Brückengleichrichter: 4 Dioden vs. Single-Chip?

Ich kann nicht glauben, dass ich den ganzen Mist über Dioden geschrieben habe ...

MUR860 wird in der Tat besser klingen, aber die Erklärung ist etwas subtil:

Siliziumdioden schalten nicht sofort ab. Wenn die Spannung an der Diode negativ wird, fließt noch kurzzeitig Strom in Sperrrichtung, bis die in der Diode gespeicherten Ladungen gelöscht sind. Wenn dies geschehen ist, schaltet die Diode aus.

Verschiedene Dioden haben sehr unterschiedliche Erholungseigenschaften, wie in diesem Oszilloskopdiagramm gezeigt:

( Quelle )

Der Strom wird tatsächlich für eine Zeit, die als "Erholungszeit" bezeichnet wird, negativ (die "falsche" Richtung für eine Diode). Der rote braucht länger.

In einem DC-DC-Wandler ist es entscheidend, eine Diode zu haben, die schnell abschaltet. Stellen Sie sich vor, Sie verwenden den guten alten 1N4001 mit seiner Erholungszeit trr = 30 µs in einem DC-DC-Wandler, der mit 200 kHz (Zykluszeit 5 µs) läuft. Es hätte nicht einmal Zeit zum Abschalten. Es würde überhaupt nicht funktionieren. Aus diesem Grund verwenden DC-DC-Wandler viel schnellere Dioden.

Nun zurück zu Ihren Audio-Sachen. Überprüfen Sie die roten und violetten Spuren oben, Sie werden feststellen, dass die rote länger dauert, aber den Strom sanft abschaltet. Der violette schaltet sehr scharf ab, mit großem di/dt (4 Ampere in etwa 10 ns). Bei einem 50-Hz-Gleichrichter passiert das nicht, der Strom hat keine Zeit, in Ampere zu fließen, bevor die Diode abschaltet, nur wenige mA. Aber Sie bekommen die Idee.

Sobald die Diode ausgeschaltet ist, ist sie jetzt ein Kondensator. Welche Induktivität auch immer in den Leiterbahnen, Drähten usw. vorhanden ist, sie bildet damit einen LC-Schwingkreis und klingelt.

Der Umfang des Klingelns hängt von der Abschaltschärfe und dem Strom ab, bei dem das Abschalten auftritt. Fast-Soft-Recovery-Dioden erzeugen weniger Nachschwingen.

Nun ist dieses Klingeln normalerweise mit einer ziemlich hohen Frequenz. Auch das scharfe di/dt beim Abschalten erzeugt Breitband-HF-Rauschen. Dies koppelt in nahe gelegene Schaltkreise und fügt empfindlichen Signalen alle Arten von Rauschen und Müll hinzu. Dies ist keine Audiophoolerie, sondern nur Ingenieurskunst.

Allerdings ist MUR860 teuer, sodass Sie billige Dioden mit langsamer schlechter Erholung verwenden können, wenn Sie sie mit Kappen versehen, um die Ausschaltrauschspitze zu absorbieren. Jeder netzbetriebene AM/FM-Tuner tut dies ebenso wie die meisten Consumer-Audiogeräte. Die Hersteller werden kein Teil einbauen, es sei denn, es wird benötigt! Alles ist kostenoptimiert. Aber ohne die Kappen würde der Tuner vom Rauschen überwältigt werden und das Radio nicht empfangen.

Sie können dann einen Snubber auf der Sekundärseite des Transformators hinzufügen, um das LC-Klingeln zu dämpfen.

Frage: Gibt es Vorteile bei der Verwendung separater Dioden gegenüber einem einzelnen Brückengleichrichter-Chip?

Der Vorteil ist, dass Sie zwischen Fast-Soft-Recovery oder Schottky-Dioden wählen können. Gekapselte Diodenbrücken bestehen normalerweise aus ultralangsamen Dioden.

und wenn nicht, warum scheint es so beliebt zu sein?

Weil es funktioniert. Beachten Sie, dass 4 Kapseln zu je 3 Cent genauso gut funktionieren, aber der Prahlerei-Faktor geringer ist. Schnelle Dioden sind sexier und erzielen mehr Schlangenölpunkte.

EDIT , eine alte Scope-Spur von meiner Festplatte ... BYV27-150 billige schnelle Dioden, kleiner 12V 10VA-Transformator.

Blau ist Transformator sekundär. Der flache obere Teil ist, wenn die Diode eingeschaltet ist, der Versorgungskondensator aufgeladen wird und die Spannung auf der Sekundärseite des Transformators aufgrund seines internen Wicklungswiderstands begrenzt. Die blaue Spur macht einen Schritt nach unten, wenn die Diode ausschaltet. Es ist sehr offensichtlich, es fällt um 1 V, kann es nicht übersehen!

Beachten Sie, dass die Diode nur an der Spitze der Sinuswelle ausschaltet, wenn die Last keinen Strom zieht. Wenn die Last Strom zieht, was normalerweise der Fall ist, schaltet die Diode nach der Spitze ab.

Jetzt schaue ich mir das gerne durch einen Hochpassfilter an (gelbe Spur unten). Die Amplitude wird gedämpft, da der Hochpassfilter eine winzige Kappe von etwa 100 pF verwenden muss, sonst würde er das, was ich beobachten möchte, dämpfen, sodass die Eingangskapazität des Oszilloskops damit interagiert. Aber die allgemeine Form des Signals sollte in Ordnung sein. Beachten Sie eine unangenehme scharfe Spitze, gefolgt von einem HF-Klingeln. Höhere Qrr-Dioden wie 1N4001 wären viel schlimmer.

BEARBEITEN 2

Ich habe einen alten Verstärker restauriert, die Elkos von 1979 gewechselt ... und dieser Verstärker hat keine Kappen über der Diodenbrücke. Wahrscheinlich, weil es keinen AM-Tuner hat. Wie auch immer, der Weg, dies zu tun, besteht darin, die Oszilloskopsonde auf den Isolator eines der Sekundärdrähte des Transformators zu kleben. Es muss kein Kontakt hergestellt werden (außer offensichtlich die Sonde erden). Dieser Müll wird durch die Isolierung des Drahtes und in die Oszilloskopsonde gekoppelt.

Das ist eine Gleichrichter-Wiederherstellungsspitze. Leider erscheint es auf den Transformatordrähten als Gleichtakt, was bedeutet, dass die gesamte Sekundärwicklung als Antenne fungiert und die Spitzen kapazitiv in nahegelegene Schaltkreise koppelt. Hochohmiges Zeug wie der Lautstärkeregler ist ein erstklassiges Opfer.

Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum dieser Verstärker einen Transformator hat, der in einem Metallgehäuse abgeschirmt ist. Es wäre meiner Meinung nach billiger gewesen, Kappen über die Dioden zu legen ...

Jetzt kann natürlich auch die Sekundärspannung gemessen werden, indem die Sonde auf die Leiterplattenklemmen geklebt wird:

Es hat das übliche Aussehen: flache Oberseite, dann eine Spitze und ein sofortiger Abfall um einige Volt, wenn die Diode ausschaltet. Auf die Spitze zoomen:

Die sekundären Transformatordrähte haben also 22-Volt-Spitzen (!!!!) mit einer ziemlich schnellen Anstiegszeit von 2 µs.

Das Problem ist nicht, dass die Dioden für eine ordnungsgemäße Gleichrichtung zu langsam sind (offensichtlich funktioniert die Gleichrichtung einwandfrei). Das Problem tritt auf, wenn diese Spikes in eine empfindliche Schaltung einkoppeln. Dies ist schwer zu vermeiden, da sie als Gleichtakt auf den Transformatordrähten erscheinen.

NOCH EIN BEARBEITEN

Wenn das Oszilloskop nicht mit dem Simulator übereinstimmt, könnte einer oder beide falsch sein, aber es hilft immer, die reale Schaltung zu modellieren (dh die Transformatorinduktivität zu berücksichtigen) und die Simulationsparameter zu beobachten ...

Dies funktioniert wie erwartet. Aufgrund der Transformatorinduktivität (Strom eilt der Spannung nach) schaltet sich die Diode etwas später aus, als durch den visuellen Vergleich der Leerlaufspannung des Transformators (schwarz) und der Kondensatorspannung (grün) zu erwarten wäre. Eine perfekte Diode würde im selben Moment auch abschalten, dann würde die Transformator-Sekundärspannung wieder auf ihren unbelasteten Wert zurückschnappen. Das ist normal.

Was die Erholung hinzufügt, ist eine winzige Zeitspanne, in der der Diodenstrom negativ wird. Wenn also die Diode sperrt, ist der Induktorstrom nicht Null, sondern einige mA. Das ist nicht viel, denn 50Hz ist sehr langsam.

Wenn sich die Diode jedoch ausschaltet, ist der Induktor groß genug, um eine scharfe negative Spannungsspitze zu erzeugen, die ein Überschwingen in dem durch die Induktivität und die Kapazität der Diode gebildeten LC-Schwingkreis verursacht, was ein EMI-Problem darstellt.

Im wirklichen Leben ist das Klingeln viel kürzer als hier gezeigt, weil die Induktivität bei hohen Frequenzen viele Verluste hat. Hier klingelt es bei ca. 1MHz.

Die Verwendung schnellerer Dioden (niedriger Qrr) führt dazu, dass sie bei einem niedrigeren negativen Strom abschalten, wodurch die zum Anregen des Klingelns verfügbare Energiemenge reduziert wird. Soft-Recovery-Dioden erzeugen einen glatteren Stromschritt, der den gleichen Effekt hat. Hier arbeiten Fast/Soft-Recovery-Dioden, um EMI-Probleme zu reduzieren. Eine billigere Lösung besteht jedoch darin, nur Kappen über die Dioden zu legen. Es funktioniert genauso gut.

Red Trace ist ohne Kappen und ohne Dämpfer. Es klingelt mit 1 MHz. Das Hinzufügen einer 10-nF-Kappe über der Diode senkt die Klingelfrequenz auf 100 kHz (grün), was kein Problem mehr darstellt, es glättet auch die Kanten, sodass das EMI-Problem behoben ist. Blau ist mit hinzugefügtem Dämpfer (R3/C3). Viel sauberer, aber nicht unbedingt notwendig. Transformatoreisenverluste würden es sowieso meistens dämpfen.

Zusammenfassung: Superschnelle Dioden verursachen weniger Rauschen, aber das liegt nur an einem subtilen Nebeneffekt: Sie lassen weniger Strom (und Energie) in der Induktivität aufbauen, bevor sie abschalten, an welchem ​​Punkt die in der Induktivität gespeicherte Energie in ein Klingeln umgewandelt wird. Das Aufnehmen der Induktorenergie in einem Kondensator und das Ableiten in einem Überspannungsschutzwiderstand ist genauso gut, tatsächlich funktioniert es für weniger Geld besser ... was bedeutet, dass es keinen wirklichen Kosten-Nutzen-Gewinn für teure superschnelle Dioden gibt. Aber sie funktionieren. Sie sind einfach nicht die optimale Lösung.

Fast immer ist der von Ihnen gezeigte Brückengleichrichtertyp nicht billiger als einzelne Dioden und enthält dieselben Dioden, die Sie möglicherweise in einer diskreten Brücke verwenden. Die geformten Einheiten sind:
1. Typischerweise eine einzelne Schraubbefestigung, um die physische Montage zu erleichtern, wo keine Leiterplatte vorhanden ist.
2. Einfachere Montage auf einem Kühlkörper in einem Aluminiumgehäuse (die größeren Größen) und Sie können Tab-Verbindungen für eine einfache physische Verkabelung haben. 3. Typischerweise für den Einsatz unter 400 Hz

Der TO220 und dergleichen enthalten drahtgebondete und ungekapselte diskrete Dioden. Diese Formfaktoren sind viel einfacher zu handhaben (sowohl menschliche als auch maschinelle Montage)

Der MUR860 ist jedoch KEIN Brückengleichrichter und wird wahrscheinlich nicht in den gleichen Anwendungen verwendet, in denen vergossene Brückengleichrichter verwendet werden. Dies ist ein Hochgeschwindigkeits-Diodenpaar, das in Schaltnetzteilen verwendet wird, und ein relativ spezialisiertes Gerät.

Wenn Sie sich die Leistung von Gleichrichtern ansehen, die bei 50/60 Hz arbeiten, können Sie den Schaltungssimulator CircuitLab verwenden.

Hier ist ein einfacher Halbwellengleichrichter mit einer 1N4001-Diode. Dies hat eine sehr schlechte Reverse-Recovery-Zeit, ist aber bei 50/60 Hz belanglos. Ich habe der Wechselstromquelle einen gewissen Serienwiderstand hinzugefügt, da er in diesem Simulator nicht Teil des Quellenelements ist.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Wenn Sie die Simulation ausführen, werden Sie sehen, dass kein Rückwärtserholungsstrom zu sehen ist. Dies liegt daran, dass bei 50/60 Hz die Änderungsrate der Spannungsquelle sehr gering ist, sodass jegliche in der Verbindungsstelle gespeicherte Energie leicht dissipiert wird.

Die Geschichte ändert sich jedoch, wenn Sie die Frequenz erhöhen, und bei nur 1 kHz wird die Sperrverzögerungszeit ein Faktor. Wenn Sie die Kurven untersuchen, sehen Sie, dass I(RR) etwa 130 mA beträgt.

Wenn wir noch weiter bis 20 kHz gehen, können Sie sehen, dass die Diode sowohl durch die Sperrschichtladungsspeicherung als auch durch die Sperrverzögerungszeit ernsthaft beeinträchtigt wird.

Während Reverse-Recovery-Zeiten also bei hohen Frequenzen ein ernstes Problem darstellen, sind sie es bei 50/60 Hz nicht. Dies liegt vor allem daran, dass die Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dv/dt) bei niedrigen Frequenzen sehr viel geringer ist.

Könnten Sie Dioden mit schneller Wiederherstellung in eine 50/60-Hz-Gleichrichteranwendung einbauen, das können Sie sicher. Würden Sie eine Verbesserung sehen ... sehr, sehr zweifelhaft.

Ich würde jeden herausfordern, einen guten Grund für die Verwendung schneller Dioden in dieser Art von Anwendung zu finden.