Een diodebruggelijkrichter is een circuit dat wisselstroom verandert in DC met behulp van vier diodes die in een brug zijn geplaatst. Het werkt tijdens zowel positieve als negatieve cycli, waardoor het efficiënter is dan halfgolftypes. In dit artikel worden de functies, uitgangsspanningen, selectie, efficiëntie, gebruik van transformatoren, rimpelregeling en toepassingen in detail uitgelegd.
CC4. Diodebrug selectie en beoordelingen
De Gelijkrichter van de diodebrug
Een diodebruggelijkrichter is een circuit dat wisselstroom (AC) omzet in gelijkstroom (DC). Het maakt gebruik van vier diodes die in een speciale vorm zijn gerangschikt, een brug genaamd. Het doel van deze opstelling is om ervoor te zorgen dat de elektrische stroom altijd in één richting door de belasting beweegt.
In wisselstroom verandert de stroom vele malen per seconde van richting. Een bruggelijkrichter werkt tijdens zowel het positieve als het negatieve deel van deze cyclus. Dit maakt het efficiënter dan een halvegolfgelijkrichter, die slechts gedurende de helft van de cyclus werkt. Het resultaat is een gestage stroom gelijkstroom die elektronische apparaten kunnen gebruiken.
Hoofdfunctie van de gelijkrichter van de diodebrug
Tijdens de positieve halve cyclus van de AC-ingang geleiden twee van de diodes en laten ze stroom door de belasting lopen. Wanneer de ingang overschakelt naar de negatieve halve cyclus, gaan de andere twee diodes aan en leiden de stroom in dezelfde richting door de belasting. Deze afwisselende geleiding zorgt ervoor dat de belasting altijd stroom ontvangt die in één richting stroomt, wat resulteert in een pulserende DC-uitgang. Wanneer een condensator of filter aan het circuit wordt toegevoegd, wordt de pulserende DC afgevlakt, waardoor een stabielere en continue DC-spanning wordt geproduceerd.
Uitgangsspanningen van de diodebrug
Gemiddelde DC-uitgang
De gemiddelde DC-uitgangsspanning, weergegeven door de formule
is de gemiddelde spanning gemeten over de belasting na rectificatie. Het geeft het effectieve DC-niveau van de pulserende output weer en helpt te beschrijven hoeveel bruikbare gelijkstroom het circuit produceert uit een wisselingang.
RMS-waarde
De RMS-spanning (Root Mean Square) wordt berekend met behulp van de formule
RMS is een methode voor het bepalen van de equivalente constante spanning die hetzelfde vermogen levert als de AC-golfvorm. Het biedt een realistischer inzicht in het verwarmingseffect of het vermogen van het gerectificeerde signaal, omdat het weergeeft hoeveel energie het signaal in de loop van de tijd aan een belasting kan leveren.
Effectieve DC met diodedruppels
In praktische schakelingen zijn echte diodes niet perfect en introduceren ze spanningsdalingen. De effectieve DC-output rekening houdend met deze dalingen kan worden uitgedrukt als
Elk geleidend pad in de brug omvat twee diodes, en beide dragen bij aan een spanningsval die de werkelijke DC-output vermindert.
• Voor siliciumdiodes, Vf ≈ 0,7 V
• Voor Schottky-diodes, Vf ≈ 0,3 V
Dit vermindert de werkelijke DC-output in vergelijking met het ideale geval.
Diodebrug selectie en beoordelingen
Factoren voor diodeselectie
• Forward Current Rating (If): De continue stroom van de diode moet de maximale DC-belastingsstroom overschrijden. Kies altijd met een marge van 25-50% voor veiligheid.
• Overspanningsstroom (Ifsm): Bij het opstarten, vooral bij het opladen van grote filtercondensatoren, krijgt de diode te maken met inschakelpieken die meerdere keren hoger zijn dan de constante stroom. Een hoge Ifsm-classificatie zorgt ervoor dat de diode niet faalt onder deze pulsen.
• Peak Inverse Voltage (PIV): Elke diode moet bestand zijn tegen de maximale AC-piek wanneer deze omgekeerd wordt voorgevormd. Een algemene regel is om PIV ten minste 2-3 keer de RMS-ingangswisselspanning te selecteren.
• Voorwaartse spanningsval (Vf): Lagere Vf betekent minder vermogensverlies en verwarming. Schottky-diodes hebben een zeer lage Vf maar meestal lagere PIV-limieten, terwijl siliciumdiodes standaard zijn voor hoogspanningstoepassingen.
Veelgebruikte diodes voor bruggelijkrichters
| Diode / Module | Huidige beoordeling | Piekspanning |
|---|---|---|
| 1N4007 | 1 EEN | 1000 V |
| 1N5408 | 3 EEN | 1000 V |
| KBPC3510 | 35 EEN | 1000 V |
| Schottky (1N5819) | 1 EEN | 40 V |
Diodebrugefficiëntie en thermisch beheer
Bronnen van verliezen
In een vollegolfbrug stroomt de stroom door twee diodes tegelijk. Elke druppel is meestal 0,6-0,7 V voor siliciumdiodes of 0,2-0,4 V voor Schottky-typen. Het totale vermogen dat als warmte verloren gaat, kan worden berekend:
Als de warmte niet wordt beheerd, stijgt de temperatuur van de junctie, wat de diodeslijtage versnelt en tot catastrofaal falen kan leiden.
Strategieën voor thermisch beheer
• Gebruik apparaten met een lage Vf: Schottky-diodes verlagen met name het geleidingsverlies. Snel herstellende diodes zijn beter voor hoogfrequente gelijkspelers.
• Warmteafvoermethoden: Bevestig diodes of brugmodules aan koellichamen. Kies bruggelijkrichters met een metalen behuizing en ingebouwde thermische paden. Zorg voor voldoende PCB-koper rond diodepads.
• Koeling op systeemniveau: Ontwerp voor luchtstroom en ventilatie in behuizingen. Bewaak de bedrijfstemperatuur ten opzichte van de deratingcurves.
Gebruik van diodebrug en transformator
Volledig gebruik van de wikkeling
In een gelijkrichter met centrale aftakking geleidt slechts de helft van de secundaire wikkeling tijdens elke halve cyclus, waardoor de andere helft ongebruikt blijft. Een diodebrug daarentegen gebruikt de volledige secundaire wikkeling tijdens beide halve cycli, wat zorgt voor een volledig gebruik van de transformator en een hoger rendement.
Geen centrale kraan nodig
Een groot voordeel van de bruggelijkrichter is dat er geen transformator met centrale tap nodig is. Dit vereenvoudigt de constructie van transformatoren. Vermindert het koperverbruik en de kosten. Maakt de gelijkrichter meer geschikt voor compacte voedingen.
Gebruiksfactor transformator (TUF)
De Transformer Utilization Factor (TUF) meet hoe effectief de classificatie van de transformator wordt gebruikt:
| Type gelijkrichter | TUF-waarde |
|---|---|
| Midden-Tap Full-Wave | 0,693 |
| Brug gelijkrichter | 0,812 |
Diode Bridge Rimpeling en afvlakking
Aard van Ripple
Wanneer wisselstroom door een bruggelijkrichter gaat, worden zowel de positieve als de negatieve helften gelijkgericht, wat resulteert in een continue output. De spanning stijgt en daalt nog steeds bij elke halve cyclus, waardoor een rimpeling ontstaat in plaats van een perfect vlakke gelijkstroomlijn. De rimpelfrequentie is tweemaal de AC-ingangsfrequentie:
• 50 Hz netspanning → 100 Hz rimpel
• 60 Hz netspanning → 120 Hz rimpel
Vergelijking van rimpelfactoren
| Type gelijkrichter | Rimpelfactor (γ) |
|---|---|
| Half-golf gelijkrichter | 1,21 |
| Midden-Tap Full-Wave | 0,482 |
| Brug gelijkrichter | 0,482 |
Gladstrijken met filters
| Soort filter | Beschrijving | Functie |
|---|---|---|
| Condensator Filter | Een grote elektrolytische condensator is aangesloten over de belasting. | Laadt op tijdens spanningspieken en ontlaadt tijdens dips, waardoor de gerectificeerde golfvorm wordt afgevlakt. |
| RC- of LC-filters | RC-filter maakt gebruik van een weerstand-condensator; LC-filter maakt gebruik van een inductor-condensator. | RC voegt eenvoudige afvlakking toe; LC gaat effectief om met hogere stromen met een betere rimpelreductie. |
| Regelaars | Kan lineair of schakelend zijn. | Biedt een stabiele DC-uitgang, waardoor een constante spanning behouden blijft, ongeacht variaties in de belasting. |
Diodebrugvarianten en toepassingen
| Soort | Voordelen | nadelen |
|---|---|---|
| Standaard diodebrug | Eenvoudig ontwerp, goedkoop en veel gebruikt. | Hoger voorwaarts spanningsverlies (\~1,4 V totaal met siliciumdiodes). |
| De Brug van Schottky | Zeer lage voorwaartse spanningsval (\~0,3–0,5 V per diode), hoge schakelsnelheid. | Lagere sperspanning ( ≤ 100 V). |
| Synchrone brug (gebaseerd op MOSFET) | Ultrahoog rendement met minimale geleidingsverliezen, geschikt voor ontwerpen met hoge stroomsterkte. | Er zijn complexere besturingscircuits nodig en de kosten van de componenten zijn hoger. |
| SCR/Gecontroleerde Brug | Maakt fasehoekregeling van de uitgangsspanning mogelijk en ondersteunt een grote belastbaarheid. | Heeft externe triggercircuits nodig en kan harmonische vervorming introduceren. |
Problemen met diodebruggen, testen en probleemoplossing
Veelvoorkomende valkuilen
• Verkeerde diodeoriëntatie - veroorzaakt geen uitgang of zelfs een directe kortsluiting naar de transformator.
• Ondermaats condensatorfilter - resulteert in hoge rimpel en onstabiele DC-output.
• Oververhitte diodes - treden op wanneer de stroomclassificatie of warmteafvoer onvoldoende is.
• Slechte PCB-lay-out - lange sporen en onvoldoende koperoppervlak verhogen de weerstand en verwarming.
Hulpmiddelen voor probleemoplossing
• Multimeter (diodetestmodus): Meet voorwaartse daling (~0,6-0,7 V voor silicium, ~0,3 V voor Schottky) en bevestigt blokkering in omgekeerde richting.
• Oscilloscoop: Visualiseert rimpelinhoud, piekspanning en golfvormvervorming bij de belasting.
• IR-thermometer of thermische camera: Detecteert overmatige verhitting van diodes, condensatoren of sporen onder belasting.
• LCR-meter: Meet de waarde van de filtercondensator om te controleren of deze in de loop van de tijd degradatie is.
Diode Bridge Toepassingen
Voedingen
Gebruikt in AC-naar-DC-voedingen voor radio's, tv's, versterkers en apparaten met filtercondensatoren en regelaars.
Acculaders
Toegepast in autoladers, omvormers, UPS en noodverlichting om gecontroleerde gelijkstroom voor batterijen te bieden.
LED-stuurprogramma's
Converteer wisselstroom naar gelijkstroom voor LED-lampen, panelen en straatverlichting, waardoor flikkeringen worden verminderd met condensatoren en stuurprogramma's.
Motorische besturing
Zorg voor gelijkstroom voor ventilatoren, kleine motoren, HVAC en industriële controllers om een soepele werking te garanderen.
Conclusie
De diodebruggelijkrichter is een betrouwbare manier om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. Door de volledige AC-cyclus te gebruiken en de noodzaak van een centrale aftakking te vermijden, levert hij stabiele gelijkstroom. Met de juiste diodekeuze, warmteregeling en filtering zorgt het voor efficiënte prestaties in voedingen, opladers, verlichtingssystemen en motorbesturing.
Veelgestelde vragen [FAQ]
Wat is het verschil tussen eenfasige en driefasige bruggelijkrichters?
Enkelfasig gebruikt 4 diodes voor één AC-ingang; driefasig maakt gebruik van 6 diodes met drie ingangen, wat zorgt voor een vloeiendere gelijkstroom en minder rimpel.
Kan een bruggelijkrichter werken zonder transformator?
Ja, maar het is onveilig omdat de DC-uitgang niet geïsoleerd is van het lichtnet.
Wat gebeurt er als een diode in een bruggelijkrichter uitvalt?
Een kortgesloten diode kan zekeringen doorslaan of de transformator beschadigen; Een open diode zorgt ervoor dat het circuit zich gedraagt als een halvegolfgelijkrichter met een hoge rimpel.
Wat is de maximale frequentie die een diodebrug aankan?
Standaarddiodes werken tot enkele kHz; Schottky- of fast-recovery-diodes verwerken tientallen tot honderden kHz.
Kunnen bruggelijkrichters parallel worden geschakeld voor meer stroom?
Ja, maar ze hebben balanceringsmethoden nodig, zoals serieweerstanden; Anders kan de stroom ongelijkmatig vloeien en de diodes oververhitten.