Мостовой выпрямитель: 4 диода против одного чипа?

8

4 диода против мостового выпрямителя

Я замечаю (по крайней мере, среди любителей аудио DIY), что когда придет время разработать блок питания для усилителя, ЦАП или чего-то еще, что список запчастей неизбежно будет включать что-то вроде «4 x MUR860 диода» ради создания полного волновой мостовой выпрямитель (особенно популярен MUR860).

Однако вы получаете эти «микросхемы» мостового выпрямителя «все в одном», которые по существу включают 4 диода в правильной конфигурации моста, и:

  1. часто размещаются в металлических оболочках, которые при необходимости могут быть охлаждены
  2. как правило, может обрабатывать гораздо более высокое напряжение / ток
  3. занимают меньше места на физической плате, чем 4 дискретных диода
  4. часто стоят менее 4-х дискретных диодов!

Вопрос : Есть ли какие-либо преимущества в использовании отдельных диодов по сравнению с микросхемой выпрямителя с одним мостом, и если нет, то почему это так популярно? Речь идет об удовлетворении от "создания этого самостоятельно" или, возможно, о какой-то аудиофолерии на работе? Спасибо!

abza
источник
3
Обучение тому, как построить мостовую выпрямительную схему, популярно в школе, поэтому вы обычно используете для ее изготовления одиночные диоды. В реальном мире вам необходимо поддерживать как можно меньшую схему, сохраняя при этом производительность. Вот почему вам нужно использовать один чип вместо четырех диодов.
12
4
Возможно, вы видели эту статью . Один парень утверждает, что MUR860 звучит лучше, чем все остальные диоды, и все остальные куклы следуют.
Стив Г
1
Одна конкретная причина часто связана с покупками. Если это простой диод, например, 1N4004, ваша компания может купить их практически бесплатно. Таким образом, использование четырех из них вместо заказа небольших количеств нового компонента по более высокой цене становится менее привлекательным. Мудрый след, он часто не имеет большого значения, а при автоматической сборке труд не является проблемой. Дальнейшее распределение мощности по четырем частям часто устраняет необходимость в радиаторе.
Trevor_G
@Trevor, поскольку формованный мост обычно содержит ту же деталь, которую вы бы использовали в качестве дискретного (скажем, 1N400), а пластиковое литье является относительно плохим проводником тепла ... формованный мост будет хуже термически, чем дискретные детали.
Джек Криси
2
Обратите внимание, что цельный мостовой выпрямитель не является «однокристальным» (монолитным) - внутри это четыре отдельных диода, установленных на специальной свинцовой раме. С другой стороны, двойные диоды (например, в корпусах SOT-23 или TO-220) обычно являются монолитными.
Дэйв Твид

Ответы:

13

Не могу поверить, что я написал все это дерьмо о диодах ...

MUR860 действительно будет звучать лучше, но объяснение немного тонкое:

Кремниевые диоды не выключаются мгновенно. Поскольку напряжение на диоде становится отрицательным, ток все еще течет в обратном направлении в течение короткого времени, пока заряды, хранящиеся внутри диода, не будут очищены. Когда это будет сделано, диод выключится.

Различные диоды имеют совершенно разные характеристики восстановления, как показано на этом графике:

введите описание изображения здесь

( источник )

Ток действительно становится отрицательным («неправильное» направление для диода) в течение времени, которое называется «временем восстановления». Красный занимает больше времени.

В преобразователе постоянного тока важно иметь диод, который быстро отключается. Представьте себе старый добрый 1N4001 с временем восстановления trr = 30 мкс в преобразователе постоянного тока, работающем на частоте 200 кГц (время цикла 5 мкс). Он даже не успел выключиться. Это не сработает вообще. Вот почему в преобразователях постоянного тока используются гораздо более быстрые диоды.

Теперь вернемся к вашему аудио материалу. Проверьте красный и фиолетовый следы выше, вы заметите, что красный занимает больше времени, но плавно отключает ток. Фиолетовый выключается очень резко, с огромным ди / дт (4 ампера как 10 нс). В выпрямителе с частотой 50 Гц такого не происходит, ток не успевает перейти в амперы до выключения диода, всего несколько мА. Но Вы получаете идею.

Как только диод выключен, это теперь конденсатор. Какая бы индуктивность ни находилась в следах, проводах и т. Д., Вокруг нее образуется цепь LC-бака с кольцом.

Количество звонков зависит от резкости выключения и тока, при котором происходит выключение. Быстро-мягкие восстановительные диоды производят меньше звонков.

Теперь этот звонок обычно на довольно высокой частоте. Также резкий di / dt при выключении генерирует широкополосный радиочастотный шум. Это соединит в соседнюю схему, добавив все виды шума и мусора к чувствительным сигналам. Это не аудиофоолерия, просто инженерия.

Тем не менее, MUR860 стоит дорого, поэтому вы можете использовать дешевые диоды с медленным восстановлением, если вы наденете на них колпачки, чтобы поглотить всплеск шума при отключении. Это делает каждый AM / FM-тюнер с питанием от сети, а также большинство потребительского аудиооборудования. Производители не будут принимать участие, если это не нужно! Все оптимизировано по стоимости. Но без колпачков тюнер будет побежден шумом и не получит радио.

Затем вы можете добавить демпфер на вторичной обмотке трансформатора, чтобы ослабить звено LC.

Вопрос: Есть ли преимущества в использовании отдельных диодов по сравнению с микросхемой выпрямителя с одним мостом?

Преимущество в том, что вы можете выбрать быстрое мягкое восстановление или диоды Шоттки. Консервированные диодные мосты обычно состоят из сверхмалых диодов.

и если нет, то почему это так популярно?

Потому что это работает. Обратите внимание, что 4 колпачка по 3 цента работают одинаково хорошо, но коэффициент бахвальства меньше. Быстрые диоды сексуальнее и дают больше очков змеиного масла.

РЕДАКТИРОВАТЬ , старый след от моего жесткого диска ... BYV27-150 дешевые быстрые диоды, маленький 12V 10VA трансформатор.

Синий - это вторичный трансформатор. Плоская верхняя часть - это когда диод включен, питающий конденсатор заряжается, ограничивая напряжение на вторичной обмотке трансформатора из-за его внутреннего сопротивления обмотки. Синий след делает шаг вниз, когда диод выключается. Это очень очевидно, оно падает на 1 В, не может пропустить это!

введите описание изображения здесь

Обратите внимание, что диод выключается только на пике синусоиды, если нагрузка потребляет нулевой ток. Когда нагрузка потребляет ток, как это обычно бывает, диод выключается после пика.

Теперь мне нравится смотреть это через фильтр верхних частот (желтый след ниже). Амплитуда ослаблена, поскольку фильтр верхних частот должен использовать крошечный колпачок, около 100 пФ, иначе это может привести к тому, что я хочу наблюдать, поэтому входная емкость прицела взаимодействует с ним. Но общая форма сигнала должна быть в порядке. Обратите внимание на резкий резкий скачок, за которым следует высокочастотный звонок. Диоды с более высоким Qrr, такие как 1N4001, были бы намного хуже.

введите описание изображения здесь

РЕДАКТИРОВАТЬ 2

Я восстанавливал старый усилитель, менял электролитику с 1979 года ... и этот усилитель не имеет заглушек на диодном мосту. Возможно, потому что у него нет AM-тюнера. В любом случае, способ сделать это - прикрепить пробник на изоляторе одного из вторичных проводов трансформатора. Нет необходимости устанавливать какие-либо контакты (кроме, очевидно, заземления зонда). Этот мусор проходит через изоляцию провода и в зонд области.

введите описание изображения здесь

Это спайк восстановления выпрямителя. К сожалению, на проводах трансформатора это проявляется как обычный режим, что означает, что вся вторичная обмотка действует как антенна и будет емкостно соединять пики в соседних цепях. Материал с высоким импедансом, такой как объемный горшок, является главной жертвой.

Вероятно, поэтому этот усилитель имеет трансформатор, который экранирован внутри металлической банки. Было бы дешевле поставить заглушки через диоды ИМО ...

введите описание изображения здесь

Теперь, конечно, вторичное напряжение также можно измерить, прикрепив щуп к клеммам платы:

введите описание изображения здесь

Он имеет обычный вид: плоский верх, затем шип и мгновенное падение на несколько вольт при выключении диода. Масштабирование на шипе:

введите описание изображения здесь

Итак, вторичные трансформаторные провода имеют пики на 22 вольт (!!!!) с довольно быстрым временем нарастания 2 мкс.

Проблема не в том, что диоды слишком медленные для правильной выпрямления (очевидно, выпрямление работает просто отлично). Проблема возникает, когда эти пики соединяются в какую-то чувствительную схему. Этого трудно избежать, так как они выглядят как синфазные на проводах трансформатора.

ДРУГОЕ РЕДАКТИРОВАНИЕ

Когда осциллограф не согласен с симулятором, один или оба могут быть ошибочными, однако это всегда помогает моделировать реальную цепь (т. Е. Учитывать индуктивность трансформатора) и наблюдать за параметрами симулятора ...

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь

Это работает как ожидалось. Из-за индуктивности трансформатора (напряжение запаздывает по току), диод выключается немного позже, чем можно было бы ожидать из визуального сравнения напряжения ненагруженного трансформатора (черный) и напряжения конденсатора (зеленый). Идеальный диод также выключился бы в тот же момент, а затем вторичное напряжение трансформатора вернулось бы к своему незагруженному значению. Это нормально.

То, что добавляет восстановление, - это крошечное время, чтобы ток диода стал отрицательным. Таким образом, когда диод блокируется, ток индуктора не равен нулю, а составляет несколько мА. Это не много, потому что 50 Гц очень медленный.

Тем не менее, когда диод выключается, индуктор становится достаточно большим, чтобы вызвать резкий всплеск отрицательного напряжения, который вызывает звон в баке LC, образованный индуктивностью и емкостью диода, что является проблемой электромагнитных помех.

В реальной жизни звон намного короче, чем показано здесь, потому что индуктор имеет много потерь на высокой частоте. Здесь он звучит с частотой около 1 МГц.

Использование более быстрых диодов (низкий Qrr) заставляет их отключаться при более низком отрицательном токе, что уменьшает количество энергии, доступной для возбуждения звонка. Мягкие восстанавливающие диоды производят более плавный шаг тока, что дает тот же эффект. Таким образом, диоды быстрого / мягкого восстановления работают, чтобы уменьшить проблемы с электромагнитными помехами. Но более дешевое решение - просто поставить заглушки на диоды. Это работает так же хорошо.

введите описание изображения здесь

Красный след без колпачков и без демпфера. Звонит с частотой 1 МГц. Добавление 10нФ ограничения на диод снижает частоту звонка до 100 кГц (зеленый), что больше не проблема, это также сглаживает края, поэтому проблема электромагнитных помех исчезла. Синий с добавленным демпфером (R3 / C3). Гораздо чище, но не обязательно. В любом случае, потери в трансформаторе от железа, в основном, ослабят его.

введите описание изображения здесь

Краткое описание: Сверхбыстрые диоды вызывают меньше шума, но это только из-за незначительного побочного эффекта: они позволяют накапливаться меньшему току (и энергии) в индукторе перед выключением, после чего накопленная энергия индуктора превращается в звон. Поглощение энергии индуктивности в конденсаторе и рассеивание ее в демпфирующем резисторе столь же хорошо, на самом деле это работает лучше за меньшие деньги ... что означает, что для дорогих сверхбыстрых диодов нет никакого реального выигрыша в затратах / выгодах. Но они работают. Они просто не оптимальное решение.

peufeu
источник
1
Когда выпрямленный выход мостового выпрямителя встречает конденсаторы фильтра, какая разница в тонкой харизматичности различных диодов?
Майк Уотерс
Закрывающий диод имеет очень высокое значение di / dt, он излучает широкополосный импульсный радиосигнал. Большой сглаживающий колпачок имеет> 20 нГн индуктивность плюс индуктивность следа и ничего не фильтрует на ВЧ. Плюс проводка трансформатора и выпрямительный мост через отверстие действуют как рамочные антенны. Размещение заглушек прямо на диодах уменьшает площадь рамочной антенны, делая ее гораздо менее эффективной при излучении мусора. Расположение важно, заглушки должны быть прямо через диоды.
peufeu
Спасибо за это - скорость диодов прямо ответила на мой вопрос о преимуществах использования отдельных диодов. Приветствия - у меня есть много чтения, чтобы сделать!
Абза
3
Это совершенно ошибочное описание решения для выпрямителя, работающего при 50/60 Гц. Чтобы действительно нуждаться в быстрых восстановительных диодах, вам нужно иметь быструю скорость dV / dt для входящего сигнала. Для выпрямленной синусоидальной волны скорость изменения равна 0, когда сигнал достигает своего пика. При этом модель диода Vf и последовательный резистор, а выход - конденсатор. Прямой ток на самом деле медленно исчезает. Нет быстрого переходного напряжения, требующего быстродействующего переключающего диода.
Джек Криси
Диоды не прекращают проводить в верхней части синусоиды, но чуть позже, если нагрузка не потребляет нулевой ток. Смотрите правки.
peufeu
4

Почти всегда тип мостового выпрямителя, который вы показываете, не дешевле, чем отдельные диоды, и содержит те же диоды, которые вы могли бы использовать в дискретном мосту. Формованные блоки:
1. Как правило, монтируется одним винтом, чтобы облегчить физическую сборку там, где нет печатной платы.
2. Легче монтировать на радиаторе в алюминиевом корпусе (больших размеров), и вы можете иметь разъемы Tab для удобного физического подключения. 3. Обычно для использования ниже 400 Гц

TO220 и тому подобное будут содержать проводные и неинкапсулированные дискретные диоды. С этими форм-факторами гораздо проще работать (как для людей, так и для машин).

MUR860 это НЕ мостовой выпрямитель , однако , и вряд ли будет использоваться в тех же приложениях , которые вы видите отлитые мостовые выпрямители используются. Это высокоскоростная диодная пара, используемая для переключения источников питания, и относительно специализированное устройство.

Джек Криси
источник
10
Ах, но это мир "аудиофилов", где часто нормальные правила и здравый смысл не применяются. Некоторые люди платят к северу от 1000 долларов за линейные шнуры переменного тока, потому что они должны улучшить звучание вашего усилителя. Может быть, у них есть бескислородная медь. То же самое для проводов динамика. Если я правильно помню, у кого-то был специальный кирпич, который вы могли бы поставить на свой усилитель, который также улучшил бы качество звука. (Конечно, есть здравомыслящие аудиофилы, просто много дезинформации и много мошенников.)
John D
1
@JohnD. Аудиофил не учитывается ... вот почему вы видите такие продукты, как кабели Monster по грабительским ценам. Грустно на самом деле.
Джек Криси
1
@johnD - 1000 долларов - ничто. Есть люди тратят 10000 USD получать отдельные коммунальные столбы установлены: wsj.com/articles/...
Whiskeyjack
1
@Whiskeyjack Удивительно. Как вы думаете, студия звукозаписи, которая сделала запись, которую слушал парень, заплатила за свой собственный шест, чтобы запитать все оборудование для записи и мастеринга, LOL?
Джон Д
@johnD - я серьезно хочу тайно изменить их настройку на обычные провода и вспомогательные полюса и посмотреть, чувствуют ли они какую-либо разницу. А если нет, то расскажите им об этом и посмотрите их реакцию.
Whiskeyjack
2

Если посмотреть на производительность выпрямителей, работающих на частоте 50/60 Гц, вы можете использовать симулятор цепи CircuitLab.

Вот простой полуволновой выпрямитель с диодом 1N4001. Это имеет очень плохое время обратного восстановления, но оно несущественно при 50/60 Гц. Я добавил некоторое последовательное сопротивление к источнику переменного тока, поскольку в этом симуляторе он не является частью элемента источника.

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Если вы запустите симуляцию, вы увидите, что обратного тока восстановления не видно. Это связано с тем, что при 50/60 Гц скорость изменения источника напряжения очень низкая, поэтому любая энергия, накопленная в соединении, легко рассеивается.

введите описание изображения здесь

Однако история изменится, если вы повысите частоту, и только на 1 кГц обратное время восстановления действительно станет фактором. Если вы посмотрите на кривые, вы увидите, что I (RR) составляет около 130 мА.

введите описание изображения здесь

Если мы пойдем еще дальше до 20 кГц, вы увидите, что диод серьезно скомпрометирован как накоплением заряда на переходе, так и временем обратного восстановления.

введите описание изображения здесь

Поэтому, хотя обратное время восстановления является серьезной проблемой на высоких частотах, при 50/60 Гц это не так. Это связано прежде всего с тем, что скорость изменения напряжения (dv / dt) на низких частотах намного ниже.

Не могли бы вы добавить быстрые восстановительные диоды в выпрямитель с частотой 50/60 Гц? Видите ли вы какие-либо улучшения ..... очень, очень сомнительно.

Я бы посоветовал кому-нибудь найти вескую причину для использования быстрых диодов в этом типе приложений.

Джек Криси
источник
Просто. Когда симуляция показывает сильно отличающиеся результаты от осциллографа, симуляция обычно неверна;) Наиболее вероятные объяснения: выпрямители в тестируемом мной усилителе могут работать медленнее, чем 1N4001 (в конце концов, они почти 40-летней технологии), и вы забыли трансформатор индуктивность. Я снова запустил ваш сим с R1 = 0R2 с последовательностью 100 мкГн, R2 = 120R, временным шагом 1 мкс (очень важно), 50 Гц, и получил пик, как и ожидалось. Это проблема электромагнитных помех, которая может иметь или не иметь значения, в зависимости от того, какие соседние цепи могут усиливать шум.
peufeu
@peufeu. Но симуляция показывает именно те результаты, которые вы увидите в CRO. Вы продолжаете обсуждать, когда диод «отсоединяется» и тому подобное. Они не, они не активные устройства. Единственный случай, когда вы можете ожидать переходного поведения, - это когда на вас воздействует прямоугольная волна с очень большими краями dv / dt. Измените симуляцию на прямоугольную волну, чтобы понять, что я имею в виду. Вы даете характеристики диодов, которых у них нет, основываясь на неправильной интерпретации (или измерении) сигналов. Но, как всегда, вы можете иметь свое мнение.
Джек Криси
Хм, может я неправильно это объяснил. Я сделал еще одну попытку, проверить это LOL
peufeu