Rectification de diode: demi-onde, pleine onde, PIV

En électronique, le redressement est un processus dans lequel une diode de redressement convertit un signal d'entrée alternatif alternatif à cycle complet en un signal de sortie CC à demi-cycle.

Une seule diode produit un redressement demi-onde et un réseau de 4 diodes produit un redressement pleine onde

Dans cet article, nous analyserons les processus de redressement de diodes demi-onde et pleine onde, ainsi que d'autres propriétés à travers des fonctions variant dans le temps comme l'onde sinusoïdale et l'onde carrée. C'est-à-dire à travers des tensions et des courants qui changent de grandeur et de polarité par rapport au temps.

Nous considérerons la diode comme une diode idéale en ignorant si c'est une diode au silicium ou un germanium, afin de minimiser les complications dans les calculs. Nous considérerons la diode comme une diode de redressement standard avec des capacités de redressement standard.

Rectification demi-onde

Le diagramme le plus simple montrant un signal variant dans le temps appliqué à une diode est présenté dans le diagramme suivant:

Ici, nous pouvons voir une forme d'onde AC, où la période T signifie un cycle complet de la forme d'onde, qui est la valeur moyenne ou la somme algébrique des parties ou des bosses au-dessus et en dessous de l'axe central.

Ce type de circuit dans lequel une seule diode de redressement est appliquée avec une entrée de signal alternatif sinusoïdal variant dans le temps pour générer une sortie CC ayant une valeur de la moitié de l'entrée s'appelle un redresseur demi-onde . La diode est appelée redresseur dans ce circuit.

Pendant la période entre t = 0 → T / 2 de la forme d'onde AC, la polarité de la tension vi crée une «pression» dans la direction illustrée dans le diagramme ci-dessous. Cela permet à la diode de s'allumer et de conduire avec une polarité comme indiqué juste au-dessus du symbole de la diode.

Étant donné que la diode est entièrement conductrice, la substitution de la diode par un court-circuit produira une sortie comme indiqué dans l'image ci-dessus à droite.

Sans aucun doute, la sortie générée semble être une réplication exacte du signal d'entrée appliqué au-dessus de l'axe central de la forme d'onde.

Pendant la période T / 2 → T, la polarité du signal d'entrée vi devient négative, ce qui provoque la désactivation de la diode, ce qui entraîne un circuit ouvert équivalent aux bornes de la diode. Pour cette raison, la charge ne peut pas circuler sur le chemin de la diode pendant la période T / 2 → T, ce qui fait que vo est:

vo = iR = 0R = 0 V (en utilisant la loi d'Ohm). La réponse peut être visualisée dans le diagramme suivant:

Dans ce diagramme, nous pouvons voir que la sortie CC Vo de la diode produit une région positive moyenne nette au-dessus de l'axe, pour le cycle complet d'entrée, qui peut être déterminée par la formule:

Vdc = 0,318 Vm (demi-onde)

Les tensions d'entrée vi et de sortie vo pendant le processus de redressement demi-onde de diode sont présentées dans la figure suivante:

À partir des schémas ci-dessus et de l'explication, nous pouvons définir le redressement demi-onde comme un processus dans lequel la moitié du cycle d'entrée est éliminée par la diode à sa sortie.

Utilisation d'une diode de silicium

Lorsqu'une diode au silicium est utilisée comme diode de redressement, puisqu'elle a une caractéristique de chute de tension directe de VT = 0,7 V, elle génère une région de polarisation directe comme le montre la figure suivante:

Le VT = 0,7 V signifie que maintenant le signal d'entrée doit être d'au moins 0,7 V pour garantir que la diode s'allume correctement. Dans le cas où l'entrée VT est inférieure à 0,7 V, la diode échouera simplement et la diode continuera à être en mode circuit ouvert, avec Vo = 0 V.

Alors que la diode conduit pendant le processus de redressement, elle génère une sortie CC qui transporte un niveau de tension fixe pour la différence de tension vo - vi, égal à la chute avant discutée ci-dessus de 0,7 V.Nous pouvons exprimer ce niveau fixe avec la formule suivante:

vo = vi - VT

Cela produit une réduction de la tension de sortie moyenne au-dessus de l'axe, provoquant une légère réduction nette de la sortie redressée de la diode.

En se référant à la figure ci-dessus, si nous considérons que le Vm (niveau de signal de crête) est suffisamment élevé que le VT, de sorte que Vm >> VT, nous pouvons évaluer la valeur de sortie CC moyenne de la diode en utilisant la formule suivante, assez précisément.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Plus précisément, si le pic d'entrée AC est suffisamment supérieur à VT (forward drop) de la diode, alors nous pouvons simplement utiliser la formule précédente pour estimer la sortie DC redressée de la diode:

Vdc = 0,318 Vm

Exemple résolu pour le redresseur en demi-pont

Problème:

Évaluez le vo de sortie et découvrez l'amplitude CC de la sortie pour la conception de circuit illustrée ci-dessous:

Solution: Pour le réseau de circuits ci-dessus, la diode s'allumera pour la partie négative du signal d'entrée, et vo sera comme indiqué dans le schéma suivant.

Pendant toute la période du cycle d'entrée CA, la sortie CC sera:

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

Le signe négatif indique la polarité de la sortie DC qui est opposée au signe fourni dans le schéma sous le problème.

Problème n ° 2: Résolvez le problème ci-dessus en considérant que la diode est une diode au silicium.

Dans le cas d'une diode au silicium, la forme d'onde de sortie ressemblerait à ceci:

Et la sortie DC peut être calculée comme expliqué ci-dessous:

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

La chute de la tension CC de sortie due au facteur 0,7 V est d'environ 0,22 V soit environ 3,5%

Rectification pleine onde

Lorsqu'un signal sinusoïdal CA est utilisé comme entrée pour le redressement, la sortie CC peut être améliorée à 100% en utilisant un processus de redressement pleine onde.

Le procédé le plus connu et le plus simple pour y parvenir consiste à utiliser une diode à 4 pont redresseur réseau comme indiqué ci-dessous.

Lorsque le cycle d'entrée positif progresse sur la période t = 0 à T / 2, la polarité du signal CA d'entrée à travers la diode et la sortie de la diode sont comme représenté ci-dessous:

Ici, nous pouvons voir qu'en raison de la disposition particulière du réseau de diodes dans le pont, lorsque D2, D3 conduisent, les diodes opposées D1, D4 restent polarisées en inverse et à l'état désactivé.

Le courant continu de sortie net généré par ce processus de redressement via D2, D3 peut être vu dans le diagramme ci-dessus. Puisque nous avons imaginé les diodes idéales, la sortie est vo = vin.

Maintenant, de même pour le demi-cycle négatif des diodes de signal d'entrée D1, D4 conduisent et les diodes D2, D3 passent dans un état OFF, comme illustré ci-dessous:

Nous pouvons clairement voir que la sortie du pont redresseur a converti les demi-cycles positifs et négatifs de l'entrée AC en deux demi-cycles DC au-dessus de l'axe central.

Étant donné que cette région au-dessus de l'axe est maintenant deux fois plus grande que la région obtenue pour un redressement demi-onde, la sortie DC deviendra également deux fois la magnitude, calculée à l'aide de la formule suivante:

Vdc = 2 (0,318 Vm)

ou

Vdc = 0,636 Vm (pleine onde)

Comme le montre la figure ci-dessus, si au lieu de la diode idéale une diode au silicium est utilisée, l'application de la loi de tension de Kirchhoff sur la ligne de conduction nous donnerait le résultat suivant:

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

Par conséquent, le pic de tension de sortie vo sera:

Vomax = Vm - 2VT

Dans une situation où V >> 2VT, nous pouvons utiliser notre équation précédente pour obtenir la valeur moyenne avec un degré de précision raisonnablement élevé:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Encore une fois, si nous avons Vm significativement plus élevé que 2VT, le 2VT peut être simplement ignoré, et l'équation peut être résolue comme suit:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (tension inverse de crête)

La tension inverse de crête ou la valeur nominale (PIV) qui est également parfois appelée valeur de tension inverse de crête (PRV) d'une diode devient un paramètre crucial lors de la conception de circuits redresseurs.

Il s'agit essentiellement d'une plage de tension de polarisation inverse de la diode qui ne doit pas être dépassée, sinon la diode peut se briser en transitant dans une région appelée région d'avalanche de Zener.

Si nous appliquons la loi de tension de Kirchhoff à un circuit redresseur demi-onde comme indiqué ci-dessous, cela explique simplement que la valeur PIV d'une diode doit être supérieure à la valeur de crête de l'entrée d'alimentation utilisée pour l'entrée du redresseur.

Pour un redresseur à pont complet également, le calcul de la valeur PIV est le même que celui du redresseur demi-onde, c'est-à-dire:

PIV ≥ Vm, puisque Vm est la tension totale appliquée à la charge connectée, comme illustré dans la figure suivante.

Exemples résolus pour un réseau de redresseurs en pont complet

Déterminez la forme d'onde de sortie pour le réseau de diodes suivant, et calculez également le niveau CC de sortie et le PIV de sécurité pour chaque diode du réseau.

Solution: pour le demi-cycle positif, le circuit se comporterait comme illustré dans le diagramme suivant:

Nous pouvons le redessiner de la manière suivante pour une meilleure compréhension:

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

Pour le demi-cycle négatif, le rôle de conduction des diodes peut être interchangé, ce qui produira une sortie vo comme indiqué ci-dessous:

L'absence de deux diodes dans le pont entraîne une réduction de la sortie CC d'une grandeur:

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

C'est tout à fait le même que nous aurions obtenu d'un redresseur en demi-pont avec la même entrée.

Le PIV sera égal à la tension maximale générée aux bornes de R, qui est de 5 V, ou la moitié de celle nécessaire pour une demi-onde redressée avec la même entrée.