Puente rectificador: ¿4 diodos frente a un solo chip?

No puedo creer que haya escrito toda esa basura sobre diodos...

MUR860 sonará mejor, pero la explicación es un poco sutil:

Los diodos de silicio no se apagan instantáneamente. A medida que el voltaje a través del diodo se vuelve negativo, la corriente aún fluye en la dirección inversa por un corto tiempo, hasta que se eliminan las cargas almacenadas dentro del diodo. Cuando se hace esto, el diodo se apaga.

Diferentes diodos tienen características de recuperación muy diferentes, como se muestra en este diagrama de alcance:

( fuente )

De hecho, la corriente se vuelve negativa (la dirección "incorrecta" para un diodo) durante un tiempo que se denomina "tiempo de recuperación". El rojo tarda más.

En un convertidor DC-DC, es crucial tener un diodo que se apague rápidamente. Imagine usar el viejo 1N4001, con su tiempo de recuperación trr=30 µs en un convertidor CC-CC funcionando a 200 kHz (tiempo de ciclo de 5 µs). Ni siquiera tendría tiempo de apagarse. No funcionaría en absoluto. Esta es la razón por la cual los convertidores DC-DC usan diodos mucho más rápidos.

Ahora, volvamos a tus cosas de audio. Verifique los rastros rojos y morados de arriba, notará que el rojo tarda más, pero apaga la corriente suavemente. El violeta se apaga muy bruscamente, con un gran di/dt (4 amperios en 10 ns). No sucede así en un rectificador de 50Hz, la corriente no tiene tiempo de pasar a amperios antes de que el diodo se apague, solo unos pocos mA. Pero se entiende la idea.

Una vez que el diodo está apagado, ahora es un condensador. Cualquiera que sea la inductancia que haya en las pistas, cables, etc., formará un circuito de tanque LC con ella y sonará.

La cantidad de timbre depende de la nitidez del apagado y de la corriente a la que se produce el apagado. Los diodos de recuperación rápida y suave producen menos zumbido.

Ahora bien, este timbre suele ser de una frecuencia bastante alta. Además, el agudo di/dt en el apagado genera ruido de RF de banda ancha. Esto se acoplará a los circuitos cercanos, agregando todo tipo de ruido y basura a las señales sensibles. Esto no es audiofonía, solo ingeniería.

Dicho esto, MUR860 es costoso, por lo que puede usar diodos baratos con una recuperación lenta, si los tapa para absorber el pico de ruido de apagado. Todos los sintonizadores AM/FM alimentados por la red hacen esto, así como la mayoría de los equipos de audio de consumo. ¡Los fabricantes no pondrán una pieza a menos que sea necesaria! Todo está optimizado en costos. Pero sin las tapas, el sintonizador sería superado por el ruido y no recibiría la radio.

Luego puede agregar un amortiguador en el secundario del transformador para amortiguar el timbre del LC.

Pregunta: ¿Hay algún beneficio en el uso de diodos separados sobre un solo chip rectificador de puente?

El beneficio es que puede elegir una recuperación suave rápida o diodos schottky. Los puentes de diodos enlatados generalmente consisten en diodos ultralentos.

y si no, ¿por qué parece tan popular hacerlo?

Porque funciona. Tenga en cuenta que 4 gorras, a 3 centavos cada una, funcionan igual de bien, pero el factor de jactancia es menor. Los diodos rápidos son más sexys y obtienen más puntos de aceite de serpiente.

EDITAR , un antiguo rastro de alcance de mi disco duro ... BYV27-150 diodos rápidos y baratos, pequeño transformador de 12V 10VA.

El azul es el secundario del transformador. La parte superior plana es cuando el diodo está encendido, el capacitor de suministro se está cargando, lo que limita el voltaje en el secundario del transformador debido a la resistencia interna del devanado. El rastro azul hace un paso hacia abajo cuando el diodo se apaga. Es muy obvio, cae 1V, ¡no te lo puedes perder!

Tenga en cuenta que el diodo solo se apaga en el pico de la onda sinusoidal si la carga no consume corriente. Cuando la carga consume corriente, lo que suele ser el caso, el diodo se apaga después del pico.

Ahora, me gusta ver esto a través de un filtro de paso alto (trazo amarillo abajo). La amplitud se atenúa, ya que el filtro de paso alto debe usar un límite pequeño, alrededor de 100 pF, o de lo contrario rechazaría lo que quiero observar, por lo que la capacitancia de entrada del osciloscopio interactúa con él. Pero la forma general de la señal debería estar bien. Observe un pico agudo desagradable seguido de un timbre de HF. Los diodos Qrr más altos como 1N4001 serían mucho peores.

EDITAR 2

He estado restaurando un amplificador antiguo, cambiando los electrolíticos de 1979... y este amplificador no tiene tapas en el puente de diodos. Probablemente porque no tiene un sintonizador de AM. De todos modos, la forma de hacerlo es pegar la sonda del alcance en el aislante de uno de los cables secundarios del transformador. No es necesario hacer ningún tipo de contacto (excepto conectar a tierra la sonda, obviamente) Esta basura se acopla a través del aislamiento del cable y en la sonda del alcance.

Eso es un pico de recuperación del rectificador. Desafortunadamente, aparece como modo común en los cables del transformador, lo que significa que todo el devanado secundario actúa como antena y acoplará capacitivamente los picos en los circuitos cercanos. Las cosas de alta impedancia como el potenciómetro de volumen son las principales víctimas.

Esta es probablemente la razón por la que este amplificador tiene un transformador que está protegido dentro de una lata de metal. Habría sido más barato poner tapas en los diodos IMO ...

Ahora, por supuesto, también se puede medir el voltaje secundario, pegando la sonda en los terminales de la PCB:

Tiene el aspecto habitual: parte superior plana, luego un pico y una caída instantánea de unos pocos voltios cuando el diodo se apaga. Zoom en el pico:

Por lo tanto, los cables del transformador secundario tienen picos de 22 voltios (!!!!) con un tiempo de subida bastante rápido de 2 µs.

El problema no es que los diodos sean demasiado lentos para una rectificación adecuada (obviamente, la rectificación funciona bien). El problema ocurre cuando estos picos se acoplan a algún circuito sensible. Esto es difícil de evitar, ya que aparecen como modo común en los cables del transformador.

OTRA EDICIÓN

Cuando el osciloscopio no está de acuerdo con el simulador, uno o ambos pueden estar equivocados; sin embargo, siempre es útil modelar el circuito real (es decir, tener en cuenta la inductancia del transformador) y observar los parámetros del simulador...

Esto funciona como se esperaba. Debido a la inductancia del transformador (voltaje de retardo de corriente), el diodo se apaga un poco más tarde de lo que se esperaría de la comparación visual del voltaje sin carga del transformador (negro) y el voltaje del capacitor (verde). Un diodo perfecto también se apagaría en el mismo momento, luego el voltaje secundario del transformador volvería a su valor sin carga. Esto es normal.

Lo que agrega la recuperación es una pequeña cantidad de tiempo para que la corriente del diodo se vuelva negativa. Por lo tanto, cuando el diodo se bloquea, la corriente del inductor no es cero, sino unos pocos mA. Esto no es mucho, porque 50Hz es muy lento.

Sin embargo, cuando el diodo se apaga, el inductor es lo suficientemente grande como para producir un pico de voltaje negativo agudo que provoca un zumbido en el tanque LC formado por la inductancia y la capacitancia del diodo, lo cual es un problema de EMI.

En la vida real, el timbre es mucho más corto que el que se muestra aquí, porque el inductor tiene muchas pérdidas a alta frecuencia. Aquí suena a aproximadamente 1MHz.

El uso de diodos más rápidos (Qrr bajo) hace que se apaguen con una corriente negativa más baja, por lo que reduce la cantidad de energía disponible para excitar el timbre. Los diodos de recuperación suave producen un paso de corriente más suave, que tiene el mismo efecto. Entonces, los diodos de recuperación rápida/suave funcionan para reducir los problemas de EMI aquí. Pero una solución más barata es simplemente poner tapas en los diodos. Funciona igual de bien.

El rastro rojo no tiene tapas ni amortiguadores. Suena a 1MHz. Agregar un límite de 10 nF en el diodo reduce la frecuencia de llamada a 100 kHz (verde), lo que ya no es un problema, también suaviza los bordes, por lo que el problema de EMI desaparece. El azul tiene un amortiguador agregado (R3/C3). Mucho más limpio, pero no estrictamente necesario. Las pérdidas de hierro del transformador lo amortiguarían en su mayoría de todos modos.

Resumen: los diodos ultrarrápidos causan menos ruido, pero solo se debe a un sutil efecto secundario: permiten que se acumule menos corriente (y energía) en el inductor antes de apagarse, momento en el cual la energía almacenada en el inductor se convierte en timbre. Absorber la energía del inductor en un capacitor y disiparla en una resistencia amortiguadora es igual de bueno, de hecho, funciona mejor por menos dinero... lo que significa que no hay una ganancia real de costo/beneficio para los costosos diodos ultrarrápidos. Pero funcionan. Simplemente no son la solución óptima.

Casi invariablemente, el tipo de puente rectificador que muestra no es más barato que los diodos individuales y contiene los mismos diodos que podría usar en un puente discreto. Las unidades moldeadas son:
1. Por lo general, un montaje de un solo tornillo para facilitar el ensamblaje físico donde no hay PCB.
2. Más fácil de montar en un disipador de calor cuando está en una caja de aluminio (los tamaños más grandes) y puede tener conexiones de lengüeta para facilitar el cableado físico. 3. Típicamente para uso por debajo de 400 Hz

El TO220 y similares contendrán diodos discretos no encapsulados y conectados por cable. Estos factores de forma son mucho más fáciles de manejar (tanto humanos como ensamblados por máquinas)

Sin embargo, el MUR860 NO es un puente rectificador y es poco probable que se use en las mismas aplicaciones en las que se usan los puentes rectificadores moldeados. Este es un par de diodos de alta velocidad que se utiliza para cambiar las fuentes de alimentación y un dispositivo relativamente especializado.

Al observar el rendimiento de los rectificadores que funcionan a 50/60 Hz, puede utilizar el simulador de circuito CircuitLab.

Aquí hay un rectificador simple de media onda que usa un diodo 1N4001. Esto tiene un tiempo de recuperación inversa muy pobre, pero es intrascendente a 50/60 Hz. He agregado algo de resistencia en serie a la fuente de CA ya que en este simulador no es parte del elemento fuente.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Si ejecuta la simulación, verá que no se ve ninguna corriente de recuperación inversa. Esto se debe a que a 50/60 Hz la tasa de cambio de la fuente de voltaje es muy baja, por lo que cualquier energía almacenada en la unión se disipa fácilmente.

Sin embargo, la historia cambia si aumenta la frecuencia y, con solo 1 kHz, el tiempo de recuperación inversa se convierte en un factor. Si examina las curvas, verá que la I(RR) es de aproximadamente 130 mA.

Si vamos aún más allá a 20 kHz, puede ver que el diodo está seriamente comprometido tanto por el almacenamiento de carga de la unión como por el tiempo de recuperación inversa.

Entonces, mientras que los tiempos de recuperación inversa son un problema grave a altas frecuencias, a 50/60 Hz no lo son. Esto se debe principalmente a que la tasa de cambio de voltaje (dv/dt) es mucho más baja a bajas frecuencias.

¿Podría poner diodos de recuperación rápida en una aplicación de rectificador de 50/60 Hz? Seguro que podría. ¿Vería usted alguna mejora... muy, muy dudoso.

Retaría a cualquiera a encontrar una buena razón para usar diodos rápidos en este tipo de aplicación.