Rectificació de díodes: mitja ona, ona completa, PIV

En electrònica, la rectificació és un procés en el qual un díode rectificador converteix un senyal d’entrada altern altern de cicle complet en un senyal de sortida de mig cicle continu.

Un únic díode produeix rectificació de mitja ona i una xarxa de 4 díodes produeix una rectificació d’ona completa

En aquest post analitzarem tant els processos de rectificació de díodes de mitja ona com d’ona completa, i altres propietats mitjançant funcions que varien el temps com l’ona sinusoïdal i l’ona quadrada. Significat, a través de tensions i corrents que canvien la seva magnitud i polaritat respecte al temps.

Considerarem que el díode és un díode ideal ignorant si es tracta d’un díode de silici o un germani, per minimitzar les complicacions en els càlculs. Considerarem que el díode és un díode rectificador estàndard amb capacitats de rectificació estàndard.

Rectificació de mitja ona

El diagrama més senzill que mostra un senyal variable en el temps aplicat a un díode es mostra al diagrama següent:

Aquí podem veure una forma d'ona de CA, on el període T significa un cicle complet de la forma d'ona, que és el valor mitjà o la suma algebraica de les porcions o les gepes per sobre i per sota de l'eix central.

Aquest tipus de circuit en el qual s’aplica un únic díode rectificador amb una entrada de senyal de CA sinusoidal variable en el temps per generar una sortida de CC que tingui un valor mitjà de l’entrada s’anomena rectificador de mitja ona . El díode es denomina rectificador en aquest circuit.

Durant el període comprès entre t = 0 → T / 2 de la forma d'ona de CA, la polaritat de la tensió vi crea una 'pressió' en la direcció tal com es mostra al diagrama següent. Això permet que el díode s'encengui i es condueixi amb una polaritat tal com s'indica just a sobre del símbol del díode.

Com que el díode es condueix completament, substituint el díode per un curtcircuit, es produirà una sortida tal com es mostra a la imatge superior dreta.

Sens dubte, la sortida generada sembla ser una replicació exacta del senyal d’entrada aplicat per sobre de l’eix central de la forma d’ona.

Durant el període T / 2 → T, la polaritat del senyal d’entrada vi esdevé negativa, cosa que fa que el díode s’apagui, donant lloc a un circuit obert equivalent a través dels terminals del díode. A causa d'això, la càrrega no pot fluir a través del recorregut del díode durant el període T / 2 → T, provocant que vo sigui:

vo = iR = 0R = 0 V (utilitzant la llei d'Ohm). La resposta es pot visualitzar al diagrama següent:

En aquest diagrama podem veure que la sortida de CC Vo del díode produeix una regió positiva mitjana neta per sobre de l’eix, per al cicle complet d’entrada, que es pot determinar mitjançant la fórmula:

Vdc = 0,318 Vm (mitja ona)

La tensió d'entrada vi i la sortida de vo durant el procés de rectificació de mitja ona del díode es presenta a la figura següent:

A partir dels diagrames i explicacions anteriors podem definir la rectificació de mitja ona com un procés en què la meitat del cicle d’entrada és eliminada pel díode a la seva sortida.

Utilització d’un díode de silici

Quan s’utilitza un díode de silici com a díode rectificador, atès que té una caiguda de tensió cap endavant característica de VT = 0,7 V, genera una regió de biaix cap endavant com es mostra a la figura següent:

El VT = 0,7 V significa que ara el senyal d’entrada ha de ser com a mínim de 0,7 V per assegurar que el díode s’encén correctament. En cas que l’entrada VT sigui inferior a 0,7 V, simplement fallaria en engegar el díode i el díode continuarà en mode de circuit obert, amb Vo = 0 V.

Tot i que el díode es condueix durant el procés de rectificació, genera una sortida de CC que porta un nivell de voltatge fix per a la diferència de tensió vo - vi, igual a la caiguda directa de 0,7 V. Es pot expressar aquest nivell fix amb la següent fórmula:

vo = vi - TV

Això produeix una reducció del voltatge mitjà de sortida per sobre de l'eix, provocant una lleugera reducció neta de la sortida rectificada del díode.

Referint-nos a la figura anterior, si considerem que el Vm (nivell de senyal de pic) és suficientment alt que el VT, de manera que Vm >> VT, podem avaluar el valor mitjà de sortida de CC del díode mitjançant la fórmula següent, amb força precisió.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Més exactament, si el pic de corrent altern d'entrada és prou superior a la VT (caiguda directa) del díode, simplement podem utilitzar la fórmula anterior per estimar la sortida de CC rectificada del díode:

Vdc = 0,318 Vm

Exemple resolt per a mitjà pont rectificador

Problema:

Avalueu la sortida vo i esbrineu la magnitud de CC de la sortida per al disseny del circuit que es mostra a continuació:

Solució: Per a la xarxa de circuits anterior, el díode s'encendrà per a la part negativa del senyal d'entrada i vo serà el que s'indica a l'esbós següent.

Durant el període complet del cicle d'entrada d'AC, la sortida de CC serà:

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

El signe negatiu indica la polaritat de la sortida de CC que és oposada al signe proporcionat al diagrama del problema.

Problema núm. 2: Resoleu el problema anterior considerant que el díode és un díode de silici.

En el cas d’un díode de silici, la forma d’ona de sortida seria així:

I la sortida de CC es pot calcular tal com s’explica a continuació:

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

La caiguda de la tensió CC de sortida a causa del factor 0,7 V és al voltant de 0,22 V o aproximadament un 3,5%

Rectificació d’ona completa

Quan s’utilitza un senyal sinusoïdal de CA com a entrada de rectificació, la sortida de CC es pot millorar fins al 100% mitjançant un procés de rectificació d’ona completa.

El procés més conegut i fàcil per aconseguir-ho és emprar un díode de 4 rectificador de pont xarxa com es mostra a continuació.

Quan el cicle d'entrada positiu progressa durant el període t = 0 a T / 2, la polaritat del senyal d'entrada d'entrada a través del díode i la sortida del díode es representen a continuació:

Aquí podem veure que, a causa de la disposició especial de la xarxa de díodes al pont, quan es duen a terme conductes D2, D3, els díodes oposats D1, D4 romanen polaritzats invertits i en estat apagat.

La sortida neta de CC generada a partir d’aquest procés de rectificació a través de D2, D3 es pot veure al diagrama anterior. Com que hem imaginat que els díodes eren ideals, la sortida és vo = vin.

Ara, també per al mig cicle negatiu dels senyals d'entrada els díodes D1, D4 i els díodes D2, D3 passen a un estat OFF, tal com es mostra a continuació:

Podem veure clarament que la sortida del rectificador de pont ha convertit tant el semicicle positiu com el negatiu de l’entrada CA en dos semicicles continu per sobre de l’eix central.

Com que aquesta regió per sobre de l'eix és ara dues vegades més que la regió obtinguda per a una rectificació de mitja ona, la sortida de CC també es convertirà en el doble de la magnitud, segons es calcula mitjançant la següent fórmula:

Vdc = 2 (0,318 Vm)

o bé

Vdc = 0,636 Vm (ona completa)

Tal com es mostra a la figura anterior, si en lloc d’un díode ideal s’utilitza un díode de silici, aplicar la llei de tensió de Kirchhoff sobre la línia de conducció ens donaria el resultat següent:

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

Per tant, el pic de tensió de sortida vo serà:

Vomax = Vm - 2VT

En una situació en què V >> 2VT, podem utilitzar la nostra equació anterior per obtenir el valor mitjà amb un grau de precisió raonablement alt:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Una vegada més, si tenim Vm significativament superior a 2VT, el 2VT es pot ignorar simplement i l'equació es pot resoldre com:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (pic de tensió inversa)

La tensió inversa de pic o la qualificació (PIV), que de vegades també s’anomena valor de tensió inversa de pic (PRV) d’un díode, es converteix en un paràmetre crucial en dissenyar circuits rectificadors.

Bàsicament és un rang de tensió de polarització inversa del díode que no s’ha de superar, en cas contrari el díode es pot trencar transitant a una regió anomenada regió d’allaus zener.

Si apliquem la llei de tensió de Kirchhoff a un circuit rectificador de mitja ona com es mostra a continuació, simplement explica que la qualificació PIV d’un díode ha de ser superior al valor màxim de l’entrada de subministrament utilitzada per a l’entrada del rectificador.

Per a un rectificador de pont complet també, el càlcul de la qualificació PIV és el mateix que el rectificador de mitja ona, és a dir:

PIV ≥ Vm, ja que Vm és el voltatge total que s’aplica a la càrrega connectada tal com es mostra a la figura següent.

Exemples resolts per a la xarxa de rectificadors de pont complet

Determineu la forma d'ona de sortida de la següent xarxa de díodes i calculeu també el nivell de CC de sortida i el PIV segur de cada díode de la xarxa.

Solució: per al semicicle positiu, el circuit es comportaria tal com es mostra al diagrama següent:

Podem redibuixar-ho de la següent manera per a una millor comprensió:

Aquí, vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (màxim) = 1/2 (10 V) = 5 V

Per al mig cicle negatiu, es pot intercanviar el paper de conducció dels díodes, que produirà una sortida vo com es mostra a continuació:

L'absència de dos díodes al pont resulta en la reducció de la sortida de CC amb una magnitud:

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

És el mateix que hauríem obtingut d’un rectificador de mig pont amb la mateixa entrada.

El PIV serà igual al voltatge màxim generat a través de R, que és de 5 V, o la meitat del necessari per a una mitja ona rectificada amb la mateixa entrada.