Diyot Düzeltme: Yarım Dalga, Tam Dalga, PIV

Elektronikte, doğrultma, bir doğrultucu diyotun alternatif bir tam döngü AC giriş sinyalini yarım döngü DC çıkış sinyaline dönüştürdüğü bir işlemdir.

Tek bir diyot yarım dalga doğrultma üretir ve 4 diyottan oluşan bir ağ tam dalga doğrultma üretir

Bu yazıda hem yarım dalga hem de tam dalga diyot düzeltme işlemlerini ve diğer özellikleri sinüs dalgası ve kare dalga gibi zamanla değişen işlevler aracılığıyla analiz edeceğiz. Anlam, zamana göre büyüklüklerini ve polaritelerini değiştiren voltajlar ve akımlar aracılığıyla.

Hesaplamalardaki komplikasyonları en aza indirmek için diyotun silikon diyot mu yoksa Germanyum mu olduğunu görmezden gelerek ideal bir diyot olduğunu düşüneceğiz. Diyotu, standart düzeltme yeteneklerine sahip standart bir doğrultucu diyot olarak kabul edeceğiz.

Yarım Dalga Düzeltme

Bir diyota uygulanan zamanla değişen bir sinyali gösteren en basit şema aşağıdaki şemada gösterilmiştir:

Burada, T periyodunun dalga formunun bir tam döngüsünü ifade ettiği bir AC dalga formu görebiliriz; bu, merkez eksenin üstündeki ve altındaki kısımların veya tümseklerin ortalama değeri veya cebirsel toplamıdır.

Girişin yarısına sahip bir DC çıkışı oluşturmak için zamanla değişen sinüzoidal bir AC sinyal girişi ile tek bir doğrultucu diyotun uygulandığı bu tip devre yarım dalga doğrultucu denir . Diyot, bu devrede doğrultucu olarak adlandırılır.

AC dalga formunun t = 0 → T / 2 arasındaki süre boyunca, vi geriliminin polaritesi, aşağıdaki diyagramda gösterildiği gibi yönde bir 'basınç' oluşturur. Bu, diyotun AÇIK duruma geçmesine ve diyot sembolünün hemen üzerinde belirtildiği gibi bir polarite ile hareket etmesine izin verir.

Diyot tam olarak iletken olduğundan, diyotun kısa devre ile değiştirilmesi yukarıdaki sağ taraftaki resimde gösterildiği gibi bir çıktı üretecektir.

Kuşkusuz, üretilen çıktı, dalga biçiminin merkezi ekseninin üzerinde uygulanan giriş sinyalinin tam bir kopyası gibi görünmektedir.

T / 2 → T periyodu sırasında, giriş sinyali vi'nin polaritesi negatif hale gelir ve bu da diyotun KAPALI olmasına neden olarak diyot terminalleri boyunca açık devre eşdeğeriyle sonuçlanır. Bundan dolayı, şarj T / 2 → T periyodu sırasında diyot yolu boyunca akamaz ve bu da vo'nun şu şekilde olmasına neden olur:

vo = iR = 0R = 0 V (Ohm Yasasını kullanarak). Yanıt aşağıdaki diyagramda görselleştirilebilir:

Bu diyagramda, diyottan gelen Vo DC çıkışının, giriş tam çevrimi için eksenin üzerinde net bir ortalama pozitif bölge ürettiğini görebiliriz, bu aşağıdaki formülle belirlenebilir:

Vdc = 0,318 Vm (yarım dalga)

Diyot yarım dalga düzeltme işlemi sırasında giriş vi ve çıkış voltajları aşağıdaki şekilde sunulmuştur:

Yukarıdaki diyagramlardan ve açıklamalardan, yarım dalga doğrultusunu, giriş döngüsünün yarısının çıkışındaki diyot tarafından elimine edildiği bir süreç olarak tanımlayabiliriz.

Silikon Diyot Kullanımı

Doğrultucu diyot olarak bir silikon diyot kullanıldığında, VT = 0,7 V ileri voltaj düşüş karakteristiğine sahip olduğundan, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi bir ileri ön gerilim bölgesi oluşturur:

VT = 0,7 V, diyotun başarıyla AÇIK duruma gelmesini sağlamak için artık giriş sinyalinin en az 0,7 V olması gerektiği anlamına gelir. Giriş VT'nin 0,7 V'den düşük olması durumunda diyot AÇIK konuma getirilemeyecek ve diyot, Vo = 0 V ile açık devre modunda kalmaya devam edecektir.

Diyot, düzeltme işlemi sırasında iletirken, yukarıda tartışılan 0.7 V ileri düşüşe eşit, voltaj farkı vo - vi için sabit bir voltaj seviyesi taşıyan bir DC çıkışı üretir. Bu sabit seviyeyi aşağıdaki formülle ifade edebiliriz:

vo = vi - VT

Bu, eksenin üzerindeki ortalama çıkış voltajında ​​bir azalma sağlar ve diyottan gelen rektifiye edilmiş çıktıda hafif bir net azalmaya neden olur.

Yukarıdaki şekle bakarsak, Vm'nin (tepe sinyal seviyesi) VT'den yeterince yüksek olduğunu düşünürsek, öyle ki Vm >> VT, diyottan ortalama DC çıkış değerini aşağıdaki formülü kullanarak oldukça doğru bir şekilde değerlendirebiliriz.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Daha kesin olarak, giriş AC zirvesi diyotun VT'sinden (ileri düşüş) yeterince yüksekse, diyottan düzeltilmiş DC çıkışını tahmin etmek için basitçe önceki formülü kullanabiliriz:

Vdc = 0,318 Vm

Yarım Köprü Doğrultucu için Çözülmüş Örnek

Sorun:

Çıkış vo'yu değerlendirin ve aşağıda gösterilen devre tasarımı için çıkışın DC büyüklüğünü bulun:

Çözüm: Yukarıdaki devre ağı için, diyot, giriş sinyalinin negatif kısmı için AÇILACAK ve vo, aşağıdaki çizimde gösterildiği gibi olacaktır.

AC giriş döngüsünün tam süresi boyunca, DC çıkışı:

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

Negatif işaret, problemin altındaki diyagramda sağlanan işaretin karşısındaki DC çıkışının polaritesini gösterir.

Sorun 2: Diyotun silikon diyot olduğunu düşünerek yukarıdaki sorunu çözün.

Bir silikon diyot olması durumunda, çıkış dalga formu şöyle görünür:

Ve DC çıkışı aşağıda açıklandığı gibi hesaplanabilir:

Vdc ≅ - 0.318 (Vm - 0.7 V) = - 0.318 (19.3 V) ≅ - 6.14 V

0,7 V faktörüne bağlı olarak çıkış DC voltajındaki düşüş 0,22 V veya yaklaşık% 3,5'dir.

Tam Dalga Düzeltme

Düzeltme için giriş olarak bir AC sinüzoidal sinyal kullanıldığında, DC çıkışı tam dalga düzeltme işlemi kullanılarak% 100 seviyesine yükseltilebilir.

Bunu başarmak için en iyi bilinen ve kolay süreç 4 diyot kullanmaktır. köprü doğrultucu ağ aşağıda gösterildiği gibi.

Pozitif giriş döngüsü t = 0 ila T / 2 periyodu boyunca ilerlediğinde, diyot boyunca giriş AC sinyalinin polaritesi ve diyottan çıkan çıktı aşağıda gösterildiği gibidir:

Burada, köprüdeki diyot ağının özel düzenlemesi nedeniyle, D2, D3 hareket ettiğinde, karşıt diyotlar D1, D4'ün ters taraflı ve kapalı durumda kaldığını görebiliriz.

Bu düzeltme işleminden D2, D3 aracılığıyla üretilen net çıkış DC, yukarıdaki diyagramda görülebilir. Diyotların ideal olduğunu düşündüğümüz için çıktı vo = vin.

Şimdi, aynı şekilde, giriş sinyali diyotlarının D1, D4 iletimi ve D2, D3 diyotlarının negatif yarı döngüsü için aşağıda gösterildiği gibi KAPALI duruma geçer:

Köprü doğrultucusundan gelen çıktının, AC girişinin hem pozitif hem de negatif yarı döngülerini, merkezi eksenin üzerindeki iki DC yarı döngüsüne dönüştürdüğünü açıkça görebiliriz.

Eksenin üzerindeki bu bölge, yarım dalga düzeltmesi için elde edilen bölgeden şimdi iki kat daha fazla olduğundan, DC çıkışı da aşağıdaki formül kullanılarak hesaplandığı gibi, büyüklüğün iki katı olacaktır:

Vdc = 2 (0.318Vm)

veya

Vdc = 0.636Vm (tam dalga)

Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, ideal diyot yerine bir silikon diyot kullanılıyorsa, Kirchhoff'un gerilim yasasını iletim hattı üzerine uygulamak bize şu sonucu verecektir:

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

Bu nedenle, çıkış voltajı tepe noktası vo şöyle olacaktır:

Vomax = Vm - 2VT

V >> 2VT'nin olduğu bir durumda, ortalama değeri makul derecede yüksek bir hassasiyetle elde etmek için önceki denklemimizi kullanabiliriz:

Vdc ≅ - 0.636 (Vm - 2VT),

Yine, 2VT'den önemli ölçüde daha yüksek Vm'ye sahipsek, 2VT basitçe göz ardı edilebilir ve denklem şu şekilde çözülebilir:

Vdc ≅ - 0.636 (Vm)

PIV (Tepe Ters Gerilimi)

Ters tepe gerilimi veya bazen bir diyotun tepe ters gerilim (PRV) derecesi olarak da adlandırılan (PIV) derecesi, doğrultucu devreleri tasarlarken çok önemli bir parametre haline gelir.

Temelde aşılmaması gereken diyotun ters ön gerilim aralığıdır, aksi takdirde diyot zener çığ bölgesi denen bir bölgeye geçerek bozulabilir.

Kirchhoff'un voltaj yasasını aşağıda gösterildiği gibi bir yarım dalga doğrultucu devresine uygularsak, basitçe bir diyotun PIV derecesinin doğrultucu girişi için kullanılan besleme girişinin tepe değerinden daha yüksek olması gerektiğini açıklar.

Tam bir köprü doğrultucu için de, PIV derecelendirme hesaplaması yarım dalga doğrultucu ile aynıdır, yani:

PIV ≥ Vm, çünkü Vm, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi bağlı yüke uygulanan toplam voltajdır.

Tam Köprü Doğrultucu Ağı için Çözülmüş Örnekler

Aşağıdaki diyot ağı için çıkış dalga formunu belirleyin ve ayrıca ağdaki her diyot için çıkış DC seviyesini ve güvenli PIV'i hesaplayın.

Çözüm: Pozitif yarı döngü için, devre aşağıdaki diyagramda gösterildiği gibi davranacaktır:

Daha iyi anlamak için bunu aşağıdaki şekilde yeniden çizebiliriz:

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

Negatif yarı döngü için, diyotların iletim rolü değiştirilebilir ve bu, aşağıda gösterildiği gibi bir çıkış sesi üretecektir:

Köprüde iki diyotun bulunmaması, DC çıkışında bir büyüklükte azalma ile sonuçlanır:

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

Bu, aynı girişe sahip bir yarım köprü doğrultucudan elde ettiğimizle tamamen aynıdır.

PIV, 5 V olan R boyunca üretilen maksimum voltaja veya aynı girişle rektifiye edilmiş yarım dalga için gerekli olanın yarısına eşit olacaktır.