Введение

Диодный мост – это схема, состоящая из четырех диодов, используемая для преобразования переменного тока (AC) на входных клеммах в постоянный ток (DC, то есть с фиксированной полярностью) на выходных клеммах. Его функция заключается в преобразовании отрицательных полуволн переменного тока в положительные, после чего для сглаживания результата в постоянный ток может быть использован фильтр нижних частот. При использовании в наиболее распространенном применении – для преобразования переменного тока (AC) во постоянный ток (DC) – он известен как мостовой выпрямитель. Мостовой выпрямитель обеспечивает выпрямление полной волны от двухпроводного источника переменного тока, что позволяет снизить стоимость и вес по сравнению с выпрямителем, использующим трехпроводной источник от трансформатора с центральным отводом вторичной обмотки. До появления интегральных схем мостовой выпрямитель собирался из отдельных диодов. Начиная примерно с 1950 года, стал доступен единый четырехвыводный компонент, содержащий четыре диода, соединенных в мостовой конфигурации, и теперь выпускается с различными характеристиками по напряжению и току. Диоды также используются в мостовых схемах вместе с конденсаторами в качестве умножителей напряжения.

История

Диодный мостовой выпрямитель был изобретен Каролем Поллаком и запатентован в декабре 1895 года в Великобритании и в январе 1896 года в Германии. В 1897 году Лео Грац независимо изобрел и опубликовал аналогичную схему. Сегодня эта схема иногда называется "выпрямителем Граца" или "мостом Граца".

Поток тока

Согласно общепринятой модели направления тока, впервые предложенной Бенджамином Франклином и до сих пор используемой большинством инженеров, ток течет по электрическим проводникам от положительного к отрицательному полюсу (это направление считается положительным). Фактически, свободные электроны в проводнике почти всегда движутся от отрицательного к положительному полюсу. Однако в подавляющем большинстве случаев фактическое направление движения тока не имеет значения. Поэтому в дальнейшем обсуждении мы будем придерживаться общепринятой модели. Фундаментальной характеристикой диода является то, что ток может протекать через него только в одном направлении, которое называется прямым. Диодный мост использует диоды как последовательные элементы для пропускания тока в прямом направлении во время положительной полуволны переменного тока и как шунтирующие элементы для перенаправления тока, текущего в обратном направлении во время отрицательной полуволны, на противоположные шины.

Ректификатор

На диаграммах ниже, когда вход, подключенный к левому углу ромба, положителен, а вход, подключенный к правому углу, отрицателен, ток течет от верхнего полюса питания вправо по красному (положительному) пути к выходу и возвращается к нижнему полюсу питания через синий (отрицательный) путь. Когда вход, подключенный к левому углу, отрицателен, а вход, подключенный к правому углу, положителен, ток течет от нижнего полюса питания вправо по красному (положительному) пути к выходу и возвращается к верхнему полюсу питания через синий (отрицательный) путь. В каждом случае верхний правый выход остается положительным, а нижний правый выход отрицательным. Поскольку это верно как для переменного, так и для постоянного тока, эта схема не только преобразует переменный ток в постоянный, но и обеспечивает защиту от обратной полярности; то есть, она позволяет оборудованию, питаемому от постоянного тока, нормально функционировать при обратной установке батарей или при перепутанных проводах от источника постоянного тока, и защищает оборудование от потенциального повреждения, вызванного обратной полярностью. Альтернативой диодному мосту являются трансформатор с центральным отводом и двухдиодный выпрямитель, а также выпрямитель, удваивающий напряжение, использующий два диода и два конденсатора в мостовой схеме.

Схемы сглаживания

При подаче переменного тока на вход, выход диодного моста (который в данном случае называют полноволновым выпрямителем; существует также полуволновое выпрямление, не использующее диодный мост) представляет собой поляризованное пульсирующее несинусоидальное напряжение той же амплитуды, но с частотой, вдвое превышающей входную. Его можно рассматривать как напряжение постоянного тока, на которое наложена значительная пульсация. Этот вид электроэнергии не очень эффективен, поскольку пульсации рассеиваются в виде тепла в компонентах цепи постоянного тока и могут вызывать шум или искажения при работе схемы. Поэтому за почти всеми выпрямителями следует последовательность полосовых или режекторных фильтров и/или стабилизатора напряжения для преобразования большей части или всей пульсации в более стабильное и, возможно, более высокое напряжение постоянного тока. Фильтр может быть таким же простым, как один достаточно большой конденсатор или дроссель, но большинство фильтров блоков питания содержат несколько последовательно и параллельно соединенных компонентов. Когда пульсация напряжения возрастает, реактивная мощность накапливается в компонентах фильтра, снижая напряжение; когда пульсация напряжения уменьшается, реактивная мощность отдается компонентами фильтра, повышая напряжение. Заключительной стадией выпрямления может быть стабилизатор напряжения на основе диода Зенера, который практически полностью устраняет остаточную пульсацию.

Полифазные диодные мосты

Диодный мост может быть обобщен для выпрямления многофазного переменного тока. Например, для трехфазного переменного тока полуволновой выпрямитель состоит из трех диодов, а полноволновой мостовой выпрямитель – из шести диодов. Полуволновой выпрямитель можно рассматривать как соединение «звезда», поскольку он возвращает ток через центральный (нейтральный) провод. Полноволновой выпрямитель больше похож на соединение «треугольник», хотя его можно подключить к трехфазному источнику как со схемой «звезда», так и со схемой «треугольник», и он не использует центральный (нейтральный) провод.