Диодный мост соединяет четыре диода так, чтобы ток через нагрузку проходил в одном направлении при обеих полуволнах переменного напряжения. В каждом полупериоде открыты два диода, а два других блокируют обратное напряжение.
Пиковое напряжение после моста оценивают так:
Vout_peak ≈ Vrms × √2 - 2 × VF
Без фильтра на выходе получается пульсирующее напряжение с удвоенной относительно сети частотой. Конденсатор заряжается возле вершин полуволн и питает нагрузку между ними, уменьшая пульсации. При этом ток через диоды перестаёт быть плавным и превращается в короткие зарядные импульсы.
Средний ток нагрузки нельзя напрямую считать пиковым током каждого диода. При выборе моста отдельно проверяют средний и действующий токи, IFSM, обратное напряжение, потери на двух одновременно проводящих переходах и охлаждение корпуса.
Формулы пульсаций и инструменты подбора собраны в разделе «Расчёт диодных цепей».
Полуволновое и двухполупериодное выпрямление
При полуволновом выпрямлении один диод пропускает только одну полуволну переменного напряжения. Во второй половине периода нагрузка от источника отключена. Мостовая схема использует обе полуволны и сохраняет одно направление тока через нагрузку.
| Свойство | Один диод | Диодный мост |
|---|---|---|
| Число используемых полуволн | Одна | Обе |
| Частота пульсаций при сети 50 Гц | 50 Гц | 100 Гц |
| Число проводящих диодов | Один | Два |
| Прямое падение в пути тока | Одно VF | Два VF |
| Использование трансформатора | Менее равномерное | Более полное |
| Количество диодов | Один | Четыре |
Удвоенная частота пульсаций позволяет получить тот же размах при меньшей ёмкости или уменьшить пульсации при той же ёмкости. Платой за это становятся два последовательных прямых падения.
В низковольтной схеме сумма двух VF может занимать заметную часть полезного напряжения. Для мощной нагрузки добавляется рассеяние тепла на двух одновременно открытых переходах. Поэтому преимущества мостовой схемы оценивают вместе с уровнем напряжения, током и типом диодов.
Схема со средней точкой трансформатора также даёт двухполупериодное выпрямление, но использует два диода и другую вторичную обмотку. Её нельзя рассчитывать как обычный четырёхдиодный мост.
Путь тока через диодный мост
У моста два входа переменного напряжения и два выхода постоянной полярности. В каждом полупериоде открывается своя диагональная пара диодов. Благодаря этому ток входит в нагрузку через вывод «+» и возвращается через вывод «-» независимо от полярности входной полуволны.
Последовательность для первой полуволны:
- Один вход переменного напряжения становится положительным относительно второго.
- Ток проходит через первый открытый диод к положительному выходу.
- После нагрузки ток проходит через второй открытый диод.
- Цепь замыкается через противоположный вход моста.
В следующую полуволну проводит другая пара, но направление тока в нагрузке сохраняется.
AC1 → диод → (+) → нагрузка → (-) → диод → AC2
AC2 → диод → (+) → нагрузка → (-) → диод → AC1
Если перепутать вход переменного напряжения с плюсом или минусом, мост не будет выполнять требуемое переключение и может создать короткое замыкание. Расположение выводов у круглых, плоских и SMD-мостов различается, поэтому обозначения сверяют с маркировкой корпуса и даташитом.
Напряжение на выходе моста
Действующее напряжение синусоидальной вторичной обмотки сначала переводят в пиковое:
Vpeak = Vrms × √2
Поскольку в каждом полупериоде проводят два диода, пиковое выходное напряжение без учёта нагрузки оценивают так:
Vout_peak ≈ Vpeak - VF1 - VF2
Для одинаковых диодов используют 2 × VF. Прямое падение берут при реальном токе зарядного импульса, а не автоматически принимают равным 0,7 В.
Без конденсатора напряжение на нагрузке повторяет модуль синусоиды. Среднее значение такой формы ниже пикового, а показание мультиметра зависит от режима измерения и характеристик прибора.
С конденсатором выход приближается к пиковому значению на холостом ходу, но снижается под нагрузкой из-за пульсаций, сопротивления обмотки, проводов, диодов и ESR конденсатора. Напряжение трансформатора также меняется между холостым ходом и номинальной нагрузкой.
Фильтрующий конденсатор и пульсации
Конденсатор после моста заряжается, когда мгновенное выпрямленное напряжение становится выше напряжения на его выводах. Между вершинами полуволн он отдаёт энергию нагрузке, поэтому выход постепенно снижается до следующего импульса зарядки.
Приближённый размах пульсаций для мостовой схемы:
ΔV ≈ Iload / (2 × fgrid × C)
Формула предполагает почти постоянный ток нагрузки и сравнительно небольшие пульсации. Она не учитывает сопротивление трансформатора, диодов и конденсатора.
Увеличение ёмкости уменьшает расчётный размах, но делает импульсы зарядки короче и выше. Это повышает действующий ток вторичной обмотки, нагрузку на диоды и требования к току пульсаций конденсатора.
Помимо ёмкости проверяют рабочее напряжение, ESR, допустимый ripple current, температуру и срок службы конденсатора. Напряжение выбирают с запасом относительно максимального выхода при повышенном сетевом напряжении и минимальной нагрузке.
Числовую оценку удобно выполнить калькулятором, но полученный результат остаётся приближением. Полная модель требует формы тока нагрузки и сопротивлений источника.
Зарядные импульсы и нагрузка на диоды
С фильтрующим конденсатором диоды проводят не весь полупериод. Они открываются возле вершины синусоиды, когда напряжение источника превышает напряжение конденсатора вместе с двумя прямыми падениями. Энергия, отданная нагрузке между вершинами, возвращается в конденсатор коротким импульсом.
Поэтому ток через диод характеризуется сразу несколькими значениями: средним, действующим, повторяющимся пиковым и пусковым IFSM. Средний ток нагрузки не показывает амплитуду зарядного импульса и нагрев перехода.
При первом включении разряженный конденсатор близок к короткому замыканию. Ток ограничивают сопротивление обмотки, проводов, диодов, ESR конденсатора и дополнительные элементы плавного пуска.
Для точного анализа используют осциллограмму тока или модель с сопротивлением источника. Затем проверяют IF(AV), IF(RMS), IFRM и IFSM по условиям даташита. Обозначения этих параметров разобраны на странице «Параметры диодов».
Выбор тока и обратного напряжения моста
Номинальный ток готового моста указывают для определённых температуры корпуса и способа охлаждения. Он не гарантируется автоматически при монтаже на небольшой плате без теплоотвода. Для дискретных диодов отдельно проверяют режим каждого перехода.
При выборе учитывают:
- максимальный продолжительный ток нагрузки;
- действующий и повторяющийся пиковый ток диодов;
- IFSM при зарядке конденсатора;
- максимальную температуру внутри устройства;
- способ отвода тепла от корпуса;
- пиковое обратное напряжение с переходными выбросами.
VRRM каждого диода должно превышать наибольшее обратное напряжение в выбранной топологии. К расчётному пику добавляют запас на изменение сети, регулирование трансформатора и коммутационные процессы. Универсального процента запаса для всех схем нет.
| Паспортный параметр | Что проверить в схеме |
|---|---|
| IF(AV) | Средний ток и условия охлаждения |
| IFSM | Форму и длительность пускового импульса |
| VRRM | Пиковое обратное напряжение и выбросы |
| VF | Потери при токе зарядного импульса |
| Tj и Rθ | Температуру перехода при реальном монтаже |
Калькулятор подбора моста даёт исходные ориентиры по току и напряжению, после чего результат сверяют с конкретным даташитом.
Потери и нагрев диодного моста
В каждом полупериоде ток проходит через два диода, поэтому потери проводимости моста предварительно оценивают так:
Pbridge ≈ 2 × VF × Iload
Формула подходит для грубой оценки при почти постоянном токе. С ёмкостным фильтром реальный ток импульсный, а VF возрастает вместе с его амплитудой. Точнее усреднять произведение мгновенных напряжения и тока на проводящей паре.
Тепло распределяется между четырьмя кристаллами и общим корпусом. В готовом мосте даташит может задавать тепловое сопротивление при установке на радиатор или плату определённой конструкции. Металлическая площадка корпуса иногда электрически связана с одним из выводов, что важно при креплении.
Температуру перехода оценивают по общей средней мощности и применимому тепловому сопротивлению. Если мост размещён рядом с трансформатором или конденсатором, температура окружающей среды для расчёта должна соответствовать этой зоне платы.
Снижение VF уменьшает потери, но переход на диоды Шоттки требует проверки обратного напряжения и утечки при максимальной температуре. Выбор технологии выполняют по всему режиму, а не только по прямому падению.
Неисправности и проверка диодного моста
Пробитый диод внутри моста может вызвать короткое замыкание источника, перегорание предохранителя или сильный нагрев. Обрыв одного перехода превращает двухполупериодное выпрямление в неполный режим, увеличивает пульсации и снижает напряжение под нагрузкой.
Перед проверкой отключают питание и разряжают фильтрующий конденсатор. Затем находят выводы «+», «-» и два входа переменного напряжения.
Каждый из четырёх переходов проверяют отдельно:
- Измеряют направление от каждого входа AC к положительному выходу.
- Меняют щупы местами и сравнивают обратное показание.
- Проверяют переходы от отрицательного выхода к обоим входам AC.
- Снова меняют полярность щупов.
- Сопоставляют четыре результата между собой.
У исправной однотипной сборки прямые показания близки, а обратные направления закрыты. Малое значение в обе стороны указывает на пробой перехода или внешнюю параллельную цепь. OL в обе стороны может означать обрыв либо недостаточное испытательное напряжение для необычной сборки.
Общий порядок безопасной диагностики приведён на странице «Как проверить диод».