Rettifica diodi: semionda, onda intera, PIV

In elettronica, la rettifica è un processo in cui un diodo raddrizzatore converte un segnale di ingresso CA alternato a ciclo completo in un segnale di uscita CC a mezzo ciclo.

Un singolo diodo produce una rettifica a semionda e una rete di 4 diodi produce una rettifica a onda intera

In questo post analizzeremo i processi di rettifica dei diodi sia a mezza onda che a onda intera e altre proprietà attraverso funzioni variabili nel tempo come l'onda sinusoidale e l'onda quadra. Significa, attraverso tensioni e correnti che cambiano la loro grandezza e polarità rispetto al tempo.

Considereremo il diodo un diodo ideale ignorando se si tratta di un diodo al silicio o di un germanio, per ridurre al minimo le complicazioni nei calcoli. Considereremo il diodo come un diodo raddrizzatore standard con capacità di rettifica standard.

Rettifica a semionda

Il diagramma più semplice che mostra un segnale variabile nel tempo applicato a un diodo è mostrato nel diagramma seguente:

Qui possiamo vedere una forma d'onda AC, dove il periodo T indica un ciclo completo della forma d'onda, che è il valore medio o la somma algebrica delle porzioni o delle gobbe sopra e sotto l'asse centrale.

Questo tipo di circuito in cui viene applicato un singolo diodo raddrizzatore con un ingresso di segnale CA sinusoidale variabile nel tempo per generare un'uscita CC avente un valore metà dell'ingresso è chiamato raddrizzatore a semionda . Il diodo è indicato come il raddrizzatore in questo circuito.

Durante il periodo tra t = 0 → T / 2 della forma d'onda CA, la polarità della tensione vi crea una 'pressione' nella direzione come illustrato nel diagramma sottostante. Ciò consente al diodo di accendersi e condurre con una polarità come indicato appena sopra il simbolo del diodo.

Poiché il diodo conduce completamente, la sostituzione del diodo con un cortocircuito produrrà un'uscita come mostrato nell'immagine in alto a destra.

Senza dubbio, l'uscita generata sembra essere una replica esatta del segnale di ingresso applicato sopra l'asse centrale della forma d'onda.

Durante il periodo T / 2 → T, la polarità del segnale di ingresso vi diventa negativa, il che provoca lo spegnimento del diodo, risultando in un circuito aperto equivalente ai terminali del diodo. Per questo motivo la carica non è in grado di fluire attraverso il percorso del diodo durante il periodo T / 2 → T, causando che vo sia:

vo = iR = 0R = 0 V (usando la legge di Ohm). La risposta può essere visualizzata nel diagramma seguente:

In questo diagramma possiamo vedere che l'uscita DC Vo dal diodo produce una regione positiva netta media sopra l'asse, per il ciclo completo di ingresso, che può essere determinata dalla formula:

Vdc = 0,318 Vm (semionda)

Le tensioni di ingresso vi e di uscita vo durante il processo di rettifica a semionda del diodo sono presentate nella figura seguente:

Dai diagrammi e dalle spiegazioni precedenti possiamo definire la rettifica a semionda come un processo in cui metà del ciclo di ingresso viene eliminata dal diodo alla sua uscita.

Utilizzando un diodo al silicio

Quando un diodo al silicio viene utilizzato come diodo raddrizzatore, poiché ha una caratteristica di caduta di tensione diretta di VT = 0,7 V, genera una regione di polarizzazione diretta come mostrato nella figura seguente:

VT = 0,7 V significa che ora il segnale di ingresso deve essere almeno 0,7 V per garantire che il diodo si accenda correttamente. Nel caso in cui il TV in ingresso sia inferiore a 0,7 V, semplicemente non si accenderà il diodo e il diodo continuerà a essere nella sua modalità a circuito aperto, con Vo = 0 V.

Mentre il diodo conduce durante il processo di rettifica, genera un'uscita CC che trasporta un livello di tensione fisso per la differenza di tensione vo - vi, uguale alla caduta diretta di 0,7 V. sopra discussa. Possiamo esprimere questo livello fisso con la seguente formula:

vo = vi - VT

Ciò produce una riduzione della tensione di uscita media sopra l'asse, provocando una leggera riduzione netta dell'uscita rettificata dal diodo.

Facendo riferimento alla figura sopra, se consideriamo il Vm (livello del segnale di picco) adeguatamente alto del VT, in modo tale che Vm >> VT, possiamo valutare il valore medio di uscita DC dal diodo usando la seguente formula, abbastanza accuratamente.

Vcc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Più precisamente, se il picco CA in ingresso è sufficientemente superiore a VT (caduta diretta) del diodo, possiamo semplicemente utilizzare la formula precedente per stimare l'uscita CC rettificata dal diodo:

Vdc = 0,318 Vm

Esempio risolto per Half Bridge Rectifier

Problema:

Valutare l'uscita vo e scoprire l'ampiezza CC dell'uscita per il progetto del circuito mostrato di seguito:

Soluzione: Per la rete di circuiti sopra, il diodo si accenderà per la parte negativa del segnale di ingresso e vo sarà come indicato nel disegno seguente.

Per l'intero periodo del ciclo CA in ingresso, l'uscita CC sarà:

Vcc = 0,318 Vm = - 0,318 (20 V) = - 6,36 V

Il segno negativo indica la polarità dell'uscita DC che è opposta al segno fornito nello schema sotto il problema.

Problema n. 2: Risolvi il problema di cui sopra considerando il diodo come un diodo al silicio.

In caso di un diodo al silicio, la forma d'onda di uscita sarebbe simile a questa:

E la CC in uscita può essere calcolata come spiegato di seguito:

Vcc ≅ - 0,318 (Vm - 0,7 V) = - 0,318 (19,3 V) ≅ - 6,14 V

La caduta della tensione CC in uscita dovuta al fattore 0,7 V è di circa 0,22 V o circa 3,5%

Rettifica a onda intera

Quando un segnale sinusoidale CA viene utilizzato come ingresso per la rettifica, l'uscita CC può essere migliorata al 100% utilizzando un processo di rettifica a onda intera.

Il processo più noto e facile per ottenere questo risultato è l'utilizzo di un 4 diodi raddrizzatore a ponte rete come mostrato di seguito.

Quando il ciclo di ingresso positivo progredisce attraverso il periodo da t = 0 a T / 2, la polarità del segnale CA in ingresso attraverso il diodo e l'uscita dal diodo sono rappresentate di seguito:

Qui, possiamo vedere che a causa della speciale disposizione della rete di diodi nel ponte, quando D2, D3 conducono, i diodi opposti D1, D4 rimangono polarizzati invertiti e nello stato OFF.

L'output DC netto generato da questo processo di rettifica attraverso D2, D3 può essere visto nel diagramma sopra. Poiché abbiamo immaginato che i diodi siano ideali, l'uscita è vo = vin.

Ora, allo stesso modo per il semiciclo negativo dei diodi del segnale di ingresso D1, condotta D4 e diodi D2, D3 vanno in uno stato OFF, come illustrato di seguito:

Possiamo vedere chiaramente che l'uscita dal raddrizzatore a ponte ha convertito entrambi i semicicli positivi e negativi dell'ingresso AC in due semicicli DC sopra l'asse centrale.

Poiché questa regione sopra l'asse è ora due volte più della regione ottenuta per una rettifica a semionda, anche la CC in uscita diventerà il doppio della grandezza, calcolata utilizzando la seguente formula:

Vcc = 2 (0,318 Vm)

o

Vdc = 0.636Vm (onda intera)

Come illustrato nella figura sopra, se invece del diodo ideale viene utilizzato un diodo al silicio, l'applicazione della legge di tensione di Kirchhoff sulla linea di conduzione ci darebbe il seguente risultato:

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

Pertanto, il picco della tensione di uscita vo sarà:

Vomax = Vm - 2VT

In una situazione in cui V >> 2VT, possiamo usare la nostra precedente equazione per ottenere il valore medio con un grado di precisione ragionevolmente alto:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Ancora una volta, se abbiamo Vm significativamente superiore a 2VT, il 2VT può essere semplicemente ignorato e l'equazione può essere risolta come:

Vcc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (tensione inversa di picco)

La tensione inversa di picco o il valore (PIV), che a volte è anche chiamato il valore di tensione inversa di picco (PRV) di un diodo, diventa un parametro cruciale durante la progettazione dei circuiti raddrizzatori.

È fondamentalmente un intervallo di tensione di polarizzazione inversa del diodo che non deve essere superato, altrimenti il ​​diodo potrebbe rompersi transitando in una regione chiamata regione di valanga zener.

Se applichiamo la legge della tensione di Kirchhoff a un circuito raddrizzatore a semionda come mostrato di seguito, si spiega semplicemente che il valore PIV di un diodo deve essere superiore al valore di picco dell'ingresso di alimentazione utilizzato per l'ingresso del raddrizzatore.

Anche per un raddrizzatore a ponte intero, il calcolo del rating PIV è lo stesso del raddrizzatore a semionda, ovvero:

PIV ≥ Vm, poiché Vm è la tensione totale applicata al carico collegato come illustrato nella figura seguente.

Esempi risolti per rete completa di raddrizzatori a ponte

Determina la forma d'onda di uscita per la seguente rete di diodi e calcola anche il livello CC in uscita e il PIV sicuro per ciascun diodo nella rete.

Soluzione: per il semiciclo positivo, il circuito si comporterebbe come illustrato nel diagramma seguente:

Possiamo ridisegnarlo nel modo seguente per una migliore comprensione:

Qui, vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (max) = 1/2 (10 V) = 5 V

Per il mezzo ciclo negativo, il ruolo di conduzione dei diodi può essere scambiato, il che produrrà un'uscita vo come mostrato di seguito:

L'assenza di due diodi nel ponte comporta la riduzione dell'uscita DC con una grandezza:

Vcc = 0,636 (5 V) = 3,18 V

Questo è più o meno lo stesso che avremmo ottenuto da un raddrizzatore a mezzo ponte con lo stesso ingresso.

Il PIV sarà uguale alla tensione massima generata su R, che è 5 V, o metà di quella necessaria per una semionda rettificata con lo stesso ingresso.