соедините с центральной пластиной, а плюсовым щупом прикоснитесь к металлической жиле (это может быть плоская полоска металла или оголенный провод);
  • прибор покажет либо бесконечность, либо 500-700 Ом;
  • поменяйте полюсами щупы: показания должны измениться на противоположные;
  • если показания совпадают – диод неисправен;
  • проделайте эту процедуру с каждым электронным компонентом моста.

Проверка снятого моста с помощью лампы

Среди некоторых автолюбителей бытует мнение, что тестировать выпрямительный блок лучше под нагрузкой, используя автомобильную лампу мощностью в 21Вт. Для этого понадобится аккумулятор и провода, чтобы получилась несложная электрическая схема, в которой один провод присоединен к минусу АКБ, второй – через лампу (последовательно) к плюсу. Порядок проверки:

  1. Сначала стоит проверить выпрямительный блок на предмет замыкания между пластинами. Для этого прижмите положительный провод (его свободный конец) к верхней, а минусовый — к нижней пластине. Отсутствие свечения говорит, что замыкание отсутствует. Если сменить полярность подключения, лампа загорится.
  2. Теперь проверяются положительные элементы на пробой и обрыв. Положительный провод прижмите «крокодилом» к верхней пластине, минусовый – к каждой точке соединения диодов. При этом нужно менять полярность: при исправном элементе в одном случае лампа будет гореть, в другом – нет.
  3. То же самое делаем с отрицательной группой элементов. Но только здесь минусовый провод прикрепляем к нижней пластине.
  4. Остается проверить дополнительные диоды. Для этого плюсовый провод прикрепите к контакту «61», а минусовый по очереди к каждой точке соединения электронных компонентов. Меняйте полярность и следите, чтобы в одном случае лампа загоралась, в другом – нет. Если это так, диоды исправны.

Виды и характеристики

Современная промышленность выпускает различные по конструкции и характеристикам устройства. Все выпрямительные мосты разделяют на два вида: монолитные и наборные. Первые выполняются в цельном диэлектрическом корпусе, наподобие микросхемы, и имеют четыре вывода. Форма их корпуса может быть прямоугольной, квадратной, цилиндрической. При этом тип корпуса может быть также любым, например, SOT 23, MDI, SDIP, SMD.

На корпусе обычно подписываются полярные ноги символами + и —, соответствующие выходному сигналу. Входные же выводы могут не подписываться или обозначаться знаком тильды ~. Вторые же представляют собой четыре отдельных диода, запаянных по схеме моста, чаще всего в специально отведённые для них места на плате.

При работе выпрямительный мост может нагреваться, поэтому некоторые конструкции предполагают их совместное использование с радиатором. Как и любой электрический прибор, мост характеризуется рядом параметров:

  1. Наибольшее обратное напряжение, В — характеризуется максимальным значением напряжения, приложенного при обратном включении диодов, подача которого на прибор не приводит к его повреждению. Превышение этого значения вызывает пробой, то есть полупроводник превращается в проводник.
  2. Действующее напряжение, В — определяется среднеквадратичным значением амплитуды входного сигнала.
  3. Максимальный ток, А — это величина, определяющая наибольшую мощность, которую может потреблять нагрузка, подключённая к прибору.
  4. Максимальное падение напряжения, В — этот параметр обозначает потери мощности сигнала на элементе, то есть фактически характеризует эффективность прибора. Потери мощности связаны с активным внутренним сопротивлением устройства, на котором электрическая энергия преобразуется в тепловую.
  5. Интервал рабочих температур, С — обозначает диапазон, в котором характеристики устройства практически не изменяются.

Кроме этого, в зависимости от типа используемых диодов устройства могут быть высокочастотными и импульсными. Первые используются в цепях с высокочастотным электричеством. Диоды, на базе которых собирается конструкция, называются Шотки. В них вместо классического p-n перехода используется контакт металл-полупроводник. Вторые же являются обычными выпрямителями.

Резюме трехфазного выпрямления

В этой статье мы увидели, что трехфазное выпрямление — это процесс преобразования трехфазного источника переменного тока в пульсирующее постоянное напряжение, когда выпрямление преобразует входной источник питания синусоидального напряжения и частоты в постоянное напряжение постоянного тока. Таким образом, выпрямление мощности превращает переменный источник в однонаправленный источник.

Но мы также видели, что 3-фазные неконтролируемые полуволновые выпрямители, которые используют один диод на фазу, требуют подключения в виде звезды в качестве четвертого нейтрального (N) провода для замыкания цепи от нагрузки к источнику. Трехфазный двухполупериодный мостовой выпрямитель, который использует два диода на фазу, требует только трех линий электропередачи, без нейтрали, такой как та, которая обеспечивается питанием от треугольника.

Другим преимуществом двухполупериодного мостового выпрямителя является то, что ток нагрузки хорошо сбалансирован по мосту, что повышает эффективность (отношение выходной мощности постоянного тока к подводимой входной мощности) и снижает содержание пульсаций, как по амплитуде, так и по частоте, по сравнению с полуволновой конфигурацией.

Увеличивая количество фаз и диодов в конфигурации моста, можно получить более высокое среднее выходное напряжение постоянного тока с меньшей амплитудой пульсаций, как, например, при 6-фазном выпрямлении каждый диод будет проводить только одну шестую цикла. Кроме того, многофазные выпрямители производят более высокую частоту пульсаций, что означает меньшую емкостную фильтрацию и намного более плавное выходное напряжение. Таким образом, 6, 12, 15 и даже 24-фазные неконтролируемые выпрямители могут быть разработаны для улучшения коэффициента пульсации для различных применений.

Технология изготовления и конструкция выпрямительных диодов.

Конструкция выпрямительных диодов представляет собой одну пластину кристалла полупроводника, в объеме которой созданы две области разной проводимости, поэтому такие диоды называют плоскостными.

Технология изготовления таких диодов заключается в следующем:на поверхность кристалла полупроводника с электропроводностью n-типа расплавляют алюминий, индий или бор, а на поверхность кристалла с электропроводностью p-типа расплавляют фосфор.

Под действием высокой температуры эти вещества крепко сплавляются с кристаллом полупроводника. При этом атомы этих веществ проникают (диффундируют) в толщу кристалла, образуя в нем область с преобладанием электронной или дырочной электропроводностью. Таким образом получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности — а между ними p-n переход. Большинство распространенных плоскостных кремниевых и германиевых диодов изготавливают именно таким способом.

Для защиты от внешних воздействий и обеспечения надежного теплоотвода кристалл с p-n переходом монтируют в корпусе.Диоды малой мощности изготавливают в пластмассовом корпусе с гибкими внешними выводами, диоды средней мощности – в металлостеклянном корпусе с жесткими внешними выводами, а диоды большой мощности – в металлостеклянном или металлокерамическом корпусе, т.е. со стеклянным или керамическим изолятором. Пример выпрямительных диодов германиевого (малой мощности) и кремниевого (средней мощности) показан на рисунке ниже.

Кристаллы кремния или германия (3) с p-n переходом (4) припаиваются к кристаллодержателю (2), являющемуся одновременно основанием корпуса. К кристаллодержателю приваривается корпус (7) со стеклянным изолятором (6), через который проходит вывод одного из электродов (5).

Маломощные диоды, обладающие относительно малыми габаритами и весом, имеют гибкие выводы (1) с помощью которых они монтируются в схемах.У диодов средней мощности и мощных, рассчитанных на значительные токи, выводы (1) значительно мощнее. Нижняя часть таких диодов представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверхностью, предназначенное для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (радиатором).

Методика проверки диодного моста

Поскольку в электронике всё чаще применяются диодные мосты в одном корпусе, то встаёт вопрос о методике их проверки. Мне частенько задают вопрос: «Как проверить диодный мост?».

О проверке обычных диодов я уже рассказывал, но тему проверки диодных сборок как-то упустил из виду. Заполним этот пробел.

Для начала вспомним основные свойства диода и схему диодного моста (так называемую схему Гретца).

Как известно, диод пропускает ток только в одном направлении – это его основное свойство. Схема диодного моста по схеме Гретца приведена на рисунке.

К выводам со значком «~» подводится переменное напряжение, полярность подключения тут не важна. Проще говоря, два вывода «~», это вход переменного напряжения.

С выводов «+» и «—» снимается уже постоянное напряжение. На самом деле оно пульсирующее, но сейчас не об этом.

Иногда выводы для подключения переменного напряжения (~) маркируются также AC, что означает Alternating Current – в переводе с английского «переменный ток».

Итак, память освежили, теперь подумаем о том, как же нам проверить диодный мост мультиметром.

Для экспериментов возьмём диодную сборку RS407 на прямой ток 4 ампера и обратное напряжение 1000 вольт. Также нам потребуется любой цифровой мультиметр.

Включаем мультиметр в режим проверки диода. Обычно он совмещён с режимом «прозвонки» и обозначен на панели прибора символом диода.

Чтобы было более наглядно, нарисуем схему диодного моста на бумаге и будем ориентироваться на рисунок. Далее проверим диоды, которые на рисунке обозначены под номером 1 и 2. Для этого подключаем к минусовому выводу диодного моста плюсовой щуп мультиметра (красный). А минусовой щуп (чёрный) подключаем к выводам моста со значком «~» или аббревиатурой AC. Так как диода два, то проделываем эту операцию по очереди.

Так как в таком случае диоды будут включены в прямом (проводящем) направлении, то на дисплее мультиметра мы увидим числа вроде 0,562V (562 mV). Это падение напряжения на P-N переходе открытого диода. Его ещё называют пороговым, т.е. чтобы открыть диод, нужно превысить данное напряжение. В зарубежных даташитах этот параметр называется Forward Voltage или Forward Voltage Drop (сокращённо Vf), что в вольном переводе означает «падение напряжения в прямом включении».

Для кремниевых диодов пороговое напряжение (Vf) составляет 400…1000 mV.

Теперь подключаем чёрный щуп к другому выводу моста со значком «~» или сокращением AC. Результат должен быть аналогичный. Вот взгляните.

Как видим, этот диод также проводит ток в прямом включении, а величина порогового напряжения чуть-чуть отличается (566 mV), это нормально.

Чтобы 100% удостовериться в исправности диодов 1 и 2, проверим их при обратном включении. Для этого к минусовому выводу моста («—«) подключаем минусовой, чёрный щуп мультиметра, а красный плюсовой щуп поочерёдно подключаем к выводам, обозначенным символом «~».

Проверка одного диода…

…второго.

В обоих случаях на дисплее будет отображаться единица, что свидетельствует о высоком сопротивлении P-N перехода. В таком включении диоды ток не пропускают. Они исправны.

Итак, диоды под номером 1 и 2 мы проверили и убедились в том, что они пропускают ток в одном направлении.

Теперь проверяем другую часть моста — диоды 3 и 4. Для этого к плюсовому выводу моста подключаем минусовой щуп мультиметра и по очереди соединяем красный щуп мультиметра с выводами AC диодной сборки. Это будет проверка диодов при прямом включении.

Как видим, диоды 3 и 4 исправны. Для большей уверенности меняем щупы и проверяем их при обратном включении, аналогично тому, как это делали с диодами 1 и 2. В обоих случаях на дисплее должна быть единица.

Многим такая методика проверки может показаться сложной и нудной. Да, я бы назвал такую проверку «дотошной», но она очень эффективна, так как мы проверяем все диоды сборки по отдельности.

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.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации