Retificador em ponte: 4 diodos vs. chip único?

Percebo (pelo menos entre os entusiastas de áudio de bricolage) que quando chegar a hora de projetar uma fonte de alimentação para um amplificador, DAC ou o que for que a lista de peças incluirá inevitavelmente algo como "4 x diodos MUR860" para construir uma fonte completa retificador de ponte de onda (MUR860 é uma opção particularmente popular).

No entanto, você obtém esses "chips" retificadores de ponte all-in-one que incluem essencialmente 4 diodos na configuração correta da ponte e:

1. geralmente são alojados em carcaças de metal que podem ser resfriadas se necessário
2. normalmente pode lidar com classificações de tensão / corrente muito mais altas
3. ocupam menos espaço físico / PCB do que 4 diodos discretos
4. muitas vezes custam menos de 4 diodos discretos!

Pergunta : Existe algum benefício no uso de diodos separados em um único chip retificador de ponte e, se não, por que parece tão popular? Isso é apenas sobre a satisfação de "fazer você mesmo", ou talvez algum fonoaudiólogo no trabalho? Obrigado!

Não posso acreditar que escrevi toda essa porcaria sobre diodos ...

O MUR860 realmente parecerá melhor, mas a explicação é um pouco sutil:

Os diodos de silício não desligam instantaneamente. À medida que a tensão no diodo fica negativa, a corrente ainda flui na direção reversa por um curto período de tempo, até que as cargas armazenadas dentro do diodo sejam eliminadas. Quando isso é feito, o diodo se apaga.

Diodos diferentes possuem características de recuperação muito diferentes, conforme mostrado neste gráfico de escopo:

( fonte )

De fato, a corrente fica negativa (a direção "errada" para um diodo) por um tempo chamado "tempo de recuperação". O vermelho leva mais tempo.

Em um conversor DC-DC, é crucial ter um diodo que se apague rapidamente. Imagine usar o bom e velho 1N4001, com seu tempo de recuperação trr = 30µs em um conversor DC-DC rodando a 200kHz (tempo de ciclo 5µs). Nem teria tempo para desligar. Não daria certo. É por isso que os conversores DC-DC usam diodos muito mais rápidos.

Agora, de volta ao seu material de áudio. Verifique os traços vermelho e roxo acima, você notará que o vermelho leva mais tempo, mas desliga a corrente suavemente. O roxo apaga-se muito acentuadamente, com enormes di / dt (4 A em 10ns). Isso não acontece assim em um retificador de 50Hz, a corrente não tem tempo para amplificar antes que o diodo desligue, apenas alguns mA. Mas você entendeu.

Uma vez que o diodo está desligado, agora é um capacitor. Qualquer indutância existente nos traços, fios, etc., formará um circuito de tanque LC com ele e tocará.

A quantidade de toques depende da nitidez do desligamento e da corrente na qual o desligamento ocorre. Os diodos de recuperação de rápida absorção produzem menos toques.

Agora, esse toque geralmente ocorre em uma frequência bastante alta. Além disso, o di / dt acentuado no desligamento gera ruído de banda larga de RF. Isso se encaixará nos circuitos próximos, adicionando todos os tipos de ruído e lixo aos sinais sensíveis. Isso não é audiófilo, apenas engenharia.

Dito isto, o MUR860 é caro, então você pode usar diodos baratos com recuperação lenta e lenta, se colocar tampas sobre eles para absorver o pico de ruído de desligamento. Todo sintonizador de AM / FM com alimentação elétrica faz isso, assim como a maioria dos equipamentos de áudio de consumo. Os fabricantes não participarão, a menos que seja necessário! Tudo é otimizado em termos de custos. Mas sem as tampas, o sintonizador seria superado pelo barulho e não receberia o rádio.

Em seguida, você pode adicionar um amortecedor no transformador secundário para amortecer o toque do LC.

Pergunta: Existe algum benefício no uso de diodos separados em um único chip retificador de ponte

O benefício é que você pode escolher uma recuperação rápida e flexível ou diodos schottky. As pontes de diodos em lata geralmente consistem em diodos ultra-lentos.

e se não, por que parece tão popular?

Porque funciona. Observe que 4 caps, com 3 centavos cada, funcionam da mesma maneira, mas o fator de gabar-se é menor. Diodos rápidos são mais sexy e ganham mais pontos de óleo de cobra.

EDIT , um rastreamento de escopo antigo do meu disco rígido ... diodos rápidos baratos BYV27-150, pequeno transformador de 12V 10VA.

Azul é secundário do transformador. A parte superior plana é quando o diodo está ligado, o capacitor de alimentação está carregando, limitando a tensão no secundário do transformador devido à sua resistência interna ao enrolamento. O traço azul desce quando o diodo é desligado. É muito óbvio, cai em 1V, não pode faltar!

Observe que o diodo somente desliga no pico da onda senoidal se a carga consumir corrente zero. Quando a carga consome corrente, o que geralmente ocorre, o diodo desliga após o pico.

Agora, eu gosto de assistir isso através de um filtro passa-alto (traço amarelo abaixo). A amplitude é atenuada, pois o filtro passa-alto deve usar uma tampa minúscula, cerca de 100pF, ou desprezaria o que eu quero observar, para que a capacitância de entrada do escopo interaja com ele. Mas a forma geral do sinal deve estar bem. Observe um pico acentuado desagradável seguido de toque de HF. Diodos Qrr mais altos, como 1N4001, seriam muito piores.

EDIT 2

Estou restaurando um amplificador antigo, mudando os eletrolíticos desde 1979 ... e esse amplificador não tem tampas na ponte de diodos. Provavelmente porque não possui um sintonizador de AM. De qualquer forma, a maneira de fazer isso é colocar a sonda de osciloscópio no isolador de um dos fios secundários do transformador. Não é necessário fazer nenhum tipo de contato (exceto aterrar a sonda obviamente). Este lixo é acoplado através do isolamento do fio e na sonda de osciloscópio.

Esse é um pico de recuperação do retificador. Infelizmente, ele aparece como modo comum nos fios do transformador, o que significa que todo o enrolamento secundário atua como antena e acopla capacitivamente os picos em circuitos próximos. Coisas de alta impedância, como o pote de volume, são as principais vítimas.

Provavelmente é por isso que esse amplificador possui um transformador blindado dentro de uma lata de metal. Teria sido mais barato colocar tampas nos diodos IMO ...

Agora, é claro que a tensão secundária também pode ser medida, colocando a sonda nos terminais da placa de circuito impresso:

Ele tem a aparência usual: topo plano, depois um pico e um instante caem alguns volts quando o diodo é desligado. Ampliando o pico:

Portanto, os fios do transformador secundário têm picos de 22 volts (!!!!) com um tempo de subida bastante rápido de 2µs.

O problema não é que os diodos sejam muito lentos para a retificação adequada (obviamente, a retificação funciona muito bem). O problema ocorre quando esses picos se acoplam a alguns circuitos sensíveis. Isso é difícil de evitar, pois eles aparecem como modo comum nos fios do transformador.

OUTRA EDIÇÃO

Quando o osciloscópio discorda do simulador, um ou ambos podem estar errados, no entanto, sempre ajuda a modelar o circuito real (ou seja, explicar a indutância do transformador) e observar os parâmetros do sim ...

Isso funciona como esperado. Devido à indutância do transformador (a tensão fica baixa), o diodo é desligado um pouco mais tarde do que seria esperado na comparação visual da tensão descarregada do transformador (preto) e da tensão do capacitor (verde). Um diodo perfeito também seria desligado no mesmo momento, e a tensão secundária do transformador retornaria ao seu valor descarregado. Isto é normal.

O que a recuperação adiciona é uma pequena quantidade de tempo para que a corrente do diodo fique negativa. Assim, quando o diodo bloqueia, a corrente do indutor não é zero, mas sim alguns mA. Isso não é muito, porque 50Hz é muito lento.

No entanto, quando o diodo se desliga, o indutor é grande o suficiente para produzir um pico agudo de tensão negativa que causa zumbido no tanque LC formado pela indutância e pela capacitância do diodo, que é um problema EMI.

Na vida real, o toque é muito menor do que o mostrado aqui, porque o indutor apresenta muitas perdas em alta frequência. Aqui ele toca a cerca de 1 MHz.

O uso de diodos mais rápidos (Qrr baixo) os faz desligar a uma corrente negativa mais baixa, reduzindo a quantidade de energia disponível para excitar o toque. Os diodos de recuperação suave produzem uma etapa atual mais suave, que tem o mesmo efeito. Portanto, os diodos de recuperação rápida / suave funcionam para reduzir os problemas de EMI aqui. Mas uma solução mais barata é colocar tampas nos diodos. Funciona tão bem.

O traço vermelho é sem tampas e sem amortecedor. Toca a 1 MHz. A adição de uma tampa de 10nF no diodo reduz a frequência de toque para 100kHz (verde), o que não é mais um problema, mas também suaviza as bordas; portanto, o problema EMI desaparece. O azul é adicionado ao amortecedor (R3 / C3). Muito mais limpo, mas não estritamente necessário. As perdas de ferro do transformador geralmente o amorteciam.

Resumo: Os diodos superfastos causam menos ruído, mas é apenas por causa de um efeito colateral sutil: eles acumulam menos corrente (e energia) no indutor antes de desligar, momento em que a energia armazenada do indutor é transformada em zumbido. Absorver a energia do indutor em um capacitor e dissipá-lo em um resistor de amortecedor é tão bom quanto, na verdade, funciona melhor por menos dinheiro ... o que significa que não há ganho de custo / benefício real para diodos super-rápidos caros. Mas eles trabalham. Eles simplesmente não são a solução ideal.

Quase invariavelmente, o tipo de retificador de ponte que você mostra não é mais barato que os diodos individuais e contém os mesmos diodos que você pode usar em uma ponte discreta. As unidades moldadas são:
1. Normalmente, uma montagem com um único parafuso para facilitar a montagem física onde não há PCB mais fácil.
2. Mais fácil de montar em um dissipador de calor quando estiver em um gabinete de alumínio (tamanhos maiores) e você pode ter conexões com guias para facilitar a fiação física. 3. Normalmente para uso abaixo de 400 Hz

O TO220 e similares conterão diodos discretos ligados a fio e não encapsulados. Esses fatores de forma são muito mais fáceis de manusear (montagem humana e máquina)

No entanto, o MUR860 NÃO é um retificador de ponte e dificilmente será usado nas mesmas aplicações em que você usa retificadores de ponte moldados. Este é um par de diodos de alta velocidade usado na comutação de fontes de alimentação e em um dispositivo relativamente especializado.

Ao observar o desempenho dos retificadores operando a 50/60 Hz, você pode usar o simulador de circuito CircuitLab.

Aqui está um retificador de meia onda simples usando um diodo 1N4001. Isso tem um tempo de recuperação reversa muito ruim, mas é inconseqüente em 50/60 Hz. Eu adicionei alguma resistência em série à fonte CA, pois neste simulador não faz parte do elemento fonte.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Se você executar a simulação, verá que não há corrente de recuperação reversa. Isso ocorre porque, a 50/60 Hz, a taxa de alteração da fonte de tensão é muito baixa, portanto, qualquer energia armazenada na junção é dissipada facilmente.

No entanto, a história muda se você aumentar a frequência e, em apenas 1 kHz, o tempo de recuperação reversa se torna um fator. Se você examinar as curvas, verá que o I (RR) é de cerca de 130 mA.

Se formos ainda mais longe para 20 kHz, você poderá ver que o diodo está seriamente comprometido pelo armazenamento da carga de junção e pelo tempo de recuperação reversa.

Portanto, embora os tempos de recuperação reversa sejam um problema sério em altas frequências, a 50/60 Hz, eles não são. Isso ocorre principalmente porque a taxa de mudança de tensão (dv / dt) é muito mais baixa em baixas frequências.

Você poderia colocar diodos de recuperação rápida em um aplicativo retificador de 50/60 Hz, com certeza? Você veria alguma melhora ..... muito, muito duvidosa.

Desafio qualquer um a encontrar um bom motivo para usar diodos rápidos nesse tipo de aplicativo.