ダイオード整流:半波、全波、PIV

ダイオード整流:半波、全波、PIV

電子機器では、整流は、整流ダイオードが交流フルサイクルAC入力信号をハーフサイクルDC出力信号に変換するプロセスです。



単一のダイオードは半波整流を生成し、4つのダイオードのネットワークは全波整流を生成します

この投稿では、半波と全波の両方のダイオード整流プロセス、および正弦波や方形波などの時変関数によるその他の特性を分析します。つまり、時間に対して大きさと極性が変化する電圧と電流を介して。





計算の複雑さを最小限に抑えるために、シリコンダイオードかゲルマニウムかを無視して、ダイオードを理想的なダイオードと見なします。このダイオードは、標準的な整流能力を備えた標準的な整流ダイオードと見なされます。

半波整流

ダイオードに適用される時変信号を示す最も単純な図を次の図に示します。



ここでは、AC波形を見ることができます。ここで、周期Tは、波形の1サイクル全体を表します。これは、中心軸の上下の部分またはこぶの平均値または代数和です。

このタイプの回路では、単一の整流ダイオードに時間変化する正弦波AC信号入力を適用して、入力の半分の値を持つDC出力を生成します。 半波整流器と呼ばれます 。この回路では、ダイオードは整流器と呼ばれます。

AC波形のt = 0→T / 2の間の期間中、電圧viの極性により、下の図に示す方向に「圧力」が発生します。これにより、ダイオードがオンになり、ダイオード記号のすぐ上に示されている極性で導通することができます。

ダイオード伝導領域(0→T / 2)。

ダイオードは完全に導通しているため、ダイオードを短絡回路に置き換えると、上の右側の画像に示すような出力が生成されます。

間違いなく、生成された出力は、波形の中心軸の上に適用された入力信号の正確な複製であるように見えます。

T / 2→Tの期間中、入力信号viの極性が負になり、ダイオードがオフになり、ダイオード端子間で等価な開回路が発生します。このため、T / 2→Tの期間中、電荷はダイオードパスを横切って流れることができず、voは次のようになります。

vo = iR = 0R = 0 V(オームの法則を使用)。応答は次の図で視覚化できます。

この図では、ダイオードからのDC出力Voが、入力の全サイクルに対して、軸の上に正味の平均正の領域を生成していることがわかります。これは、次の式で決定できます。

Vdc = 0.318 Vm(半波)

ダイオード半波整流プロセス中の入力viおよび出力vo電圧を次の図に示します。

上記の図と説明から、半波整流は、入力サイクルの半分が出力のダイオードによって除去されるプロセスとして定義できます。

シリコンダイオードの使用

シリコンダイオードを整流ダイオードとして使用すると、順方向電圧降下特性がVT = 0.7 Vであるため、次の図に示すように順方向バイアス領域が生成されます。

VT = 0.7 Vは、ダイオードが正常にオンになるように、入力信号が少なくとも0.7Vでなければならないことを意味します。入力VTが0.7V未満の場合、ダイオードのスイッチをオンにできないだけで、ダイオードはVo = 0Vの開回路モードのままになります。

ダイオードは整流プロセス中に導通しますが、電圧差vo --viの固定電圧レベルを運ぶDC出力を生成します。これは、前述の0.7Vの順方向降下に等しくなります。この固定レベルは次の式で表すことができます。

vo = vi-VT

これにより、軸の上の平均出力電圧が低下し、ダイオードからの整流出力がわずかに正味減少します。

上の図を参照すると、Vm(ピーク信号レベル)がVTよりも十分に高く、Vm >> VTであると考えると、次の式を使用してダイオードからの平均DC出力値を非常に正確に評価できます。

Vdc≅0.318(Vm-VT)

より正確には、入力ACピークがダイオードのVT(順方向降下)よりも十分に高い場合、前の式を使用して、ダイオードからの整流されたDC出力を推定できます。

Vdc = 0.318 Vm

ハーフブリッジ整流器の解決例

問題:

出力voを評価し、以下に示す回路設計の出力のDC振幅を見つけます。

解決: 上記の回路ネットワークでは、入力信号の負の部分でダイオードがオンになり、voは次のスケッチに示すようになります。

入力ACサイクルの全期間で、DC出力は次のようになります。

Vdc = 0.318Vm = --0.318(20 V)= -6.36 V

負の符号は、問題の下の図に示されている符号と反対の出力DCの極性を示します。

問題#2: ダイオードをシリコンダイオードと考えて、上記の問題を解決してください。

シリコンダイオードの場合、出力波形は次のようになります。

また、出力DCは、以下で説明するように計算できます。

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

0.7 V係数による出力DC電圧の低下は、約0.22Vまたは約3.5%です。

全波整流

AC正弦波信号を整流の入力として使用する場合、全波整流プロセスを使用してDC出力を100%レベルに改善できます。

これを達成するための最もよく知られた簡単なプロセスは、4ダイオードを使用することです。 ブリッジ整流器 以下に示すようなネットワーク。

4つのダイオードを使用したフルブリッジ整流器ネットワーク

正の入力サイクルがt = 0からT / 2の期間にわたって進行する場合、ダイオードの両端の入力AC信号とダイオードからの出力の極性は次のようになります。

ここでは、ブリッジ内のダイオードネットワークの特別な配置により、D2、D3が導通すると、反対側のダイオードD1、D4が逆バイアスされたままでスイッチオフ状態になっていることがわかります。

この整流プロセスからD2、D3を介して生成された正味出力DCは、上の図に示されています。ダイオードが理想的であると想像したので、出力はvo = vinです。

ここで、同様に、入力信号の負の半サイクルについて、ダイオードD1、D4が導通し、ダイオードD2、D3が以下に示すようにオフ状態になります。

ブリッジ整流器からの出力が、入力ACの正と負の両方の半サイクルを中心軸の上の2つのDC半サイクルに変換したことがはっきりとわかります。

軸の上のこの領域は、半波整流で得られた領域の2倍になるため、次の式を使用して計算すると、出力DCも2倍の大きさになります。

Vdc = 2(0.318Vm)

または

Vdc = 0.636Vm(全波)

上の図に示されているように、理想ダイオードの代わりにシリコンダイオードを使用する場合、伝導線にキルヒホッフの電圧法則を適用すると、次の結果が得られます。

vi-VT-vo-VT = 0、およびvo = vi-2VT、

したがって、出力電圧のピークvoは次のようになります。

Vomax = Vm-2VT

V >> 2VTの状況では、前の式を使用して、適度に高い精度で平均値を取得できます。

Vdc≅-0.636(Vm-2VT)、

また、Vmが2VTよりも大幅に高い場合、2VTは単純に無視でき、方程式は次のように解くことができます。

Vdc≅-0.636(Vm)

PIV(ピーク逆電圧)

ダイオードのピーク逆電圧(PRV)定格とも呼ばれるピーク逆電圧または(PIV)定格は、整流回路を設計する際の重要なパラメータになります。

これは基本的にダイオードの逆バイアス電圧範囲であり、超えてはなりません。超えない場合、ダイオードはツェナーアバランシェ領域と呼ばれる領域に移行してブレークダウンする可能性があります。

以下に示すように、キルヒホッフの電圧法則を半波整流回路に適用すると、ダイオードのPIV定格は、整流器入力に使用される電源入力のピーク値よりも高くなければならないことを簡単に説明します。

フルブリッジ整流器の場合も、PIV定格の計算は、半波整流器と同じです。

次の図に示すように、Vmは接続された負荷に印加される合計電圧であるため、PIV≥Vm。

フルブリッジ整流器ネットワークの解決例

次のダイオードネットワークの出力波形を決定し、ネットワーク内の各ダイオードの出力DCレベルと安全なPIVも計算します。

解決策:正の半サイクルの場合、回路は次の図に示すように動作します。

理解を深めるために、次の方法でこれを再描画できます。

ここで、vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi(最大)= 1/2(10 V)= 5 V

負の半サイクルの場合、ダイオードの導通の役割を交換できます。これにより、以下に示すような出力voが生成されます。

ブリッジに2つのダイオードがないため、DC出力が次のように減少します。

Vdc = 0.636(5 V)= 3.18 V

これは、同じ入力のハーフブリッジ整流器から得られるものとまったく同じです。

PIVは、Rの両端に生成される最大電圧である5 Vに等しくなります。これは、同じ入力で整流された半波に必要な電圧の半分です。




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